制药设备第三部分,气固分离及膜分离

第五章制药工程气固分离设备 需要气固分离的场合 一 发尘量大的设备 如粉碎 过筛 混合 制粒 干燥 压片 包衣等设备 二 需要将固体粉末收集后再排空的气体排放过程 三 气体的净化处理和过滤除菌 本章内容 一 旋风分离器 二 袋滤器 结构及原理 适用场合 以切向导入式旋风分离器为例 一 捕集直径5 10 m以上粉尘 粉尘颗粒较粗 含尘浓度较大 二 作为硫化床反应器的内分离装置 或作为预分离器使用 特点 一 结构简单 操作弹性大 效率较高 管理维护方便 价格低廉 二 实际操作中应注意控制风速 风速大易产生涡流及返混现象 风速小分离效率低 其它形式 螺旋型 涡旋型 旁路型 扩散型 旋流型 多管式等 第六章制药工程膜分离设备 膜分离技术发展简史 高分子膜的分离功能很早就已发现 1748年 耐克特 A Nelkt 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 A Schmidt 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 这种过滤可称为超过滤 按现代观点看 这种过滤应称为微孔过滤 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 A S Michealis 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 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 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 以后又开发了许多其它类型的分离膜 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 60年代中期 美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜 从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜 并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利 70年代初 卡斯勒 Cussler 又研制成功含流动载体的液膜 使液膜分离技术具有更高的选择性 一 膜及其分理机理 1 定义 膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障 膜是分离两相的中间相 有分离作用的膜称之为分离膜 通常亦简称为膜 2 型态 可以是固态的 也可以是液态的 本章主要内容为固体膜 3 结构 可能是均质的 也可能是非均质的 可以是中性的 也可以是带电的 4 传递过程 可以是主动传递过程 也可以是被动传递过程 5 推动力 压力差 浓度差 电位差等 膜的分类 根据膜的材质 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 无孔膜 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 膜分离的概念 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 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 膜分离与尺寸的关系 用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合成的有机高分子材料和无机材料 原则上讲 凡能成膜的高分子有机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 膜材料 膜材料种类 高分子有机膜 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 高分子有机膜材料的具体分类 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 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 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 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一 醋酸纤维素性能稳定 但在高温和酸 碱存在下易发生水解 醋酸纤维素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 显微镜下膜的照片 醋酸纤维素膜的结构示意图 99 表皮层 孔径 8 10 10 10m 过渡层 孔径200 10 10m 多孔层 孔径 1000 4000 10 10m 1 非纤维素酯类膜材料常见的有聚砜 聚酰胺 芳香杂环聚合物和离子聚合物等 基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团 主链上应有苯环 杂环等刚性基团 使之有高的抗压密性和耐热性 化学稳定性好 具有可溶性 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 离子性聚合物可用于制备离子交换膜 与离子交换树脂相同 离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜 弱酸型阳离子膜 强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等 在淡化海水的应用中 主要使用的是强酸型阳离子交换膜 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜 典型的膜分离技术及应用领域 典型的膜分离技术主要有微孔过滤 MF 超滤 UF 反渗透 RO 纳滤 NF 渗析 D 电渗析 ED 液膜 LM 及渗透蒸发 PV 等 下面分别介绍之 微孔过滤技术 微孔过滤技术始于十九世纪中叶 二战时被用于检测城市给水系统的微生物污染 我国20世纪70年代开始研究 到目前为止 国内外商品化的微孔膜约有13类 总计400多种 1 推动力 压力差 静压差 为0 01 0 2MPa2 膜类型特点 均匀的多孔薄膜 厚度在90 150 m左右 过滤粒径在0 025 10 m之间 也有称10nm 10 m 孔隙率70 80 107 108个小孔 cm2滤膜 微滤膜本身性脆 易碎 机械强度差 实际使用时必须衬贴在多孔支撑体上 如烧结的不锈钢 烧结镍等 尼龙布 丝绸 需以密孔筛板支撑 1 微孔过滤和微孔膜的特点 微孔膜的主要优点为 孔径均匀 过滤精度高 能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留 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 由于膜很薄 阻力小 其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 可忽略不计 无介质脱落 微孔膜为均一的高分子材料 过滤时没有纤维或碎屑脱落 因此能得到高纯度的滤液 微孔膜的缺点 颗粒容量较小 易被堵塞 使用时必须有前道过滤的配合 否则无法正常工作 2 1微孔过滤技术 3 透过组分 小于膜孔的物质 如水 溶剂 溶解物截留组分 大于膜孔的物质 如悬浮物 细菌等 1 微孔过滤和微孔膜的特点 4 分离机理 根据颗粒大小 形状进行分离 溶解物 1nm胶体物质 1nm 200nm悬浮物 200nm 机械截留 筛分作用 主要机理 物理作用 包括吸附作用 电性能影响 架桥作用 网络内部截流 2 微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用 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 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 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 食糖与酒类的精制 微孔膜对食糖溶液和啤 黄酒等酒类进行过滤 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产品的清澈度 延长存放期 由于是常温操作 不会使酒类产品变味 4 药物的除菌和除微粒 以前药物的灭菌主要采用热压法 但是热压法灭菌时 细菌的尸体仍留在药品中 而且对于热敏性药物 如胰岛素 血清蛋白等不能采用热压法灭菌 对于这类情况 微孔膜有突出的优点 经过微孔膜过滤后 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 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 超滤技术 超滤技术始于1861年 最早使用的超滤膜是动物脏器膜 1864年Traube合成了第一张人工膜 我国于20世纪70年代末开始研究 80年代发展迅速 1 推动力 压力差 为0 1 0 5MPa2 透过组分 溶剂 离子 小分子 分子量 1000 截留组分 生物制品 胶体 大分子 分子量1000 300000 如酶 蛋白质等3 分离机理 根据分子特性 大小 形状进行分离与微滤相似 主要也是为筛分作用 1 超滤和超滤膜的特点 4 膜类型特点 超滤膜均为不对称膜 其过滤粒径介于微滤和反渗透之间 约5 10nm 超滤膜的结构一般由三层结构组成 即最上层的表面活性层 致密而光滑 厚度为0 1 1 5 m 其中细孔孔径一般小于10nm 中间的过渡层 具有大于10nm的细孔 厚度一般为1 10 m 最下面的支撑层 厚度为50 250 m 具有50nm以上的孔 支撑层的作用为起支撑作用 提高膜的机械强度 膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层 1 超滤和超滤膜的特点 超滤是目前应用最广的膜分离过程之一 它的应用领域涉及化工 食品 医药 生化等 主要可归纳为以下方面 2 超滤技术应用领域 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 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 3 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 4 在医药和生化工业中用于处理热敏性物质 分离浓缩生物活性物质 从生物中提取药物等 5 食品工业中及造纸厂的废水处理 2 超滤技术应用领域 中空纤维超滤膜结构 超滤膜装置 反渗透技术 1 反渗透原理及反渗透膜的特点渗透是自然界一种常见的现象 反渗透技术20世纪60年代美国为解决宇航员太空饮水问题而研制的 现已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术 图4渗透与反渗透原理示意图 渗透和反渗透的原理如下图所示 1 推动力 压力差 为1 10MPa2 透过组分 水 溶剂 分子量 200 截留组分 全部颗粒物 溶质和盐 粒径0 1 1nm 3 反渗透膜 大部分为不对称膜 复合膜 常用的主要为醋酸纤维素膜 CA膜 其致密层孔隙约0 2 1 0nm 4 反渗透膜的分离机理 根据溶剂的扩散传递进行分离无机盐离子的直径仅为0 1 0 3nm 水合离子的直径为0 3 0 6nm 明显小于孔径 无法用分子筛分原理来解释分离现象 反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论 主要有溶解扩散理论 氢键理论 选择吸附 毛细管流动理论等 1 反渗透原理及反渗透膜的特点 溶解扩散理论 1 反渗透原理及反渗透膜的特点 认为反渗透膜的致密层可以是无孔的 具体过程包括 溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解 溶质和溶剂之间没有相互作用 它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式 不存在溶质和溶剂的对流传递 通过反渗透膜的活性层 溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸 氢键理论 主要针对醋酸纤维素膜提出醋酸纤维素膜具有高度矩阵结构 盐水中的水分子能与膜上的极性基团 如羰基 形成氢键 在反渗透压力作用下 以氢键结合进入膜内的水分子由第一氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键 水分子通过一连串的氢键 断开 形成 断开 过程依次从一个极性基团移到另一个极性基团 直至离开表层 进入膜的多孔层 选择吸附 毛细管流动理论膜是由含有适当亲水基团的多孔材料组成 在盐溶液中 膜表面有选择性吸附能力 即吸附水分子而排斥盐分子 因此 在膜和溶液界面形成一个纯水层 在反渗透压力推动下 此水层的纯水通过毛细作用而不断流出 1 反渗透原理及反渗透膜的特点 优先吸附 毛细孔流动模型 2 反渗透与超滤 微滤的比较都是以压力差为推动力的膜分离过程 它们组成了分离溶液中的离子 分子到固体微粒的三级膜分离过程 一般来说 分离溶液中分子量低于500的低分子物质 应该采用反渗透膜 分离溶液中分子量大于1000的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜 而分离溶液中的直径0 01 10 m的粒子应该选微孔膜 以上关于反渗透膜 超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格 明确的 它们之间可能存在一定的相互重叠 表反渗透 超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较 3 反渗透膜技术应用领域反渗透膜最早应用于苦咸水淡化 随着膜技术的发展 反渗透技术已扩展到化工 电子及医药等领域 反渗透过程主要是从水溶液中分离出水 分离过程无相变化 不消耗化学药品 这些基本特征决定了它以下的应用范围 1 海水 苦咸水的淡化制取生活用水 硬水软化制备锅炉用水 高纯水的制备 近年来 反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性 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 而且产品的疗效 风味和营养等均不受影响 3 印染 食品 造纸等工业中用于处理污水 回收利用废业中有用的物质等 3 反渗透膜技术应用领域 工业应用的反渗透装置 工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接 纳滤技术 nanofiltration NF 纳滤膜是20世纪80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 1 纳滤膜的特点 一般为复合膜 孔径及其被分离物的尺寸 介于反渗透膜 RO 和超滤膜 UF 之间 为纳米级 因此称为 纳滤 1 纳滤及纳滤膜的特点 纳滤技术 nanofiltration NF 2 推动力 压力差 0 5 1MPa 0 5 2 5MPa 3 透过组分 水 溶剂 一价盐和分子量 200的小分子物质截留组分 多价盐 粒径在1nm左右 分子量为300 1000左右的小分子有机物 如糖 染料等 1 纳滤及纳滤膜的特点 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 透过被反渗透膜所截留的无机盐 而且 纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同 对单价离子的截留率低 10 80 对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子 90 以上 4 分离机理 根据分子 离子 大小及电荷进行分离 对小分子的分离 筛分作用 对带电离子分离 唐南平衡 Donnan 或称唐南效应 不管初始时两边的盐浓度是否相等 平衡时 Na Na Cl Cl 问题 如果往内相加入大量的高分子电解质 如Na2Pr 平衡时膜两边的Na 和Cl 浓度还相等吗 电解质溶液平衡时 优先满足电中性条件 Na Cl Pr2 Na Cl 内相 外相 平衡时 膜两边的Cl 的浓度不相等 唐南平衡 在半透膜两边 一边放大分子电解质 一边放纯水 大分子离子 如Pr2 不能透过半透膜 而离解出的小离子 如Na 及杂质电解质离子 如Cl 可以通过 因膜两边要保持电中性 在达到渗透平衡时 使小离子在膜两边的浓度不等 这种平衡称唐南平衡 由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压 又称之为唐南效应 该效应会影响渗透压法测定大分子摩尔质量的准确性 2 纳滤膜及其技术的应用领域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 在食品行业中 纳滤膜可用于果汁生产 大大节省能源 在医药行业可用于氨基酸生产 抗生素回收等方面 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 静压差膜分离小结 新型的NF正好介于UF和RO之间 截流分子量大概在300 1000 ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane 原理动漫 um A RELATIVE SIZEOF COMMON MATERIAL过滤对象 MOLECULAR WEIGHT分子量 0 001 10 0 01 100 0 1 1000 1 0 10 4 10 10 5 100 1000 10 6 10 7 100 200 5 000 20 000 150 000 500 000 Aqueoussalts中水盐份 Metalions金属离子 Sugars蔗糖 FILTRATION TECHNO LOGY过滤方法 Pyrogens热源 Virus病毒 Colloidalsilica胶体硅 Albuminprotein白蛋白 Bacteria细菌 Carbonblack碳黑 Paintpigment颜料色素 Yeastcells酵母 Milledflour面粉 Beachsand海滩沙砾 Pollens花粉 RO反渗透 Ultrafiltration超滤 Microfiltration微滤 Particlefiltration一般过滤 THEFILTRATIONSPECTRUM过滤谱图 NF纳滤 电渗析 电渗析是在外加直流电场作用下 通过具有选择透过性及导电性良好的离子交换膜把电解质从溶液中分离的技术 1 推动力 电位差2 透过组分 离子截留组分 所有非解离和大分子颗粒3 膜类型 离子交换膜 阴离子交换膜 只允许阴离子通过而阻止阳离子通过 主要为季胺型 即R N CH3 3OH 在水中解离为R N CH3 3 带正电 吸引水中负离子可与OH 交换通过 阳离子交换膜 只允许阳离子通过而阻止阴离子通过 主要为磺酸基型 即R SO3H 在水中解离为R SO3 带负电 吸引水中阳离子可与H 交换通过 1 电渗析原理及膜类型 4 分离原理 根据电解质离子选择传递进行分离在盐的水溶液 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 阳离子交换膜或阴离子交换膜 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 电渗析 1 电渗析原理及膜类型 正极阴离子交换膜负极 电渗析过程原理图 图6 5电渗析器示意图A 阴离子膜 K 阳离子膜 D 稀室 C 浓室 电渗析过程原理图 阳极H2O H OH 4OH 4e 2H2O 2 O 2H2O O2 2Cl 2e 2 Cl Cl2 H Cl HCl 在阳极 由于OH 减少 极水呈酸性 并产生性质非常活泼的初生态氧和氯 会对电极造成强烈腐蚀 因此阳极附近一般不用阴膜而用阳膜 防止阴离子进入阳极室 或用一张抗氧化膜 在阴极 由于H 减少 极水呈碱性 当水中含有Ca2 Mg2 HCO3 时 就会生成CaCO3 Mg OH 2等水垢 因此极室也应通入原水 排放极水 且最好混合排放 电渗析极室反应 以NaCl水溶液为例 阴极H2O H OH 2H 2e H2 Na OH NaOH 2 电渗析技术应用领域自电渗析技术问世后 其在苦咸水淡化 饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势 随着电渗析理论和技术研究的深入 我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新 仅离子交换膜产量就占到了世界的1 3 我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产 现可提供200m3 d规模的海水淡化装置 中草药有效成分的分离和精制 通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱 无机阴离子和有机酸 中性化合物和高分子化合物三部分 电渗析技术在食品工业 化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用 特别是与反渗透 纳滤等精过滤技术的结合 在电子 制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色 实际应用的电渗析器 渗透蒸发技术 渗透蒸发 也叫渗透汽化 是膜分离技术的一个分支 也是热驱动的蒸馏法和膜法相结合的一种分离方法 其不同于常规膜分离方法之处在于 渗透过程将产生由液相到气相的转变 即 渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下 透过膜并部分蒸发 从而达到分离目的的一种膜分离方法 其实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物 其原理如下图 1 渗透蒸发原理 渗透蒸发分离示意图 b惰性气体吹扫 a真空气化 渗透蒸发技术 其分离机制可分为以下三步 被分离的物质在膜表面有选择性的被吸附并被溶解 以扩散的形式在膜内渗透 在膜的另一侧变成气相脱吸附而与膜分离开 1 渗透蒸发原理 2 渗透蒸发膜材料的选择对于渗透蒸发膜来说 是否具有良好的选择性是首先要考虑的 基于溶解扩散理论 只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料 如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 而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 3 渗透蒸发技术应用领域渗透蒸发技术具有一次分离度高 操作简单 无污染 低能耗等特点 已经引起广泛的关注 1 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 目前已在无水乙醇的生产中实现了工业化 与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比 可大大降低运行费用 且不受汽 液平衡的限制 2 在其他领域的应用尚都处在实验室阶段 预计有较好应用前景的领域有 工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有毒有机物 如苯 酚 含氯化合物等 在气体分离 医疗 航空等领域将得到广泛应用 膜蒸馏技术 膜蒸馏技术主要用于利用微孔高分子膜提取挥发性物质 与渗透蒸发相比 相同之处 推动力均为蒸气压差 均有液相到气相的转变不同之处 前者是先渗透后汽化 膜蒸馏是先汽化后渗透过膜 1 膜蒸馏技术原理 其原理如图示 疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接触 即暖侧 膜的另一侧与低温冷壁相邻 即冷侧 借助暖侧与冷侧之间的这种相当于温度差的蒸气压差为推动力 促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔 再扩散到冷侧的冷壁表面被冷凝下来 而液相水溶液由于多孔膜的疏水作用无法透过膜被留在暖侧 从而达到与气相水分离的目的 注 在以水溶液进行膜蒸馏时 如果溶质的挥发性比水更大 则蒸馏液的主要成分应该是溶质 例如 当暖侧为乙醇水溶液时 由于乙醇的挥发性比水强 乙醇将不断的从暖侧进入冷侧 如果暖侧为乙酸水溶液时 由于乙酸的挥发性比水弱 水将不断的从暖侧进入冷侧 2 膜蒸馏过程的特点 该过程是在常压下进行的 所用设备简单 操作简便 无需把溶液加热到沸点 只要膜两侧维持适当温差 该过程即可进行 在非挥发性溶质的水溶液膜蒸馏过程中 因为只有水蒸气能透过膜孔 可成为大规模 低成本制备超纯水的有效手段 该过程可以用来处理极高浓度的水溶液 如果溶质是易结晶的 可以把溶质浓缩至过饱和状态 出现 膜蒸馏 结晶 现象 可用以从天然盐水中结晶出食盐等 是其它膜过程难以达到的 透析 透析 也有称渗析 是指在浓度差推动下 借助膜两侧的扩散和渗透作用 使两组分以上的溶质得以分离 膜类型 非对称膜 离子交换膜透过组分 离子 酸 碱 低分子量有机物被截留组分 分子量大于1000的溶解物及胶体分离机理 是根据溶质分子大小和化学性质不同 具有不同的选择透过性及透过速度 血液透析机 膜组件是指将膜 固定膜的支撑材料 间隔物等组装成的一个基本单元 工业生产中可以将数个或数千个膜组件组成一个连续的系统 逐级浓缩 透过液可在各个单元