第三章 膜分离技术装置

1、第三章第三章 膜膜分离装置分离装置 n 膜分离过程膜分离过程 膜分离是借助一特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在 某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)的作用下,利用流体 中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。 膜分离过程一般不发生相变,与有相变的平衡分离方法相比 能耗低能耗低,属于速率分离速率分离过程。多数膜分离过程在常温常温下进行,特 别适用于热敏性热敏性物质的分离。此外,它操作方便、设备结构紧凑、 维护费用低,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段。 1 膜组件的形式膜组件的形式 膜组件：膜组件：将膜、固定膜的支撑材料、间膜、固定膜的支撑材料、间 隔物或管式外壳隔

2、物或管式外壳等组装成的一个单元单元称为膜膜 组件组件。膜组件的结构及型式取决于膜的形状, 工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管 式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和 中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式 两种。 (1) 板框式板框式(Plate-and-Frame)膜组件膜组件 板框式板框式是最早最早使用的一种膜组件。其设 计类似于常规的板框过滤装置, 膜被放置在可 垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑 板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个 膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。 不同的板框式设计的主要差别差别在于料液流道的料液流道的 结构结构上。板框式装置的结构及示意流道如图

3、 93(a)所示,料液在进料侧空间的膜表面上流动, 通过膜的渗透液则经板间隙孔中流出。 (2) 管式管式(Tubular)膜组件膜组件 q按联结方式分：单管式，管束式 q按其作用分：内压型管式，外压型管式 管式膜组件管式膜组件有外压式外压式和内压式内压式两种,如图93(b)所示。 对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或 用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流 过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组 件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从 管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔 支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需要 设计成串联或并联装置

4、。 (a)(a)内压型管式膜组件内压型管式膜组件 1:装配翼；2:插座接口；3:带式密封；4:膜；5:密封 6:透过液管接口；7:O型密封环；8:透过水出口 (b)(b)外压型管式膜组件外压型管式膜组件 优点：优点： 流动状态好，流速易控制； 安装、拆卸、换膜和维修均较方便； 能够处理含有悬浮固体的溶液； 机械清除杂质也较容易； 合适的流动状态可防止浓差极化和膜污染。 缺点：缺点： 与平板膜比较，管式膜的制备条件较难控制； 膜的装填面积较低； 管口的密封比较困难。 (3) 螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件膜组件 目前,螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分 离过程

5、,图93(c)为螺旋卷式膜组件的基本构型及料液 与渗透液在膜组件内的流向。 膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过 适当的方式被组合在一起,然后将其装入能承受压力 的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动 通道的形式,这类膜组件的内部结构也可被设计成多 种不同的形式。 结构特点：结构特点：三边密封的膜袋，另一个开放的 边沿与一根多孔中心集水管连接，膜袋内装 多孔支撑材料，膜袋外的原料液侧再垫一层 网眼形间隔材料（隔网），把膜-多孔支撑体- 膜-隔网依次叠和，绕中心集水管紧密地卷在 一起，形成一个膜元件，再装进圆柱型压力 容器里，构成一个卷式膜组件。 优点：优点： 结构紧凑 膜的装填密度大

6、 缺点：缺点： 流道窄，对原料液的预处理要求高； 膜的密封困难； 透过液侧的支撑材料较难满足要求； 膜组件的制作工艺复杂，要求高，尤其用于 高压操作时难度更大。 (4) 中空纤维中空纤维(Hollow Fiber)膜组件膜组件 中空纤维膜组件中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有 其他组件大, 最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也 分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状 容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜 组件,如图9-2(d)所示。料液从中空纤维组件的一端流入, 沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维 壁进入内腔,然后从纤维在环

7、氧树脂的固封头的开端引出, 原液则从膜组件的另一端流出。 优点：优点：单位体积内有效膜表面积比率高，故可 采用透水率较低，而物化稳定性好的尼龙中 空纤维。该膜不需要支撑材料、寿命可达5 年，这是一种效率高、成本低、体积小和重 量轻的反渗透装置。 缺点：缺点：中空纤维膜的制作技术复杂，管板制作 也较困 难，同时不能处理含悬浮固体的原 水。 各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。 3.2膜分离装置的基本流程膜分离装置的基本流程 两个概念： 段段：指膜组件的浓缩液浓缩液( (浓水)不经泵不经泵自动流到 下一组膜组件处理。流经n组膜组件，即称为n 段。 级：指膜组件的产品水再经泵到下一组膜组

8、件 处理。透过液产品水经n次膜组件处理，称为n 级。 一级一段一级一段 一级多段一级多段 二、微滤、超滤、纳滤和反渗透二、微滤、超滤、纳滤和反渗透 根据被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的 结构可以将以压力差为推动力的膜分离过程分为微 滤、超滤、纳滤与反渗透,四者组成了一个从可分离 固态微粒到离子的四级分离过程,如图所示。当膜两 侧施加一定的压差时,可使一部分溶剂及小于膜孔径 的组分透过膜,而微粒、大分子、盐等被膜截留下来, 从而达到分离的目的。 微滤膜通常截留粒径0.05m的微粒。微滤过程常采用对 称微孔膜, 膜的孔径范围为0.0510m,操作压差范围为 0.050.2MPa;超滤膜截留的是

9、大分子或直径不大于 0.2m的微粒。 溶 液 的 渗 透 压 一 般 可 以 忽 略 不 计 , 操 作 压 差 范 围 大 约 在 0.91.0MPa;反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质。 反渗透过程中溶液的渗透压不能忽略,操作压差需要根据被处理溶 液的溶质大小和浓度确定,通常在2MPa左右,也可高达10MPa,甚 至20MPa。反渗透多采用致密的非对称膜或复合膜。介于反渗透 与超滤之间 的纳滤过程可用来分离溶液中分子量为几百至几千的 物质,其操作压差通常比反渗透低,约为0.53.0MPa。因其截留的 组分在纳米范围,故得名纳滤。 1、反渗透与纳滤、反渗透与纳滤 反渗透和纳滤是借助

10、于半透膜对溶液中低分子量溶质的截 留作用,以高于溶液渗透压的压差为推动力,使溶剂渗透通过半透 膜。反渗透和纳滤在本质上非常相似,分离所依据的原理也基本相 同,两者的差别仅在于溶质的大小。事实上,纳滤和反渗透膜可视 为介于多孔膜(微滤、超滤)与致密膜(渗透蒸发、气体分离)之间的 过程。因为膜阻力较大,所以为使同样量的溶剂通过膜,就要使用 较高的压力,而且需克服渗透压。 反渗透是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂(通 常是水)的性质,对溶液施加压力克服溶剂的渗透压,使 溶剂从溶液中分离出来的单元操作。反渗透属于以 压力差为推动力的膜分离技术,其操作压差一般为 1.510.5MPa,截留组分为(110)

11、10-10m的小分子 物质。目前,随着超低压反渗透膜的开发,已可在小于 1MPa的压力下进行部分脱盐、水的软 化和选择性分 离等,反渗透的应用领域已从早期的海水脱盐和苦咸 水淡化发展到化工、食品、制药、造纸等各个工业 部门。 (1)、反渗透原理、反渗透原理 在温度一定的条件下,若将一种溶液与组成这种溶 液的溶剂放在一起最终的结果是溶液总会自动地稀释, 直到整个体系的浓度均匀一致为止。如果将溶液和溶剂 用半透膜隔开,并且这种膜只能透过溶剂分子而不能透 过溶质分子,则溶剂将从纯溶剂侧透过膜到溶液侧,这就 是渗透现象。渗透的结果是使溶液液柱上升,直到系统 达到动态平衡,溶剂才不再流入溶液侧,此时溶液

12、上升高 度产生的压力为即为渗透压,以表示,如下图。 若在溶液侧加大压力, p则溶剂在膜内的传递现象将发 生逆转,即溶剂将从溶液侧透过膜向溶剂侧流动,使溶液增浓,这就 是反渗透现象,如图(c)所示。 反渗透常用致密膜、非对称膜和复合膜。反渗透不能达到溶 剂和溶质的完全分离,所以反渗透的产品一个是几乎纯溶剂的透过 液,另一个是原料的浓缩液。 总之,反渗透过程必须满足两个条件： 有一种选择性高的透过膜； 操作压力必须高于溶液的渗透压。在实际反渗透过程中 膜两边的静压差还必须克服透过膜的阻力。 (2)、影响反渗透因素、影响反渗透因素浓差极化浓差极化 由于膜的选择透过性因素,在反渗透过程中,溶剂从高压侧

13、透 过膜到低压侧,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的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。 根据反渗透基本方程式可分析出浓差极化对反渗透过程产生 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 升高,当操作压差P一定时,反渗透过程的有效推动力(P - )下 降,导致溶剂的渗透通量下降; 由于浓差极化,膜表面处溶质的浓度CA1升高,使溶质通过膜 孔的传质推动力(CA1-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

14、浓度高于溶解度时,在膜表面上将形成沉淀, 会堵塞膜孔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,甚至完全消失。 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。 (3)、反渗透过程工艺流程 在实际生产中,可以通过膜组件的不同配置方式来满足对溶 液分离的不同质量要求。而且膜组件的合理排列组合对膜组件的 使用寿命也有很大影响。如果排列组合不合理,则将造成某一段内 的膜组件的溶剂通量过大或过小,不

15、能充分发挥作用,或使膜组件 污染速度加快,膜组件频繁清洗和更换,造成经济损失。 根据料液的情况、分离要求以及所有膜器一次分离的分离效 率高低等的不同,反渗透过程可以采用不同工艺过程,下面简要介 绍几种常见的工艺流程。 一级一段连续式一级一段连续式 料液一次通过膜组件即为浓缩液而排出。 这种方式透过液的回收率不高,在工业中较少采用。 一级一段循环式一级一段循环式 为了提高透过液的回收率,将部分浓缩液 返回进料贮槽与原有的进料液混合后,再次通过膜组件进行分离。这 种方式可提高透过液的回收率,但因为浓缩液中溶质的浓度比原料液 要高,使透过液的质量有所下降。 一级多段连续式一级多段连续式 将第一段的浓

16、缩液作为第二段的进料液, 再把第二段的浓缩液作为下一段的进料液,而各段的透过液连续排 出。这种方式的透过液回收率高,浓缩液的量较少,但其溶质浓度 较高。 在反渗透的应用过程中还采用多级多段连续式和循环式工艺 流程,操作方法与上述三种工艺流程相似。 (4)、反渗透技术的应用 反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水的淡化,此外还 应用于纯水制备、生活用水处理以及乳品、果汁的浓缩、生化和生 物制剂的分离和浓缩等。 海水淡化海水淡化 水是人类赖以生存的不可缺少的重要物质。然而地球上水大约 97%是不能直接饮用的海水,只有3%是能够直接饮用的淡水,其中 70%是被南极、北极的冰河和万年雪山所固定,而且随着工农业生产 的迅速发展,淡水资源的紧缺日趋严重,促使许多国家投入大量资金研 究海水和苦咸水淡化技术。已采用的淡化技术有蒸发法和膜法(反渗 透、电渗析),与蒸发法相比,膜法淡化技术有投资费用少、能耗低、 占地面积少、建造周期短、操作方便、易于自动控制、起动运行快 等优点。 目前,世界上最大的反渗透海水淡化厂是设在沙特阿拉伯的沙 特捷达市。其工艺流程如图所示。取自红海表面下的9m深处的海 水,经拦污栅和带式移动筛脱除较大的碎屑、 浮游生物等,进入海水 蓄水池,池内加次氯酸钠灭菌,氯化灭菌后的海水在进入双介质过滤 器前还要加入絮凝剂FeCl3以加强过滤效果