第6-1章膜分离技术

1、分离工程第一章 绪论第二章 单级平衡过程第三章 多组分多级分离过程分析与简捷计算第四章 特殊精馏与分离过程控制方案第五章 分离过程的选择与节能第六章 膜分离技术与吸附分离第6章 其他分离技术6.16.1膜分离技术膜分离技术6.26.2吸附分离吸附分离 6.1膜分离技术6.1.16.1.1膜基本知识膜基本知识6.1.26.1.2微滤和超滤微滤和超滤6.1.36.1.3反渗透和纳滤反渗透和纳滤6.1.46.1.4渗透汽化和气体分离渗透汽化和气体分离一、膜分离发展史q 分类精灵：1861年，Maxwell分类精灵 能够区分每一个分子 并且不消耗任何能量A BA Bq 膜分离推动力C，P，T，E膜 不

2、能实现完全的分离 要消耗能量：W Gm=Hm-TSm观察现象观察现象渗透：渗透：Nollet,1748年年电渗析：电渗析：Reuss,1803年，年，Porret 1816年年渗析：渗析：Graham 1861年年关联式关联式扩散：扩散：Fick, 1855年年渗透压：渗透压：Vant Hoff, 1887年年电解质传递：电解质传递：Nernst-Planck 1889年年理论探索理论探索渗透压：渗透压：Einstein 1905年年膜电位：膜电位：Henderson, 1911年年膜平衡：膜平衡：Donnan,1911年年反渗透：反渗透：Sollner, 1930年年不可逆热力学：不可逆热力

3、学：Kedem,Katchalsky,1964年年传递模型传递模型离子膜：离子膜：Teorell,1937年；年；Mayer,Sievers，1936年年孔模型：孔模型：Schmid 1950年年;Meares,1956年年溶解扩散模型：溶解扩散模型：Lonsdale,1965年年膜过程膜过程国家国家年代年代应用应用规模规模微滤微滤德国德国1920实验室用（细菌过滤实验室用（细菌过滤器器小规模小规模超滤超滤德国德国1930实验室用实验室用小规模小规模血液渗析血液渗析荷兰荷兰1950人工肾人工肾小规模小规模电渗析电渗析美国美国1955脱盐脱盐工业规模工业规模反渗透反渗透美国美国1960海水脱盐海

4、水脱盐工业规模工业规模超滤超滤美国美国1960大分子物质浓缩大分子物质浓缩工业规模工业规模气体分离气体分离美国美国1979氢回收氢回收工业规模工业规模膜蒸馏膜蒸馏德国德国1981水溶液浓缩水溶液浓缩小规模小规模渗透蒸发渗透蒸发德国德国/荷荷兰兰1982有机溶液脱水有机溶液脱水工业规模工业规模二、膜分离特点1. 优点2. 缺点 可实现连续分离 能耗通常较低 可在温和条件下实现分离 易于放大 膜的性能可以调节 不需要填充物 易与其它分离过程结合 浓差极化和污染较严重 膜寿命有限 选择性较低 放大因子基本是线性的三、膜的定义及分类定定 义：义：液 态 膜复 合 膜相 转 换 膜不 对 称 膜无 孔

5、膜荷 电 的 /未 荷 电 的对 称 膜不 对 称 膜多 孔 膜有 机 膜无 孔 膜无 机 膜固 态 膜合 成 膜生 物 膜膜来 源材 料形态/结构制 造分分 类：类：膜是两相之间的选择性屏障对称膜多孔膜均质膜10200m柱状孔不规则孔不对称膜相转膜相转膜复合膜多孔层50150m称不对称多孔膜带致密皮层的带致密皮层的不对称膜不对称膜致密皮层多孔膜皮层0.10.5m不对称膜不对称膜P10图6-1不对称聚砜超滤膜断面复合膜图6- 2 反渗透复合膜(PEC1000,Toray)的构造四、膜性能1.分离透过性 a. 透过通量 单位时间通过单位膜面积的物理量。 b. 分离效率 用截留率表示： （R） 截

6、留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。 %100)1 (%100FPFPFCCCCCR原料浓度透过物浓度原料浓度c. 分离系数： （ ）AAAAx1y1xyAA 原原料料中中其其它它组组分分浓浓度度透透过过物物其其它它组组分分浓浓度度浓浓度度原原料料浓浓度度透透过过物物 d. 通量衰减系数通量衰减系数 膜渗透通量随时间减少膜渗透通量随时间减少率率减减系系数数（小小数数）时时的的渗渗透透通通量量时时间间使使用用时时间间mhmkgJJJm 20/2. 物化稳定性 强度、耐温、耐压性等五、分离设备（1）板框式膜具（2）卷式膜具 由四层组成膜膜盐水盐水中心管中心管多孔支多孔支撑材料撑材料

7、进料液进料液隔网隔网淡化水流淡化水流图图6-3卷式膜结构示意图卷式膜结构示意图（3）管式膜具纤维束管纤维束管中心分布管中心分布管透过液透过液浓缩液浓缩液料液料液图图6-4 管式膜结构示意图管式膜结构示意图六、膜过程种类推动力C，P，T，E相1 膜 相2原料渗透物表6-3 膜过程及相应的推动力膜过程相1相2推动力微滤微滤LL P超滤超滤LL P纳滤纳滤LL P反渗透反渗透LL P加压透析加压透析LL P气体分离气体分离GG P蒸汽渗透蒸汽渗透GG P渗透汽化渗透汽化LG P电渗析电渗析LL E膜电解膜电解LL E透析透析LL C扩散透析扩散透析LL C膜接触器膜接触器LL CGL C / PLG

8、 C / P热渗透热渗透LL T / P膜蒸馏膜蒸馏LL T / P表 6-4 不同压力推动的膜过程的通量和压力范围膜过程膜过程膜结构膜结构压力范围压力范围bar通量范围通量范围Lm-2h-1bar-1微滤微滤微孔膜微孔膜 0.1 m0.12.050超滤超滤微孔膜微孔膜 0.001 m 0.1 m1.05.01020纳滤纳滤带皮层的不对称膜带皮层的不对称膜 0.002 m5.0201.412反渗透反渗透带皮层的不对称膜带皮层的不对称膜 0.002 m101000.051.4图图6-5 不同膜过程的应用范围不同膜过程的应用范围6.1.2一、微滤、超滤为的发展历史一、微滤、超滤为的发展历史 191

9、8年年 德国开始研究德国开始研究 1921年年 硝酸纤维素微孔膜制造方法获专利硝酸纤维素微孔膜制造方法获专利 1925年年 第一个滤膜公司第一个滤膜公司Sartorius GmbH成立成立 1960s 超滤走出实验室应用进入工业应用超滤走出实验室应用进入工业应用 现在现在 成为应用领域最广，经济价值最大成为应用领域最广，经济价值最大的膜过程。的膜过程。 二、基本原理 压力驱动的筛孔分离过程压力驱动的筛孔分离过程图6-7 超滤和微滤工作原理示意图 HagenPoiseuille方程xPrJ82J ：通量m3/s; P：压力Pa; x：膜厚m; r：孔半径m; ：液体粘度Pas;：膜表面的孔隙率；

10、：弯曲因子 存在浓差极化和凝胶化现象 图6-8 边界层中的传质及浓差极化浓差极化的后果：浓差极化的后果： 溶质为小分子物质时，降低截留率； 溶质为大分子混合物时，提高截留率 通量降低对一些大分子溶质，出现凝胶层图6-9 浓差极化和凝胶形成四、超滤膜和微滤膜1. 超滤膜和微滤膜的比较超滤膜和微滤膜的比较表6-5 超滤膜和微滤膜结构的比较膜特性膜特性结构结构孔隙率孔隙率()孔径孔径（nm)孔密度孔密度cm-2超滤超滤不对称，不对称，有皮层有皮层6011001011微滤微滤对称，无对称，无皮层皮层70100104109过程特征过程特征截留分子量截留分子量操作压力（操作压力（Mpa)超滤超滤10310

11、40.30.7微滤微滤很高很高(一般不用一般不用)0.2表6-6 超滤和微滤膜过程的比较五、超滤膜和微滤膜的制备五、超滤膜和微滤膜的制备制备方法 烧结 拉伸 径迹刻蚀 相转换有机膜无机膜 烧结 溶胶凝胶材料PTFE、PVDF、PPPC、纤维素酯类PS、PESPI聚醚醚酮有机膜无机膜氧化铝氧化锆氧化钛炭化硅图6-10 聚合物微滤膜 图6-11 陶瓷微滤膜阳极氧化法烧结法制备方法 相转换有机膜无机膜 溶胶凝胶材料PVDF纤维素酯类PS、PESPI聚醚醚酮聚丙烯腈聚脂肪酰胺有机膜无机膜氧化铝氧化锆图6-12 聚砜超滤膜断面图6-13 多层氧化铝膜表6-7 国内主要超滤膜和组件表6-8 国外主要超滤膜

12、和组件表6-9 国内主要微滤膜和组件表6-10 国外主要微滤膜和组件六、微滤和超滤的操作模型表6-11 超滤操作模型图6-14 微滤操作模型七、微滤和超滤的应用 技术特点：死端过滤 膜及组件：管式膜、百褶式； 膜价格：10/ft2 成熟程度：工业化 主要问题：使用寿命。气体除菌几个月，液体 除菌几小时 （1）过滤除菌 技术特点：替代硅藻土过滤 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工业化 主要问题：粘度高 2. 明胶的澄清 技术特点：玉米加工厂替代硅藻土过滤 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工业化 主要问题：粘度高 3. 葡萄糖的澄清 技术特点：法国已经用于苹果汁的澄清，效果与超滤相同

13、成熟程度：工业化 4. 果汁的澄清 技术特点：澄清效果好 膜及组件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：已推广应用 主要问题：高膜污染、酒的得率和风味 5. 白酒的澄清 技术特点：死端过滤 成熟程度：已得到广泛应用，是微滤的第二大市场 6. 纯净水制备 方 向：燃料油中脱蜡和沥青质；催化剂回收适用膜：无机膜 成熟程度：研究中 主要问题：膜寿命、经济性7. 石油化工中的应用 用 途：回收涂料 技术特点：膜面积150m2, 渗透率3m3/h 膜及组件：管式膜 成熟程度：工业化,广泛应用于电泳漆自动化涂漆流水线 1. 电泳漆废水处理 用 途：金属加工、罐头听生产等工业含油废 水的处理成熟程度：普遍应用。问

14、题：,其他领域的含油废水处理过程有待开拓。经济性是主要障碍，膜需要更便宜2. 含油废水的处理 应用特点：纺织工业上浆材料PVA的回收和重复利用。 膜及组件：膜要耐高温，多采用无机膜。大型厂超滤设备面积达10000平方米，回收量每小时60立方。 成熟程度：广泛应用 3. 上浆液的回收 4. 家庭污水处理在发达国家旅馆、办公楼、住宅楼已被采用。新建的500户以上的大住宅楼有可能实现小规模的水循环。即用超滤处理过的生活污水冲洗厕所等，可减少40的家庭用水。5. 饮用水的生产在矿泉水生产和家庭用净水器方面得到广泛应用。6. 高纯水生产已广泛应用于电子工业集成电路生产过程中，主要采用中空纤维组件，膜渗透

15、率大，能耗低，也可用作医药工业用水的制备。 7. 回收乳清中的蛋白质乳清超滤是乳品工业中应用最大的一个领域。1994年，所用膜面积达到10万平方米，之后每年以20的速度递增。大的超滤组件膜面积1800m2,日处理乳清1000m3。 1. 微滤在精制阿司匹林精氨酸制剂中的应用 目 的：提高制剂的澄明度 工艺过程：原料109型陶土滤芯0.8m PSA微孔滤膜滤液结晶分离分离洗涤干燥产品批号批号浓度（）浓度（）过滤介质过滤介质澄明度澄明度82120118.2陶土砂芯陶土砂芯不合格不合格82120218.2陶土滤芯陶土滤芯不合格不合格82120318.2陶土滤芯陶土滤芯G3滤球滤球不合格不合格8301

16、0118.2陶土滤芯陶土滤芯+G3+G4滤球滤球不合格不合格83040218.2陶土滤芯陶土滤芯G3+G4滤球滤球不合格不合格83050218.2陶土滤芯陶土滤芯PSA滤膜滤膜合格合格83050318.2陶土滤芯陶土滤芯PSA滤膜滤膜合格合格83050418.2陶土滤芯陶土滤芯PSA滤膜滤膜合格合格83050518.2陶土滤芯陶土滤芯PSA滤膜滤膜合格合格83050618.2陶土滤芯陶土滤芯PSA滤膜滤膜合格合格 2. 金属电泳涂漆过程废液的处理 目 的：减少废液排放量，回收涂料 工艺过程：荷电超滤膜，管式组件，使用寿命2年上海汽车制造厂SH130货车驾驶室电泳涂漆生产线使用前每天排放含漆1污水20吨，现排放超滤渗透液50L(0.1%固含量)漆料全部回收，每台车回收3kg漆液质量得到提高，保证了产品质量 3. 含油废水的回收 目 的：降低污染、回收油 工艺过程：半间隙式超滤过程4. 胶束强化超滤（MEUF）用于含重金属废水的处理MEUF除高价离子Scammehorn J.F. 用SDS加入废水中，分离C