膜分离工程第一章PPT课件

.,1,膜分离工程,.,2,第1章绪论第2章膜材料与膜制备第3章膜分离工程学概述第4章微滤、超滤第5章纳滤、反渗透第6章渗透汽化第7章膜生物反应器MBR第8章膜过程设计第9章膜污染与控制第10章膜前沿-膜与环境,.,3,绪论,1、膜的概念2、膜科学发展史3、膜的分类4、膜过程的一些重要概念5、膜的主要应用6、膜分离其他内容,.,4,膜分离工程参考教材,参考书邵刚编著.膜法水处理技术.冶金工业出版社.2000时钧,袁权,高从堦主编.膜技术手册.化学工业出版社.2001,教材安树林主编天津市“十五”重点建设教材膜科学技术实用教程化学工业出版社2005,.,5,膜,料液,水,小分子,大分子,渗透液,定义：具有选择性分离的功能薄膜材料。,美国官方文件“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世界的面貌”，“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪化工的未来”,膜分离概述,.,6,1、膜分离概述,概念：用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。,.,7,显微镜下膜的照片,.,8,膜断面结构,海绵状结构,指状结构,.,9,.,10,2、膜科学的发展史,.,11,续表：,.,12,1861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。,.,13,1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜,电渗析过程得到迅速的发展;,.,14,1960年Loeb和Sourirajan以相转化法制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜（醋酸纤维素反渗透膜），是膜分离技术发展的一个里程碑。它不仅使反渗透过程从实验室走向工业应用，而且这种新的制膜工艺引起科技和工业界的广泛重视；推动了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段。,.,15,1961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。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。,.,16,膜工业的发展史,.,17,1967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。,.,18,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（MF膜）和反渗透膜（RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。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。,.,19,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。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。,.,20,膜分离发展过程和趋势,.,21,我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。国内主要的膜研究和推广单位：1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司）2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司）天津工业大学（膜天公司）3）无机膜（陶瓷膜）：南京工业大学（久吾高科）,我国膜技术发展史,.,22,国内膜分离技术发展概况,1967年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产，开始全国海水淡化大会战。20世纪80年代，开发膜技术列入科技攻关和发展计划，形成了一定规模的膜产业。1995年中国膜工业协会成立，进入规模发展的新阶段。,.,23,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,.,24,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,卷式膜,.,25,固体膜按结构分类分为：对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)复合膜(CompositeMembrane),.,26,膜分离的形式错流过滤,终端过滤污染严重,错流过滤污染轻,膜过程的一些术语-错流,.,27,错流过滤的优点：(1)便于连续化操作过程中控制循环比；(2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进行；(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高过滤速度。,膜过程的一些术语,.,28,膜过程的一些术语-通量、拉伸强度、选择性,通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.h拉伸强度：定义为拉断膜丝时的拉伸力/材料截面积，单位Pa选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。1）液体分离的选择性常用截留率表示：R1Cp/Cf2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：A/B(yA/yB)/(xA/xB),.,29,截断曲线,得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。,.,30,水通量：纯水在一定压力，温度(0.35MPa，25)下试验，透过水的速度L/hm2。JW=W/At同类膜，孔径，水通量Jw。水通量Jw不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的10%）由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。,水通量,.,31,孔径常用泡点法（bubble-pointmethod）测定，对微孔膜尤为适用。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐增大空气压力，当有稳定气泡冒出时的压力，称为泡点压力根据下式，即可计算出孔径：d4COSP（17-3）式中d为孔径，为液体的表面张力，为液体与膜间的接触角，P为泡点压力。孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。,膜过程的一些术语-孔道特征-孔径,.,32,本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏。将微、超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口处通入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡逸出速度，如大于规定值，表示膜不合格。,膜过程的一些术语-完整性实验,.,33,膜过程的一些术语-浓差极化,浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。,123,CfCmCp浓差膜层渗透侧极化层极化层,.,34,克服浓差极化的方法,浓差极化的减少,降低压力,降低膜表面的浓度,降低溶质在料液中的浓度,垂直于膜的混合,排除膜表面的浓集物,桨式混合器,静态混合器,提高膜面粒子反向传递,.,35,膜污染,膜使用中最大的问题是膜污染膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。1、物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。2、化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。,膜过程的一些术语-膜污染,.,36,7、膜技术的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2控制,制药,食品,化工与石化,电子,冶金,燃料电池,洁净燃烧,.,37,膜分离技术的应用,应用,水的脱盐和净化,食品工业,医疗、卫生方面,石油、化工方面,环境工程,其他方面,海水与苦咸水淡化,电厂锅炉供水脱盐,超纯水制备,城市家庭饮用水的净化,乳品加工,酒类生产,果汁加工,酶制剂生产,医疗、卫生用水,药品生产,医疗应用,中药提炼,回收有机蒸气,制取富氧空气,无水乙醇生产,膜与生物技术,国防上的应用,交通、运输方面,脱气膜,电泳漆废水,电镀废水,纤维工业废水,造纸工业废水,其他废水,.,38,典型的膜分离技术及应用领域,微孔过滤（Microfiltration，MF）超滤（Ultrafiltration，UF）反渗透（Reverseosmosis，RO）纳滤（Nanofiltration，NF）气体膜分离（Gasseparation）电渗析（Electrodialysis，ED）液膜（Liquidmembrane，LM）渗透蒸发（Pervaporation，PV）,.,39,微孔过滤（MF）：,透过组分:溶液,气体截留组分：0.02-10mm粒子推动力：压力差（100kPa）传递机理：筛分膜类型：多孔膜,目的：溶液脱除颗粒,气体脱粒子,.,40,超滤（UF）：,透过组分:小分子溶液截留组分：1-20nm大分子溶质推动力：压力差（1001000kPa）传递机理：筛分膜类型：非对称性膜,目的：溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级。,.,41,超滤膜装置,.,42,纳滤（NF）：,透过组分:溶剂,低价小分子溶质截留组分：1nm以上溶质推动力：压力差（5001500kPa）传递机理：溶解、扩散,Donnan效应膜类型：非对称性膜或复合膜,目的：溶剂脱有机组分，脱高价离子,软化脱色浓缩等。,.,43,反渗透（RO）：,透过组分:溶剂截留组分：0.1-1nm小分子溶质推动力：压力差（100010000kPa）传递机理：优先吸附毛细管流动及溶解、扩散膜类型：非对称性膜或复合膜,目的：溶剂脱溶质，小分子溶质溶液浓缩。,.,44,工业应用的反渗透装置,.,45,微滤0.110m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等,超滤0.0050.1m：蛋白、颜料、多糖、大分子,纳滤0.00050.005m：低聚糖、染料、多价离子,反渗透0.00010.001m：电解质、大于100Da的有机溶质,水、小于100Da的有机溶质,膜的适用范围,.,46,m,A,Relativesizeofcommonmaterial过滤对象,Molecularweight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,FiltrationTechnology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,.,47,电渗析（ED）：,透过物：小离子组分截留组分：同名离子，大离子和水推动力：电化学势传递机理：反离子经离子交换膜的迁移膜类型：离子交换膜,目的：溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩、小离子的分级。,.,48,实际应用的电渗析器,.,49,气体分离（GS）：,透过：较小组分或膜中易溶组分截留：较大组分推动力：压力差（100010000kPa），浓度差传递机理：溶解-扩散膜类型：均质膜、非对称性膜或复合膜,目的：气体混合物分离、富集或特殊组分脱除。,.,50,.,51,.,52,渗透蒸发（PVAP）：,透过物：易溶解组分或易挥发组分截留组分：不易溶解组分或较大、较难挥发物推动力：分压差，浓度差传递机理：溶解-扩散膜类型：均质膜、非对称性膜或复合膜,目的：挥发性液体混合物分离。,.,53,膜的分离机理,筛分机理截留比膜孔径大或与孔径相当的微粒,溶解-扩散机理膜的选择性吸附和选择性扩散共同作用机理,荷电机理膜中存在固定基团电荷的吸附、排斥产生选择渗透性,多孔膜分离,荷电膜分离,致密膜分离,.,54,膜分离过程的基本传质形式,被动传递：为热力学“下坡”过程，其中膜的作用就像是一物理的平板屏障。促进传递：组分由特定的载体带入膜中，具有高选择性的被动传递。主动传递：推动力是由膜内某化学反应提供，主要存在于生命膜。,.,55,物质透过膜的主要三种方式：,被动传递,促进传递,主动传递,被动传递：物质由高化学位相向低化学位相传递，这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。,压力差浓度差电位差温度差,推动力,.,56,促进传递：膜内有载体，在高化学位一侧，载体同被传递的物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递的物质释放，这种传递过程有很高的选择性。,主动传递：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放能量，使被传递物质由低化学位一侧被传递到高化学位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度方向。,.,57,.,58,膜分离技术的特点,一膜分离通常是一个高效的分离过程；例如：机械分离最小极限为微米级，而膜分离可将分子量几百的物质进行分离，对应的粒子大小为纳米级；乙醇-水体系在共沸点处相对挥发度为1，用蒸馏法难以分离，而渗透蒸发的分离系数为数百，较易分离。,.,59,各种海水淡化方法所需要的能量,二膜分离过程的能耗通常比较低。膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。,.,60,三膜分离过程在常温下进行，特别适合热敏性物料的分离。,浓缩技术对西莲果汁影响,.,61,四操作简便，维护容易，操作方式灵活；五无二次污染，一般不需要从外界加入其它物质。六分离系数大，适用范围广。,.,62,膜分离过程,膜结构,膜材料,膜分离技术的关键问题,.,63,膜科学与基础科学的关系,膜材料选择与改性-材料化学与物理膜材料合成-有机化学膜制备-相平衡-物理化学膜分离-化学工程膜器设计-数学、机械、系统工程、自控,.,64,膜科学技术的未来,研究新材料与开发制膜新工艺开发集成膜分离技术开发膜分离与传统分离技术相结合的新型膜分离过程开发膜分离与反应过程相结合的膜反应器,.,65,MTM的变形蓝色代表科技深浅蓝色代表膜的过滤特性（浓缩与净化）圆形代表中空纤维膜意涵公司不断创新发展的理念,.,66,公司发展沿革图,1974年,1992年,1999年,天津纺织工学院膜分离技术研究所,天津纺织工学院膜天膜技术工程公司,天津膜天膜工程技术有限公司,2003年,香港华益集团有限公司,2007年,中国高新投资有限公司,天津膜天膜科技有限公司,中国纺织工业对外经济技术合作公司,天津工业大学,.,67,公司的产业链,.,68,国家中空维膜产业化示范基地,位于天津经济技术开发区第十一大街，占地100亩，建筑面积2万余平方米，年产300万平方米中空纤维膜，是目前亚洲最大的膜制造基地之一。,.,69,膜工程实验测试评价中心,建筑面积5000平方米的膜工程实验测试评价中心楼将于2009年在开发区建成投入使用。,.,70,公司目前拥有10条自行设计的纺丝设备和生产线，4条自动化的浇注生产线以及生产、质检、技术等环节所需的仪器设备。,先进的生产线及制膜设备,.,71,我公司制造的不同品种、规格的膜组件,我公司生产制造多种材质（PVDF、PS、PES、PAN、PE等）、各种规格的内压型和外压型中空纤维超滤、微滤、管式膜组件及装置。,.,72,国家级奖项,新型功能中空纤维膜制备技术及其产业化应用项目荣获2008年度国家技术发明奖二等奖,由我公司首席科学家肖长发教授主持的该项目是根据热力学相容性理论和聚合物共混界面相分离原理开发出的一种全新的中空纤维多孔膜制备技术，并且已成功地将此项技术产业化。这一世界领先的技术发明及其相关产品投入工程化应用，大大增强了国产聚合物中空纤维液体分离膜制备技术和产品的核心竞争力，为污水资源化提供了更为优秀的技术和产品。,.,73,国家级奖项,高性能聚偏氟乙烯中空纤维膜制备及在污水资源化应用中的关键技术项目荣获2012年度国家技术发明奖二等奖,.,74,膜天膜公司的核心竞争技术,.,75,连续膜过滤(CMF)技术简介,