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膜分离概述王华芳 080144215 09化工1班摘要 膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，因此在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。关键词膜分离技术 微膜 超膜 纳膜 反渗透膜 广泛应用 前景 膜分离简史膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的发展开始于1958年研究离子交换膜。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。她们的成立为规范膜的行业标准、促进有关于膜行业的发展起着举足轻重的作用。半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程应用在工业上。 由于膜分离技术本身具有的优越性能，所以膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界视膜过程为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。曾有专家指出：谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。 80年代以来我国膜技术跨入应用阶段，同时也是新膜过程的开发阶段。在这一时期，膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。并且，在这一时期，国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。 目前，这一潜力巨大的新兴行业正在以蓬勃的激情挑战市场，为众多的企业带来了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。常用膜分离过程1微滤微滤又称精过滤，微滤膜是历史上开发应用最早、使用最广泛的膜品种。微滤膜多为均质膜，具有比较整齐、均匀的多孔结构，孔径范围00220弘m。微孔滤膜可分为有机微孔滤膜和无机微孔滤膜。通常认为微孔滤膜的主要功能是用于分离液相或气相中大于005弘m的微粒或物质。微滤可截留细菌、重金属及其他固体悬浮物。基本原理属于筛网状过滤在静压差的作用下利用膜的“筛分”作用小于膜孔的粒子通过滤膜大于膜孔的粒子则被截留到膜面上，使大小不同的组分得以分离其作用相当于“过滤”。由于每cm：滤膜中约含有1000万至l亿个4qL。孔隙率占总体积的70一80阻力很小。过滤速度较快。在工业发达国家从家庭生活到尖端技术都在不同程度地应用微滤技术其主要用于无菌液体的制备、生物制剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤生物及微生物的检测等方面。微滤膜在城市污水处理和工业废水处理中也有很重要的作用，常用于水的软化，水的脱色等净化处理。微滤的操作模式如图所示：2超滤超滤(UF)是一种能够将溶液进行净化、分离或浓缩的膜透过法分离技术，其过程是以膜孔径大小为标准的相关筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，用超滤膜为过滤介质，在一定压力下，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜而阻止水中悬浮物、胶体等大分子物质通过，达到溶液分离的目的。常用的超滤膜为非对称膜，它介于微滤和纳滤之间，表面活性层孔径为150nm，截留物的相对分子量下限为6000其优点是产水水质稳定、自用水耗低、适应水质范围广、能有效除去大分子物质。缺点是投资大，折旧成本高。UF膜由于实现了国产化，价格已经大大降低，由于占地省，易于实现自动控制，已经得到广范应用，多用于食品工业废水处理和纺织工业脱浆水的处理等，从水中除去大分子物质、细菌、热源等有害物质，并用于回收淀粉酶和聚乙烯醇。它的主要用途列于下表：领域内容工业废水的处理回收电泳涂漆废水中的涂料；含油废水的处理；上浆液的回收；乳胶的回收；造纸工业废液的处理；采矿及冶金工业废水的处理城市污水的处理水的净化家庭污水处理；阴沟污水处理；饮用水的生产；高纯水的制备食品与医药工业的应用回收乳清中的蛋白质；牛奶超滤以增加奶酪得率；果汁的澄清；明胶的浓缩；浓缩蛋清中的蛋白质；屠宰动物血液的回收；食用油的精炼；蛋白质的回收；医药产品的除菌生物技术工业的应用酶的提取；激素的提取；从血液中提取血清向蛋白；回收病毒；从发酵液中分离菌体；从发酵液中分离L一苯丙氨酸其他应用酿酒工业；化学工业超滤的分离机理主要是靠物理的筛分作用即在一定的压力作用下当含有大、小分子物质2类溶质的溶液流过被支撑的膜表面时溶剂和小分子溶质(如无机盐类)将透过膜，作为透过物被收集起来；大分子溶质(如有机胶体等)则被截留而作为浓缩液被同收。超滤膜分离过程巾由于高分子的低扩散性和水的高渗透性溶质会在膜表面积聚并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度这种现象被称为膜的浓差极化。为了减轻因浓差极化所造成的超滤通量减少，一般可采取如下措施：(1)错流设计。浓差极化是超滤过程不可避免的结果为r使超滤通量尽可能大，必须使极化层的厚度尽可能小。采用错流设计，即加料错流流动流经膜表面可用于清除一部分极化层。(2)提高流体流速，增加流体的揣动程度。以减薄凝胶层厚度。(3)采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁和对膜进行表面改性，研制抗污染膜等来尽量减少浓差极化现象。其原理示意图如下图所示：超滤膜分离过程巾由于高分子的低扩散性和水的高渗透性溶质会在膜表面积聚并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度这种现象被称为膜的浓差极化。为了减轻因浓差极化所造成的超滤通量减少，一般可采取如下措施：(1)错流设计。浓差极化是超滤过程不可避免的结果为r使超滤通量尽可能大，必须使极化层的厚度尽可能小。采用错流设计，即加料错流流动流经膜表面可用于清除一部分极化层。(2)提高流体流速，增加流体的揣动程度。以减薄凝胶层厚度。(3)采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁和对膜进行表面改性，研制抗污染膜等来尽量减少浓差极化现象。3反渗透反渗透是利用反渗透膜选择性地透过溶剂(通常是水)而截留离子物质的性质以膜两侧静压差为推动力克服溶剂的渗透乐是溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的过程，反渗透膜大多被作为复合膜，其最大优点为抗压密性较高和透水率较大E纠。世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万吨。现在采用反渗透膜淡化海水制取饮用水已成为最经济的手段。2000年，在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，1000td级的反渗透海水淡化示范工程先后在山东长岛、浙江嵊泗建成4。反渗透膜还应用于超纯水预处理、城市污水方面的处理，重金属废水、含油废水方面的处理。自反渗透膜问世以来其传质机理众说纷纭代表性的主要有：溶解一扩散理论；优先吸附一毛细孑L流理论、氢键理论：道南(D()nilan)平衡模型等。影响反透的因素浓差极化：由于膜的选择透过性冈素在反渗透过程巾。溶剂从高压侧透过膜到低乐侧大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累造成由膜表面到溶液主体之间具有浓度梯度的边界层它将引起溶质从膜表面通过边界层向溶液主体扩散这种现象称为浓差极化。浓差极化可对反渗透过程产生下列不良影响：由于浓差极化膜表面处溶质浓度升高，使溶液的渗透压百升高，当操作压差P一定时，反渗透过程的有效推动力(p一盯)下降，导致溶剂的渗透通量下降；南于浓差极化，膜表面处溶质的浓度升高。使溶质通过膜孔的传质推动力(c。CA2)增大，溶质的渗透通量升高，截留率降低这说明浓差极化现象的存在对溶剂渗透通量的增加提出了限制：膜表面处溶质的浓度高于溶解度时在膜表面上将形成沉淀会堵塞膜孑L并减少溶剂的渗透通量；会导致膜分离性能的改变；出现膜污染，膜污染严重时，几乎等于在膜表面又可形成一层二次薄膜会导致反渗透膜透过性能的大幅度下降甚至完全消火。减轻浓差极化的有效途径是提高传质系数A采取的措施有：提高料液流速、增强料液湍动程度、提高操作温度、对膜面进行定期清洗和采用性能好的膜材料等。4纳滤纳滤是近20年来在反渗透基础上发展起来的膜分离过程，是膜技术领域研究热点之一。纳滤(NF)膜是介于反渗透(RO)膜及超滤(UF)膜之间的一种新型分离膜，由于其具有纳米级(10-9m)的膜孔径、膜上多带电荷等结构特点，因而从性能角度讲，NF膜有两个基本特点；其截留分子量在100到1000之间，并对二价及多价离子有很高的截留率；其操作压力在04到15MPa之间，低于RO膜。纳滤膜常用于水的软化，水的脱色等净化处理。水作为一种战略资源正在得到前所未有的重视，国家发改委组织实施的城市节水和海水利用高新技术产业化专项从2004年开始分三年进行，国家发改委、科技部、商务部联合发布的2004年度当前优先发展的高技术产业化重点领域指南，也在新材料和资源综合利用领域把膜技术放到重要的位置。这些政策的出台必将对促进我国膜行业快速发展、整体水平的提高起到重大的作用。膜分离装置膜分离装置根据处理对象和要求不同，有多种多样，但从流程结构上看，十分相似，常见的有四种类型：（1）一级流程：物料经过分离膜的一次分离，完成操作（2）一级多段流程：将若干一级分离装置串联，物料经过串联的分离膜，每一个装置都得到产品，而分离的推动力逐级递减。（3）二级流程：物料经过一级分离后，将产品送入二级装置再次分离，得到最终产品。（4）多级流程：为达到很高分离要求，采用多级分离得到最终产品，同时多级分离浓缩浓溶液。膜分离装置在运行过程中会出现浓差极化现象，即由于膜的阻碍作用使溶质在膜的高压侧表面上累积，造成膜表面到主体溶液间的浓度梯度，引起溶质从膜表面通过边界层，向液相主体扩散。浓差极化现象发生后，溶质通过膜的流量大幅度增加，同时相应减少了溶剂的通过率，并且膜附近溶质浓度大幅增加，可能导致溶质析出沉积，使膜透过率急剧减少，严重时，会使膜的透过作用消失。为避免浓差极化给膜分离带来的不利影响，一般采取的措施是增加膜面附近的流体湍动程度，以减少膜表面溶质浓度的累积作用。 膜分离装置在生产中的应用不仅仅涉及膜分离技术原理，还涉及到过程设备的设计与选型，操作控制装置及相关软件等许多领域。所以尽管膜分离装置在化学工业，冶金，纺织，食品，生物化工，医药，国防等许多领域得到广泛应用，但是目前膜分离装置的使用还局限在少数拥有技术的国家中，还有待于进一步扩大应用范围。 经过近半个世纪的发展膜分离技术已完成了从实验室到大规模工业应用的转变开始在工业生产中发挥举足轻重的作用。但它毕竟是一门涉及多学科的高新技术边缘学科，在理论和实际应用方面还需要进一步研究。膜分离技术作为一种新