膜分离技术绪论ppt课件.ppt

膜分离技术 材料科学与工程学院 授课班级 材料16级 分离膜与膜过程国家重点实验室 1 课程概况 课程名称 膜分离技术Thetechnologyofmembraneseparation课程编号 10230412学分数 2学分开课单位 材料科学与工程学院课内总学时 30授课对象 材料专业本科生任课教师 答疑 6B429 cuizheyhh 2 重要性 学习这门课能给我们带来什么Whatcanwelearnfromthiscurriculum EnergyWater 3 膜属于新兴的交叉学科Interdiscipline 必要性 工业大学膜研究地位与特色Statusandcharacteristics 提高自身知识水平Increase broadening 了解未来发展动态Development 学习这门课能给我们带来什么whatcanwelearnfromthiscurriculum 4 天津工业大学 引领中空纤维分离膜产业的发展膜行业人才摇篮 14项国家标准 7项国家级科技奖 2014 我国第一支中空纤维膜组件 教育部和天津市重点实验室 亚洲最大国家中空纤维膜产业化基地 国家重点实验室培育基地 孵化上市公司津膜科技 教育部创新团队 2015 科技部创新人才培养基地 2016 2017 教育部创新团队 滚动支持 2018 2020 工业大学膜研究地位与特色 5 Catalog 膜原料 膜组件 膜制备 膜过程 膜未来 6 安树林 膜科学技术实用教程 化学工业出版社 2005张玉忠 膜分离技术及其应用 化学工业出版社 2003RichardW Baker Membranetechnologyandapplications Thirdedition JohnWiley Sons Ltd England 2012 汪锰 王湛编著 膜材料及其制备 化学工业出版社 2003高以烜主编 膜分离技术基础 科学出版社 1989 9刘茉娥 膜分离技术应用手册 化工出版社 2002不同参考资料对同一名称的不同翻译 同一膜过程不同孔径范围参考资料内容是否正确 主要参考书 7 建议 如何更好地学习该课程 转变学习观念 不孤立学习 课后查资料 讨论与交流 8 祝大家有所收获 Somethingtobegained 9 膜分离技术 第一章绪论INTRODUCTION 10 Contents 膜概述 Summary 膜发展历史 History 膜分离的特点 Characteristic 膜的一些术语 Tems 膜分类 Classification 膜过程 Process 与应用 Application 小结与作业 SummaryandHomework 11 膜概述 膜的普遍性 Universality 和广阔性 Broadness 膜与膜分离的定义 Conception 膜功能 Function 与优点 Advantages 12 看到的膜 太阳能电池板塑料大棚污水处理站海水淡化车间 回顾 平板膜Flatmembrane 帘式膜Curtainmembrane 卷式膜Spiral woundmembrane 分离 阻隔 Separation Barrier Membrane Film 中空膜Hollowfibermembrane 13 医院里看到的 氧和器 人工肺 Oxygenator Artificiallung 血液透析器 人工肾 Hemodialyzer Artificialkidney 回顾 中空纤维膜 大的接触面积 高比表面积 Highspecificsurfacearea 分离 阻隔 14 商场中看到的 净水器Waterpurifier电动汽车Electricvehicle便携式电子设备Portableelectronics 回顾 分离 阻隔 Battery Separator 15 世界性问题 酸雨Acidrain温室气体Greenhousegases天然气除湿Dehumidification氯碱工业Chloralkaliindustry 回顾 分离 选择透过性 Separation Selectivepermeability Thekeypropertythatisexploitedistheabilityofamembranetocontrolthepermeationrateofachemicalspeciesthroughthemembrane 16 我们身体里的膜 细胞膜Cellmembrane 回顾 细胞膜的重要特性 选择透过性 物质的传递 Masstransfer 对分离过程至关重要 17 名人名言 Ifyouaretiredofmembranes youaretiredoflife Prof RichardBowen 谁掌握了膜技术 谁就掌握了21世纪的未来 黎念之21世纪的多数工业中 膜技术扮演着战略的角色Theroleofstrategy 18 传统化学工业存在的问题 分子级别的分离 Molecularlevel 甲醇 乙醇 高纯 氮气 氧气 获得高纯氧或氮气 稀溶液以及热敏物质溶液的浓缩 Dilutesolution Thermosensitivesubstance 带电离子的分离 阴阳离子 Chargedmaterial 不同电性 同一电性不同电荷恒沸体系 Azeotropesystem 乙醇 水 乙醇浓度95 过程的连续与耦合 化学平衡 Equilibrium 的局限 提高转化率水的深度处理 Depthtreatment 难度变大 膜科学与膜技术 回顾一下 化工原理学了哪些分离过程 下列体系的分离能否用传统的分离过程来实现 19 膜涉及的领域 膜材料 膜组件 膜过程 Chemicalengineering Materialscience Bioengineering EnvironmentalEngineering 20 膜科学与其它学科的关系 膜材料 材料化学与物理膜制备 物理化学 热力学 动力学 材料加工膜过程 分离 化学工程 传递过程 分析化学膜组件与过程设计 数学 机械 系统工程 控制膜应用 材料 环境 食品 化学工业 医药 21 指分隔两相的界面 interface 并以特定的形式限制 restrict 和传递 transport 各种化学物质的阻挡层 hinderinglayer 是具有选择性的隔层 选择透过性 selectivepermeability C CHH CHCCH H C C C CC C C HH H H H H H a 无序状态 b 有序状态 什么是膜 Whatismembrane 目前没有一个精确完整的定义 Allowingonecomponentofamixturetopermeatethemembranefreely whilehinderingpermeationofothercomponents 22 另一种说法 指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相 condensedphase 固相 液相 它把流体相分隔为互不相通的两部分 并能使这两部分之间产生传质 masstransfer 膜的特性 不管膜多薄 它必须有两个界面 有一定厚度 thickness 这两个界面分别与两侧的流体 fluid 相接触 膜传质有选择性 它可以使流体相中的一种或几种物质透过 而不允许其它物质透过 膜 料液 水 小分子 大分子 渗透液 什么是膜 Whatismembrane 23 膜的微观结构 梯度分布孔gradestructure 多孔 porous 致密 dense 单层或多层singleormultilayer 什么是膜 Membraneandfilm 多孔 外观不透明 opaque致密 外观透明 transparent 24 膜的功能 basicfunction 分离 separation 功能膜分离 membraneseparation 通过膜的选择渗透作用 选择透过性 对混合物中的组分进行分离和富集 enrichment 膜分离 膜的功能与优点 25 膜具有选择透过性的原因 特定形式 是什么 筛分 sieving 膜中分布有微细孔穴 pore 不同孔穴有选择渗透性 微滤 超滤膜 静电作用 chargedforce 膜中存在固定基团电荷 charge 电荷的吸附 排斥产生选择渗透性 离子交换膜 相互作用不同 differenceofinteraction 被分离物在膜中的溶解 dissolution 扩散 diffusion 作用产生选择渗透性 色谱 脱盐 气体分离 渗透汽化 26 膜的功能 提供界面 膜基分离过程 膜接触器 Membrane basedseparationprocess 膜的作用 提供接触界面 发达的孔隙和高比表面积 避免返混 液泛 乳化等不良现象用于非水体系的分离 27 膜的功能 提供接触界面 脱气膜 高压锅炉用水的脱氧 以前用高压蒸汽吹脱degas 界面 充气膜inflation 光合作用 光解水 28 膜的功能 催化功能 膜反应器 催化剂 材料特性决定膜特性发达的孔和高比表面积反应 分离一体化 29 膜的发展历史四个里程碑 milestone 30 早期历史 1950年以前 起步阶段 开端 1748年AbbleNolkt 阿贝尔纳尔克特 首次揭示了膜分离现象 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内 引入渗透的概念 Osmosis 19世纪中叶 Graham发现了透析现象 开始重视1864年 Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜 亚铁氰化铜膜 1918年 Zsigmondy 齐格芒迪 提出了商品微滤膜的制备方法 并将其应用于微生物 极细微粒等方面的分离和富集1925年 德国建立了世界上第一个滤膜公司 31 1950年W Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜 用于电渗析1960年Loeb和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜 相转化技术phaseinversion 使膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段 实验室 工业化 1960年以后 膜分离技术的规模应用1970年以后 界面聚合 Interfacialpolymerization 技术商品化制备纳滤和反渗透膜 脱盐 1979年 Prism技术脱氢 气体分离膜商品化 1950 1980年 工业化开发阶段 32 主要膜分离过程的发展阶段 1980年以后 拓展 膜 X 过程 1 研究开发膜基分离过程 膜蒸馏 膜萃取 2 膜反应器 3 控制释放 膜电极 膜传感器 33 起步阶段 研究离子交换膜和电渗析 用于海水脱盐 1958年开始 1967年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产 1980年代中期的湖州水处理设备厂投产醋酸纤维素反渗透膜 开发阶段 研究RO UF MF 液膜 气体分离等膜分离过程应用与开发研究 上世纪80年代中期 1995年中国膜工业协会成立 发展阶段 膜技术的推广应用工作 1995年以后 渗透汽化 膜接触器和膜反应等的研究 中国膜研究发展 34 膜分离的特点 35 联系 relation 都属于分离过程区别 difference 分离精度 Separationprecision 不同膜分离属于精密过滤 可达分子级 常规过滤 微米级 碳素颗粒溶液 膜分离与常规过滤分离的区别与联系 36 低能耗lowenergyconsumption 适合于热敏物质的分离thermosensitivematerial 占地小 消除二次污染 膜的优点 优点 37 能耗少 大部分膜分离过程不发生相变 海水淡化所需的能量 38 利于热敏物质分离 主要是脱水 避免蒸馏 膜分离过程在常温下进行 对药剂 如抗生素 酶制剂 果剂等热敏物质在室温下进行浓缩 分离的非常有利 防止分解 decomposition 浓缩技术对西莲果汁成分的影响 39 膜在如下分离过程中具有优势 分子级别的分离 稀溶液浓缩 低于1 水溶液 离子之间的分离 恒沸体系的分离 提高原料转化率 水的深度净化 膜的功能与优点 40 膜的一些术语 41 通量 flux V 由质量 密度获得选择性 Selection 将混合物总的组分分离开来的能力液体 Rejection气体或有机溶剂混合物 分离因子 separationfactor A B yA yB xA xB y 渗透液 permeate 各组分的浓度 x 原料液 feed 的浓度 分离膜的两个最基本性能参数 通量 选择性 Importanceconsideration 选择性优先于通量 42 温度 浓度 压力 电位差 Potentialdifference 等1 对多孔膜而言 在对流流动的情况下 传质推动力是膜两侧的压力差跨膜压差 P transmembranepressure TMP压力差 P1 P22 对致密膜而言 推动力为膜两侧的浓度差3 电渗析 电位差4 膜蒸馏 温度差 推动力 impetus 43 在膜分离过程中 一部分溶质被截留 在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高 造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度的现象 浓差极化 concentrationpolarization 44 1 膜阻Rm 与膜本身的结构有关 包含膜层到支撑层的传递阻力2 浓差极化阻力Rc 由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的3 推动力的损失 进料侧和渗透侧的压力损失4 膜污染阻力 由于物料中的成分对膜产生吸附 堵塞 以及沉积等现象而引起 传递阻力 transferresistance 4 3 4 45 膜分类 46 多种分类方式 47 多种分类方式 48 1 按膜的材料分类 限于聚合物材料 49 2 按膜的分离原理分类根据分离膜的分离原理和推动力的不同 微滤膜 超滤膜 反渗透膜 纳滤膜 渗析膜 电渗析膜 渗透汽化膜等3 按膜的形态分类按膜的形状分为平板膜 FlatMembrane 管式膜 TubularMembrane 中空纤维膜 HollowFiber 蝶式膜 旋转式 振动式4 按有无孔分类多孔膜和致密膜 50 区别与联系 5 按膜的结构分类对称膜 SymmetricMembrane 非对称膜 AsymmetricMembrane 复合膜 CompositeMembrane 51 膜过程与应用 52 工业化膜过程的基本特性 53 工业化膜过程的基本特性 54 常见膜过程的应用范围 55 膜应用与未来 从20世纪初到20世纪90年代 膜技术基本已经从实验室步入工业化 并在水处理 食品工业 环境保护 化工与石油化工 电子 冶金 国防等领域得到成功的应用目前全球膜产业的规模超过千亿美元 以年30 的速度递增 56 57 膜 海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化 天然气 生物质利用 能源 水资源 传统工业 生态环境 除尘 CO2控制 制药 食品 化工与石化 电子 冶金 燃料电池 洁净燃烧 58 59 Future Bionic Intelligence Function Separation 60 Future 61 膜科学发展趋势 商业膜 Commercializedmembrane 膜的选择性 分离效果过程的比产值 Ratioofoutputvalue 操作的可靠性 reliability 和稳定性 stability 发展 膜 X 62 膜科学发展趋势 膜材料 开发功能聚合物基膜合成功能高分子 定量地研究分子结构与分离性能之间的关系 按照一定的分离要求来 组装 设计 膜材料膜表面进行化学改性 根据不同的分离对象 引入不同的活化基团 通过改变高分子的自由体积和链的柔软性 改进其分离性能或改变其物理 化学性质发展高分子合金 共混 通常制取高分子合金要比通过化学反应合成新材料容易些 它还可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基团 在更大范围内调节其性能 开发无机膜 开发有机 无机杂化膜 mixedmatrixmemb