第9章膜化学分离工程

1、19 9 膜分离膜分离Chapter9 Barrier separation 分离工程分离工程Separation Engineering 29.1 膜分离概述膜分离概述 一、膜分离是一、膜分离是以天然或合成的薄膜以天然或合成的薄膜为为质量分离剂质量分离剂，以，以压力梯度、浓度梯度、电位梯度、温度梯度等为推压力梯度、浓度梯度、电位梯度、温度梯度等为推动力动力，根据液体或气体混合物中，根据液体或气体混合物中不同组分通过膜的不同组分通过膜的渗透率的差异渗透率的差异实现组分的分离、分级、提纯或富集实现组分的分离、分级、提纯或富集的过程。的过程。膜分离过程示意图膜分离过程示意图3二、人类对膜的认识和研

2、究应用情况二、人类对膜的认识和研究应用情况 1784年年法国法国Nelkt发现膜分离现象；发现膜分离现象；19世纪世纪人类发现天人类发现天然橡胶对不同气体有不同的透过率，由此提出用多孔膜分然橡胶对不同气体有不同的透过率，由此提出用多孔膜分离混合气体、细菌、蛋白和极细粒子的超过滤概念离混合气体、细菌、蛋白和极细粒子的超过滤概念; 1864年年Traube成功研制出成功研制出人类历史上的第一片人造膜人类历史上的第一片人造膜(亚铁氰亚铁氰化铜化铜)；20世纪世纪30年代开始年代开始系统研究膜分离技术；系统研究膜分离技术；40年代年代出现基于渗析原理的人工肾；出现基于渗析原理的人工肾；50年代开始年代

3、开始研究反渗透；研究反渗透；60年代膜分离技术年代膜分离技术的研究有了突破的进展（的研究有了突破的进展（醋酸纤维膜的醋酸纤维膜的成功研制成功研制）。）。近年来近年来，膜分离技术，膜分离技术，在海水淡化、环保、在海水淡化、环保、石油化工、生物医药、轻工食品石油化工、生物医药、轻工食品等各领域得到发展。等各领域得到发展。 9.1 膜分离概述膜分离概述 4三、膜分离技术的主要特征三、膜分离技术的主要特征不发生相变，能耗低；不发生相变，能耗低；常温操作，适用于热敏感物质的分离；常温操作，适用于热敏感物质的分离；适合于特殊溶液适合于特殊溶液-大分子、无机盐、蛋白质溶液等大分子、无机盐、蛋白质溶液等膜分离

4、装置简单、易控制、分离效果好。膜分离装置简单、易控制、分离效果好。四、分离用膜四、分离用膜、膜应具备的特征：、膜应具备的特征： 膜膜不管薄到什么程度，至不管薄到什么程度，至少少必须具有两个界面，必须具有两个界面，分别与被膜分开的两侧的流体分别与被膜分开的两侧的流体物质相互接触。物质相互接触。膜应具有良好的选择透过性。膜应具有良好的选择透过性。 9.1 膜分离概述膜分离概述 52 2、膜的分类和结构形态、膜的分类和结构形态9.1 膜分离概述膜分离概述 形状：形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜平板膜、管式膜、中空纤维膜制备方法：制备方法：相转化膜、烧结膜、拉伸膜、溶出膜相转化膜、烧结膜、拉伸膜、溶出

5、膜图示图示6膜两侧截面的结构和形态相同，且膜两侧截面的结构和形态相同，且孔径和孔径分布基本一致。疏松的孔径和孔径分布基本一致。疏松的微孔膜和致密均相膜，膜厚度大约微孔膜和致密均相膜，膜厚度大约在在10200m10200m。因膜厚、渗透量低，因膜厚、渗透量低，工业应用少。工业应用少。膜两侧截面的结构和形态不相同，膜两侧截面的结构和形态不相同，致密层厚度为致密层厚度为0.10.5m 0.10.5m ，支撑，支撑层厚度大约在层厚度大约在50150m50150m。因膜薄，因膜薄，渗透量较高。渗透量较高。在膜分离过程中，渗透通量一般与膜厚成反比。在膜分离过程中，渗透通量一般与膜厚成反比。结构类似非对称膜

6、，但选用材料结构类似非对称膜，但选用材料不同，表层可多层复合。不同，表层可多层复合。73 3、膜的材料、膜的材料膜材料膜材料具有良好的成膜性能、物化稳定性、耐酸、具有良好的成膜性能、物化稳定性、耐酸、碱、微生物的侵蚀和耐氧化。碱、微生物的侵蚀和耐氧化。反渗透、纳滤、超滤、微滤反渗透、纳滤、超滤、微滤用膜最好为亲水性，用膜最好为亲水性，以得到高通水量和抗污染能力；以得到高通水量和抗污染能力；气体分离，尤其是气体分离，尤其是渗透蒸发渗透蒸发，要求膜材料对透过，要求膜材料对透过组分优先吸附和优先扩散；组分优先吸附和优先扩散；电渗析用膜电渗析用膜则特别要求耐酸、耐碱和热稳定性。则特别要求耐酸、耐碱和热

7、稳定性。 P390P390表表9-19-1常用高分子材料膜。常用高分子材料膜。9.1 膜分离概述膜分离概述 84 4、膜性能的表示方法、膜性能的表示方法(1)(1)分离透过性：分离透过性：分离效率、分离系数、渗透通量分离效率、分离系数、渗透通量 和通量衰减系数和通量衰减系数9.1 膜分离概述膜分离概述 分离效率：分离效率：表示膜对溶质的截留能力，以脱盐率或表示膜对溶质的截留能力，以脱盐率或 截留率截留率R R表示。表示。 99.1 膜分离概述膜分离概述 (2) (2) 物化稳定性：物化稳定性：膜的强度、耐压力、耐温度、膜的强度、耐压力、耐温度、 耐酸度、化学稳定性。耐酸度、化学稳定性。通量衰减

8、系数：通量衰减系数：由于过程的浓差极化、膜的压密由于过程的浓差极化、膜的压密 及膜孔堵塞等原因，及膜孔堵塞等原因，膜的渗透通量随时间衰减。膜的渗透通量随时间衰减。 J=J0m m为衰减系数；为衰减系数；为使用时间；为使用时间； J为时间为时间的渗透通的渗透通量；量； J0为初始时间的渗透通量。为初始时间的渗透通量。渗透通量：渗透通量：单位时间内通过单位膜面积的透过物量单位时间内通过单位膜面积的透过物量 分离系数：分离系数： 109.1 膜分离概述膜分离概述 l板框式膜具板框式膜具5 5、工业上常用的膜分离设备、工业上常用的膜分离设备11l卷式膜具卷式膜具9.1 膜分离概述膜分离概述 12l管式

9、膜具管式膜具9.1 膜分离概述膜分离概述 13l中空纤维膜具中空纤维膜具9.1 膜分离概述膜分离概述 149.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透微虑、超虑、纳虑和反渗透 以以压力为推动力压力为推动力将膜将膜分离过程分为分离过程分为微滤、超滤、微滤、超滤、纳滤和反渗透纳滤和反渗透，四者组成，四者组成了一个了一个可分离固态微粒到可分离固态微粒到离子的四级分离过程离子的四级分离过程。 分离原理：分离原理：在膜两侧施加在膜两侧施加压力，使部分溶剂及小于压力，使部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离截留下来，从而达到分离的目

10、的。的目的。151、微滤、微滤(Microfiltration)：基本原理属于基本原理属于筛网过滤筛网过滤。以静以静压为推动力压为推动力，使小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的，使小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子被截留到膜面上，使得大小不同的组分得以分离。粒子被截留到膜面上，使得大小不同的组分得以分离。截留粒径大于截留粒径大于0.05m的组分，操作压力一般为的组分，操作压力一般为 P=0.050.2Mpa； 主要用于制药行业除菌、电子工业用高纯水的制备、主要用于制药行业除菌、电子工业用高纯水的制备、生物技术和生物医学。生物技术和生物医学。2、超滤、超滤(Ultrafiltration)：主

11、要依靠主要依靠膜的物理筛分作用膜的物理筛分作用除除去污染物。去污染物。以静压为推动力以静压为推动力的的膜过滤膜过滤过程。截流大分子过程。截流大分子或粒径不大于或粒径不大于0.2m微粒；操作压力一般为微粒；操作压力一般为 P=0.91.0Mpa；主要用于牛奶中蛋白与乳糖、水的分离、聚乙烯醇主要用于牛奶中蛋白与乳糖、水的分离、聚乙烯醇废水的处理、分离浓缩酶、核酸等特殊蛋白等生物活性废水的处理、分离浓缩酶、核酸等特殊蛋白等生物活性物质物质。9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透微虑、超虑、纳虑和反渗透 163、纳滤、纳滤(Nano-filtration)：可除去可除去1nm即即0.001m的的颗粒，因为颗

12、粒，因为截流分子在纳米范围，故称为纳滤截流分子在纳米范围，故称为纳滤。操。操作压力一般为作压力一般为 P=0. 53.0Mpa；主要用于制造生化产品、污水处理、饮用水制主要用于制造生化产品、污水处理、饮用水制备和回收物料等领域。备和回收物料等领域。4、反渗透、反渗透(Reverse osmosis)：在浓溶液的一边加在浓溶液的一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转渗透方向，把溶上比自然渗透压更高的压力，扭转渗透方向，把溶液中的溶剂（水）压到半渗透膜的另一边的稀溶液液中的溶剂（水）压到半渗透膜的另一边的稀溶液中的过程。中的过程。9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透微虑、超虑、纳虑和反渗透 17 a a

13、、反渗透的原理、反渗透的原理 渗透是由于渗透是由于化学位梯度的存在化学位梯度的存在而引起的自发扩散而引起的自发扩散现象。现象。 在一定的温度压力下，纯水的化学位大于溶液中在一定的温度压力下，纯水的化学位大于溶液中水的化学位，因此引起纯水向溶液方向渗透，并不断水的化学位，因此引起纯水向溶液方向渗透，并不断增加溶液侧的压力。当溶液中水的化学位与纯水的化增加溶液侧的压力。当溶液中水的化学位与纯水的化学位相等时渗透达到平衡，此时，两侧的学位相等时渗透达到平衡，此时，两侧的压力差压力差称为称为渗透压渗透压。 9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透微虑、超虑、纳虑和反渗透 18b b、反渗透过程必须的两个条件：

14、、反渗透过程必须的两个条件： 一是必须具有一是必须具有高选择性和高渗透性高选择性和高渗透性（一般指透水（一般指透水 性）性）的半渗透膜；的半渗透膜； 二是二是操作压力必须高于溶液的渗透压。操作压力必须高于溶液的渗透压。c c、反渗透技术的主要应用、反渗透技术的主要应用 咸水脱盐和海水淡化、超纯水去除重金属离子咸水脱盐和海水淡化、超纯水去除重金属离子（电镀废液中）、牛奶的浓缩等。（电镀废液中）、牛奶的浓缩等。9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透微虑、超虑、纳虑和反渗透 199.3 气膜分离气膜分离20一、膜技术的应用一、膜技术的应用1 1、水处理中的应用、水处理中的应用 膜分离是膜分离是饮用水净化和

15、纯化的最佳手段饮用水净化和纯化的最佳手段。使用膜分。使用膜分离可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属和有机离可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属和有机物。物。 城市废水的处理。城市废水的处理。使用膜生物反应器进行城市污水使用膜生物反应器进行城市污水处理，可以生产出不同用途的再生水（工业冷却水、处理，可以生产出不同用途的再生水（工业冷却水、绿化用水和城市杂用水），是解决水资源匮乏的重绿化用水和城市杂用水），是解决水资源匮乏的重要方法。要方法。 工业废水工业废水的处理。工业废水处理既回收了资源又保的处理。工业废水处理既回收了资源又保护了环境。护了环境。 膜技术的应用和展望膜技术的应用和展望 212

16、2、在食品工业中的应用、在食品工业中的应用 1919世纪世纪6060年代末已用于乳品加工和啤酒无菌过滤；年代末已用于乳品加工和啤酒无菌过滤； 果汁饮料加工；果汁饮料加工； 用超滤技术对白酒除浊增香、对啤酒除菌保鲜、对用超滤技术对白酒除浊增香、对啤酒除菌保鲜、对果酒、黄酒、葡萄酒、保健酒的精制；果酒、黄酒、葡萄酒、保健酒的精制； 各种动、植物蛋白的加工；各种动、植物蛋白的加工； 酶制剂的浓缩和精制；酶制剂的浓缩和精制； 用超滤和反渗透技术提纯和精制速溶茶。用超滤和反渗透技术提纯和精制速溶茶。 膜技术的应用和展望膜技术的应用和展望 223 3、在医疗领域中的应用、在医疗领域中的应用 以膜技术为核心的以膜技术为核心的人工肾、人工肺人工肾、人工肺； 以膜技术为核心的血液透析和腹水透析的以膜技术为核心的血液透析和腹水透析的透析器透析器 带有膜过滤器的带有膜过滤器的注射器注射器； 用膜分离技术进行用膜分离技术