功能高分子材料第三章 高分子分离膜ppt课件.ppt

第三章高分子分离膜 1 3 1概述一 膜分离技术发展简史1748年 耐克特发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内 开创了膜渗透的研究 1861年 施密特首先提出了超过滤的概念 他提出 用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时 若在溶液侧施加压力 使膜的两侧产生压力差 即可分离溶液中的细菌 蛋白质 胶体等微小粒子 其精度比滤纸高得多 现代观点称为微孔过滤 2 然而 真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代 1961年 米切利斯等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水 丙酮 溴化钠为溶剂 制成了可截留不同分子量的膜 这种膜是真正的超过滤膜 美国Amicon公司首先将这种膜商品化 50年代初 为从海水或苦咸水中获取淡水 开始了反渗透膜的研究 1967年 DuPont公司研制成功了以尼龙 66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件 同一时期 丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件 反渗透膜开始工业化 3 自上世纪60年代中期以来 膜分离技术真正实现了工业化 首先出现的分离膜是超过滤膜 简称UF膜 微孔过滤膜 简称MF膜 和反渗透膜 简称RO膜 在此期间 除上述三大膜外 其他类型的膜也获得很大的发展 80年代气体分离膜的研制成功 使功能膜的地位又得到了进 步提高 具有分离选择性的人造液膜是马丁 Martin 在60年代初研究反渗透时发现的 这种液膜是覆盖在固体膜之上的 为支撑液膜 4 二 膜分离的特点膜分离过程是一个高效 环保的分离过程 它是多学科交叉的高新技术 它在物理 化学和生物性质上可呈现出各种各样的特性 具有较多的优势 与传统的分离技术如蒸馏 离心 重结晶 萃取分离等相比 膜分离技术具有以下特点 1 高效的分离过程它可以做到将相对分子量为几千甚至几百的物质进行分离 相应的颗粒大小为纳米级 5 2 低能耗因为大多数膜分离过程都不发生相的变化 相变化的潜热是很大的 传统的冷冻 萃取和蒸馏等分离过程是发生相的变化 通常能耗比较高 3 接近室温的工作温度多数膜分离过程的工作温度在室温附近 因而膜本身对热过敏物质的处理就具有独特的优势 目前 尤其是在食品加工 医药工业 生物技术等领域有其独特的推广应用价值 6 4 品质稳定性好膜设备本身没有运动的部件 工作温度又在室温附近 所以很少需要维护 可靠度很高 它的操作十分简便 而且从设备开启到得到产品的时间很短 相比传统工艺可显著缩短生产周期 5 连续化操作膜分离过程可实现连续化操作过程 满足工业化生产的实际需要 7 6 灵活性强膜分离装置可以直接插入已有的生产工艺中 易与其它分离过程结合 方便进行原有工艺改建和上下工艺整和 7 纯物理过程膜分离是纯物理过程 不会发生任何的化学变化 更不需要外加任何物质 如助滤剂 化学试剂等 8 环保膜分离设备制作材质清洁 环保 工作现场清洁卫生 符合国家产业政策 8 三 高分子分离膜定义及分类1 定义在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质能把流体相分隔开来成为两部分 这一凝聚相物质称为分离膜 膜的形式可以是固态的 也可以是液态的 被膜分割的流体物质可以是液态的 也可以是气态的 膜至少具有两个界面 膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递 分离膜对流体可以是完全透过性的 也可以是半透过性的 但不能是完全不透过性的 9 膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离 提纯和浓缩的新型分离技术 分离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离 异种物质的分离 不同物质状态的分离等 在化工单元操作中 常见的分离方法有筛分 过滤 蒸馏 蒸发 重结晶 萃取 离心分离等 然而 对于高层次的分离 如分子尺寸的分离 生物体组分的分离等 采用常规的分离方法是难以实现的 或达不到精度 或需要损耗极大的能源而无实用价值 10 具有选择分离功能的高分子材料的出现 使上述的分离问题迎刃而解 膜分离过程的主要特点是以具有选择透过性的膜作为分离的手段 实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离 实践证明 当不能经济地用常规的分离方法得到较好的分离时 膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的 并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用 使技术投资更为经济 11 近二三十年来 膜科学和膜技术发展极为迅速 目前已成为工农业生产 国防 科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法 越来越广泛地应用于化工 环保 食品 医药 电子 电力 冶金 轻纺 海水淡化等领域 膜分离过程的推动力有浓度差 压力差和电位差等 12 2 分类 1 按膜的材料分类 13 2 按结构分类对称膜致密膜 均质膜 不对称膜多孔膜 3 按膜的分离原理和推动力的不同分类微孔过滤膜 超过滤膜 反渗透膜 纳滤膜 渗析膜 电渗析膜 渗透蒸发膜等 4 按宏观形态分类平板膜 管状膜 中空纤维膜等 14 均质膜 没有宏观的孔洞 某些气体和液体的透过是通过分子在膜中的溶解和扩散运动实现的 多孔膜 有固定的孔洞 依据不同的孔径对物质进行截留来实现分离过程的 对称膜 厚度在10 200um之间 传质阻力由膜的总厚度决定 不对称膜 厚度在0 1 0 5um的致密皮层和50 150um厚的多孔亚层构成 传质阻力主要或完全由很薄的皮层决定 15 PVDF膜的SEM图 16 加入ZnO纳米粒子的PVDF膜的SEM图 17 加入ZnO纳米粒子的PVDF膜的SEM图 18 2 按结构分类对称膜致密膜 均质膜 不对称膜多孔膜 3 按膜的分离原理和推动力的不同分类微孔过滤膜 超过滤膜 反渗透膜 纳滤膜 渗析膜 电渗析膜 渗透蒸发膜等 4 按宏观形态分类平板膜 管状膜 中空纤维膜等 19 5 按功能分类日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为分离功能膜 包括气体分离膜 液体分离膜 离子交换膜 化学功能膜 能量转化功能膜 包括浓差能量转化膜 光能转化膜 机械能转化膜 电能转化膜 导电膜 生物功能膜 包括探感膜 生物反应器 医用膜 等 20 四 膜分离过程及膜组件膜分离过程可以是主动的如渗透 也可以是被动的 此时的推动力可以是压力差 浓度差 电位差等 从膜的化学性质来看可以是中性的 也可以使带电的 在这些过程中 膜并不直接用于分离中 而需要将一定面积的膜装填到某种开放式或封闭的壳体空间内构造成一定形式的结构单元 即膜组件 21 中空纤维膜组件 22 23 第一道 前置杂质过滤系统经过5 m的前置PP系统 过滤毛发 泥沙 铁锈 胶体物及颗粒较大的物质 第二道 颗粒活性炭系统吸附并去掉自来水中的氯 水溶性重金属及其他无机物质 降低钙 镁 离子水体硬度 延长并提高RO逆渗透系统滤材寿命 第三道 高密度烧结活性炭系统消除余氯 悬浮物 铁锈 农药等有机物质 保护RO膜 使之能够更好的发挥作用 第四道 RO逆渗透系统美国高科技的RO逆渗透膜 去除重金属离子杂质 有效去除过滤性病毒及细菌等有害物质 第五道 后置活性炭系统高密度活性炭 T33 提高和增加活净水口感 使水质更加甘甜可口 补充人体所需微量元素和矿物质 24 开发膜组件的几个基本要求 适当均匀的流动 无静水区 具有良好的机械稳定性 化学稳定性和热稳定性 装填密度大 制造成本低 易于清洗 更换膜的成本低 压力损失小 25 3 2高分子分离膜的分离原理最重要的两个指标 透过性 测定物质在单位时间内透过单位面积分离膜的绝对值 选择性 在同等条件下测定物质透过量与参考物质透过量之比 26 各种物质与膜的相互作用不一致 其分离作用主要依靠过筛作用和溶解扩散作用 过筛作用 类似于物理过筛过程 被分离物质能否通过筛网取决于物理粒径尺寸和网孔的大小 溶液扩散作用 当膜材料对某些物质具有一定溶解能力时 在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动 从膜的一侧扩散到另一侧 再离开分离膜 27 表3 2几种主要分离膜的分离过程 高分子分离膜的分离原理主要是筛分原理 以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子 也可以用于气体的分离 28 续上表 29 3 3高分子分离膜材料用作分离膜的材料包括天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料 原则上讲 凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜 但实际上 真正成为工业化膜的膜材料并不多 这主要决定于膜的一些特定要求 如分离效率 分离速度等 此外 也取决于膜的制备技术 30 目前 实用的有机高分子膜材料有 纤维素酯类 聚砜类 聚酰胺类及其他材料 以日本为例 纤维素酯类膜占53 聚砜膜占33 3 聚酰胺膜占11 7 其他材料的膜占2 可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位 从品种来说 已有成百种以上的膜被制备出来 其中约40多种已被用于工业和实验室中 31 一 纤维素衍生物类纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1 4 连接起来的天然线性高分子化合物 其结构式为 从结构上看 每个葡萄糖单元上有三个羟基 32 在催化剂 如硫酸 高氯酸或氧化锌 存在下 能与冰醋酸 醋酸酐进行酯化反应 得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素 C6H7O2 CH3CO 2O C6H7O2 OCOCH3 2 H2OC6H7O2 3 CH3CO 2O C6H7O2 OCOCH3 3 2CH2COOH 33 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一 性能稳定 但在高温和酸 碱存在下易发生水解 为了改进其性能 进一步提高分离效率和透过速率 可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜 也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜 此外 醋酸丙酸纤维素 醋酸丁酸纤维素 再生纤维素也是很好的膜材料 纤维素酯类材料易受微生物侵蚀 pH值适应范围较窄 不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂 因此发展了非纤维素酯类 合成高分子类 膜 34 二 聚砜类聚砜结构中的特征基团为聚砜类树脂常用的制膜溶剂有 二甲基甲酰胺 二甲基乙酰胺 N 甲基吡咯烷酮 二甲基亚砜等 聚砜类树脂具有良好的化学 热学和水解稳定性 强度也很高 pH值适应范围为1 13 最高使用温度达120 抗氧化性和抗氯性都十分优良 因此已成为重要的膜材料之一 35 这类树脂中 目前的代表品种有 36 三 聚酰胺类及聚酰亚胺类早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺 如尼龙 4 尼龙 66等制成的中空纤维膜 这类产品对盐水的分离率在80 90 之间 但透水率很低 仅0 076ml cm2 h 以后发展了芳香族聚酰胺 用它们制成的分离膜 pH适用范围为3 11 分离率可达99 5 对盐水 透水速率为0 6ml cm2 h 长期使用稳定性好 由于酰胺基团易与氯反应 故这种膜对水中的游离氯有较高要求 37 DuPont公司生产的DP I型膜即为由此类膜材料制成的 它的合成路线如下式所示 38 类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有 39 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力 因此是一类较好的膜材料 例如 下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率 聚酰亚胺溶解性差 制膜困难 因此开发了可溶性聚酰亚胺 其结构为 40 四 聚酯类聚酯类树脂强度高 尺寸稳定性好 耐热 耐溶剂和耐化学品的性能优良 聚碳酸酯聚四溴碳酸酯聚酯无纺布 41 五 聚烯烃类低密度聚乙烯和聚丙烯薄膜通过拉伸可以制造微孔滤膜 高密度聚乙烯通过加热烧结可以制成微孔滤板或滤芯 也可以作为分离膜的支撑材料 聚4 甲基1 戊烯已作为氧 氮分离的新一代膜材料 42 六 乙烯基类高聚物用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚丙烯腈 聚乙烯醇 聚乙烯吡咯烷酮 聚丙烯酸 聚丙烯腈 聚偏氯乙烯 聚丙烯酰胺等 共聚物包括 聚丙烯醇 苯乙烯磺酸 聚乙烯醇 磺化聚苯醚 聚丙烯腈 甲基丙烯酸酯 聚乙烯 乙烯醇等 聚乙烯醇 丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料 43 七 有机硅聚合物八 含氟聚合物九 甲壳素类十 高分子合金膜十一 液晶复合高分子膜 44 3 4高分子分离膜的制备方法 制备方法 最实用 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要 同样的材料 由于不同的制作工艺和控制条件 其性能差别很大 合理的 先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证 只制备多孔膜 烧结法拉伸法径迹蚀刻法相转化法复合膜化法 45 方法简单只能制备微滤膜孔隙率低 10 20 将聚合物的微粒通过烧结形成多孔膜 聚合物的微粒 外表面软化 固化粘结 熔融温度 冷却 1 烧结法 超高分子量PE 高密度PE PP 46 由部分结晶的聚合物膜经拉伸后在膜内形成微孔 部分结晶聚合物 拉伸 非晶区断裂成孔晶区为骨架 孔隙率远高于烧结法生产效率高制备方法容易价格低孔径大小容易控制 分布均匀 关键技术 半晶态聚合物的合成 2 拉伸法 47 浸蚀液 径迹 高能粒子 高分子膜 高活性链端 径迹处高分子链断裂 径迹扩大 微孔膜 膜孔贯穿呈圆柱状孔径分布可控 分布极窄孔隙率低 3 径迹蚀刻法 48 聚合物 溶剂 添加剂 均质制膜液 流涎法制成平板型 圆管型 纺丝法制成中空纤维 蒸出部分溶剂 凝固液浸渍 水洗 后处理 膜 特点 可制备多孔膜 也可制备致密膜大多数的工业用膜采用相转化法制备关键技术均一溶液的制备控制相转化的过程以控制膜的形态 4 相转化法 49 先制备多孔支撑膜 制备致密膜 两种膜用机械法复合 将第二种聚合物溶液滴加在多孔膜表面 将制备第二种聚合物的单体溶液沉积在多孔膜表面 等离子体引发聚合 在多孔膜表面沉积一层缩聚单体 与另一双官能团单体缩聚 5 复合膜化法 50 6 高分子分离膜制备的新方法1 高湿度诱导相分离制备微孔膜2 超临界二氧化碳制备聚合物微孔膜3 自组装制备分离膜 51 3 5典型的膜过程及应用 分离膜的主要用途 利用膜对不同物质的透过性不同对混合物分离 半透性 评价标准 对被分离物质的透过性 透过率 对不同物质的选择性透过 选择性 52 膜阻力 驱动力 压力差浓度差 梯度 电位差 电场驱动 矛盾 膜上游透膜膜下游 膜阻力 驱动力 53 阻碍性 透过性 选择性 膜的结构 性质 孔径 被分离物质的性质 结构 体积 不同物质在同一张膜上透过性差异 54 驱动力 浓度差 电位差 气体分离渗透蒸发透析 电渗析膜电解 压力差 微滤超滤纳滤反渗透 55 一 压力差驱动 微滤 超滤 纳滤和反渗透分离类似于过滤 用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体 1 微滤 MF 2 超滤 UF 3 纳滤 NF 4 反渗透 RO 56 1 微滤 微滤 当压力推动流体透过膜或其他过滤介质 从流体中分离微米大小的粒子时 这个过程为微滤 原理 在压力差的作用下 利用膜的孔径的大小对微粒进行机械筛分和截留 孔径 0 025 10 m 推动力为0 01 0 2MPa微孔膜 均匀多孔薄膜 厚度90 150 m 57 微孔膜的优点 孔径均匀 过滤精度高 孔隙大 流速快 一般微孔膜的孔密度为107孔 cm2 微孔体积占膜总体积的70 80 膜很薄 阻力小 过滤速度较常规过滤介质快几十倍 无吸附或少吸附 微孔膜厚度一般在90 150 m之间 因而吸附量很少 无介质脱落 均一的高分子材料 过滤时没有纤维或碎屑脱落 能得到高纯度滤液 微孔膜的缺点 颗粒容量较小 易被堵塞 58 微滤的应用 1 微粒和细菌的过滤可用于水的高度净化 食品和饮料的除菌 药液的过滤 发酵工业的空气净化和除菌等 2 微粒和细菌的检测微孔膜可作为微粒和细菌的富集器 从而进行微粒和细菌含量的测定 3 气体 溶液和水的净化大气中悬浮的尘埃 纤维 花粉 细菌 病毒等 溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物 都可借助微孔膜去除 59 4 食糖与酒类的精制对食糖溶液和酒类进行过滤 可除去食糖中的杂质 酒类中的酵母 霉菌和其他微生物 提高食糖的纯度和酒类的清澈度 延长存放期 5 药物的除菌和除微粒热压法灭菌时 细菌的尸体仍留在药品中 对于热敏性药物 如胰岛素 血清蛋白等不能采用热压法灭菌 微孔膜有突出的优点 细菌被截留 无细菌尸体残留在药物中 常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性 6 许多液态药物如注射液 眼药水等 用常规的过滤技术难以达到要求 必须采用微滤技术 60 2 超滤 超滤 按分子大小而去除的压力推动膜过程 原理 筛分 小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔 而大于孔径的微粒则被截留 孔径 2 50nm 截留物质 能够截留分子量500 500 000的物质 糖 生物分子 高分子聚合物 胶体物质 操作压力 0 1 0 5MPa 膜材料 聚砜 聚酰胺 聚丙烯腈和醋酸纤维素 61 超滤膜 不对称膜 形式有平板式 卷式 管式和中空纤维状等 性能主要取决于表面活性层和过渡层 超滤膜 表面活性层 致密光滑 厚度0 1 1 5 m 细孔孔径小于10nm 过渡层 细孔大于10nm 厚度1 10 m 支撑层 厚度50 250 m 孔径大于10nm 起支撑作用 提高机械强度 62 超滤膜技术应用 超滤技术主要用于含分子量500 500 000的微粒溶液的分离 是目前应用最广的膜分离过程之一 应用领域涉及化工 食品 医药 生化 1 纯水的制备超滤技术广泛用于水中的细菌 病毒和其他异物的除去 用于制备高纯饮用水 电子工业超净水和医用无菌水等 2 食品工业在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖 63 3 汽车 家具等制品电泳涂装淋洗水的处理汽车 家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1 2 的涂料 高分子物质 用超滤装置可分离出清水重复用于清洗 同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装 4 果汁 酒等饮料的消毒与澄清应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质 使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色 香 味 操作方便 成本较低 5 在医药和生化工业中处理热敏性物质 分离浓缩生物活性物质 从生物中提取药物等 64 3 反渗透 以压力差为推动力 功能是截留离子物质而仅透过溶剂 65 无机盐溶液的渗透压很高 含1g l氯化钠的天然水 渗透压为0 07MPa 含35g l氯化钠的海水 渗透压为2 5MPa 反渗透将料液分成两部分 透过膜的是含溶质很少的溶剂 称为渗透液 未透过膜的液体 溶质浓度增高 称为浓缩液 分离物质的分子量 一般小于500 操作压力为2 100MPa 66 反渗透膜 高操作压力 2 100MPa 要求膜必须有高透水率 高脱盐率 耐一定的酸碱 耐微生物 耐压 大部分为不对称膜 孔径小于0 5nm 可截留溶质分子 形状 平板膜 管式膜 卷式膜 中空纤维膜主要膜材料 醋酸纤维素 芳香聚酰胺 聚砜 67 反渗透过程已成功使用30多年 据统计 在全世界所有淡化过程生产1 15 107m3 d的饮用水中 反渗透占23 4 优点 能耗和投资运行费用低 占地小 设备腐蚀轻 易建造 操作 维修 建厂时间短 海水淡化在沙特至少有6套 产水2300 57000m3 d 苦咸水淡化13套 3500 53000m3 d 反渗透技术的应用 1 海水 苦咸水的淡化 68 2 在医药 食品工业中用以浓缩药液 果汁 咖啡浸液等 与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较 反渗透法脱水浓缩成本较低 而且产品的风味和营养不受影响 3 印染 食品 造纸等工业中用于处理污水 回收利用废液中有用的物质等 69 MF 溶液中直径0 1 10 m的粒子 RO Mw 500的小分子物质 UF Mw 500的大分子或极细的胶体粒子 分界不严格 互相重叠 新型的NF正好介于UF和RO之间 截流分子量大概在300 1000 反渗透与微滤 超滤的区别 70 4 纳滤近年来 微滤 超滤 反渗透之间出现相互重叠的倾向 反渗透和超滤之间出现交叉 这就是纳滤 纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白 它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物 透析被反渗透膜所截留的无机盐 71 纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的 是超低压反渗透技术的延续和发展分支 早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜 目前 纳滤膜已从反渗透技术中分离出来 成为独立的分离技术 纳滤膜主要用于截留粒径在0 1 1nm 分子量为1000左右的物质 可以使一价盐 如NaCl 和小分子物质透过 具有较小的操作压 0 5 1MPa 72 纳滤技术的应用 1 纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化方面 由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好 因此在硬度高和有机物含量高 浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目 2 在食品行业中 纳滤膜可用于果汁生产 大大节省能源 3 在医药行业可用于氨基酸生产 抗生素回收等方面 4 在石化生产的催化剂分离回收等方面更有着不可比拟的作用 73 微滤 超滤 纳滤 反渗透 细菌 病毒等 蛋白质 酶 多肽等 抗生素 合成药 染料 二糖等 无机盐类 NaCl KCl 水 74 二 浓度差驱动 气体分离膜 渗透蒸发膜 透析 分子主动从高浓度区向低浓度区转移的自发趋势 75 1 气体分离膜 分离机理致密膜 没有宏观的孔洞 溶解 扩散作用多孔膜 有固定孔洞 孔径 筛分膜材料H2的分离 醋酸纤维素 聚砜 聚酰亚胺等 O2的分离富集 聚二甲基硅氧烷及其改性产品和含三甲硅烷基的高分子 CO2分离 富氧膜可作为CO2分离膜 在膜材料中引入亲CO2的基团 如醚键 苯环等 可大大提高CO2的透过性 SO2的分离 在膜材料中引入亲SO2的亚砜基团大大提高SO2分离膜的分离性能 76 气体分离膜的应用 1 特殊气体的富集 富氧空气主要用于医用和工业燃烧 2 CO2 SO2 H2O的回收和脱除 a 天然气的净化 天然气 开采石油的伴生气 主要成分为甲烷 含少量乙烷 丁烷 戊烷 CO2 CO H2S 危害 造成管路及设备腐蚀 降低天然气热值 浪费管输能力 对于液化天然气还可能引起冻结 管输标准 CO2 3 H2S 20mg m3 77 b 三次采油注CO2伴生气回收 采油过程中 将二氧化碳以大于1000大气压的压力注入油井驱油以提高采收率 利用超临界萃取的原理 提高三次采油率 伴生气中的二氧化碳分离浓缩后 再循环注入油井中 此法已得到了广泛应用 体系为CO2 CH4分离 提浓为目的 78 c 生物气脱除CO2来源 城市垃圾处理场 一个中等规模的垃圾场 沼气的生产能力为3200m3 h 预测至2010年仅苏浙沪地区城市垃圾的甲烷产量达260多万吨 相当于300万吨煤炭的能源潜力 直接经济价值达4 2亿元 同时环保效益很大 一般含CH4 50 70 以深圳盐田垃圾场为例 CO230 40 CH445 55 其它 略 以脱除CO2 提高热值为目的 CO2 CH4分离 79 d 烟道气净化烟道气中大量的二氧化碳排放是造成大气温室效应的主要原因 富集和利用这些二氧化碳是保护环境 节省资源的一个重要课题 来源 电厂等燃烧 烟道气的主要成分 CO210 15 N270 85 O23 8 其它 略 80 2 渗透蒸发膜 分离液体混合物原理 溶解扩散步骤 原料侧膜的选择性吸附 通过膜的选择性扩散 在另一侧脱附到蒸汽相 驱动力 膜内渗透组份的浓度梯度 可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离 优点 一次分离度高 操作简单 无污染 低能耗等特点 81 渗透蒸发分离示意图 真空气化 82 膜材料只有对需要分离的某组分有亲和性的高分子物质才能作为膜材料 以透水为目的的渗透蒸发膜 应该有良好的亲水性 因此聚乙烯醇 PVA 和醋酸纤维素 CA 都是较好的膜材料 当以透过醇类物质为目的时 憎水性的聚二甲基硅氧烷 PDMS 则是较理想的膜材料 最成功的例子 无水乙醇的生产 工业化 83 3 透析 透析是溶质在其自身浓度梯度下从膜的一侧 原料侧 传向另一侧 透析物侧或渗透物侧 的过程 由于分子大小以及溶解度不同 使得扩散速率不同 从而实现分离 透析过程中的传递是通过对致密膜的扩散进行的 为了减小阻力 膜应高度溶胀 溶胀后的扩散系数要高于未溶胀膜 膜应当尽可能薄 主要应用于水溶液 膜材料多采用一些亲水性聚合物 如醋酸纤维素 聚丙烯酸 聚乙烯醇 84 透析技术的应用 1 血液透析 2 在黏胶生产中从胶质半纤维素中回收苛性钠 3 从啤酒中除去醇 4 生物及制药行业中生物产品的脱盐和分馏脱盐 85 三 电位差驱动 电渗析 膜电解 离子交换膜电场力 86 在盐的水溶液 如氯化钠溶液 中置入阴 阳两个电极 并施加电场 则溶液中的阳离子将移向阴极 阴离子则移向阳极 这一过程称为电泳 如果在阴 阳两电极之间插入一张离子交换膜 则阳离子或阴离子会选择性地通过膜 这一过程就称为电渗析 1 电渗析 87 核心 离子交换膜各种带电和不带电球粒将在电场力和分离膜双重作用下得到分离 依据膜所带的电荷 可以分为带正电的阳离子交换膜和带负电的阴离子交换膜 在直流电场的作用下 以电位差为推动力 利用离子交换膜的选择透过性 把电解质从溶液中分离出来 实现溶液的淡