膜分离徐伟PPT课件.ppt

膜分离 一 膜分离概述 二 膜分离的种类 三 膜分离的应用前景 1 膜分离的特点2 膜的分类3 基本特征4 表征参数5 膜传递过程模型 1 反渗透2 微滤3 超滤4 电渗析5 其他膜分离 1 膜分离概述 膜分离是以具有选择透过功能的薄膜为分离介质 透过在膜两侧施加一种或多种推动力 使原料中的某组分选择性的优先透过膜 从而达到混合物分离和产物的提取 浓缩 纯化等目的 2 膜分离技术装置展示 3 膜分离特点 膜分离过程不发生变化 与其他方法相比耗能较低 能量的转化效率高 膜分离过程可在常温下进行 特别适于对热敏感物质的分离 通常不需要投加其他物质 可节省化学药剂 并有利于不改变分离物质的原有的属性 在膜分离过程中 分离和浓缩同时进行 有利于回收所有有价值的物质 膜分离装置简单 可实现连续分离 适应性强 操作容易且易于实现自动控制 4 膜的分类 按分离机理 主要有反应膜 离子交换膜 渗透膜等按膜的性质 主要有天然膜 生物膜 和和成膜 有机膜和无机膜 按膜的形状 有平板膜 管式膜和中空纤维膜按膜的结构 有对成膜 非对称膜和复合膜 5 几种工业化膜过程的基本特征 6 几种工业化膜过程的基本特征 7 渗透性 选择性 1 2 膜分离的表征参数 8 膜分离的表征参数 当渗透物为水时 称为水通量Nw 对于气体和蒸气的传递 也可用相同的通量单位 但含义不同 因为气体的行为不同于液体 其体积取决于压力和温度 标况 渗透性 1 渗透性也称为通量或渗透速率 表示单位时间通过单位面积膜的渗透物的量 可以用体积通量Nv表示 单位为m3 m2 s 渗透性反映了膜的效率 生产能力 注意 压力推动型膜过程的通量及压力范围 9 选择性 2 膜分离的表征参数 膜分离的选择性是指在混合物的分离过程中膜将各组分分离开来的能力 对于不同的膜分离过程和分离对象 其选择性可用不同的方法表示 CF CPCF CF 过滤原料中溶质的物质的量浓度 CP 渗透物中溶质的物质的量浓度 10 多孔模型 1 膜传递过程模型 多孔模型是借助Kozeny Carman方程来描述流体透过膜的过程 该模型可以用于描述多孔膜中的传递过程 多孔膜一般用于微滤和超滤过程 多孔模型可以看成一个由一系列平行的毛细管体系组成的膜结构 在该模型中 是将多孔膜简化成一个由一系列平行的毛细管体系组成的膜结构 11 溶解 扩散模型 2 膜传递过程模型 主要用于描述致密膜 无孔膜 的传递过程 渗透蒸发 气体分离 溶剂和溶质透过膜的过程分为3步 溶剂和溶质在化学位梯度下 以分子扩散形式透过膜 透过物在膜下游侧表面解吸 2 3 溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解 1 溶剂和溶质的渗透能力取决于物质在膜中的溶解度和扩散系数 渗透系数 K 溶解度系数 H 扩散系数 D 即 12 反渗透过程主要是根据溶液的吸附扩散原理 以压力差为主要推动力的膜过程 在浓溶液一侧施加以外加压力 0 1 10MPa 当此压力大于溶液的渗透压时 就会迫使浓溶液的容积反向透过孔径为 0 0001 0 001um 的非对称膜流向稀溶液一侧 这一过程叫反渗透 一 反渗透 13 反渗透的应用 1 海水和苦咸水淡化2 废水和有害废水的处理工业废水市政废水3 化学加工工业的应用电镀和金属抛光工业造纸工业纺织工业石油工业电力工业4 食品加工工业的应用 水处理产品回收浓缩和脱水分馏 14 二 微滤 微滤又称微孔过滤 属于精密过滤 微滤装置能够过滤微米级 m 或纳米级 nm 的微粒和细菌 截留溶液中的砂砾 淤泥 黏土等颗粒和贾第虫 隐抱子虫 藻类和一些细菌等 而大量溶剂 小分子及少量大分子溶质都能透过膜的分离过程 15 1 微滤设备的原理 微滤设备的基本原理是筛分过程 操作压力一般在0 7 7kPa 原料液在静压差作用下 透过微滤设备的过滤材料 微滤装置的过滤材料可以分为多种 比如折叠滤芯 熔喷滤芯 布袋式除尘器 微滤膜等 微滤设备使用纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜 利用其均一孔径 来截留水中的微粒 细菌等 使其不能通过微滤装置的微滤膜而被去除 2 微滤的应用微滤装置使用的微孔膜的规格目前有十多种 孔径范围为0 1 75 m 微滤装置在制药 饮料 饮用水 食品 电子 石油化工 分析检测和污水处理等领域有较广泛的应用 16 微滤机 一微滤机的原理 微滤机是采用80 200目 平方英寸的微孔筛网固定在转鼓型过滤设备上 通过截留水体中固体颗粒 实现固液分离的净化装置 并且在过滤的同时 可以通过转鼓的转动和反冲水的作用力 使微孔筛网得到及时的清洁 使设备始终保持良好的工作状态 微滤机供水厂 污水处理厂 钢铁 冶金 石油 化工 电力 造纸 纺织 印染 酿造 精细化工 制药 煤矿 食品饮料 屠宰 电镀 表面工程及其它行业 二微滤机的应用 微滤机 17 三 超滤 超滤是以压力为推动力的膜分离技术之一 以大分子与小分子分离为目的 膜孔径在20 1000A 之间 中空纤维超滤器 膜 具有单位溶器内充填密度高 占地面积小等优点 超滤设备 18 1 超滤设备的原理 超滤设备工作过程中 水溶液在压力推动下 流经膜表面 小于膜孔的深剂 水 及小分子溶质透水膜 成为净化液 滤清液 比膜孔大的溶质及溶质集团被截留 随水流排出 成为深缩液 超滤设备的工作过程是动态过滤 分离是在流动状态下完成的 溶质仅在膜表面有限沉积 超滤速率衰减到一定程度而趋于平衡 且通过清洗可以恢复超滤设备工作性能 超滤装置如同反渗透装置 有板式 管式 内压列管式和外压管束式 卷式 中空纤维式等形式 超滤装置的优点是操作简便 成本低廉 不需增加任何化学试剂 尤其是超滤技术的实验条件温和 与蒸发 冷冻干燥相比没有相的变化 而且不引起温度 pH的变化 因而超滤设备可以防止生物大分子的变性 失活和自溶 在生物大分子的制备技术中 超滤装置主要用于生物大分子的脱盐 脱水和浓缩等 2 超滤的应用 19 2019 12 30 20 四 电渗析 一 电渗析过程的基本原理 二 电渗析中的传递过程 三 离子交换膜 1 同性离子迁移2 电解质的浓差扩散3 水的电渗析4 压差渗漏5 水的电解 21 一 气体膜分离气体膜分离是一种很简单的气体混合物的分离技术 常用的气体膜分离有多孔膜和致密膜两种 一般认为气体通过多孔膜与致密膜的机理是不同的 分别可用多孔扩散机理和溶解 扩散机理解释 五 其他膜分离 二 渗透汽化渗透汽化又称为渗透蒸发 是有相变的膜渗透过程 膜上游物料为液体混合物 下游透过侧为蒸汽 膜上游物料的混合物在膜两侧压差的作用下 利用膜对被分离混合物中某组分有优先选择性透过的特点 使料液侧优先渗透组分渗透通过膜 在膜下游侧汽化去除 从而达到从混合物分离提纯的目的 22 一 气体膜分离 气体膜分离是指在压力差或压力比为推动力的作用下 利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程 气体膜分离过程的关键是膜材料 理想的气体分离膜材料应该同时具有良好的分离性能 优良的热和化学稳定性 较高的机械强度 通常的气体分离用膜可分为多孔质和非多孔质 均质膜 两类 它们各由无机物和有机高分子材料制成 气体膜分离技术的特点是 分离操作无相变化 不用加入分离剂 是一种节能的气体分离方法 它广泛应用于提取或浓缩各种混合气体中的有用成分 具有广阔的应用前景 23 气体膜分离 常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种 它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成 膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响 例如 氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍 气体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性 24 25 气体分离膜的主要特性参数 1 渗透系数Q表示气体通过膜的难易程度 是体现膜性能的重要指标 它因气体的种类 膜材料的化学组成和分子结构的不同而异 当同一种气体透过不同的气体分离膜时 Q主要取决于气体在膜中的扩散系数 而同一种膜对不同气体进行透过时 Q的大小主要取决于气体对膜的溶解系数 单位 cm3 STP cm cm2sPa Q值一般10 8 10 14 2 扩散系数 D 用渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积来表示 它随气体分子量的增大而减小 26 3 分离系数它标志膜的分离选择性能 4 溶解度系数S表示膜收拢气体能力的大小 它与被溶解的气体及高分子种类有关 27 气体膜分离的应用 1 氢的分离回收 2 空气分离 3 酸性气体的分离回收 4 气体脱湿 5 有机蒸气分离回收 6 集成工艺 28 NO 1 不断开发研制高效的气体分离膜材料研究发现 大多数聚合物都存在渗透性和选择性相反的关系 聚合物的选择性加强 渗透量就减少 不足以维持大规模的生产需求 因此 研究新的聚合物材料 打破渗透性和选择性的上限关系 已成为研究的重点 29 NO 2 积极开发膜组件组合及优化目前市场上的膜组件有空心纤维膜组件 卷绕式膜组件及垫套式膜组件等 各种膜组件的性能良好 但也都有缺点 如螺旋卷绕式膜组件的粘合技术较低 粘合宽度的减少等还必须不断的加以改进及优化 使得高科技产品和先进的生产工艺相结合 从而推动我国膜分离技术的发展 30 NO 3 发展集成分离技术任何一种分离技术都有其技术边界和经济边界 在某些特定的分离对象和工况条件下优势最为明显 膜分离技术也是同样 采用膜分离技术与其它技术集成 实现最优的工艺组合和最低的经济投资是气体膜分离技术发展的方向 同时也扩大了气体膜分离技术应用的领域和适用范围 如采用固体脱硫和膜法脱水相结合 进行天然气外输前的净化处理 另外 采用膜分离和冷凝法相结合 来净化和回收有机蒸汽中的卤代烃 31 二 渗透汽化 基本概念渗透汽化是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下 利用组分通过膜的溶解与扩散速率的不同来实现分离的过程 分离目的 挥发性液体混合物的分离 推动力 分压差 浓度差截流组分 不易溶解组分或较大 较难挥发物透过组分 膜内易溶解或易挥发组分料液物态 原料为液体 透过物为汽态透过组分在料液中的含量 少量组分 32 渗透汽化基本原理 为了增大过程的推动力 提高组分的渗透通量 一方面要提高料液温度 通常在流程中设预热器 另一方面要降低膜后侧组分的蒸气分压 原料液进入膜组件 因为膜后侧处于低压 易挥发组分通过膜后即汽化成蒸气 蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去 使渗透过程不断进行 原液中各组分通过膜的速率不同 透过膜快的组分就可以从原液中分离出来 膜组件流出的渗余物是纯度较高 透过速率较慢的组分 33 四 渗透汽化的分类 真空渗透汽化热渗透汽化载气吹扫渗透汽化使用可凝性载气的渗透汽化渗透液冷凝分相后部分循环 34 4 有机混合物脱水 1 2 3 5 易挥发有机溶剂的 浓缩 回收 废气回收 有机合成产物脱除小分子 有机 有机混合物的分离 35 渗透汽化优势及发展趋势 在循环经济和可持续发展的理念日益深入人心的今天 渗透汽化膜技术以其固有的能耗低 质量好 污染少 工艺过程简单 操作简便等特点 越来越得到人们的认可 其前景是非常光明的 据统计在石油化工 精细化工和医药化工领域 我国目前每年大约有近亿吨的溶剂脱水需求 渗透汽化膜技术大有可为 面临能源日趋短缺的形势 燃料乙醇等新型能源方兴未艾 更为渗透汽化膜技术提供了广阔的发