膜分离技术简介ppt课件

1、20192019年年3 3月月膜分别技术简介膜分别技术简介目录目录l1 膜技术概述膜技术概述l2 膜分别安装膜分别安装l3 极化、污染景象和控制极化、污染景象和控制l4 典型的膜分别技术及运用领域典型的膜分别技术及运用领域l5 膜工程前沿技术膜工程前沿技术1 膜技术概述膜技术概述1.1 1.1 根本概念根本概念(Membrane)(Membrane)是什么？有何特性？是什么？有何特性？膜是具有选择性分别功能的资料。膜是具有选择性分别功能的资料。利用膜的选择性分别实现料液的不同组分的分别、纯化、浓缩的过利用膜的选择性分别实现料液的不同组分的分别、纯化、浓缩的过程称作膜分别。它与传统过滤的不同在于

2、，膜可以在分子级范围内程称作膜分别。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子级范围内进展分别，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加进展分别，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径普通为微米或纳米级，根据其孔径的不同或称为助剂。膜的孔径普通为微米或纳米级，根据其孔径的不同或称为截留分子量，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反浸透膜截留分子量，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反浸透膜 等等等。等。 膜上游膜上游 膜膜 膜下游膜下游选择性膜选择性膜1.2 1.2 膜分别的优点膜分别的优点在常温下进展在常温下进展 有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如医药、果汁、

3、酶、有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如医药、果汁、酶、蛋白的分别与浓缩蛋白的分别与浓缩 无相态变化无相态变化 坚持原有的风味，能耗低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的坚持原有的风味，能耗低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 无化学变化无化学变化 典型的物理分别过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染典型的物理分别过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染 选择性好选择性好 可在分子级内进展物质分别，具有普遍滤材无法取代的杰出性能可在分子级内进展物质分别，具有普遍滤材无法取代的杰出性能 顺应性强顺应性强处置规模可大可小，可以延续也可以间隙进展，工艺简单，操作方处置规模可大可小，可

4、以延续也可以间隙进展，工艺简单，操作方便，易于自动化便，易于自动化 1.2 膜分别技术开展简史膜分别技术开展简史 膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至如今人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的利用、模拟直至如今人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的开展是从开展是从1958年研讨离子交换膜开场的。年研讨离子交换膜开场的。60年代进入开创阶段。年代进入开创阶段。1965年着手反年着手反浸透的探求，浸透的探求，1967年开场的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技

5、的开展。年开场的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的开展。70年代进入开发阶段，微滤、电渗析、反浸透和超滤等各种膜和组器件都相继年代进入开发阶段，微滤、电渗析、反浸透和超滤等各种膜和组器件都相继研讨开发出来，研讨开发出来，80年代跨入了推行运用阶段。年代跨入了推行运用阶段。80年代又是气体分别和其他新膜年代又是气体分别和其他新膜开发阶段。开发阶段。 1.3 膜的分类膜的分类a. 按膜的资料分类按膜的资料分类 类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素酯类纤维素酯类纤维素衍生物类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素非纤维素酯类酯类聚砜类聚

6、砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰( (亚亚) )胺类胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等等聚酯、烯烃类聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟( (硅硅) )类类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等烷等其他其他壳聚糖，聚电解质等壳聚糖，聚电解质等b. 按膜的分别原理及适用范围分类按膜的分别原理及适用范围分类 根据分别膜的分别原理和推进力的不同，可将根据分别膜的分别原理和推进力的不同，可将其分为微孔膜、超越滤膜、反浸透膜

7、、纳滤膜、渗其分为微孔膜、超越滤膜、反浸透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、浸透蒸发膜等。析膜、电渗析膜、浸透蒸发膜等。c. 按膜的形状分类按膜的形状分类 按膜的外形分为平板膜按膜的外形分为平板膜(Flat Membrane)、管式、管式膜膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜和中空纤维膜(Hollow Fiber)。d. 按膜的构造分类按膜的构造分类 按膜的构造分为：按膜的构造分为： 对称膜对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜复合膜(Composite Membrane)1.4 膜分别过程的类型膜分别过程的

8、类型 分别膜的根本功能是从物质群中有选分别膜的根本功能是从物质群中有选择地透过或保送特定的物质，如颗粒、分择地透过或保送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分别是经过子、离子等。或者说，物质的分别是经过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分别过程及其传送机理如表别过程及其传送机理如表2所示。所示。表表2 2 几种主要分别膜的分别过程几种主要分别膜的分别过程膜过程膜过程推动推动力力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力压力差差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解水、溶剂溶解物物悬浮物颗粒悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤

9、压力压力差差分子特性大小形分子特性大小形状状水、溶剂小分水、溶剂小分子子胶体和超过胶体和超过截留分子量截留分子量的分子的分子非对称性膜非对称性膜纳滤纳滤压力压力差差离子大小及电荷离子大小及电荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力压力差差溶剂的扩散传递溶剂的扩散传递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜非对称性膜复合膜复合膜膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散传溶质的扩散传递递低分子量物、离低分子量物、离子子溶剂溶剂非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解

10、质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质，非电解质，大分子物质大分子物质离子交换膜离子交换膜气体分离气体分离压力差压力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性气难渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复均相膜、复合膜，非对合膜，非对称膜称膜渗透蒸发渗透蒸发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或溶剂易渗溶质或溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复均相膜、复合膜，非对合膜，非对称膜称膜液膜分离液膜分离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质溶剂溶剂乳状液膜、乳状液膜、支撑液膜支撑液膜续上表续上表1.5 膜资料膜资料 用作分别膜的资料包

11、括广泛的天然的和人工合成的有机高分子资料和无机资料。 原那么上讲，凡能成膜的高分子资料和无机资料均可用于制备分别膜。但实践上，真正成为工业化膜的膜资料并不多。这主要决议于膜的一些特定要求，如分别效率、分别速度等。此外，也取决于膜的制备技术。 目前，适用的有机高分子膜资料有：纤维素酯目前，适用的有机高分子膜资料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他资料。从种类来说，类、聚砜类、聚酰胺类及其他资料。从种类来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已多种已被用于工业和实验室中。据粗略统计，纤维素酯类被用于工业和实验室中。据粗略统计，纤维素酯类膜占膜占53，

12、聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他资料的膜占他资料的膜占2，可见纤维素酯类资料在膜资料中，可见纤维素酯类资料在膜资料中占主要位置。占主要位置。a. 纤维素酯类膜资料纤维素酯类膜资料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基经过纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基经过1, 4甙链衔接起来的天然线性高分子化合物，甙链衔接起来的天然线性高分子化合物，其构造式为：其构造式为：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 从构造上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。从构造上看，

13、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、醋酸酐进展酯化反响，得到二醋酸纤维与冰醋酸、醋酸酐进展酯化反响，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。素或三醋酸纤维素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 醋酸纤维素是当今最重要的膜资料之一。醋酸纤维素是当今最重要的膜资料之一。 醋酸醋酸纤维素性能稳定，但在高温暖酸、碱存在下易发生纤维素性能稳定，但在高温暖酸、碱存在下易发生水解。水解。 纤维

14、素醋类资料易受微生物侵蚀，纤维素醋类资料易受微生物侵蚀，pH值顺应值顺应范围较窄，不耐高温暖某些有机溶剂或无机溶剂。范围较窄，不耐高温暖某些有机溶剂或无机溶剂。因此开展了非纤维素酯类合成高分子类膜。因此开展了非纤维素酯类合成高分子类膜。醋酸纤维素膜的构造表示图99表皮层，孔径表皮层，孔径8101010m过渡层，孔径过渡层，孔径2001010m多孔层，孔径多孔层，孔径100040001010m1%显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片b. 非纤维素酯类膜资料非纤维素酯类膜资料 常用于制备分别膜的合成高分子资料有聚常用于制备分别膜的合成高分子资料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合砜、聚酰胺、芳香杂

15、环聚合物和离子聚合物等。物等。 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，性，强度也很高，pH值顺应范围为值顺应范围为113，最高使，最高使用温度达用温度达120，抗氧化性和抗氯性都非常优良。因，抗氧化性和抗氯性都非常优良。因此已成为重要的膜资料之一。此已成为重要的膜资料之一。 早期运用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙早期运用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙4、尼龙、尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分别率在的分别率在8090之间，但透水率很低，仅之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。 以

16、后开展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分别膜，以后开展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分别膜，pH适用范围为适用范围为311，分别率可达，分别率可达99.5对盐水，对盐水，透水速率为透水速率为0.6 ml/cm2h。长期运用稳定性好。由。长期运用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反响，故这种膜对水中的游离氯于酰胺基团易与氯反响，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。有较高要求。常见资料的最高允许运用温度名称名称温度温度CA CA 聚酰胺聚酰胺 聚苯并咪唑聚苯并咪唑 聚苯并咪唑酮聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚磺化聚苯醚 磺化聚砜磺化聚砜 聚醚砜酮聚醚砜酮40 40 35 35 909070 70 70 70 120 1

17、20 160160l无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为资料。从构造上可分为致密膜、多孔膜和复合非资料。从构造上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。对称修正膜三种。1.6 膜的保管膜的保管 分别膜的保管对其性能极为重要。主要应防止分别膜的保管对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。 微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜； 而水解和冷冻破坏那么对任何膜都能够发生。而水解和冷冻破坏那么对任何膜都能够发生。温度、温度、pH值不适当和水中

18、游离氧的存在均会呵斥膜值不适当和水中游离氧的存在均会呵斥膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的构造。的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的构造。 膜的收缩主要发生在湿态保管时的失水。收缩膜的收缩主要发生在湿态保管时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会呵斥膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，时还会呵斥膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中分散而失水，也会呵由于膜中水分急剧地向溶液中分散而失水，也会呵斥膜的变形收缩。斥膜的变形收缩。2 膜分别安装膜分别安装将膜、固定膜的支撑资料、间隔物或管式外壳等组装将膜、固定膜的支撑

19、资料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的构造及型式取决成的一个单元称为膜组件。膜组件的构造及型式取决于膜的外形于膜的外形, ,工业上运用的膜组件主要有中空纤维式、工业上运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。维式组件也可以分为内压式和外压式两种。 膜组件膜组件(Membrane Module)(Membrane Module)(1)、板框式、板框式(Plate-and-Frame)膜组件膜组件 板框式是最早运用的一种膜组件。其设计类似于板框式是最早运用的一

20、种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤安装常规的板框过滤安装, 膜被放置在可垫有滤纸的多孔膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一同构成的料液两块多孔的支撑板叠压在一同构成的料液流道空间流道空间,组成一个膜单元组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或单元与单元之间可并联或串联衔接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流串联衔接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的构造上。道的构造上。(2)、管式、管式(Tubular)膜组件膜组件 管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤

21、维膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维加强的塑料管内。加压的料液流从管内流过加强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的透过膜的浸透溶液在管外侧被搜集。对外压式膜组件浸透溶液在管外侧被搜集。对外压式膜组件,膜那么被膜那么被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过过,浸透溶液那么由管外侧浸透经过膜进入多孔支撑管浸透溶液那么由管外侧浸透经过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需求设计成都可以根据需求设计成串联或并联安装。串联或并联安装。(3)、螺旋卷式、螺旋卷式(Spiral Wound)膜

22、组件膜组件 目前目前,螺旋卷式膜组件被广泛地运用于多种膜分螺旋卷式膜组件被广泛地运用于多种膜分别过程。别过程。 膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等经过适膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等经过适当的方式被组合在一同当的方式被组合在一同,然后将其装人能接受压力的外然后将其装人能接受压力的外壳中制成膜组件。经过改动料液和过滤液流动通道的壳中制成膜组件。经过改动料液和过滤液流动通道的方式方式,这类膜组件的内部构造也可被设计成多种不同的这类膜组件的内部构造也可被设计成多种不同的方式。方式。(4)、中空纤维、中空纤维(Hollow Fiber)膜组件膜组件 中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比中

23、空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比一切其他组件大一切其他组件大, 最高可到达最高可到达30000m2/m3。中空纤。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安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流动沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液那么浸透过液那么浸透经过中空纤维壁进入内腔透经过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的然后从纤维在环氧树脂的固封头

24、的开端引出固封头的开端引出,原液那么从膜组件的另一端流出。原液那么从膜组件的另一端流出。 各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。3、 浓差极化、污染景象和控制浓差极化、污染景象和控制 在膜分别操作中，一切溶质均被透过液传送到在膜分别操作中，一切溶质均被透过液传送到膜外表上，不能完全透过膜的溶质遭到膜的截留作膜外表上，不能完全透过膜的溶质遭到膜的截留作用，在膜外表附近浓度升高。这种在膜外表附近浓用，在膜外表附近浓度升高。这种在膜外表附近浓度高于主体浓度的景象称为浓度极化或浓差极化度高于主体浓度的景象称为浓度极化或浓差极化(concentr

25、ation polarization)(concentration polarization)。浓差极化特性浓差极化特性 它是一个可逆过程。只需在膜运转过程中产它是一个可逆过程。只需在膜运转过程中产 生存在，停顿运转，浓差极化逐渐消逝。生存在，停顿运转，浓差极化逐渐消逝。 它与操作条件相关，可经过降低膜两侧压差，它与操作条件相关，可经过降低膜两侧压差，减小料液中溶质浓度，改善膜面流膂力学条件，减小料液中溶质浓度，改善膜面流膂力学条件，来减轻浓差极化程度，提高膜的透过流量。来减轻浓差极化程度，提高膜的透过流量。l膜外表附近浓度升高，增大了膜两侧的浸透膜外表附近浓度升高，增大了膜两侧的浸透压差，使

26、有效压差减小，透过通量降低。当压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜外表附近的浓度超越溶质的溶解度时，溶膜外表附近的浓度超越溶质的溶解度时，溶质会析出，构成凝胶层。当分别含有菌体、质会析出，构成凝胶层。当分别含有菌体、细胞或其他固构成分的料液时，也会在膜外细胞或其他固构成分的料液时，也会在膜外表构成凝胶层。这种景象称为凝胶极化表构成凝胶层。这种景象称为凝胶极化(gel (gel polarization)polarization) 膜分别过程中遇到的最大问题是膜污染膜分别过程中遇到的最大问题是膜污染(membrane fouling)(membrane fouling)，膜污染的主要缘由来，

27、膜污染的主要缘由来自以下几个方面。自以下几个方面。凝胶极化引起的凝胶层凝胶极化引起的凝胶层; ;溶质在膜外表的吸附层溶质在膜外表的吸附层; ;膜孔堵塞膜孔堵塞; ; 膜孔内的溶质吸附膜孔内的溶质吸附. .膜污染不仅呵斥透过通量的大幅度下降，膜污染不仅呵斥透过通量的大幅度下降，而且影响目的产物的回收率。为保证膜分而且影响目的产物的回收率。为保证膜分别操作高效稳定地进展，必需对膜进展定别操作高效稳定地进展，必需对膜进展定期清洗，除去膜外表及膜孔内的污染物，期清洗，除去膜外表及膜孔内的污染物，恢复膜的透过性能。恢复膜的透过性能。 膜的清洗普通选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、膜的清洗普通选用水、盐溶液、稀

28、酸、稀碱、外表活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗外表活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。详细用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物剂。详细用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决议，运用的清洗剂要具有良好的去污的性质而决议，运用的清洗剂要具有良好的去污才干，同时又不能损害膜的过滤性能。才干，同时又不能损害膜的过滤性能。假设用清水清洗就恢复膜的透过性能，那么假设用清水清洗就恢复膜的透过性能，那么不需运用其他清洗剂。对于蛋白质的严重吸不需运用其他清洗剂。对于蛋白质的严重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶附所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白酶、如胃蛋白酶、胰蛋白酶等胰蛋白酶等)溶液清洗，效果较好

29、。溶液清洗，效果较好。l 清洗操作是膜分别过程不可短少的步骤，但清洗操作是呵斥膜分别过程本钱增高的重要缘由。因此，在采用有效的清洗操作的同时，得采取必要的措施防止或减轻膜污染。例如，选用高亲水性膜或对膜进展适当的预处置(如聚砜膜用乙醇溶液浸泡)，均可缓解污染程度。l此外，对料液进展适当的预处置(如进展预过滤、调理pH值)，也可相当程度地减轻污染的发生。 如何防止膜污染以及开发高效节能的污染去除如何防止膜污染以及开发高效节能的污染去除技术是进一步普及膜分别技术的关键之一。研讨阐技术是进一步普及膜分别技术的关键之一。研讨阐明，膜分别过程存在临界操作压力，在临界压力以明，膜分别过程存在临界操作压力，

30、在临界压力以下进展膜分别操作，可长时间维持较高的透过通量。下进展膜分别操作，可长时间维持较高的透过通量。降低对清洗操作的依赖程度，提高膜分别效率。降低对清洗操作的依赖程度，提高膜分别效率。膜分别技术运用中需留意的几个问题膜分别技术运用中需留意的几个问题 膜资料的选择膜资料的选择 膜孔径或截留分子量的选择膜孔径或截留分子量的选择 膜构造选择膜构造选择 组件构造选择组件构造选择 溶液溶液 pH pH 控制控制 溶液温度影响溶液温度影响溶质浓度，料液流速与压力的控制溶质浓度，料液流速与压力的控制膜过滤运用常识及本卷须知膜过滤运用常识及本卷须知典型的膜分别技术运用领域：典型的膜分别技术运用领域： 典型

31、的膜分别技术有微孔过滤典型的膜分别技术有微孔过滤(MF)、超滤、超滤(UF)、反浸透、反浸透(RO)、纳滤、纳滤(NF)、渗析、渗析(D)、电渗析电渗析(ED)、液膜、液膜(LM)及浸透蒸发及浸透蒸发( PV)等。等。NF 纳滤4.1 超滤技术超滤技术1. 超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于超滤技术始于 1861 年，其过滤粒径介于微滤和年，其过滤粒径介于微滤和反浸透之间，约反浸透之间，约510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的静压的静压差推进下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质差推进下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于、酶等相对分子质量大于50

32、0的大分子及胶体，构成的大分子及胶体，构成浓缩液，到达溶液的净化、分别及浓缩目的。浓缩液，到达溶液的净化、分别及浓缩目的。 超滤技术的中心部件是超滤膜，分别截留的原理超滤技术的中心部件是超滤膜，分别截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一同透过膜上的微为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一同透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒那么被截留。膜上微孔的尺孔，而大于孔径的微粒那么被截留。膜上微孔的尺寸寸和外形决议膜的分别效率。和外形决议膜的分别效率。 超滤膜均为不对称膜，方式有平板式、卷式、超滤膜均为不对称膜，方式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。管式和中空纤维状等。 超滤膜的构造普通由三层构造组成。超滤膜的

33、构造普通由三层构造组成。 即最上层的外表活性层，致密而光滑，厚度为即最上层的外表活性层，致密而光滑，厚度为0.11.5m，其中细孔孔径普通小于，其中细孔孔径普通小于10nm； 中间的过渡层，具有大于中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度普的细孔，厚度普通为通为110m； 最下面的支撑层，厚度为最下面的支撑层，厚度为50250m，具有，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的机械强度。 膜的分别性能主要取决于外表活性层和过度层。膜的分别性能主要取决于外表活性层和过度层。 中空纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为0.

34、52m。特点是。特点是直径小，强度高，不需求支撑构造，管内外能接受直径小，强度高，不需求支撑构造，管内外能接受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内外表积很大，能有效提高浸透通量。的内外表积很大，能有效提高浸透通量。 制备超滤膜的资料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制备超滤膜的资料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的任务条件取决于膜的腈和醋酸纤维素等。超滤膜的任务条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 38，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素超滤膜适用于pH = 29，芳香聚酰胺超滤

35、，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH = 59，温度，温度040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的运用温度那么可超越膜的运用温度那么可超越100。超滤膜截留分子量确实定中空纤维超滤膜构造单单 内内 皮皮 层层双双 皮皮 层层4.2 反浸透技术反浸透技术1. 反浸透原理及反浸透膜的特点反浸透原理及反浸透膜的特点 浸透是自然界一种常见的景象。人类很早以前浸透是自然界一种常见的景象。人类很早以前就曾经自觉或不自觉地运用浸透或反浸透分别物就曾经自觉或不自觉地运用浸透或反浸透分别物质。目前，反浸透技术曾经开展成为一种普遍运用质。目前，反浸透技术曾经开展成为一种普遍运用的现代分别技术。在海水和苦咸水的脱盐淡

36、化、超的现代分别技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处置等方面，反浸透技术有其他方纯水制备、废水处置等方面，反浸透技术有其他方法不可比较的优势。法不可比较的优势。假设用一张只能透过水而不能透过溶质的半透假设用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜浸透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁半透膜浸透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一景象称浸透图移，这一景象称浸透图a。这一过程的推进力是。这一过程的推进力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学

37、位之差，表现为水的浸透压。位之差，表现为水的浸透压。 随着水的浸透，高浓度水溶液一侧的液面升高，随着水的浸透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至压力增大。当液面升高至H时，浸透到达平衡，两时，浸透到达平衡，两侧的压力差就称为浸透压图侧的压力差就称为浸透压图b。浸透过程到达。浸透过程到达平衡后，水不再有浸透，浸透通量为零。平衡后，水不再有浸透，浸透通量为零。 假设在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液假设在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于浸透压，那么高浓侧与低浓度水溶液侧的压差大于浸透压，那么高浓度度水溶液中的水将经过半透膜流向低浓度水溶液侧，水溶

38、液中的水将经过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反浸透图这一过程就称为反浸透图c。 反浸透技术所分别的物质的分子量普通小于反浸透技术所分别的物质的分子量普通小于500，操作压力为操作压力为 2100MPa。 用于实施反浸透操作的膜为反浸透膜。反浸透用于实施反浸透操作的膜为反浸透膜。反浸透膜大部分为不对称膜，孔径小于膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶，可截留溶质分子。质分子。 制备反浸透膜的资料主要有醋酸纤维素、制备反浸透膜的资料主要有醋酸纤维素、芳香芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。醚酮

39、、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反浸透膜的分别机理至今尚有许多争论，反浸透膜的分别机理至今尚有许多争论，主要有主要有氢键实际、选择吸附氢键实际、选择吸附毛细管流动实际、溶毛细管流动实际、溶解分散解分散实际等。实际等。 普通来说，分别溶液中分子量低于普通来说，分别溶液中分子量低于500的低分子的低分子物质，应该采用反浸透膜；分别溶液中分子量大于物质，应该采用反浸透膜；分别溶液中分子量大于500的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分别溶液中的直径分别溶液中的直径0.110m的粒子应该选微孔膜。的粒子应该选微孔膜。 表表3 3 反浸透、超滤和微孔过滤技术的

40、原反浸透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较理和操作特点比较分离技术类型分离技术类型反渗透反渗透超滤超滤微孔过滤微孔过滤膜的形式膜的形式表面致密的非对称膜、复合表面致密的非对称膜、复合膜等膜等非对称膜，表面有微孔非对称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纤维素、聚酰胺等纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、纤维素、PVCPVC等等操作压力操作压力 /MPa/MPa2 21001000.10.10.50.50.010.010.20.2分离的物质分离的物质分子量小于分子量小于500500的小分子物质的小分子物质分子量大于分子量大于500500的大分的大分子和细小胶体微粒子和

41、细小胶体微粒0.10.110m10m的粒的粒子子分离机理分离机理非简单筛分，膜的物化性能非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用对分离起主要作用筛分，膜的物化性能对筛分，膜的物化性能对分离起一定作用分离起一定作用筛分，膜的物理筛分，膜的物理结构对分离起决结构对分离起决定作用定作用水的渗透通量水的渗透通量 /(m/(m3 3.m.m-2-2.d.d-1-1) )0.10.12.52.50.50.55 520202002004.3 纳滤技术纳滤技术nanofiltration, NF1. 纳滤膜的特点纳滤膜的特点 纳滤膜是八十年代在反浸透复合膜根底上开发纳滤膜是八十年代在反浸透复合膜根底上开发出来

42、的，是超低压反浸透技术的延续和开展分支，出来的，是超低压反浸透技术的延续和开展分支，早期被称作低压反浸透膜或松散反浸透膜。目前，早期被称作低压反浸透膜或松散反浸透膜。目前，纳滤膜已从反浸透技术中分别出来，成为独立的分纳滤膜已从反浸透技术中分别出来，成为独立的分离技术。离技术。l纳滤膜的孔径为纳米级，介于反浸透膜纳滤膜的孔径为纳米级，介于反浸透膜(RO)(RO)和超和超滤膜滤膜(UF)(UF)之间，因此称为之间，因此称为“纳滤。纳滤。l纳滤膜的表层较纳滤膜的表层较RORO膜的表层要疏松得多，但较膜的表层要疏松得多，但较UFUF膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调理表膜的要致密得多。因此其制膜关

43、键是合理调理表层的疏松程度，以构成大量具纳米级的表层孔。层的疏松程度，以构成大量具纳米级的表层孔。 纳滤膜主要用于截留粒径在纳滤膜主要用于截留粒径在0.11nm，分子量，分子量为为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压过，具有较小的操作压0.51MPa。其被分别。其被分别物质的尺寸介于反浸透膜和超滤膜之间，但与上述物质的尺寸介于反浸透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。两种膜有所交叉。 纳滤恰好填补了超滤与反浸透之间的空白纳滤恰好填补了超滤与反浸透之间的空白, ,它能截它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物留透过超滤膜的

44、那部分小分子量的有机物, ,透析被反浸透析被反浸透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同的截留效果不同, ,对单价离子的截留率低对单价离子的截留率低(10%-80%),(10%-80%),对对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)(90%)以上。以上。MF蛋白质细菌MW 1umROUFFNFNF正好介于正好介于UFUF和和RORO之间，截留分子量大约在之间，截留分子量大约在300 - 1000300 - 1000。4.4 离子交换膜离子交换膜1.离子交换膜的分类离子交换膜的分类1按

45、可交换离子性质分类按可交换离子性质分类 与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。为阳离子、阴离子和阴阳离子。2按膜的构造和功能分类按膜的构造和功能分类 按膜的构造与功能可将离子交换膜分为普通离按膜的构造与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。 普通离子交换膜普通是均相膜，利用其对一价普通离

46、子交换膜普通是均相膜，利用其对一价离子的选择性浸透进展海水浓缩脱盐；双极离子交离子的选择性浸透进展海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由陈列整齐的阴、阳要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由陈列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进展盐的浓缩、离子微区组成，主要用于高压渗析进展盐的浓缩、有机物质的分别等。有机物质的分别等。2. 离子交换膜的任务原理离子交换膜的任务原理 电渗析电渗析 在盐的水溶液如氯化钠溶液中置入阴、阳在盐的水溶液如氯化钠溶液中置入阴、阳两个电极，并施加电场，那么溶液中的阳离子将移

47、两个电极，并施加电场，那么溶液中的阳离子将移向向阴极，阴离子那么移向阳极，这一过程称为电泳。阴极，阴离子那么移向阳极，这一过程称为电泳。如如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜阳离果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜阳离子交换膜或阴离子交换膜，那么阳离子或阴离子子交换膜或阴离子交换膜，那么阳离子或阴离子会会选择性地经过膜，这一过程就称为电渗析。选择性地经过膜，这一过程就称为电渗析。 电渗析的中心是离子交换膜。在直流电场的作电渗析的中心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推进力，利用离子交换膜的选择用下，以电位差为推进力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分别出来，实现溶液

48、的透过性，把电解质从溶液中分别出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可经过电渗析实现盐的电淡化、浓缩及钝化；也可经过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。解，制备氯气和氢氧化钠等。 +阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜v电渗析过程原理图电渗析过程原理图实践运用的实践运用的电渗析器电渗析器4.5 浸透蒸发技术浸透蒸发技术1. 浸透蒸发技术和浸透蒸发膜的特点浸透蒸发技术和浸透蒸发膜的特点 浸透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分别浸透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分别技术。浸透蒸发

49、是指液体混合物在膜两侧组分的蒸技术。浸透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推进力下，透过膜并部分蒸发，从而达气分压差的推进力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分别目的的一种膜分别方法。可用于传统分别手到分别目的的一种膜分别方法。可用于传统分别手段较难处置的恒沸物及近沸点物系的分别。具有一段较难处置的恒沸物及近沸点物系的分别。具有一次分别度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。次分别度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。 浸透蒸发的本质是利用高分子膜的选择性浸透蒸发的本质是利用高分子膜的选择性透过透过来分别液体混合物。其原理如图来分别液体混合物。其原理如图6所示。由高分所示。由高分子膜将安装

50、分为两个室，上侧为存放待分别混子膜将安装分为两个室，上侧为存放待分别混合物合物的液相室，下侧是与真空系统相衔接或用惰性的液相室，下侧是与真空系统相衔接或用惰性气体气体吹扫的气相室。混合物经过高分子膜的选择浸吹扫的气相室。混合物经过高分子膜的选择浸透，透，其中某一组分浸透到膜的另一侧。由于在气相其中某一组分浸透到膜的另一侧。由于在气相室中室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因此在该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因此在膜表膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，经过液氮将面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，经过液氮将蒸气蒸气冷凝下来即得浸透产物。浸透蒸发过程的推进冷凝下来即得浸透产物。浸透蒸发过程的推进力

51、是力是膜内浸透组分的浓度梯度。膜内浸透组分的浓度梯度。图图6a 浸透蒸发分别表示图浸透蒸发分别表示图(真空气化真空气化)液相室气相室膜真空泵冷凝液冷凝器图图6b 浸透蒸发分别表示图浸透蒸发分别表示图(惰性气体吹扫惰性气体吹扫)液相室气相室膜冷凝液冷凝器惰性气体惰性气体净化利用 如以透水为目的的浸透蒸发膜，应该有良好的如以透水为目的的浸透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇亲水性，因此聚乙烯醇PVA和醋酸纤维素和醋酸纤维素CA都是较好的膜资料；而当以透过醇类物质为目的时，都是较好的膜资料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷憎水性的聚二甲基硅氧烷PDMS那么是较理想那么是较理想

52、的膜资料。的膜资料。4.7 气体分别膜气体分别膜1. 气体分别膜的分别机理气体分别膜的分别机理 气体分别膜有两种类型：非多孔均质膜和多气体分别膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分别机理各不一样。孔膜。它们的分别机理各不一样。1非多孔均质膜的溶解分散机理非多孔均质膜的溶解分散机理 该实际以为，气体选择性透过非多孔均质膜分该实际以为，气体选择性透过非多孔均质膜分四步进展：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解四步进展：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进展活性分散，分子在膜的另的分子由于浓度梯度进展活性分散，分子在膜的另一侧逸出。一侧逸出。2多孔膜的透过分散机理多孔膜的透过分散机理 用多孔膜分别混合气体，是借助于各种气体流用多孔膜分别混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进展的。过膜中细孔时产生的速度差来进展的。2. 制备气体分别膜的资料制备气体分别膜的资料1影响气体分别膜性能的要素影响气体分别膜性能的要素 1化学构造的影响化学构造的影响 2形状构造的影响形状构造的影响 富氧膜、分别富氧膜、分别N2，CO2，SO2，H2S等等气气体的膜，都已有工业化的运用。例如从天然体的膜，都已有工业化的运用。例如从天然气中分气中分离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分别别N2