《膜分离技术》PPT课件

1、1,6 膜分离技术(membrane separation,第一讲,2,本讲的主要内容,膜分离技术概述 膜材料与膜的制造 表征膜性能的参数 各种膜分离技术及其分离机理,膜是什么,指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝 聚相，把流体相分隔为互不相通的两部分，使这两部分 之间产生传质作用。可以是固态、液态或气态的,膜包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜,什么是膜分离技术,概念：用天然或人工制备的、具有选择性透过的膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法,推动力： 压力差 浓度差 电位差,5,概 述,人类认识到膜的功能源于1748年，

2、然而用于为人类服务是近几十年的事。 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膜，是膜分离技术发展的一个里程碑,6,膜科学的发展史,7,续表,8,膜工业的发展史,1950 荷兰人工肾血液透析,人工肾,1955 美国电渗析海水脱盐淡化,11,电渗析除盐装置,1965 美国反渗透海水脱盐、饮用水生产,14,膜分离的特点 操作在常温下进行； 是物理过程，不需加入化学试剂； 不发生相变化（因而能耗较低）； 在很多情况下选择性较高； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位,概 述,15,膜分离技术的重要

3、性,膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点 选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。 膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。 膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一,概 述,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

4、有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜分离技术作为21世纪的基础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”。 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,18,6.1 膜材料与膜的制造,19,膜材料的特性,对于不同种类的膜都有一个基本要求： 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0.10.5MPa，反

5、渗透膜的压力更高，约为0.110MPa 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,一）膜材料,天然材料：各种纤维素衍生物 人造材料：有机高分子材料 纤维素酯类 缩合系聚合物聚砜类 聚烯烃及其共聚物 脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物 全氟磺酸共聚物、全氟羧酸共聚物 聚碳酸酯 无机材料,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,1、纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个葡萄糖

6、基通过1, 4-糖苷链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为,从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素,醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料,透过速度大 截留盐的能力强 易于制备 来源丰富 不耐温（30） pH 范围窄，清洗困难 易受微生物侵袭,醋酸纤维素的特点,2、非纤维素酯类膜材料 (1)非纤维素酯类膜材料的基本特性 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， 使之有高的抗压性和耐热性； 化学稳定性好,pH值

7、适应范围为113，最高使用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。已成为重要的膜材料之一。 这类树脂中，目前的代表品种有,主要的非纤维素酯类膜材料 i、聚砜类 聚砜结构中的特征基团为,聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为polyamide，缩写为PA。 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。 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311。长期使用稳定性好,ii、聚酰胺类,脂肪族聚酰胺,脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替链接而成,mp型脂肪族聚酰胺,p型脂肪

8、族聚酰胺,芳香族聚酰胺,分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳香族聚酰胺。目前工业化的有两大类,聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex,聚对苯二甲酰对苯二胺,聚对苯二甲酰胺,聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-）,亲水性好,且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，不耐氯。 与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、pH 范围广（4-11,用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟乙烯等。 共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯/乙烯醇等,iii、聚烯烃类,聚乙烯醇,聚四氟乙烯,聚丙烯,磺酸：R-SO3H 羧酸：RCOOH 全氟：R中

9、氢原子全被氟取代而成。 共聚物：e.g. 全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物,iv、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物,分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型,v、聚碳酸酯,方法：烧结法、溶剂浇铸法、熔压法、径迹蚀刻法、拉伸法、相转化法等。 （1） 烧结法 将一定大小颗粒的粉末进行压缩，然后在高温下烧结。烧结过程中，颗粒间的界面消失。可采用这种制备方法的材料有，聚合物粉末（聚乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯），金属（不锈钢，钨），陶瓷（氧化铝，氧化锆），石墨（碳）和玻璃（氧化硅）。 （2）溶剂浇铸法用浇铸刀或压延棒将制膜液在平整玻璃板或钢板上流延成膜，然后

10、使溶剂蒸发，在板上即可形成均匀的聚合物薄膜。 （3） 熔压法将碾细的聚合物置于两块平板间，加热使之熔化，并在高压下保持几分钟，冷却后即可制得。（适用于聚乙烯、聚丙烯、尼龙等不溶于流延液的膜材料,二）膜的制备,4） 径迹蚀刻法膜片接受高能粒子辐射，聚合物受到损伤形成径迹，再将此膜片浸入腐蚀性溶液中，径迹处即被腐蚀而形成圆柱形的孔，且分布均匀。（孔径0.02-10m，由浸蚀的时间决定） （5） 拉伸法在接近熔点的温度下把膜材料压紧，冷却后进行拉伸，使聚合物的结晶结构被破坏，产生孔隙。 （6） 相转化法通过适当途径使聚合物制膜液由液态转化为固态即可。 途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀等,相转化制膜工艺 相

11、转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L-S型制膜法。加拿大人劳勃和索里拉金发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜,L-S法相转化制膜工艺流程框图,将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成由液相转化为固相的膜，工艺框图如下,膜材料的改性方法 接枝具有某种性能的基团或聚合物支链接到膜材料的高分子链上。 溶剂化处理在一定时间一定温度下，用某种溶剂对聚合膜进行预处理，以提高膜的分离性能。 放射刻蚀利用放射线对膜的表面进行处理，以提高膜的分离性能。 交联改性利

12、用交联剂使高分子链形成网状机构，提高稳定性和机械强度,39,6.2 表征膜性能的参数,膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。 膜的性能主要包括两个方面： 透过性能 分离性能,1透过性能 能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率。 透过速率指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。 J 透过速率，m3/(m2h)或 kg/(m2h)； V透过组分的体积或质量，m3或kg； A膜有效面积，m2； t 操作时间，h,水通量：纯水在一定压力、温度(0.35MP

13、a，25)下透过膜的速度，L / hm2。 同类膜，孔径，水通量Jw。 由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底,2分离性能 不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等,1）截留率 对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，以R表示，定义为 原料中溶质的浓度，kg/m3； 渗透物液中溶质的浓度，kg/m3。 100截留率表示溶质全部被膜截留； 0 截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用,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

14、致分离不完全,浓差极化： 由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用,当水透过膜并截留盐时，在膜表面会形成一个流速非常低的边界层， 边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值,分子形状：线状分子易透过，R线 R球； 吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔 有效直径R ； 浓差极化作用： 溶质在膜面沉积，使膜阻力 ， R ，分离性能,影响截留率的因素,2）截留分子量MWCO(molecula

15、r weight cut-off) 截留分子量是指截留率为 90%时所对应的最小分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小,由截断分子量可估计孔道大小,3）分离因数 对于气体分离过程，通常用分离因数表示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因数定义为 式中 原料中组分A与组分B的摩尔分率； 透过物中组分A与组分B的摩尔分率,通常，用组分A表示易透过的组分。分离因数的大小反映该体系分离的难易程度， 越大，表明两组分的透过率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高； 1，则表明膜没有分离能力。 膜的分离性能主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，同时也与膜分离过程

16、的一些操作条件有关。该性能对分离效果、操作能耗都有决定性的影响,3 、孔道特征-孔径,51,孔径常用泡点法（bubble-point method）测定。 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： d4 cosP 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,4、完整性试验,本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏,52,将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,6.

17、3 各种膜分离技术及分离机理,54,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜 多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜,55,常见膜分离方法,按孔径（分离粒子）大小分类： 透析（Dialysis，DS） 微滤（Microfiltration，MF） 超滤（Ultrafiltration，UF） 纳滤（Nanofiltration，NF） 反渗透（Reverse osmosis，RO） 电渗析（Electrodialysis，ED） 渗透气化（Pervaporation，PV,

18、概述,56,截留分子量： 微滤 0.0210m （细菌等微粒） 透析 3000 Dalton 几万Dalton 超滤 数千数百万Dalton（蛋白、多糖等） 纳滤 2001000Dalton或1nm （抗生素、氨基酸） 反渗透 200 Dalton （离子,57,膜分离法与物质大小（直径）的关系,RO NF UF MF F,58,水,各种膜的分离特性,1 透 析(Dialysis,膜：具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜 作用方式：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，在浓度差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透过膜向水溶液渗

19、透,截留分子尺寸： 工业 0.02m 人工肾 0.005m,透析原理图,水分子,大分子,小分子,透析膜,透析法的应用,常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质。 由于透析过程以浓度差为传质推动力，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。 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析,2. 微 滤,以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.02-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.1MPa,MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低（0.05-0.1MPa） M

20、F主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、污染物等，以达到净化、分离和浓缩的目的,MF滤除微粒和微生物的效率,MF 的特点,与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比，MF膜有以下几个特点： 孔径均匀，过滤精度高 厚度薄，普通深层过滤介质的1/10。大多数MF膜的厚度一般为90-150m。吸附少，过滤速率大。 通量大。由于MF膜的孔隙率高，因此在同等过滤精度下，流体的过滤速度比常规过滤介质高几十倍。 过滤时无介质脱落，不产生二次污染。 颗粒容纳量小，易堵塞,MF分离机理,1）膜表面层截留：又分有筛分截留（机械截留），指MF膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；吸附截留，指

21、MF膜将尺寸小于其孔径的微粒通过物理或化学作用吸附而截留；架桥截留，指固体颗粒在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。 （2）膜内部截留（也称为网络截留），这种截留发生在膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而形成。 除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留,a）膜表面层截留,b）膜内部截留 （网络中截留,微滤与常规过滤在许多方面有相似之处。 根据微粒被膜截留在表面层或膜深层的现象，将微滤分成： 表面过滤：微粒直径与膜孔径相近时，微滤过程中微粒被截留在膜表面并堵塞膜孔。 深层过滤：微孔膜孔径大于被滤微粒的粒径时，在微滤过程中，微粒能进入膜深层并被除去。 根据微滤过程操作方式： 终端过滤 错流过滤,A）终端过

22、滤或死端过滤 （Deal-end filtration or In-line filtration,终端过滤：待澄清的流体在压差推动力下透过膜， 而微粒被膜截留在膜表面并形成滤饼，随时间而增厚,B）错流过滤（Cross-flow filtration,错流过滤：用泵将滤液打入具有多孔膜壁的管道或薄层道内，滤液沿膜表面的切线方向流动，在压差推动下，使渗透液错流通过膜,两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系,终 端 过 滤,错 流 过 滤,微滤应用1) 除去水/溶液中的细菌和其它微粒； 2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体； 3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬

23、浊物、微生物和异味杂质,3. 超 滤,是以压力差为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。孔径为2-20nm，操作压0.1-1MPa,UF的特点,属于压力差驱动 型膜过程； 分离机理一般认为是筛分原理； UF膜的形态为不对称结构； 过滤的方式一般为错流过滤； 膜皮层厚度小于1m，操作压力较低； 易于工业化，应用范围广,UF膜结构及截留方式,结构特征：一般为非对称膜，由一层极薄的（ 0.11m ）具有一定孔径的表皮层和一层较厚的（125m左右）具有海绵状或指状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。 UF过程中溶质的截留包括：在膜表面上的机械截留（筛分）、在膜孔中

24、的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附等三种方式,MF：多数是除杂，产物是过滤液（渗透液）。 UF：着重分离，产物既可以是渗透液， 也可以是截留液,UF和MF的功能区别,超滤膜中存在的问题 浓差极化,在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高。 在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂通量下降。 当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质向膜面流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称为浓差极化

25、,压力驱动膜过程中 各种传质阻力示意图,通量随时间变化趋势,浓差极化的危害,使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力； 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉淀层或凝胶层，增加透过阻力； 当有机溶质在膜表面达到一定浓度时有可能对膜发生溶胀或恶化膜的性能； 概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降,克服浓差极化的方法,错流过滤 提高进料流速，增加湍流 提高温度 提高膜面粒子的反向传递，降低膜表面的浓度,超滤应用,蛋白、酶、DNA的浓缩 脱盐/蛋白质纯化 中药生产中滤除分子量大的杂质,80,4 纳滤,纳滤 ( NF，Nanofiltration)：介于反渗透

26、和超滤之间 压力差驱动膜分离过程 纳滤截留物相对分子量范围约为 2001000 ，能透过无机盐和水,纳滤膜的特点,纳滤膜对一价离子的截留率低，对二价或高价离子截留率较高。 从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。 多数纳滤膜为荷电膜，截留特性膜孔尺寸&静电作用 去除直径1nm左右的溶质粒子，截留物相对分子量200-1000,溶解-扩散模型 道南（Donnan）效应,纳滤膜的分离机理,1分离非电解质溶液时的传质模型,溶解扩散模型 溶解-扩散模型是由Lonsdale等人提出的，其过程可概括为3步： 溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解

27、； 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)通过膜层； 溶质和溶剂在膜的透过侧表面解吸,2分离电解质溶液时的传质模型,Donnan平衡模型： 将荷电基团的膜置于含盐溶剂中时，溶液中的反离子（所带电荷与膜内固定电荷相反的离子）在膜内浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度则低于其在主体溶液中的浓度。由此开成的Donnan位差阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截留,1）小分子量的有机物质的分离； （2）有机物与小分子无机物的分离； （3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离,86,纳滤的应用,世

28、博园直饮水确定由我国膜企业龙头立昇提供超滤膜和百个饮水台,世博组委会与技术提供方签署了合作协议。世博园将设立100个直饮台，直饮台设计方案也已确定，所有园区直饮台于3月安装到位。 世博园直饮水将采用世界领先的“活性炭PVC合金超滤膜紫外线”处理工艺，超滤膜和直饮台均由国内著名膜企立昇企业提供。该技术细菌去除率达到99.9999%，病毒去除率达到99.99%，水资源利用率达99%，水质卫生标准优于欧盟标准。 世博会期间，各国观众将高达7000万，解决园区直饮水问题，可以方便观众饮水，也可减少瓶装水供应量，与“低碳世博”的理念相符,立昇饮水台,据了解，世博园A、B、C、D四个区域，将设立100个直

29、饮水台，每相隔100米设置一个直饮台，每个直饮台有812个不等出水口，可保证1000多观众同时饮水，每天可为45万人提供优质直饮水,5 反渗透,利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。操作压差一般为0.110MPa,反渗透的概念,在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透称为反渗透,渗透和反渗透,溶解扩散模型 优先吸附毛细孔流动模型,反渗透的分离机理,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

30、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,1）溶解扩散模型（无孔理论,2）优先吸附-毛细孔流动模型（有孔理论,优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。 与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。 由Sourirajan于1963年建立。 他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。 在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔,优先吸附毛细孔流动模型,膜表面对水的优

31、先吸附,压力,主体溶液,界面,反渗透工业应用包括： 海水和苦咸水脱盐制饮用水； 制备医药、化学工业中所需的超纯水； 用于处理重金属废水,96,利用待分离分子的荷电性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作,97,6 、电渗析,电渗析过程采用的膜材料主要为离子交换膜，其表面和孔道内键合有离子交换基团,电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力,电渗析分离原理示意图,100,电渗析应用 工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理 生物分离中可用于氨基酸、蛋白质、血清等生物制品的

32、纯化,101,4 膜污染,膜使用中最大的问题是膜污染。 是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。 膜污染的表现：膜通量下降； 膜对生物分子的截留性能改变,膜的污染 (fouling,膜的污染可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染 沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。 普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等,2 吸附污染 有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。 一般来讲膜的亲水性越强有

33、机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染,膜的污染 (fouling,3 生物污染 是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。 微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。 微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏,膜的污染 (fouling,防止膜污染的方法,原料液的预处理 膜表面的改性 外加场：电场、离心场、超声波场 高压反冲 强化传质,膜污染的清洗方法,化学法 物理法,化学法常用的清洗剂有： 1NaOH 2酸：如H3PO4 、

34、HCl 3表面活性剂：SDS、Triton X-100 4消毒剂 5酶 6有机溶剂,膜污染的清洗方法,物理法： 反冲洗和循环清洗,膜污染的清洗方法,超滤液,保留液,透过液,超滤,循环清洗,清洗液出口,清洗液入口,清洗液出口,逆洗,清洗液入口,清洗液出口,膜污染的清洗方式,利用膜的不对称性和膜组件的结构特点进行清洗,5、膜组件,良好的膜组件应具备下列条件： 沿膜面的流动情况好，浓差极化小。 单位体积中所含的膜面积较大。 组件的价格低。 清洗和膜的更换方便,膜过滤装置的型式及其适用范围,常见的膜过滤装置有四种类型： 管式 中空纤维式 平板式 卷式（螺旋式,1) 平板式膜组件,这类膜器件的结构与常用

35、的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。 滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。 为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液从另一孔道流出收集,截留液,料液,膜 支撑板,隔板,平板式膜组件,板式膜实验室设备图(millipore公司,板式反渗透(纳滤)膜装置(生产型,板式膜超滤工业设备图,2) 卷式膜组件,将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组件。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管,2) 卷式膜组件,各种规格的 卷式膜元件,OSMONICS公司的 卷式膜元件,Desal公司的RO膜元件,NTR70SWC型卷式RO海水淡化膜,Filmtec公司的 海水淡化膜,卷式纳滤膜浓缩设备 (生产型,卷式膜反渗透工业设备图,优点: 目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大 缺点:清洗不方便，易堵塞 压降大,3) 管式膜组件,是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜而得到的圆管形分离