膜技术及其应用分离膜和膜分离过程

1、第一章 分离膜和膜分离过程膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第1页本章主要内容 分离膜和膜分离 分离膜种类 分离膜制备 膜分离特征膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第2页第一节 分离膜和膜分离分离膜广义上指分隔两相界面，并以特定形式限制和传递各种化学物质，有选择性膜。 膜分离是指借助膜选择渗透作用，对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集方法。一、定义膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第3页二、膜分离技术与传统分离技术区分机械分离过程 颗粒大小不一样，如筛分和过滤；重力和离心分离 物体密度不一样，如重力沉降、旋风分离等；平衡分离过程 体系处于平衡状态时不一样相态（气液、气固、液固）中浓度不一样

2、，如蒸馏、萃取、结晶、吸附、吸收等速率控制分离过程 物质分子在外力作用下迁移速率不一样， 如膜分离和电泳；膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第4页各种分离法及适用范围膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第5页 膜中分布微细孔穴，不一样孔穴选择性渗透 膜中存在电荷，吸附、排斥产生选择性渗透 被分离物在膜中溶解、扩散作用产生选择渗透性 膜材料能够选择渗透原因膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第6页三、膜分离过程特点多数无相变，对能量要求低；分离条件较温和，适合于热敏性物质分离；操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第7页 膜在分离过程中含有以下功效物质识别与透过 使混

3、合物中各组分之间实现分离内在原因界面 膜将透过液和保留液(料液)分为互不混合两相反应场 膜从表面到孔内表面含有与特定溶质含有相互作用能力官能团，经过物理作用、化学反应或生化反应提升膜分离选择性和分离速度膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第8页推进力膜过程压力差反渗透、超滤、微滤、纳滤、气体分离电位差电渗析、膜电解浓度差透析、膜传感器温度差膜蒸馏化学反应化学反应膜 四、膜分离过程分类膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第9页五、膜分离应用领域化学/染料工业 活性染料脱盐、纯化、浓缩与回收 食品染料脱盐、纯化、浓缩与回收 催化剂与贵金属回收利用 脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体分离、纯

4、化 甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料回收 汽车/仪表及其它工业涂漆浓缩回收膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第10页 食品/饮料工业 啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒澄去除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁澄去除菌过滤苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁脱水浓缩葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味浓缩保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液澄清与浓缩乳清、奶酶及其它乳品澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁/西红柿汁脱水浓缩 膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第11页 制药/生物工程抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液澄去除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发

5、酵液蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质纯化与浓缩中成药、保健品口服液澄去除菌过滤动物血浆、血清浓缩精制其它相关脱盐浓缩、澄去除菌、蛋白剔除、 细胞搜集等分离过程膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第12页 空气过滤 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等回收电池厂金属镉、氧化铅粉尘搜集 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙回收 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等回收 干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等回收 合成氨尾气中氢气回收利用其它一切相关粉尘搜集及空气除尘过程膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第13页水处理饮用纯水

6、制备医药工业中注射用水/洗瓶水及其它无菌水制备电子工业中超纯水制备火力发电厂锅炉补给水制备饮料与化装品工业中产品配方用水制备饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化废水循环与再生利用（零排放）染料、颜料、油漆、含油废水处理纸浆与造纸废水处理及木素磺酸盐回收金属、食品、皮革、农药和除草剂废水处理纺织印染废水处理及丝光废水回收利用膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第14页六、国内膜分离技术主要应用海水淡化污水再生净化水膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第15页第二节分离膜种类一、高分子膜高分子膜性能与高分子材料特征亲密相关高分子结构特征由以下原因决定相对分子量；高分子化学结构与空间排列（结构、主侧链等）不一样

7、大分子间相互作用（氢键、偶极距等）膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第16页 亲水性好，孔径范围较宽，较高通量，成本低，无毒； 操作温度窄（30），pH窄（3-6)，压实现象，易生物降解 包含天然纤维素、醋酸纤维素（二、三CA、CTA）、硝化（CN ）、乙基（EC）、混合（CN-CA）1、纤维素类膜膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第17页 聚砜类树脂含有良好化学、热学和水解稳定性，强度也很高； pH值适应范围为113，最高使用温度达120； 抗氧化性和抗氯性都十分优良； 孔径范围较宽，超滤、微滤； 疏水性，易被溶质污染2、聚砜类膜膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第18页3、聚酰胺类膜 反渗透复合

8、膜，多孔、力学强度和热稳定性良好、pH（3-11）；对氯离子抵抗能力差，易受蛋白质污染膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第19页4、聚烯烃类膜 PE、PP、PVC、PS、PAN、PMMA，国内最早开发膜材料5、其它类聚合物膜 聚偏氟乙烯膜、再生纤维素膜、芳香杂环类、离子型聚合物、共混和嵌段、接枝共聚物膜膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第20页二、无机膜陶瓷膜、玻璃膜、金属膜（含碳）和沸石膜等。 耐温，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物腐蚀，适用寿命长； 无弹性、脆、不适合用于热强碱体系膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第21页第三节分离膜制备 膜制备工艺有化学和物理方法或者二者结合。西村正人从高分

9、子材料选择和膜材料化学结构方面，总结出含有分离孔径膜10种化学方法和9种物理方法。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第22页10种化学方法膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第23页9种物理方法膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第24页一、均质对称膜制备 对称膜是指膜主体含有均一结构。1. 致密均质膜溶剂浇铸法 适于可溶性聚合物，将聚合物用溶剂溶解，然后用刮刀或压延辊将聚合物溶液刮在平整玻璃板或不锈钢板上，然后让溶剂挥发，对不一样聚合物找到适当溶剂是关键。挤压法 适于不溶于溶剂聚合物，将聚合物置于两加热板间，加热温度在聚合物软化点以上，在高压下保持一段时间，冷却即可。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第

10、25页2. 微孔均质膜 拉伸法 在靠近聚合物熔点温度下，挤压聚合物膜，并配合以很快拉出速度，在快速冷却下制成高度定向结晶膜，冷却后对膜进行第二次拉伸，使膜结晶结构破坏，并产生裂缝状孔隙。 烧结法 将粉状聚合物加热，控制温度及压力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒表面熔融但不全熔，相互粘结形成多孔薄层或块状物，再加工成滤膜。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第26页 溶出法在制膜基材中混入一些可溶出高分子材料，或其它可溶溶剂，或与水溶性固体细粉混炼。成膜后用溶剂将可溶性物质溶出，从而形成多孔膜。核刻蚀法 将均质聚合物膜置于核反应器荷电离子束照射下，荷电粒子经过膜时，打断了膜内聚合物链节，留下感光径迹

11、，然后膜经过一刻蚀浴，其内溶液优先刻蚀掉聚合物中感光核径迹，形成孔。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第27页膜受照射时间长短膜孔数目刻蚀时间长短决定膜孔大小特点: 孔径分布均匀，孔为圆柱形或圆锥形毛细管膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第28页二、非对称膜制备非对称膜是指膜主体含有两种或两种以上形貌结构比对称膜含有高得多透过速率，是工业上用最多膜类致密或含有微小细孔选择性透过薄层支撑在多开放孔底膜上 膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第29页相转化膜制备过程： 相转化是一个以某种控制方式使聚合物从液态转变为固体过程，这种过程通常是由一个均相液态转变成两个液态而引发。经过控制相转化初始阶段，能够控制

12、膜形态。1）配制含有适当均相聚合物溶液；2）将聚合物溶液流涎成薄膜；3）蒸发部分溶剂；4）聚合物凝胶（沉淀）；5）热处理。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第30页在沉淀过程中形成液膜聚合物溶液分为两相，富聚合物固相形成膜皮层，富溶液液相形成膜孔。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第31页依据沉淀方式，又分为热凝胶法和非溶剂凝胶法。热凝胶法适合于聚合物在溶液中溶解度受温度改变较大铸膜液体系。非溶剂凝胶法适合用于聚合物溶解度受温度影响不大，而且能在室温或低温溶解情况。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第32页1. 热凝胶法将加热配制均相制膜液流涎成膜后，然后冷却，液膜发生沉淀、分相，温度深入降低，沉淀

13、分相深入进行。孔体积主要决定于制膜液初始组成，孔大小分布基本取决于冷却速度，通常快速冷却得到较小孔径膜。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第33页聚合物、溶剂与非溶剂配伍关系2. 非溶剂凝胶法 非溶剂又称凝胶剂，指对膜材料不溶而对溶剂能互溶溶剂。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第34页非溶剂凝胶法又分为溶剂蒸发凝胶法、吸入蒸气凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法浸渍凝胶法（L-S法） 最惯用有机高分子膜制备方法，将聚合物溶液刮涂在适当支撑体上，浸入含非溶剂凝固浴中，溶剂/非溶剂交换造成沉淀，得到膜结构由传质和相分离二者共同决定。聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡非对称多孔膜非溶剂凝胶浴中溶剂与非溶剂交换成

14、膜成孔剂膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第35页溶剂蒸发凝胶法（当前CA膜使用最多）吸入蒸气凝胶法控制蒸发凝胶法聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡刮涂在支撑体上溶剂在惰性环境中蒸发成膜聚合物溶剂铸膜液压滤、脱泡多孔膜被溶剂饱和非溶剂环境中进行非溶剂向膜中扩散成膜聚合物混合溶剂铸膜液压滤、脱泡多孔膜控制溶剂蒸发速度成膜膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第36页三、复合膜制备工艺由同一个材料组成皮层和多孔亚层；另一个是由不一样聚合物材料组成皮层和亚层。层压、浸涂、喷涂、旋转涂敷；界面聚合、原位聚合、离子聚合、接枝等。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第37页 界面聚合将支撑体浸入含有活泼单体或预聚物水溶液中，

15、然后将此膜浸入另一个含有另一个活泼单体与水不溶溶剂中，则两种单体或预聚物在两相界面处发生反应，形成皮层。 浸涂法将不对称膜浸入含有聚合物、预聚物或单体涂膜液中，然后取出支撑体，一薄层溶液附着其上，加热使溶剂蒸发并发生交联，从而使皮层固定在亚层上。膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第38页四、无机膜制备工艺膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第39页膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第40页膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第41页膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第42页膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第43页膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第44页分离膜制备均质对称膜非对称膜相转移法复合膜无机膜致密均质

16、膜微孔均质膜拉伸法、烧结法核刻蚀、溶出法溶液浇铸法、挤压法溶剂蒸发凝胶法、蒸气相凝胶法、热凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法浸涂、喷涂、旋转涂覆、界面聚合、原位聚合、等离子聚合、接枝烧结法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、高温分解法、沉积法膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第45页液膜制备面膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第46页（a）油包水型液膜（b）水包油型液膜膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第47页第四节膜分离特征1. 膜分离透过性能：分离效率和渗透通量脱除率或截留率R = 1-cp/cb （cb原液浓度，cp透过液浓度）分离系数或分离因子（）渗透通量单位时间内、单位面积膜上透过溶液量，JV = V/At 孔径是决定膜分离透过性能 主要原因膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第48页孔径,力学强度,化学和热稳定性,厚度、密度 、孔隙率等等膜孔径测量方法：直接观察法和间接法 电子显微镜、泡点法、液体流速法等2. 膜物理化学性能膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第49页膜断面图 膜技术及其应用分离膜和膜分离过程第