第七章膜分离过程ppt课件

1、第七章第七章 膜分离过程膜分离过程膜的应用膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘CO2 CO2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧膜膜料液料液水水小分子小分子大分子大分子渗透液渗透液定义：定义：具有选择性分离的功能具有选择性分离的功能薄膜材料。薄膜材料。 “2121世纪的多数工业中，世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就谁掌握了膜技术，谁就掌握了掌握了2121世纪的未

2、来世纪的未来”膜的简介 膜的发展历史1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1827年Dutrochet引入名词渗透Osmosis）；1861年Schmidt提出超滤概念；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；1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；1967年以后

3、在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。膜过程国家年代应用微滤超滤血液渗析电渗析反渗透超滤气体分离膜蒸馏全蒸发德国德国荷兰美国美国美国美国德国德国/荷兰192019301950195519601960197919811982实验室用（细菌过滤器）实验室用人工肾脱盐海水脱盐大分子物质浓缩氢回收水溶液浓缩有机溶液脱水/荷兰 19301950195 519601960197 9198 膜的发展历史 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

4、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） 天津纺织工学院膜天公司） 3无机膜：南京工业大学久吾高科） 中国科技大学 膜的发展历史膜的简介 特征：具有选择性分特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装以及以其为核心的装置、过程、工艺的集置、过程、工艺的集成与应用成与应用浓缩液浓缩液进料液进料液渗透液渗透液膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行；操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试是物理过程，不需加入化学试剂；剂；

5、不发生相变化因而能耗较不发生相变化因而能耗较低）；低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完浓缩和纯化可在一个步骤内完成；成；设备易放大，可以分批或连续设备易放大，可以分批或连续操作。操作。因而在生物产品的处理中占有重因而在生物产品的处理中占有重要地位要地位常见膜分离方法常见膜分离方法按分离粒子大小分类：按分离粒子大小分类：透析透析DialysisDialysis，DSDS）微滤微滤MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤超滤UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF）纳滤纳滤Nanofilt

6、rationNanofiltration，NFNF）反渗透反渗透Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）电渗析电渗析ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）渗透气化渗透气化PervaporationPervaporation，PVPV）截留分子量：截留分子量：微滤微滤 0.0210m透析透析 3000 Dalton 几万几万Dalton超滤超滤 5010或或500050万万Dalton纳滤纳滤 2001000Dalton或或1nm反渗透反渗透 200Dalton膜分离法与物质大小直径的关系膜分离法与物质大小直径的关系RONFUFM

7、FF膜元件 膜元件膜分离的形式膜分离的形式错流过滤错流过滤 终端过滤 污染严重错流过滤污染轻膜过程的一些术语膜过程的一些术语 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 选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。 通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化膜过程的一些术语膜过程的一些术语 推动力： 1对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。 膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。 2对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3P（P1P2）/2P3膜过程的一些术语浓差极化：在膜分离过浓差极

8、化：在膜分离过程中，一部分溶质被截程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为度，这一现象称为“浓浓差极化差极化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层 渗透侧 极化层 极化层膜过程的一些术语 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。 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

9、的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。 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。 膜的用途 浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分别：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。膜的应用膜技术的工业应用膜技术用于生物质资源开发膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15158080倍倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能6060生产

10、装置总投资为传统分离方法总投资的生产装置总投资为传统分离方法总投资的404080% 80% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纤维素纤维素发酵发酵蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏脱水脱水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜传统过程传统过程:发酵速发酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物反应膜生物反应器：实现连器：实现连续生产，降续生产，降低操作成本低操作成本膜法海水淡化国家或地区国家或地区沙特沙特中

11、国中国长海长海中国中国长岛长岛中国中国沧化沧化设备能力设备能力m3/dm3/d568001000100018000原水含盐量原水含盐量mg/Lmg/L43700350003400013000能耗能耗kwh/m3kwh/m3754.52.75产水成本产水成本RMB/m3RMB/m34.886.695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本反渗透淡化厂的能耗及产水成本 几种分离方法能耗比较几种分离方法能耗比较膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置膜法自来水厂巴黎瓦兹河梅巴黎瓦兹河梅里市里市1414万立方万立方米米/ /天的纳滤天的纳滤厂，每天为巴厂，每天为巴黎

12、附近黎附近5050万居万居民提供民提供1414万吨万吨饮用水饮用水典型膜应用过程 反渗透 反渗透的特征： 高操作压力：310MPa；要求膜必须有高透水率，高脱盐率；耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密；必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。外形：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜典型膜应用过程 反渗透 一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。 反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。 反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称

13、为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。典型膜应用过程 反渗透原理 半透膜半透膜纯纯水水盐盐水水纯纯水水盐盐水水纯纯水水盐盐水水h hP PA A、浸透、浸透B B、渗透平衡、渗透平衡C C、反渗透、反渗透浸透、平衡渗透、反渗透示意图浸透、平衡渗透、反渗透示意图典型膜应用过程 反渗透渗透与反渗透的区别： 渗透是水通过半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下，溶剂水从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。渗透压的 计算： 理想水溶液渗透压RTCsi典型膜应用过程 反渗透分离机理数学模型S.Sourirajan提出了优先

14、吸附毛细管流动模型来解释反渗透过程；溶解扩散模型：把膜看成均质，都可通过，传递过程分为3步，根据溶剂和溶质在膜中的溶解度不同而分离 渗透通量公式 Jw=Kw（p ） Js=KsCs Cs） 脱盐率 例题膜组件 反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。 组件必须满足： 1机械强度：必须承受高压，及周期性的减压与膜清洗； 2水力性能好：组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小； 3经济性：组件寿命必须长； 4制造费用低，易于替换。典型膜应用过程 反渗透反 渗 透 膜 组 件 的 一 般 特 性组 件 类 型特 性卷 式中 空 纤 维管 式板 框 式装 填 密 度 （ m2/m3）80

15、0600070500供 料 速 度 (m 3/m 2.s)0.250.50.005150.250.5料 液 侧 压 力 降 （ psi）43851.44.328434385膜 污 染 趋 势高高低中 等清 洗差 好差最 好好料 液 过 滤 要 求10 25 m过 滤 5 10 m过 滤 不 需 要 过 滤10 25 m过 滤相 对 耗 费低低高高典型膜应用过程 反渗透大 型 卷 式 组 件 在 三 类 应 用 中 的 操 作 条 件应 用膜 种 类最大供料温 度 /度PH范 围允 许 氯 浓度 /ppm压 力/psi醋 酸 纤 维 素454 70.22800海 水 淡 化复 合 膜452 11

16、0.1800醋 酸 纤 维 素403 70.22400苦 咸 水 淡 化复 合 膜452 110.1400醋 酸 纤 维 素403 70.22200生 产RO水复 合 膜403 100.1150反渗透膜分离性能六条规律：1、离子电荷越大，脱除越容易2、对于碱金属的卤化物3、不能脱除的盐类4、低分子量非电解质不易脱除5、有机物脱除顺序6、分子量大于130的易脱除7、温度升高渗透通量增大反渗透工艺1、一级一段连续式、一级一段连续式2、一级一段循环式、一级一段循环式3、一级多段连续式、一级多段连续式4、一级多段循环式、一级多段循环式5、多级式、多级式反渗透应用反渗透工业应用包括：海水和苦咸水脱盐制饮

17、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用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。典型膜应用过程 反渗透脱盐装置的共同单元：供给水吸入系统预处理系统反渗透膜产品水后处理动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗2540冲击式水轮泵反转泵典型膜应用过程 反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂 加酸（H2SO4）去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的预处理典型膜应用过程典型膜应用过程 反渗透反渗透 反渗透过程已成功使