膜分离技术应用本科生讲座ppt课件

膜分离技术及其工程应用-机电工程学院本科生学术讲座-周俊波教授博士先生电话：e-mail :中gab ，1，目录，发展简单历史基础知识常用技术设备介绍，第一章膜分离技术介绍，第二章膜分离技术的应用、概况、 典型的膜分离技术和应用领域，2、对人膜现象的研究产生于1748年，认识膜的功能为人服务，经历了200多年的漫长历程。 大概的历史(20世纪):30年代：微孔过滤40年代：透析50年代：电渗析60年代：反渗透70年代：超滤和液膜80年代：气体分离90年代：渗透汽化，一、发展简史，3、国内研究的历史、 1958年开始研究离子交换膜1965年开始探索反渗透膜1966年上海化工厂的聚乙烯异相离子交换膜正式生产，为电渗析工业的应用奠定了基础的70年代相继研究开发了电渗析、反渗透、超滤和微滤和模块， 进入普及阶段的80年代中期我国气体分离膜的研究取得了很大进步，90年代国家科技部在无机陶瓷过滤器的工业化技术上组织了科技难关，推进了陶瓷过滤器的工业化进程。 4，2，基础知识，1 .膜(membrane)(1)定义：在一定的流动相(液体or气体)中，有一层凝聚相物质，将流动相分成两部分，该层为膜。 其厚度为0.5mm以下. (2)分类：孔径差异(or阻止分子量) :分为微滤膜、超滤膜、纳米滤膜和反渗透膜：无机膜(微滤膜，例如陶瓷膜和金属膜)有机膜(高分子材料制成，醋酸纤维素CA、聚醚砜PES、芳香族聚酰胺5、清洗：NaOH:水解蛋白质，皂化脂肪，溶解某生物高分子酸： HNO3、H3PO4、HCl (除去无机物)表面活性剂： SDS (乳化、湿润、分散生物高分子等氧化剂： NaClO (强氧化力)酶：一般不使用，但要除去某多糖类有机溶剂： 20%-50%乙醇可用于膜装置的灭菌和油脂去除等。 但是，系统必须符合防爆要求。 6，2 .原理：膜分离技术以选择性多孔薄膜为分离介质，使分离出的溶液以某种推进力(例如压力差、浓度差、电位差等)通过膜，低分子溶质透过膜，捕获高分子溶质，从而达到分离、浓缩、精制溶液中分子量不同的物质的目的。 模式图、7、3 .膜分离过程型、8、4 .膜过滤方式：终端过滤以压力为推进力，材料液的流动方向与膜过滤膜表面垂直，透过液的方向与材料液一致。 交叉填充(crossflowfiltration )透过液的方向与进给方向垂直，进给液的流动方向与过滤器表面平行，进给以一定的流速清洗膜表面，减少浓度差分极化效果。 以微滤膜为例，主要由材料液中固形物含量确定，0.5%基本采用错流滤膜。9、3、常用技术分类、压力推进膜过程及各自的分离特征，10、1 .微滤器(Microfiltration，MF )、微滤器的应用范围主要从气相和液相中捕获微粒、细菌及其他污染物，达到净化、分离、浓缩的目的。 特别适合微生物、细胞碎片、微细沉淀物以及其他“微米级”范围内的粒子。11、2 .超滤(Ultrafiltration，UF )、原理：将膜两侧的压力差作为驱动力，将超滤膜作为过滤介质。 在一定的压力下，水流在膜表面流动时，只有小于水和膜孔径的分子物质通过，达到溶液净化、分离、浓缩的目的。 分类：一般分为板框式(板式)、中空纤维式、管式、滚筒式等多种结构。 应用：浓缩、脱盐、分离、纯化、脱热原、缓冲液置换等。12、2种压力差p=p进-p出(回流液循环动力)一般的10psi左右的调节方式：泵速度、回流阀pt=(p进-p0) (p出-p0)*1/2=(p进-p出) *1/2-p0 (超滤推力)、轴向、侧方压力差、pt对焊剂的影响， 压力低：焊剂与pt成比例增加，例如a压力增大：形成浓度差分极层的倾向变缓，b压力持续增加：浓度差分极层达到凝胶层浓度，焊剂不随pt变化，例如c、膜两侧的平均压力差、13、3 .纳米过滤(nano ft ) 与其他压力驱动膜分离工艺相比，出现较慢。 由于操作压力低于反渗透，纳滤又称“低压反渗透”或“疏反渗透”。 应用：食品工业、植物精加工、饮料工业、农产品精加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保工业纳滤膜(陶氏)、14、纳滤膜三大特点，MWCO介于反渗透膜和超滤膜之间，一般介于1501000dalton； 科学家推测表面分离层可能具有1nm左右的微孔结构，被称为“纳米过滤”。 纳滤膜在无机盐中具有一定的俘获率，其表面分离层由聚电解质构成，与离子有静电相互作用。 超低压通量，即使在超低压下(0.1Mpa14.7psi )也能工作，有很大的助焊剂。 15，4 .反渗透(ReverseOsmosis，RO )，原理：通过反渗透膜在压力下分离溶液中的溶剂和溶质的过程。 在：美国，首次用纯水回收宇航员的尿液。 医学界采用反渗透法技术清洗肾脏(血液透析)。 工业上应用于海水脱盐、超纯水的制造、从发酵液中分离溶剂等。 特点：无需添加杀菌剂或化学物质，不会发生化学相变。 16、图片，17，Vivaflow50旋流/切线流过滤器，Vivaspin系列超滤浓缩离心管，25mm交换膜针式过滤器，4，设备介绍：18，QuixStand中空纤维柱系统，Pellicon超滤系统，不锈钢圆筒式正压过滤器0.1m2陶瓷膜实验设备，1920，21，22，第二章高分子分离膜和膜分离技术，2.1概说2.1.1分离膜和膜分离技术的概念分离膜，是指以特定的形式限制、传递流体物质的两相或两相的界面。 膜的形状可以是固体也可以是液体。 由膜分隔的流体物质可以是液体也可以是气体。 膜具有至少两个界面，膜通过这两个界面与分开的两侧流体接触地传输。 分离膜对流体可以完全透过，也可以半透过，但不完全透过。 膜的生产和研究中的使用技术被称为膜技术。 22、第二章高分子分离膜和膜分离技术，随着科学技术的快速发展和人类物质利用的拓展，物质分离成为重要的研究课题。 分离的类型包括根据同种物质的大小分离的异种物质的分离、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。 但是，对于高水平的分离，例如分子尺寸的分离、生物成分的分离等，难以采用通常的分离方法，无法达到精度，或者需要非常耗费的能量，不具有实用价值。 23、第二章高分子分离膜和膜分离技术、具有选择分离功能的高分子材料的出现，解决了上述分离问题。 膜分离过程的主要特点是以具有选择性渗透性的膜作为分离手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物成分的分离。 膜分离过程的推动力有浓度差、压力差、电位差等。 膜分离过程可以归纳为三种形式：透析式膜分离材料液中的溶质和离子被浓度差、电位差推动，透过膜进入接受液中进行分离。属于透析式膜分离的有透析和电透析等，第24章高分子分离膜和膜分离技术，过滤式膜分离以成分分子的大小和性质的不同来表现透过膜的速度差，达到成分的分离。 属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透、气体渗透等液膜分离液膜与材料液和接受液不相互混溶，液液两相通过液膜渗透，类似于萃取和反萃取的组合。 溶质从材料液进入液膜相当于萃取，溶质从液膜进入接受液相当于反萃取。 25、第二章高分子分离膜与膜分离技术、膜分离技术是利用膜对混合物中各成分的选择渗透性能差异来实现分离、纯化和浓缩的新分离技术。 膜分离过程的共同优点是成本低、能耗低、效率高、无污染、可回收有用物质，特别适合性质类似的成分、异构体成分、热敏性成分、生物物质成分等混合物的分离，因此在某些应用中可以代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元的操作。 实践证明，在经济上常规的分离方法不能得到良好的分离时，膜分离作为分离技术是非常有用的。 此外，膜技术可以和通常的分离方法结合使用，使技术投资更经济。 26、第二章高分子分离膜与膜分离技术、膜分离过程无相变(渗透蒸发膜除外)，避免常温下可操作的高温操作，浓缩浓缩物质的性质不易变化，因此膜分离过程中在食品、医药等行业使用具有独特优点的膜分离装置简单易操作，适用于无机物、有机物及生物制品，也不会产生二次污染由于这一优势，近二三十年来，膜科学和膜技术的发展极为迅速，现在已成为工业农业生产、防卫、科技和人民日常生活不可或缺的分离方法，越来越广泛应用于化工、环境保护、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。 27、第二章高分子分离膜与膜分离技术、2.1.2膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能已经被发现。 1748年，奈特(A.Nelkt )发现水自动扩散到加了酒精的猪膀胱中，开始了膜渗透的研究。 1861年，施密特(A.Schmidt )首先提出了超滤的概念。 提出用小于滤纸孔径的棉凝胶膜或纤维素酚过滤膜时，对溶液侧施加压力，使膜两侧产生压力差，可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微粒子。 其精度比滤纸高得多。 这种滤波可以称为超限滤波。 在现代，这种过滤应该叫做细孔过滤。 28、第二章高分子分离膜和膜分离技术，但真正意义上的分离膜出现在1960年代。 1961年，米其拉斯(a.s .迈克尔斯)等人以不同比例的酸性和碱性高分子电介质混合物，以水-丙酮-溴化钠为溶剂，制成了能够捕获分子量不同的膜的膜。 美国Amicon公司首先把这个膜商品化了。 50年代初，为了从海水和苦咸水中获得淡水，开始了反渗透膜的研究。 1967年，杜邦公司开发了以尼龙-66为主要成分的中空纤维反渗透膜组件。 同时，丹麦DDS公司开发了平面型反渗透膜模块。 反渗透膜开始工业化。 29、第二章高分子分离膜和膜分离技术，自上世纪60年代中期以来，膜分离技术实现了真正的工业化。 最初出现的分离膜是超滤膜(简称UF膜)、微孔过滤膜(简称MF膜)和反渗透膜(简称RO膜)。 此后，还开发了许多其他种类的分离膜。 在此期间，除了上述三大膜以外，其他种类的膜也得到了很大发展。 80年代成功开发出气体分离膜，进一步提高了功能膜的地位。30、第二章高分子分离膜与膜分离技术、具有分离选择性的人工液膜是马丁(Martin )于60年代初研究反渗透时发现的，该液膜复盖在固体膜上，是支撑液膜。 60年代中期，美国籍华人黎念之博士发现含表面活性剂的水和油形成界面膜，发明了不支持固体膜的新液膜，1968年获得了纯液膜的第一专利。 70年代初，标量(Cussler )还开发了含有流动载体的液膜，使液膜分离技术具有很高的选择性。 膜分离技术具有高效、节能、高选择、多功能等特点，使分离膜成为上世纪以来发展极快的功能性高分子。 31、第二章高分子分离膜和膜分离技术、2.1.3功能膜的分类1 .膜的材料分类、表2-1膜材料的分类、32、第二章高分子分离膜和膜分离技术、2 .膜的分离原理和适用范围分离膜的分离原理和推进力的不同，可分为微孔膜、超滤膜、反渗透膜、纳米过滤膜、透析膜、电透析膜、渗透蒸发膜等。 3 .根据膜截面的物理形态分类分离膜截面的物理形态，可以分为对称膜、非对称膜、复合膜、平板膜、管膜、中空纤维膜等。 33、第二章高分子分离膜和膜分离技术，4 .按功能分类的日本着名高分子学者清水刚夫将膜按功能分类为分离功能膜(包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜)、能量转换功能膜(包括浓差能量转换膜、光能转换膜、机械能转换膜、电能转换膜、导电膜)、生物功能膜(感知膜) 34、第二章高分子分离膜和膜分离技术，2.1.4膜分离过程中类型分离膜的基本功能是从物质组中选择性地透过或输送特定物质，如粒子、分子、离子等。 或者，物质的分离是通过膜的选择性透过来实现的。 一些主要的膜分离过程及其传递机理见表4-2。 35、第二章高分子分离膜和膜分离技术，表2-2几个主要分离膜的分离过程，36、第二章高分子分离膜和膜分离技术，继续表，37、第二章高分子分离膜和膜分离技术，目前实用的有机高分子膜材料为纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类和其他材料。 从品种来说，已经制成了数百多种膜，其中约有40种用于工业和实验室。 以日本为例，纤维素酯系膜为53%、聚砜膜为33.3%、聚酰胺膜为11.7%、其他材料的膜为2%，可见纤维素酯系材料在膜材料中占主要地位。 38、第二章高分子分离膜与膜分离技术，2.2典型的膜分离技术和应用领域的典型膜分离技术有微孔过滤(MF )、超滤(UF )、反渗透(RO )、纳滤(NF )、透析(d )、电渗析(ED )、液膜(LM )和渗透蒸发(PV )等，现分别介绍如下。 2.2.1孔隙过滤技术1 .孔隙过滤和孔隙膜特征孔隙过滤技术始于19世纪中叶，是以静压为推动力，利用网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。 经微孔过滤的膜称为微孔膜。 39、第二章高分子分离膜和膜分离技术，微孔膜为均匀多孔性薄膜，厚度为90150m左右，过滤粒径为0.02510m，操作压力为0.010.2MPa . 迄今为止，国内外商品化的微孔膜约有13种，共计400种以上。 微孔膜的主要优点是孔径均匀，过滤精度高。 能够捕获液体中所有大于孔径的微粒空隙大，流速快。 一般细孔膜的孔密度为107孔/cm2，细孔体积占膜整体的70%80%。 由于膜薄，阻力小，其过滤速度比常规过滤介质快几十倍，40，第二章高分子分离膜与膜分离技术，吸附或不吸附。 微孔膜的厚度一般在90150