第6章膜分离法

1、 6.1 概概 述述膜分离（膜分离（Membrane Separation）。 一、膜的概念一、膜的概念膜膜具有选择透过性的一层薄薄的凝聚物质。具有选择透过性的一层薄薄的凝聚物质。膜可以是固态的，液态的，或气态的；膜可以是固态的，液态的，或气态的；膜具有两个表面，可以是膜具有两个表面，可以是均质的均质的也可是也可是复复合体合体；膜可以有很大的面积，也可仅有微小面积；膜可以有很大的面积，也可仅有微小面积；膜可独立存在于流体相间，也可附着在载膜可独立存在于流体相间，也可附着在载体的孔隙中。体的孔隙中。6.1 概概 述述二、膜分离过程的特点二、膜分离过程的特点膜分离过程均需要一定能量膜分离过程均需要

2、一定能量物质选择透过膜的能量可分为两类：物质选择透过膜的能量可分为两类：借助借助外界能量外界能量，物质由低位到高位流动；，物质由低位到高位流动；借助借助本身的本身的化学位差，物质由高位到低位流化学位差，物质由高位到低位流动动推动力：推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差压力差、浓度差、电位差、温度差6.1 概概 述述 三、膜分离过程分类三、膜分离过程分类以以压力差压力差为推动力：为推动力：微滤微滤(MF)、超滤、超滤(UF)、纳滤、纳滤(NF)、反渗透、反渗透(RO)、气体分离、气体分离(GS)以以浓度差浓度差为推动力：渗析、渗透汽化为推动力：渗析、渗透汽化(PVAP )以以电位差电位差为推动

3、力：电渗析（为推动力：电渗析（ED）以以温度差温度差为推动力：膜蒸馏（为推动力：膜蒸馏（MD）6.1 概概 述述微滤、超滤、纳滤和反渗透均为微滤、超滤、纳滤和反渗透均为压力推动压力推动的分离过程，即在的分离过程，即在压力差的作用下，溶剂及小分子能通过膜，而盐、大分子、压力差的作用下，溶剂及小分子能通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。微滤膜：微滤膜：孔径为孔径为0.0510m，能截留胶体颗粒、微生物及悬，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为浮粒子，操作压力为0.050.5 MPa。 超滤膜：超滤膜：孔径为孔径为220nm，能截

4、留小胶体粒子、大分子物质，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为操作压力为0.11 MPa；纳滤膜纳滤膜孔径为孔径为25nm，能截留部分离子及有机物，操作压，能截留部分离子及有机物，操作压力为力为0.73 MPa；反渗透膜反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包括离子）而使几乎无孔，可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为溶剂通过，操作压力较高，一般为210 MPa；6.1 概概 述述电渗析电渗析采用带电荷的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、采用带电荷的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶液去除离子。阳离子通过，可用于溶液去除离子。气体分离气体分

5、离是依据混合气体中各组分在膜中渗透性的差异而实是依据混合气体中各组分在膜中渗透性的差异而实现的膜分离过程。现的膜分离过程。渗透汽化渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。传统的分离单元操作如蒸馏、萃取、吸收等，也可以通过膜传统的分离单元操作如蒸馏、萃取、吸收等，也可以通过膜来实现，即为来实现，即为膜蒸馏、膜萃取、膜吸收膜蒸馏、膜萃取、膜吸收等，实现这些膜过程等，实现这些膜过程的设备统称为膜接触器，包括液的设备统称为膜接触器，包括液-液接

6、触器、液液接触器、液-气接触器等气接触器等 6.1 概概 述述过程过程示意图示意图膜类型膜类型推动力推动力传递传递机理机理透过物透过物截留物截留物微滤微滤MF多孔膜多孔膜压力差压力差（0.1MPa）筛分筛分水、溶水、溶剂、溶剂、溶解物解物悬浮物各悬浮物各种微粒种微粒超滤超滤UF非对称膜非对称膜压力差压力差（0.11MPa）筛分筛分溶剂、溶剂、离子、离子、小分子小分子胶体及各胶体及各类大分子类大分子反渗透反渗透RO非对称膜非对称膜复合膜复合膜压力差压力差（210MPa）溶剂的溶溶剂的溶解解-扩散扩散水、溶水、溶剂剂悬浮物、悬浮物、溶解物、溶解物、胶体胶体电渗析电渗析ED离子交换离子交换膜膜电位差

7、电位差离子在电离子在电场中的传场中的传递递离子离子非解离和非解离和大分子颗大分子颗粒粒原料液滤液原料液滤液浓缩液原料液溶剂浓缩液溶剂原料液浓电解质阴膜 阳膜阴极阳极气体气体分离分离GS均质膜均质膜复合膜复合膜非对称膜非对称膜压力差压力差（115MPa）气体的溶气体的溶解解-扩散扩散易渗透易渗透气体气体难渗透难渗透气体气体渗透渗透汽化汽化PVAP均质膜均质膜复合膜复合膜非对称膜非对称膜浓度差浓度差分压差分压差溶解溶解-扩散扩散易溶解易溶解或易挥或易挥发组分发组分不易溶解不易溶解或难挥发或难挥发组分组分膜蒸馏膜蒸馏MD微孔膜微孔膜由于温度差由于温度差而产生的蒸而产生的蒸汽压差汽压差通过膜的通过膜的

8、扩散扩散高蒸汽高蒸汽压的挥压的挥发组分发组分非挥发的非挥发的小分子和小分子和溶剂溶剂混合气渗透气渗余气原料液渗透蒸气溶质或溶剂原料液渗透液浓缩液四、膜分离技术的四、膜分离技术的优点优点 与传统的分离操作相比，膜分离具有以下优点：与传统的分离操作相比，膜分离具有以下优点：（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运

9、动的部件，可靠性高，操作、维）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维 护都十分方便。护都十分方便。6.1 概概 述述五、分离膜五、分离膜性能性能 分离膜（分离膜（Membrane）是膜分离过程的）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、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。分离膜的性能操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面：主要包括两个方面：透过性能透过性能 与与分离性能分离性能 6.1 概概 述述1透过性能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基本条件

10、。表征膜透过性能的参数是透过速率透过速率。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，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，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以以J表示表示。 式中：式中： J 透过速率，透过速率，m3/(m2h)或或 kg/(m2h)； V透过组分的体积或质量，透过组分的体积或质量，m3或或kg； A膜有效面积，膜有效面积，m2； t 操作时间，操作时间，h。tAVJ6.1 概概 述述膜的膜的透过速率透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数结构有关，

11、且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小直接决定分离设备的大小。2分离性分离性能能分离膜分离膜必须对被分离混合物中各组分具有必须对被分离混合物中各组分具有选择选择透过透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。以实现的前提。 不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方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。法，如截留率、截留分子量、分离因数等。6.1 概概 述述（1）截留率）截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率截留率反映膜对溶

12、质的截留程度，对盐溶液又称为反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以脱盐率，以R表示，定义为表示，定义为 式中式中 原料中溶质的浓度，原料中溶质的浓度，kg/m3； 渗透物液中溶质的浓度，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截留率表示溶质全部被膜截留,此为理想的半渗透膜；此为理想的半渗透膜；0 截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。%100FPFcccRFcPc6.1 概概 述述（2）截留分子量）截留分子量在超滤和纳滤中，通常用在超滤和纳滤中，通常用截留分子量截留分子量表示其表示其分离性能。分离性能。截留分子量截留

13、分子量是指截留率为是指截留率为 90%时所对时所对应的最小分子量。应的最小分子量。截留分子量的高低，在一定截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。列不同分子量的标准物质进行测定。五、膜的性能五、膜的性能6.1 概概 述述（3）分离因数）分离因数对于气体分离和渗透汽化过程，通常用对于气体分离和渗透汽化过程，通常用分离因数分离因数表表示各组分透过的选择性。对于含有示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混两组分的混合物，分离因数定义为合物，分离因数定义为 式中式中 原料中原料中组分组分A与组分与组分B的

14、摩尔分率；的摩尔分率； 透过物中组分透过物中组分A与组分与组分B的的摩尔分率。摩尔分率。BABAABxxyyBAxx,BAyy ,五、膜的性能五、膜的性能6.1 概概 述述通常，通常，用组分用组分A表示易透过的组分，因此的数值大于表示易透过的组分，因此的数值大于1。分。分离因数的大小反映该体系离因数的大小反映该体系分离的难易程度分离的难易程度，越大，表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越大，表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高；越好，分离程度越高；1，则表明膜没有分离能力。，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膜的分离性能主要取

15、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的一些结构，同时也与膜分离过程的一些操作条件有关。该性能对操作条件有关。该性能对分离效果、操作能耗都有决定性的影响分离效果、操作能耗都有决定性的影响。五、膜的性能五、膜的性能6.1 概概 述述六、膜的分类六、膜的分类按按形态形态分：固体膜、液体膜、气体膜分：固体膜、液体膜、气体膜按按化学性质化学性质分：中性膜、带电膜分：中性膜、带电膜按按来源来源分：天然膜（如生物膜）分：天然膜（如生物膜） 合成膜合成膜 有机膜（应用最为广泛）有机膜（应用最为广泛） 无机膜（陶瓷、金属、玻璃、碳分子筛）无机膜（陶瓷、金属、玻璃、碳分子筛）按按结构结构分：

16、分： 对称膜对称膜（无孔膜、多孔膜）（无孔膜、多孔膜） 非对称膜非对称膜（一体化非对称膜、复合膜）（一体化非对称膜、复合膜）按按形状形状分：平板膜、管式膜、中空纤维膜、螺旋卷式膜分：平板膜、管式膜、中空纤维膜、螺旋卷式膜6.1 概概 述述（1）对称膜）对称膜对称膜对称膜是一种均匀的薄膜，又称均质膜。膜的横截面结构及是一种均匀的薄膜，又称均质膜。膜的横截面结构及形态是均匀的，厚度一般在形态是均匀的，厚度一般在10200 m之间，传质阻力由膜之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。对称膜（均质膜）对称膜（均质膜）无孔膜（致密膜）无孔

17、膜（致密膜）对称的多孔膜对称的多孔膜多孔膜多孔膜无孔膜无孔膜6.1 概概 述述（2）非对称膜）非对称膜 非对称膜非对称膜的横断面是不对称结构，由一薄薄的皮层和多孔亚的横断面是不对称结构，由一薄薄的皮层和多孔亚层构成。包括层构成。包括一体化非对称膜一体化非对称膜复合膜复合膜 。一体化非对称膜一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度是用同种材料制备、由厚度为为0.10.5m的致密皮层和的致密皮层和50150 m的多孔支撑层构成，其支撑层结的多孔支撑层构成，其支撑层结构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的形变。形变。复合膜：复合膜：致密皮层与多

18、孔亚层由不同材料构成，使每一致密皮层与多孔亚层由不同材料构成，使每一层独立发挥最大作用。层独立发挥最大作用。非对称膜非对称膜的作用主要由很薄的的作用主要由很薄的致密皮层致密皮层决定，传质阻力小，决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多，因此非对称膜在工业上应用十其透过速率较对称膜高得多，因此非对称膜在工业上应用十分广泛。分广泛。6.1 概概 述述七、膜分离技术的发展趋势七、膜分离技术的发展趋势 选择性选择性 比产值比产值 操作的可靠性操作的可靠性 研制新型膜材料、膜组件或改善膜的研制新型膜材料、膜组件或改善膜的 性能性能6.1 概概 述述目前使用的目前使用的固体固体分离膜大多数是分离膜大多数

19、是高分子聚合高分子聚合物膜物膜，近年来又开发了多种无机高分子膜。，近年来又开发了多种无机高分子膜。不同的膜分离过程对膜材料由不同要求，材不同的膜分离过程对膜材料由不同要求，材料的选择直接决定了膜的性能。料的选择直接决定了膜的性能。高分子聚物膜材料高分子聚物膜材料通常有：纤维素类、聚砜类、通常有：纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等。聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等。无机类材料无机类材料包括：陶瓷、玻璃、金属和碳分子筛包括：陶瓷、玻璃、金属和碳分子筛等。等。6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备 膜过程膜过程膜材料膜材料 微滤微滤 聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚碳酸酯、聚（醚

20、）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等 氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅 超滤超滤聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈 、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等 氧化铝、氧化锆纳滤纳滤聚酰（亚）胺 反渗透反渗透醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮） 聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等电渗析膜电渗析膜含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物渗透气化渗透气化弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺 气体分离气体分离弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜膜接触器膜接触器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙

21、稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯渗析渗析亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯乙烯醇共聚物、乙烯醋酸乙烯酯共聚物6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备 二、膜材料的改性二、膜材料的改性方法：接枝、共聚、交联、等离子或放射刻蚀、溶方法：接枝、共聚、交联、等离子或放射刻蚀、溶剂化处理等。剂化处理等。接枝接枝不具有某种性能的基团或聚合物支链接到不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。膜材料的高分子链上。溶剂化处理溶剂化处理在一定时间一定温度下，用某种溶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。剂对聚合膜进行预处理，以提高膜的分离性能。放射刻蚀放射刻蚀利用放射线对膜

22、的表面进行处理，使利用放射线对膜的表面进行处理，使膜的性能得到改善。膜的性能得到改善。交联改性交联改性利用交联剂使高分子链形成网状机构，利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。提高稳定性和机械强度。6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备三、膜的制备三、膜的制备方法：相转化法、拉伸法、径迹蚀刻法、熔剂浇铸方法：相转化法、拉伸法、径迹蚀刻法、熔剂浇铸法、熔压法等。法、熔压法等。 (1) 溶剂浇铸法溶剂浇铸法用浇铸刀或压延棒将制膜液在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，然后使溶剂蒸发，平整玻璃板或钢板上流延成膜，然后使溶剂蒸发，在板上即可形成均匀的聚合物薄膜。在板上即

23、可形成均匀的聚合物薄膜。 (2) 熔压法熔压法将碾细的聚合物置于两块平板间，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）流延液的膜材料）6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备(3) 径迹刻蚀法径迹刻蚀法膜片接受高能粒子辐射，聚合物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，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。径迹处即被腐蚀而形成圆柱形的孔

24、，且分布均匀。（孔径（孔径0.02-10m，由浸蚀的时间决定），由浸蚀的时间决定）(4) 拉伸法拉伸法在结晶熔点的温度下把膜材料压紧，在结晶熔点的温度下把膜材料压紧，并快速拉之，冷却后第二次拉伸，使聚合物的晶格并快速拉之，冷却后第二次拉伸，使聚合物的晶格构造被破坏，产生缝隙，即可成多孔的对称膜。构造被破坏，产生缝隙，即可成多孔的对称膜。(5) 相转化法相转化法通过适当途径使聚合物制膜液由液通过适当途径使聚合物制膜液由液态转化为固态即可。态转化为固态即可。途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀、热沉淀、蒸气相沉淀、途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀、热沉淀、蒸气相沉淀、浸没沉淀等。浸没沉淀等。6.2 膜材料与膜制备

25、膜材料与膜制备复合膜皮层的制备复合膜皮层的制备界面聚合法界面聚合法在两个互不相溶的溶剂界面处，两种反应活在两个互不相溶的溶剂界面处，两种反应活性都很高的单体发生聚合，可制得致密的皮层。性都很高的单体发生聚合，可制得致密的皮层。浸涂法浸涂法将一体化膜进浸入含有聚合物涂液中，取出后膜将一体化膜进浸入含有聚合物涂液中，取出后膜上即附着一层薄薄的溶液，然后使溶剂蒸发并发生交联，即上即附着一层薄薄的溶液，然后使溶剂蒸发并发生交联，即可使表皮层固定在多空亚层上。可使表皮层固定在多空亚层上。等离子聚合法等离子聚合法制膜液在等离子发生器内与气体的等离子制膜液在等离子发生器内与气体的等离子体发生碰撞，各自成为自

26、由基，自由基之间再发生反应，产体发生碰撞，各自成为自由基，自由基之间再发生反应，产物的分子量足够大时，便会沉淀在致密的表皮层上。物的分子量足够大时，便会沉淀在致密的表皮层上。6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备四、膜组件四、膜组件分离膜在绝大多数情况下并不能直接应用于分分离膜在绝大多数情况下并不能直接应用于分离工程，而是需要将一定面积的膜装填到某种离工程，而是需要将一定面积的膜装填到某种开放或封闭的壳体中，构成一定形式的开放或封闭的壳体中，构成一定形式的结构单结构单元元才可使用。才可使用。膜组件膜组件是将若干种膜以某种形式组装在一是将若干种膜以某种形式组装在一起的结构单元，在其中实现混合物的分

27、离。起的结构单元，在其中实现混合物的分离。膜组件主要有：板框式、螺旋卷式、管式及中膜组件主要有：板框式、螺旋卷式、管式及中空纤维膜组件。空纤维膜组件。6.2 膜材料与膜制备膜材料与膜制备6.3 超滤（ultrafiltration） 与微滤（microfiltration）一、基本原理一、基本原理超滤与微滤都是在超滤与微滤都是在压力差压力差作用下根据作用下根据膜孔径的大小膜孔径的大小进行筛分的分离过程，其基本原理如图所示。进行筛分的分离过程，其基本原理如图所示。在一定在一定压力差压力差作用下，高分子溶质作用下，高分子溶质A和低分子和低分子B的混合溶液的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分

28、子溶质（如无机盐类）流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质（如无机盐类）透过膜，作为透过液被收集起来，而大于膜孔的高分子溶质透过膜，作为透过液被收集起来，而大于膜孔的高分子溶质（如有机胶体等）则被截留，作为浓缩液被回收，从而达到（如有机胶体等）则被截留，作为浓缩液被回收，从而达到溶液的净化、分离和浓缩的目的。通常，溶液的净化、分离和浓缩的目的。通常，超滤超滤能截留分子量为能截留分子量为500nm 106nm的分子的分子微滤微滤截留更大的分子（通常称为分散粒子截留更大的分子（通常称为分散粒子)6.3 超滤与微滤超滤与微滤超滤与微滤的基本原理超滤与微滤的基本原理 超滤与微滤原理示意图超滤与微滤原

29、理示意图6.3 超滤与微滤超滤与微滤二、超滤膜与微滤膜二、超滤膜与微滤膜微滤和超滤使用的膜都是微滤和超滤使用的膜都是多孔膜多孔膜。超滤膜超滤膜多数为非对称结构，膜孔径多数为非对称结构，膜孔径范围为范围为1nm0.05 m，由一层极薄具有一定孔径的表皮层和一层较厚具有由一层极薄具有一定孔径的表皮层和一层较厚具有海绵海绵状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。用。微滤膜微滤膜有对称和非对称两种有对称和非对称两种结构，孔径范围为结构，孔径范围为0.05m10m。超滤膜超滤膜的性能参数：的性能参数：透过速率透过速率、截留分子量截留分子量、截留

30、率截留率，而更，而更多的是用截留分子量表征。多的是用截留分子量表征。微滤膜微滤膜的性能参数：的性能参数：透过速率透过速率、膜孔径膜孔径、空隙率空隙率，其中膜孔，其中膜孔径反映微滤膜的截留能力，孔隙率是指单位膜面积上孔面积径反映微滤膜的截留能力，孔隙率是指单位膜面积上孔面积所占的比例所占的比例。 6.3 超滤与微滤超滤与微滤 三、浓差极化与膜污染三、浓差极化与膜污染（1）浓差极化浓差极化对于压力推动的膜过程，无论超滤还是微滤，在操作中都存对于压力推动的膜过程，无论超滤还是微滤，在操作中都存在在浓差极化现象浓差极化现象。在操作过程中，由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液在操作过程中，由于膜的选择

31、透过性，被截留组分在膜料液侧表面都会积累形成侧表面都会积累形成浓度边界层浓度边界层，其浓度大大高于料液的，其浓度大大高于料液的主主体浓度体浓度，在膜表面与主体料液之间浓度差的作用下，将导致，在膜表面与主体料液之间浓度差的作用下，将导致溶质从膜表面向主体的溶质从膜表面向主体的反向扩散反向扩散，这种现象称为浓差极化。，这种现象称为浓差极化。浓差极化浓差极化使得膜面处浓度使得膜面处浓度 ci 增加，加大了渗透压，在一定增加，加大了渗透压，在一定压差下使小分子溶质的透过速率压差下使小分子溶质的透过速率下降下降，截留率提高，通量衰，截留率提高，通量衰减明显。减明显。 6.3 超滤与微滤超滤与微滤（2）

32、膜污染膜污染膜污染主要发生在膜污染主要发生在超滤超滤与与微滤微滤过程中。过程中。膜污染膜污染指料液中的某些组分在膜表面或膜指料液中的某些组分在膜表面或膜孔隙中沉积导致膜的透过速率下降的现象。孔隙中沉积导致膜的透过速率下降的现象。组分在组分在膜表面膜表面沉积形成的污染层将产生额外的阻沉积形成的污染层将产生额外的阻力，该阻力可能远大于膜本身的阻力而成为过滤力，该阻力可能远大于膜本身的阻力而成为过滤的主要阻力；组分在的主要阻力；组分在膜孔中膜孔中的沉积，将造成膜孔的沉积，将造成膜孔减小甚至堵塞，实际上减小了膜的有效面积。减小甚至堵塞，实际上减小了膜的有效面积。三、浓差极化与膜污染三、浓差极化与膜污染

33、6.3 超滤与微滤超滤与微滤超滤通量与操作压力差的关系超滤通量与操作压力差的关系对于对于纯水纯水的超滤，其水通的超滤，其水通量与压力差成正比；量与压力差成正比；对于对于溶液溶液的超滤，由于浓的超滤，由于浓差极化与膜污染的影响，差极化与膜污染的影响，超滤通量随压差的变化关超滤通量随压差的变化关系为一曲线，当压差达到系为一曲线，当压差达到一定值时，再提高压力，一定值时，再提高压力，只是使边界层阻力增大，只是使边界层阻力增大，却不能增大通量，从而获却不能增大通量，从而获得一得一极限通量极限通量 。J超滤通量与超滤通量与操作压力差操作压力差 与与透过速率透过速率J 之间的关系如图所示。之间的关系如图所

34、示。pJ6.3 超滤与微滤超滤与微滤由此可见，由此可见，浓差极化浓差极化与与膜污染膜污染均使膜透过速率下降，均使膜透过速率下降，是操作过程的是操作过程的不利因素不利因素，应设法降低。减轻浓差极，应设法降低。减轻浓差极化与膜污染的途径主要有：化与膜污染的途径主要有： （1）对原料液进行预处理，除去料液中的大颗粒；）对原料液进行预处理，除去料液中的大颗粒； （2）增加料液的流速或在组件中加内插件以增加湍）增加料液的流速或在组件中加内插件以增加湍动程度，减薄边界层厚度；动程度，减薄边界层厚度； （3）定期对膜进行反冲和清洗。）定期对膜进行反冲和清洗。三、浓差极化与膜污染三、浓差极化与膜污染6.3 超

35、滤与微滤超滤与微滤 四、超滤及微滤的应用四、超滤及微滤的应用超滤超滤主要适用于主要适用于大分子大分子溶液的分离与浓缩，广泛应用在食溶液的分离与浓缩，广泛应用在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包括牛奶的浓缩、果汁的澄清、医药产品的除菌、电泳涂漆废括牛奶的浓缩、果汁的澄清、医药产品的除菌、电泳涂漆废水的处理、各种酶的提取等。水的处理、各种酶的提取等。微滤微滤是所有膜过程中应用是所有膜过程中应用最普遍最普遍的一项技术，主要用于细的一项技术，主要用于细菌、微粒的去除，广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药菌、微粒的去除，广泛应用在食

36、品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化，半导体工业超纯水制备过程中颗粒的去产品的除菌和净化，半导体工业超纯水制备过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等。除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等。 6.3 超滤与微滤超滤与微滤6.4 反渗透 （reverse osmosis）一、定义一、定义反渗透反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力下使溶剂渗透通过膜，达到溶液脱盐的目的。下使溶剂渗透通过膜，达到溶液脱盐的目的。在膜的两侧造成一个压力差，并使其大于溶在膜的两侧造成一个压力

37、差，并使其大于溶液的渗透压，溶剂就会渗透到膜的另一侧，液的渗透压，溶剂就会渗透到膜的另一侧，使浓度较高的溶液得到浓缩。使浓度较高的溶液得到浓缩。6.4 反渗透反渗透 二、反渗透机理二、反渗透机理把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向两侧，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象高浓度溶液）一侧流动，这种现象称为称为渗透渗透(osmosis)。当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方向当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方

38、向流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的渗渗透压透压，以，以表示。表示。若在溶液侧施加一个大于渗透压若在溶液侧施加一个大于渗透压的压差时，则溶剂将从溶的压差时，则溶剂将从溶液侧向溶剂侧液侧向溶剂侧反向流动，反向流动，此过程称为此过程称为反渗透反渗透(reverse osmosis) 这样，把溶液置于半透膜的一侧，利用反渗透过程可从溶液这样，把溶液置于半透膜的一侧，利用反渗透过程可从溶液中获得纯溶剂。中获得纯溶剂。 6.4 反渗透反渗透 三、反渗透膜及其性质三、反渗透膜及其性质 1、反渗透膜、反渗透膜反渗透膜为反渗透膜为半透膜：半透膜

39、：即能够让溶液中一种或几种组即能够让溶液中一种或几种组分通过而其它组分不能通过的选择性膜。分通过而其它组分不能通过的选择性膜。反渗透借助反渗透借助半透膜半透膜对溶液中溶质起截流作用，以对溶液中溶质起截流作用，以压压力差力差为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液为推动力，使溶剂透过半透膜，从而达到溶液脱除溶质的目的。脱除溶质的目的。膜的特性：膜的特性：透水率、透盐率、抗压性等透水率、透盐率、抗压性等6.4 反渗透反渗透 三、反渗透膜三、反渗透膜 2、反渗透膜的结构反渗透膜的结构反渗透膜多为反渗透膜多为不对称膜不对称膜。膜的致密皮层几乎无孔，因此可以截留大多数溶质（包括离膜的致密皮层几乎无孔，因

40、此可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过。反渗透操作压力较高，一般为子）而使溶剂通过。反渗透操作压力较高，一般为210 MPa。大规模应用时，多采用卷式膜组件和中空纤维膜组件。大规模应用时，多采用卷式膜组件和中空纤维膜组件。 反渗透膜的反渗透膜的性能参数性能参数：透过速率透过速率（透水率）、（透水率）、截留率截留率（脱盐（脱盐率）、率）、抗压实性抗压实性。因反渗透在高压下操作，对膜产生压实作因反渗透在高压下操作，对膜产生压实作用，造成透水率下降，因此抗压实性也是反渗透膜性能的一用，造成透水率下降，因此抗压实性也是反渗透膜性能的一个重要指标。个重要指标。6.4 反渗透反渗透 五、反渗透的五、

41、反渗透的应用应用反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。应用范围广泛。主要应用：海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制主要应用：海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。6.4 反渗透反渗透反渗透的应用：反渗透的应用： 1. 处理处理电镀废水电镀废水废水进入电渗析器分离后，浓缩液返回电镀槽再次

42、使用；废水进入电渗析器分离后，浓缩液返回电镀槽再次使用；处理水则补充至最后的漂洗槽，实现水量平衡。处理水则补充至最后的漂洗槽，实现水量平衡。 2. 冲冲印胶片废水的处理印胶片废水的处理照相洗印废水、电影制片厂排出的废水中含有多种有用照相洗印废水、电影制片厂排出的废水中含有多种有用物质，可回收。物质，可回收。 3.酸性酸性尾矿水的处理尾矿水的处理6.4 反渗透反渗透6-5 电渗析电渗析电渗析是在直流电场作用下，利用荷电离子交是在直流电场作用下，利用荷电离子交换膜的选择性使带电粒子分离开的方法。换膜的选择性使带电粒子分离开的方法。 一、电渗析的特点一、电渗析的特点 （1）能耗少，不发生相变，只能用

43、于水中已离解的）能耗少，不发生相变，只能用于水中已离解的离子；离子； （2）装置结构简单，操作方便（主要由渗析器、离）装置结构简单，操作方便（主要由渗析器、离子交换膜、直流正负电极组成）；子交换膜、直流正负电极组成）； （3）离子渗透膜不需再生，可连续使用）离子渗透膜不需再生，可连续使用 。6.5 电渗析电渗析 二、基本原理二、基本原理 主要是利用渗透膜的选择透过性来分离物质。膜是关键主要是利用渗透膜的选择透过性来分离物质。膜是关键部件，它是由高分子材料制成的具有部件，它是由高分子材料制成的具有活性基团活性基团的薄膜，发挥的薄膜，发挥作用的是膜上的空隙和活性基团。作用的是膜上的空隙和活性基团。

44、膜上的空隙膜上的空隙高分子间的孔隙高分子间的孔隙 ，可容纳离子的进出；，可容纳离子的进出；活性基团活性基团在高分子链上的可发生解离的基团，如磺酸基、在高分子链上的可发生解离的基团，如磺酸基、氨基等。氨基等。活性基团在水中发生离解，活性基团在水中发生离解，阳膜阳膜上离解出正离子，可交换水上离解出正离子，可交换水中的阳离子；中的阳离子；阴膜阴膜上离解出负离子，可交换水中的阴离子。上离解出负离子，可交换水中的阴离子。因此，膜具有选择透过性。在外加直流电场作用下，溶液中因此，膜具有选择透过性。在外加直流电场作用下，溶液中带电粒子可被膜吸引、传递通过膜。其原理如图示。带电粒子可被膜吸引、传递通过膜。其原

45、理如图示。 6.5 电渗析电渗析 四、电渗析器工艺参数计算四、电渗析器工艺参数计算 （1）水流线速度（2）极限电流与操作电流密度 （3）电流效率的计算式 （4）脱盐率 （5）膜对电压 6.5 电渗析电渗析6.6 渗透汽化 (Pervaporation) 一、渗透汽化一、渗透汽化基本原理基本原理 渗透汽化渗透汽化指混合液体在膜两侧指混合液体在膜两侧压差压差的作用下，利用膜对的作用下，利用膜对混合物中的某组分有选择性混合物中的某组分有选择性优先透过优先透过的特点，使其优先渗透的特点，使其优先渗透通过膜，在膜的另一侧通过膜，在膜的另一侧汽化汽化，从而达到混合物分离提纯的一，从而达到混合物分离提纯的一

46、种新型膜分离技术。种新型膜分离技术。渗透汽化是一种渗透汽化是一种有相变有相变的膜渗透过程。在膜两侧易挥发组分的膜渗透过程。在膜两侧易挥发组分蒸汽压差的作用下，蒸汽压差的作用下，易挥发组分易挥发组分较多的溶解在膜上，并扩散较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，最后在膜的另一侧汽化而被抽出。通过膜，最后在膜的另一侧汽化而被抽出。易挥发组分通过膜时发生相变，相变所需的热量来自易挥发组分通过膜时发生相变，相变所需的热量来自原料液原料液的降温的降温。在渗透汽化中只要膜选择得当，可使含量极少的易。在渗透汽化中只要膜选择得当，可使含量极少的易挥发溶质透过膜，虽然过程中需要一定的热量，但与大量的挥发溶质透过膜，虽然

47、过程中需要一定的热量，但与大量的溶剂透过过程相比仍为节能操作。溶剂透过过程相比仍为节能操作。 6.6 渗透汽化渗透汽化 渗透汽化分离原理渗透汽化分离原理汽化汽化渗透汽化的分离原理如渗透汽化的分离原理如图所示。图所示。传质机理：传质机理：溶解溶解-扩散机理。扩散机理。依此机理，被分离组分通过依此机理，被分离组分通过膜的传递过程可分为三步：膜的传递过程可分为三步： （1）被分离组分在膜上游表）被分离组分在膜上游表面被选择性吸附并溶解；面被选择性吸附并溶解； （2）在膜内扩散、渗透通过）在膜内扩散、渗透通过膜；膜； （3）在膜下游表面脱附并汽）在膜下游表面脱附并汽化。化。6.6 渗透汽化渗透汽化 二

48、、渗透汽化的三种形式：二、渗透汽化的三种形式：(依据造成膜两侧依据造成膜两侧蒸汽压蒸汽压差差方法不同方法不同)（1）真空真空渗透汽化：膜下游侧用真空泵抽真空，以渗透汽化：膜下游侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸汽压差；造成膜两侧组分的蒸汽压差； （2）载气吹扫载气吹扫渗透汽化：用载气吹扫膜的下游侧，渗透汽化：用载气吹扫膜的下游侧，以带走透过的组分；以带走透过的组分； （3）加热加热渗透汽化：通过渗透汽化：通过料液加热料液加热和和透过液冷凝透过液冷凝的的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。6.6 渗透汽化渗透汽化原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器真空

49、泵真空泵原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器载气载气 原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器加热器加热器(a) 真空渗透真空渗透汽化汽化(b) 载气吹扫渗透载气吹扫渗透汽化汽化(c) 热渗透汽热渗透汽化化渗透汽化分离过程示意图渗透汽化分离过程示意图6.6 渗透汽化渗透汽化 三、渗透汽化膜三、渗透汽化膜 渗透汽化膜渗透汽化膜为致密为致密均质膜均质膜、复合膜复合膜或或非对称膜非对称膜，其中复合膜，其中复合膜应用更广泛。应用更广泛。渗透汽化膜的渗透汽化膜的性能参数性能参数：分离因数和透过速率：分离因数和透过速率(或渗透通量或渗透通量)对膜的对膜的要求要求：分离因数大、渗透通量大

50、。：分离因数大、渗透通量大。实际上，膜的这两个性能参数常常是互相矛盾的。实际上，膜的这两个性能参数常常是互相矛盾的。分离因数大、选择性好的膜，渗透通量往往比较小；而渗透分离因数大、选择性好的膜，渗透通量往往比较小；而渗透通量大的膜，其分离因数通常又较小。所以，在选膜和制膜通量大的膜，其分离因数通常又较小。所以，在选膜和制膜时需要根据具体情况进行优化选择。时需要根据具体情况进行优化选择。6.6 渗透汽化渗透汽化渗透汽化渗透汽化是一个较复杂的分离过程，原料的组成对是一个较复杂的分离过程，原料的组成对分离性能有很大的影响，一般主要用于液体混合物分离性能有很大的影响，一般主要用于液体混合物中去除少量的液体。中去除少量的液体。渗透汽化虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离渗透汽化虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离作用作用不受不受组分气组分气-液平衡的限制，而主要受组分在膜液平衡的限制，而主要受组分在膜内的渗透速率控制，因此，渗透汽化尤适合于用普内的渗透速率控制，因此，渗透汽化尤适合于用普通蒸馏难以分离的近沸物和恒沸