膜离第一部.ppt

第4章膜分离 Membraneseparation 主讲人 梁桂兆gzliang Tel主要内容 4 1概述4 2各种膜分离方法及其原理4 3膜材料及其特性4 4膜组件与设备4 5膜分离机理4 6影响膜分离速度的主要因素4 7膜的污染与清洗4 8膜分离技术的应用 利用膜的选择性 孔径大小 以膜的两侧存在的能量差作为推动力 压力和电位 由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术 膜分离的概念 4 1概述 膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质 把流体相分隔开来成为两部分 这一薄层物质称为膜 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0 5mm以下 否则不能称其为膜 1925年以来 差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用30年代微孔过滤40年代渗析50年代电渗析60年代反渗透70年代超滤80年代气体分离90年代渗透汽化现代EDI技术 电渗析和离子交换 膜分离技术的发展历史 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜 是膜分离技术发展的一个里程碑 自此以后 不仅在膜材料范围上有了极大扩展 而且在制膜技术 组件结构及设备研制方面也取得了重大进展 膜分离技术优点 处理效率高 设备易于放大 可在室温或低温下操作 适宜于热敏感物质分离浓缩 化学与机械强度最小 减少失活 无相转变 省能 有相当好选择性 可在分离 浓缩的同时达到部分纯化目的 选择合适膜与操作参数 可得到较高回收率 系统可密闭循环 防止外来污染 不外加化学物 透过液 酸 碱或盐溶液 可循环使用 降低了成本 并减少对环境的污染 膜分离技术的重要性评论 美国官方文件曾说 18世纪电器改变了整个工业进程 而20世纪膜技术将改变整个面貌 又说 目前没有一种技术 能像膜技术这么广泛地被应用 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为 第三次工业革命 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上 明确指出 在21世纪多数工业中 膜过程扮演着战略的角色 世界著名的化工与膜专家 美国国家工程院院士 北美膜学会会长黎念之博士在1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说 要想发展化工就必须发展膜技术 他也非常赞同国际上流行的说法 谁掌握了膜技术 谁就掌握了化工的未来 膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程 近似于筛分过程 依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的 故而可以按分离粒子大小进行分类常见膜分离过程 微滤 Microfiltration MF 超滤 Ultrafiltration UF 反渗透 Reverseosmosis RO 透析 Dialysis DS 电渗析 Electrodialysis ED 渗透气化 Pervaporation PV 4 2各种膜分离法及其原理 各种分离法及适用范围 微滤分离原理 利用筛分原理 分离 截留直径为0 05 m到10 m大小的粒子 即微滤膜的孔径为0 05 m到10 m 采用压力为0 05 0 5MPa 超滤分离原理 超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理 但在有些情况下受到粒子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响 它可分离分子量从1000到1000000道尔顿的可溶性大分子物质 对应孔径为0 002 m到0 05 m 采用压力为0 1 1MPa 反渗透分离原理 在高于溶液渗透压的压力作用下 只有溶液中的水透过膜 而所有溶液中大分子 小分子有机物及无机盐全被截留住 理想的反渗透膜应被认为是无孔的 它分离的基本原理是溶解扩散 也有毛细孔流学说 膜孔径 为0 1到1nm 采用压力为1 10MPa 电渗析分离原理 电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法 可用于小分子电解质 例如氨基酸 有机酸 的分离和溶液的脱盐 电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜 即在膜表面的孔内共价键合有离子交换基团 电渗析器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作 电渗淅器主要组成部分是离子交换膜 分为阳膜 阴膜 阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡 阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡 透析 利用具有一定孔径大小 高分子溶质不能透过的亲水膜 将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液 与水溶液 或缓冲液分隔 由于膜两侧的溶质浓度不同 在浓差的作用下 左侧高分子溶液中的小分子溶质 如无机盐 透向右侧 右侧的水透向左侧 这就是透析 右侧纯水或缓冲溶液称为透析液 所用的亲水膜称为透析膜 透析过程中透析膜内无流体流动 溶质以扩散的形式移动 透析原理图 水分子 大分子 小分子 透析膜 透析法的应用 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析 在生物分离方面 主要用于大分子溶液的脱盐 由于透析过程以浓差为传质推动力 膜的透过量很小 不适于大规模生物分离过程 但在实验室中应用较多 纳滤 纳滤 NF Nanofiltration 是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程 纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右 但与反渗透相比 其操作压力更低 因此纳滤又被称作 低压反渗透 或 疏松反渗透 LooseRO 纳滤分离作为一项新型的膜分离技术 技术原理近似机械筛分 但是纳滤膜本体带有电荷性 这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因 纳滤在工业上的应用 ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane 水 膜分离法与物质大小 直径 的关系 有关微米的一组数据1 m 10 3mm人发直径70 80 m裸眼可见最小颗粒40 m金属颗粒50 m酵母菌3 m假单胞菌0 3 m小RNA病毒0 03 m 各种膜分离范围 电位差 浓度梯度 压力 1 10MPa 压力 0 2 1MPa 压力 0 05 0 5MPa 驱动力 苦咸水 海水淡化 纯水制备 锅炉给水 生产工艺用水 离子脱除 氨基酸分离 离子交换膜 电渗析 除去小分子有机物或无机离子 奶制品脱盐 蛋白质溶液脱盐等 小分子有机物和无机离子的去除 对称的或不对称的膜 透析 低浓度乙醇浓缩 糖及氨基酸浓缩 苦咸水 海水淡化 超纯水制备 小分子溶质脱除与浓缩 带皮层的不对称膜 复合膜 nm 反渗透 溶液除菌 澄清 注射用水制备 果汁澄清 除菌 酶及蛋白质分离 浓缩与纯化 含油废水处理 印染废水处理 乳化液分离 浓缩等 细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离 不对称微孔膜 0nm 超滤 溶液除菌 澄清 果汁澄清 细胞收集 水中颗粒物去除 清毒 澄清 细胞收集 对称微孔膜 0 05 10 m 微滤 示例 应用对象 膜结构 名称 几种主要膜分离技术特征 4 3膜材料及其特性 基本要求 耐压 膜孔径小 要保持高通量就必须施加较高的压力 一般模操作的压力范围在0 1 0 5MPa 反渗透膜的压力更高 约为1 10MPa 耐高温 高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱 防止分离过程中 以及清洗过程中的水解 化学相容性 保持膜的稳定性 生物相容性 防止生物大分子的变性 成本低 膜材料 微滤膜材料 聚偏氟乙烯 聚丙烯 硝酸纤维 醋酸纤维超滤膜 聚砜 硝酸纤维 醋酸纤维反渗透膜 醋酸纤维素衍生物 聚醚 聚酰胺天然材料 各种纤维素衍生物人造材料 各种合成高聚物特殊材料 复合膜 无机膜 不锈钢膜 陶瓷膜 膜的种类 根据膜的材质 固体膜 液体膜 根据材料来源 天然膜 合成膜 无机材料膜 有机高分子膜 根据膜的结构 多孔膜 致密膜 离子交换膜 渗析膜 微孔过滤膜 超过滤膜 反渗透膜 渗透汽化膜 气体渗透膜 根据膜的功能 固体膜 根据膜断面的物理形态 根据固体膜的形态 对称膜 不对称膜 复合膜 平板膜 管式膜 中空纤维膜 核径蚀刻膜 膜材料种类 高分子分离膜材料 纤维素衍生物类 聚砜类 聚酰胺类 聚酰亚胺类 聚酯类 聚烯烃类 乙烯类聚合物 含硅聚合物 含氟聚合物 甲壳素类 无机膜 致密膜 多孔膜 致密的金属膜 致密的固体电解质膜 致密的 液体充实固体化 动态原位形成的致密膜 Pd膜及Pd合金膜 Ag膜及Ag合金膜 氧化锆膜 复合固体氧化膜 多孔负载膜 多孔金属膜 多孔不锈钢膜 多孔Ni膜 多孔Ag膜 多孔Pd膜 多孔Ti膜 多孔陶瓷膜 包括Al2O3膜 SiO2膜 ZrO2膜 TiO2膜 多孔玻璃膜分子筛膜 包括碳分子筛 具体分类 对称膜和不对称膜示意图 不对称膜的过滤作用 4 4膜组件与设备 目前生产的膜过滤装置都由模件 Module 构成 所以研究装置的性能只要研究模件的性能即可 一个良好的模件应具备下列条件 1 膜面切线方向的速度相当快 或有较高的剪切率 以减少浓差极化 2