化工原理chap13_2

1、浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程1幻灯片2目录13.2 膜分离膜分离一、概述一、概述五、反渗透五、反渗透二、微滤二、微滤六、渗透汽化六、渗透汽化三、超滤三、超滤七、气体分离七、气体分离四、四、纳滤纳滤八、电渗析八、电渗析浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程213.2 膜分离膜分离一、概述一、概述 膜分离技术是指在分子水平上，不同粒径的混合物在通过半渗透膜时，实现选择性分离的技术。 半透膜又称分离膜，分离膜的特点是膜壁遍布微小孔洞，根据孔径的大小可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。膜：两相之间的一个不连续区间，简单地说，膜是分隔开两种流体的一个薄的阻挡层。浙江大

2、学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程313.2 膜分离膜分离 膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，因此在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程，特别是废水处理方面有着广泛的应用前景。 膜分离技术是近30年发展很快的一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术。浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程4常常规规分分离离方方法法不不能能经

3、经济济、合合理理地地进进行行分分离离。13.2 膜分离膜分离膜膜分离技术适用场合：分离技术适用场合： （1） 化学性质及物理性质相似的化合物的混合物。化学性质及物理性质相似的化合物的混合物。 （2）结构的或取代基位置相似的异构物混合物。）结构的或取代基位置相似的异构物混合物。 （3）含有热敏性组分的混合物。）含有热敏性组分的混合物。浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程5膜膜的的分分类类方方法法按按膜膜的的性性质质分分按按膜膜的的结结构构分分按按膜膜的的用用途途分分按按膜膜的的作作用用分分13.2 膜分离膜分离膜的种类：膜的种类：浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程6 乳

4、乳状状液液膜膜带带支支撑撑层层的的液液膜膜 无无孔孔膜膜不不对对称称膜膜 荷荷 电电 膜膜不不荷荷电电膜膜 复复合合膜膜转转相相膜膜 复复合合膜膜转转相相膜膜多多孔孔膜膜 不不对对称称膜膜对称膜对称膜 不不对对称称膜膜对称膜对称膜13.2 膜分离膜分离生物膜（原生质、细胞膜）生物膜（原生质、细胞膜）膜膜 合成膜合成膜液液膜膜固固膜膜有机膜有机膜无机膜无机膜多孔膜多孔膜按膜的来源形态和结构分：按膜的来源形态和结构分：浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程713.2 膜分离膜分离微滤微滤MF、 渗析、渗析、超滤超滤UF、 电渗析、电渗析、纳滤纳滤NF、 膜电解、膜电解、反渗透反渗透RO、

5、 膜蒸馏膜蒸馏气体分离、气体分离、渗透蒸发；渗透蒸发；膜膜分离技术种类：分离技术种类： 压力驱动膜过程压力驱动膜过程浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程8 mdp 微微粒粒或或分分子子的的大大小小10001001011.001.0001.00001.001. 01 . 00 . 10 .100 .20MPap 差差压压 反 渗 透 纳 滤 超 滤 微 滤 普 通 过 滤含水盐溶液 炭黑 颜 料 人 发 合成 色素 白蛋白 海沙 烟 草 灰 酵 母 菌 金属离子 病 毒 细 菌活性灰内毒素/热精 靛 蓝红血球 花粉粒 糖 明 胶胶 乳 / 乳 浊 液原子半径 石 棉 谷物-面粉 离

6、子 分 子 大分子 小微粒 大颗粒浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程9微孔膜过滤（微孔膜过滤（MF）是世界上开发应用最早的膜过滤技术。）是世界上开发应用最早的膜过滤技术。二、微二、微 滤滤 MF膜品种扩大到膜品种扩大到 聚酰胺聚酰胺聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF）聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN）聚碳酸酯或磷脂酰胆碱（聚碳酸酯或磷脂酰胆碱（PC）聚醚砜（聚醚砜（PES）聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）聚丙烯（聚丙烯（PP）聚乙烯（聚乙烯（PE）聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程10应用实验室的微生物检测制药医疗饮料生物工程超纯水饮用水石化

7、环保废水处理分析检测二、微二、微 滤滤 MF 应用：应用：主要从气相和液相物质中截留微米及亚米级的细小悬主要从气相和液相物质中截留微米及亚米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等以达浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等以达到净化，分离和浓缩的目的。到净化，分离和浓缩的目的。浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程11微滤原理微滤原理 微滤操作压差为微滤操作压差为0.010.2MPa，被分离粒子直径的范，被分离粒子直径的范围为围为0.0810 m。二、微二、微 滤滤 MF 在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，比膜在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤

8、膜，比膜孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上，使大小不同的组分得孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于以分离，其作用相当于“过滤过滤”。 一般认为一般认为MF的分离机理为的分离机理为筛分机理筛分机理，膜的物理结构，膜的物理结构起决定性作用。此外，吸附和电性能等因素对截留也有起决定性作用。此外，吸附和电性能等因素对截留也有影响。影响。 由于每平方厘米滤膜中约包含由于每平方厘米滤膜中约包含1千万至千万至1亿个小孔，孔亿个小孔，孔隙率占总体积的隙率占总体积的70%80%，故阻力很小，过滤速度较快。，故阻力很小，过滤速度较快。浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程12三

9、、超三、超 滤滤 UF 超滤超滤(UF)是一种应用最广泛的膜是一种应用最广泛的膜分离技术分离技术，属分子级、几乎能截留溶属分子级、几乎能截留溶液中细菌、热源、病毒以及胶体蛋白液中细菌、热源、病毒以及胶体蛋白质、大分子有机物。对深度降浊、澄质、大分子有机物。对深度降浊、澄清、除菌和有机大分子物质的分离清、除菌和有机大分子物质的分离 、 浓缩、分级、提纯等具有非常卓越的浓缩、分级、提纯等具有非常卓越的效果。在水处理领域效果。在水处理领域 ，可用来去除可用来去除水中的胶体、微粒、细菌水中的胶体、微粒、细菌 、病毒、病毒 、热、热源及大分子有机物源及大分子有机物 ，使水得到净化使水得到净化 。浙江大学

10、本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程13超滤原理超滤原理 在静压差为推动力在静压差为推动力的作用下，原料液中溶的作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压的料液侧透过膜到低压侧，称为滤出液或透过侧，称为滤出液或透过液，而大粒子组分被膜液，而大粒子组分被膜所阻拦，使它们在滤剩所阻拦，使它们在滤剩液中浓度增大。液中浓度增大。 一般认为一般认为UF的分离机理也是的分离机理也是筛孔分离过程筛孔分离过程，但膜表面，但膜表面的化学性质也是影响超滤膜分离的重要因素。即超滤过程中的化学性质也是影响超滤膜分离的重要因素。即超滤过程中溶质的截留有在膜表面的机械截留（筛分）、

11、在膜孔中停留溶质的截留有在膜表面的机械截留（筛分）、在膜孔中停留而被除去（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附（一次吸附）而被除去（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附（一次吸附）等三种方式。等三种方式。三、超三、超 滤滤 UF浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程14 纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种。求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种。四、四、纳纳 滤滤 NF纳滤过程的应用：纳滤过程的应用： 主要用于饮用水和工业用水的纯化，废水净化处理，主要用于饮用水和工业用水的纯化，废水净化处理，工艺流体中有价值

12、成分的浓缩等方面。工艺流体中有价值成分的浓缩等方面。 其操作压力差为其操作压力差为0.52.0MPa（或（或0.3451.035MPa），），截留分子量界限为截留分子量界限为2001000（或（或200500），分子大小约），分子大小约为为1nm的溶解组分的分离。的溶解组分的分离。浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程15分离机理：分离机理： NF 膜为无孔膜，通常认为其传质机理为膜为无孔膜，通常认为其传质机理为溶解溶解扩扩散散方式。但方式。但NF膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制，同时也受电势梯度的影响，为不仅由化学势梯度控制

13、，同时也受电势梯度的影响，即即NF膜的行为与其荷电性能，以及溶质荷电状态和相膜的行为与其荷电性能，以及溶质荷电状态和相互作用有关。互作用有关。四、四、纳纳 滤滤 NF浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程16 反渗透是反渗透是60年代发展起来的一项高新膜分离技术，它的年代发展起来的一项高新膜分离技术，它的孔径很小，大都孔径很小，大都1010 10（10A），它能去除滤液中的离），它能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。它它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普通的应用实已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，

14、其中最普通的应用实例是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、例是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物质及胶体等杂质去除，以获得高质量的细菌、病毒、有机物质及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。纯净水。五、反五、反 渗渗 透透 RO 目前，用于反渗透过程的目前，用于反渗透过程的半透膜主要的二种形式：一种半透膜主要的二种形式：一种是醋酸纤维，一种是复合膜。是醋酸纤维，一种是复合膜。 浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程17 反渗透是渗透的一种反向的迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法。（反渗

15、透膜的膜孔径非常小，仅为10A0左右，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，去除率高达97-98%。）反渗透基本原理：反渗透基本原理：半透膜 纯水 盐溶液渗透压外压五、反五、反 渗渗 透透 RO浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程18分离机理：分离机理： 反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸反渗透膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关，因此除与膜孔的大小结构有关外，还附和扩散有关，因此除与膜孔的大小结构有关外，还与膜的化学、物理性质有密切关系，即与组分和膜之与膜的化学、物理性质有密切关系，即与组分和膜之间的相互作用密切相关。由此可见，反渗透分离过

16、程间的相互作用密切相关。由此可见，反渗透分离过程中化学因素（膜及其表面特性）起主导作用。中化学因素（膜及其表面特性）起主导作用。五、反五、反 渗渗 透透 RO浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程19反渗透膜元件：反渗透膜元件：五、反五、反 渗渗 透透 RO浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程20 早在一百多年前，人们就发现了渗透蒸发现象，但早在一百多年前，人们就发现了渗透蒸发现象，但直到上世纪直到上世纪5060年代，以年代，以Kammermyer，Binning，Michaels和和Long，Neel为代表的学者才开始了对渗透蒸为代表的学者才开始了对渗透蒸发的系统研究。

17、而该技术得到广泛重视是在能源危机后发的系统研究。而该技术得到广泛重视是在能源危机后的的70年代至年代至80年代初。由于新的聚合物的合成，膜制备年代初。由于新的聚合物的合成，膜制备技术的发展，以及工业中降低能耗的实际要求，第一代技术的发展，以及工业中降低能耗的实际要求，第一代渗透蒸发膜才走向工业应用。渗透蒸发膜才走向工业应用。六、渗透汽化六、渗透汽化浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程21渗透蒸发（气化）原理渗透蒸发（气化）原理： 渗透气化是指液体混合渗透气化是指液体混合物在膜两侧压差的作用下，物在膜两侧压差的作用下，利用膜对被分离混合物中某利用膜对被分离混合物中某组分有优先选择性透

18、过膜的组分有优先选择性透过膜的特点使该组分渗透通过膜并特点使该组分渗透通过膜并在膜的下游侧气化去除，从在膜的下游侧气化去除，从而达到混合物的分离提纯的而达到混合物的分离提纯的一种膜分离技术。一种膜分离技术。六、渗透汽化六、渗透汽化吸吸附附扩扩散散渗渗透透气气化化膜膜浙江大学本科生课程化工原理第十三章 其他分离过程22应用：应用： 大量的研究表明，在某些特殊场合下，它具有极大量的研究表明，在某些特殊场合下，它具有极大的应用价值，如在沸点相近或恒沸物的分离（苯大的应用价值，如在沸点相近或恒沸物的分离（苯-环己烷、苯乙烯环己烷、苯乙烯-乙苯、二甲苯异构体等的分离；异乙苯、二甲苯异构体等的分离；异丙醇的脱水浓缩；无水乙醇的生产）、有机物中微丙醇的脱水浓缩；无水乙醇的生产）、有机物中微量水分的脱除等方面都占有优势。另外