化工分离过程基础(zizhikejian第九章)

第9章

膜分离

Multi-componentdistillationandspecialdistillation

膜分离过程利用天然或合成的、具有选择透过性的薄膜，以化学位差或电位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的过程。9.1

膜分离概述近几十年来，膜分离技术已广泛应用于化工、轻工、食品、生物、医药、环保、水处理等多个领域。膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。9.1

膜分离概述膜上游选择性透膜

膜下游流体１流体2膜分离技术发展史十八世纪，发现动物体膜的天然半透性；十九世纪，用某些天然材料制作半透膜；1918年Zsigmondy制成微孔滤膜，微滤技术诞生；50年代研制成功离子交换膜，电渗析实现工业化；1960年Loeb和Sourirajan研制成醋酸纤维素非对称膜，反渗透和超滤技术得到广泛应用；1968年，Norman提出液膜分离技术；70年代Prism中空纤维膜问世，气体分离技术诞生；80年代Heins发明阻力复合膜，气体膜分离飞跃发展。9.1

膜分离概述膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。9.1

膜分离概述1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。9.1

膜分离概述7然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。9.1

膜分离概述850年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。9.1

膜分离概述9自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（UF膜）、微孔过滤膜（MF膜）和反渗透膜（RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进一步提高。9.1

膜分离概述10

具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。

60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。

70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的

液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。9.1

膜分离概述11膜分离过程的类型

分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表7-1所示。9.1

膜分离概述9.1.3膜分离技术的种类项目反渗透纳滤超滤微滤膜类型非对称膜或复合膜非对称膜或复合膜非对称膜微孔膜或核孔膜推动力压力差2-10MPa压力差0.5-2MPa压力差0.1-0.5MPa压力差10-200kPa分离机理膜表面的物化性能筛分与膜物化性质筛分筛分截留组分0.1-1nm盐类和小分子中等分子高价离子1-20nm大分子溶质和胶体0.02-10μm悬浮物颗粒透过组分溶剂（水）溶剂小分子溶液溶液、气体项目渗析电渗析气体膜分离渗透蒸发液膜分离膜类型多孔膜离子交换膜复合膜、非对称膜复合膜、非对称膜乳状液膜、支撑液膜推动力浓度差电位差压力差浓度差、分压差浓度差分离机理筛分、膜孔扩散反离子迁移膜内溶解和扩散膜内溶解和扩散反应促进和扩散传递截留组分>0.01μm溶质同离子、大离子较大组分不易溶解或难挥发组分溶剂透过组分小分子溶质反离子、小离子气体、较小组分易溶解或易挥发组分杂质膜分离过程特点没有相变常温完成特殊溶液体系的分离产品互溶清晰分离难分离过程的能耗低适合热敏物质分离溶液中大分子分离无机盐分离共沸物或近沸点物系分离膜分离技术的特点9.1

膜分离概述不需添加物质媒介不会引入新的污染源适应性强使用方便处理规模灵活操作方式多样9.1.1

膜膜的定义

在一定流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔成为两部分，那么这一薄层物质就是膜。膜具备两个特性：

1.至少有两个界面

2.具有选择透过性（完全透过性，半透过性）9.1膜分离概述膜上游选择性透膜

膜下游流体１流体2膜

的

分

类膜生物膜合成膜无机膜固体膜液膜有机膜不对称膜多孔膜无孔膜不对称膜对称膜转相膜复合膜按来源分类按制造方法分类按形态/结构分类按材料分类9.1膜分离概述膜材料聚合物膜高分子材料制成的膜纤维素酯脂肪族和芳香族聚酰胺聚砜、聚丙烯睛聚四氟乙烯硅橡胶无机膜无机材料制成的膜金属及其氧化物陶瓷多孔玻璃按膜的材料分类9.1膜分离概述膜材料的要求：

良好的成膜性能 物化稳定性 耐酸、碱、微生物侵蚀 耐氧化等膜和种类及结构：

按形状平板膜管式膜中空纤维膜9.1

膜分离概述

致密膜就是均匀的致密薄膜，物质通过这类膜是依靠分子扩散。致密膜的渗透阻力与膜的厚度成正比。因此，通常致密膜都很薄(5nm-5μm)，又成为超薄膜。9.1

膜分离概述

微孔膜的孔径很小，一般在（0.02-10μm)，微孔膜有两种：多孔膜和核孔膜，前者的膜孔有一较宽的分布范围，孔径曲折，膜厚50-250μm，核孔膜用10-15μm的致密膜经过特殊处理制得，其特点是孔为圆柱型直孔，孔径均匀，开孔率小。微孔膜致密膜（无孔膜）按膜孔径的大小按膜的结构

对称膜、非对称膜、复合膜

9.1

膜分离概述致密膜微孔膜膜两侧截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基本一致的膜有表面活性层和支撑层组成，表面活性层很薄（0.1-1.5μm)，膜的分离作用主要取决于它，表面活性层致密无孔或孔径小于1nm的用于反渗透、气体分离等。表面活性层孔径为1-20nm的膜成为超滤膜。支撑层的厚度为50-250μm，主要起支撑作用，它决定膜的机械强度，为多孔状。复合膜

9.1

膜分离概述复合膜是在非对称膜的表面再加上一层0.25-15μm厚的致密膜形成的膜，膜的分离作用主要决定致密活性层，她的优点在于活性层可以用各种材料，因此具有较广的选择余地。它广泛用于反渗透、气体膜分离和渗透汽化等过程。醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径0.8－1nm过渡层，孔径20nm多孔层，孔径100－400nm1%9.1

膜分离概述9.1

膜分离概述

聚合物膜通常在较低的温度使用（不高于200℃），而且要求原料与膜不发生化学反应。当在较高的温度下或原料流体为化学活性混合物时，可以采用由无机材料制成的膜。无机膜多以金属及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃为原料，制成相应的金属膜、陶瓷膜、玻璃膜等。这类膜的特点是耐热、机械和化学稳定性好，使用寿命长，污染少且易清洗，孔径分布均匀等，缺点是易破损，成型性能差，造价高。无机膜的发展大大扩宽了膜分离的应用领域。将无机材料与聚合物材料制成性能更好的杂合膜。无机膜

9.1膜分离概述膜性能膜的性能物化稳定性较好的机械强度耐受一定压力耐受一定的温度耐酸腐蚀。pH耐有机溶剂和各种化学品的抵抗性分离透过特性渗透通量分离效率通量衰减系数决定膜的使用寿命9.1膜分离概述(1)渗透通量通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示，对任何一种膜分离过程，渗透通量越大越有利。(2)通量衰减系数因为过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减Jθ——时间θ的渗透通量θ——使用时间J0——时间0(初始时间)的渗透通量m——衰减系数分离透过特性9.1膜分离概述(1)渗透通量通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示(2)通量衰减系数因为过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减Jθ——时间θ的渗透通量θ——使用时间J0——时间0(初始时间)的渗透通量m——衰减系数理化稳定性

强度、耐温、耐压性等分离透过特性9.1膜分离概述

(3)分离效率

原料液C1透过液C2对于不同的膜分离过程和分离对象可以用不同的表示方法。对于溶液中的盐、微粒和某些高分子物质的脱除等可以用脱盐率或截留率R表示膜的分离透过特性还可以用分离因子α或分离系数β表示：在分离、纯化气体时，我们希望膜对混合气中某一组分A有高的选择性和较大的渗透率，而对别一组分B只有较低的选择性和较小的渗透率，这样才能获得较满意的纯化效果。原料液（气）C1A透过液（气）C2AA多B少AB9.1膜分离概述1.分离膜制备工艺类型膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。

膜的制备9.1膜分离概述2.相转化制膜工艺相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S.Leob）和索里拉金（S.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。9.1膜分离概述

将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜。其工艺框图可表示如下图7-1：L—S型制膜法9.1膜分离概述聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图7-1L—S法制备分离膜工艺流程框图9.1膜分离概述3.复合制膜工艺由L—S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.25~1μm，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L—S法制备表面层小于0.1μm的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图7-2所示。9.1膜分离概述多孔支持膜涂覆交联加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆复合膜形成超薄膜的溶液交联剂图7-2复合制膜工艺流程框图9.1膜分离概述

分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。膜的保存9.1膜分离概述36

膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。9.1膜分离概述膜污染凝胶极化引起的凝胶层;溶质在膜表面的吸附层;膜孔内的溶质吸附;膜孔堵塞。膜污染不仅造成渗透通量的大幅度下降，而且影响目标产物的回收率。造成膜污染主要原因来自以下几个方面:9.1膜分离概述为保证膜分离操作高效稳定地进行，必须对膜进行定期清洗，除去膜表面及膜孔内的污染物，恢复膜的透过性能。膜的清洗9.1膜分离概述

膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。

具体用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决定，使用的清洗剂要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。如果用清水清洗就恢复膜的透过性能，则不需使用其他清洗剂。对于蛋白质的严重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）溶液清洗，效果较好。39清洗操作是膜分离过程不可缺少的步骤，但清洗操作是造成膜分离过程成本增高的重要原因。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行适当的预处理（如聚砜膜用乙醇溶液浸泡），均可缓解污染程度。此外，对料液进行适当的预处理（如进行预过滤、调节pH值），也可相当程度地减轻污染的发生。9.1膜分离概述9.1膜分离概述膜组件定义固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的结构及型式取决于膜的形状，工业上应用的膜组件主要有板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维式四种。良好的膜组件应具备下列条件：沿膜面的流动情况好，浓差极化小。单位体积中所含的膜面积较大。组件的价格低。清洗和膜的更新方便。保留体积小，且无死角。9.1.2膜组件操作：与板框式过滤装置类似。优点：保留体积小，操作费用低，压力降小，流液稳定，比较成熟。板框式9.1膜分离概述9.1膜分离概述缺点：A、投资费用高;B、大的固体含量会堵塞进料液流通，撤卸清洗管道费时。应用：适合于处理悬浮液较高的料液。9.1膜分离概述9.1膜分离概述螺旋卷式膜组件膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起，然后将其装入能承受压力的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动通道的形式,这类膜组件的内部结构也可被设计成多种不同的形式。密封密封密封螺旋卷式膜器一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层9.1膜分离概述膜叶透水网状材料透过水浓水进水螺旋卷式膜器组合示意图9.1膜分离概述9.1膜分离概述膜组件的组装示意图进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液9.1膜分离概述卷式膜器应用于反渗透装置工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接9.1膜分离概述缺点：A、料液需预处理；B、压力降大；C、易污染，难清洗；D、液流不易控制。应用：适用于低固体含量的料液。优点：A、结构简单，更新膜容易，比表面积大；

B、价格低，操作费用低。螺旋卷式膜组件539.1膜分离概述管式膜组件有外压式和内压式两种。内压式膜组件，膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过，透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。外压式膜组件，膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过，渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式，都可以根据需要设计成串联或并联装置。管式膜组件操作：(10-20根并联管）优点：A、结构简单，内径较大；

B、操作清洗容易。9.1膜分离概述管式内压式原料液走管内外压式原料液走管外管式膜器缺点：A、单位体积的过滤表面积在各种膜组件中最小;B、投资大，操作费用高，保留体积大;C、压力降大。应用：适合于处理悬浮液较高的料液。9.1膜分离概述操作：(数百至数百万根中空毛细纤维管)，中空纤维膜ID=40-80um，毛细管膜ID=0.25-2.5mm优点：A、比表面积最大，效率高；B、可以逆流操作，压力较小；C、设备投资低。9.1膜分离概述中空纤维式膜组件内压式外压式中空纤维膜结构单内皮层双皮层9.1膜分离概述外压式原料走管外9.1膜分离概述内压式9.1膜分离概述61材质为聚偏氟乙烯(PVDF)的微滤膜组件中空纤维超滤膜组件62中空纤维超滤膜9.1膜分离概述中空纤维超滤膜设备缺点：A、料液需预处理、易堵塞；B、单根管的损坏常使整个组件报废；C、不够成熟。应用：A、中空纤维式(能耐高压)：大规模透析，人工肾；B、适合于处理低固体含量的料液。9.1膜分离概述优点：A、比表面积最大，效率高；B、可以逆流操作，压力较小；C、设备投资低。9.1膜分离概述四种膜组件的传质特性和综合性能毛细管式膜组件

毛细管式膜组件是由管径较中空纤维大(di=0.5~6mm)，耐压性相对较弱的膜管构成。活性分离层在管内侧，进料走管内。膜管平行排列，两个端头被粘合在一起。装填密度比管式膜组件高，可达1000m2/m3。由于管内的流动多为层流，故物质交换性能较差。9.1膜分离概述无机陶瓷膜膜管9.1膜分离概述无机陶瓷膜膜管9.1膜分离概述

根据被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构可以将以压力差为推动力的膜分离过程分为微滤、超滤、纳滤和反渗透9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透浓度梯度压力差（1~10MPa)压力差（0.2~1MPa)压力差（0.05~0.5MPa)驱动力除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等对称的或不对称的膜透析糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水淡化，超纯水制备带皮层的不对称膜、复合膜（＜１nm)反渗透含油废水处理，印染废水处理，乳化液分离、浓缩等不对称微孔膜（１~５0nm)超滤溶液除菌、澄清，果汁澄清对称微孔膜（0.05~10μm)微滤示例

膜结构名称9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透9.2.1

反渗透

透过：溶剂截留：水中无机离子、胶体物质、大分子溶液应用：海水、苦咸水淡化；废水处理；锅炉用水软化；乳品、果汁浓缩；生产产品、生物制剂的分离、浓缩。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透基本原理借助于半透膜对溶液中低分子量溶质的截留作用,以高于溶液渗透压的压差为推动力,使溶剂渗透通过半透膜.盐水溶液：膜纯水

P1溶液

P2a.P1=P29.2微滤、超滤、纳滤和反渗透当膜两侧的溶液化学位不相等时,溶剂会从化学位较高的一侧向化学位较低侧流动,直到两侧溶液的化学位相等时达到平衡,盐水溶液：膜纯水

P1溶液

P2a.P1=P29.2微滤、超滤、纳滤和反渗透为水的渗透压。）。；水达到动态平衡（图时开始升高，若由于水的渗透，（（pmmpbPPPPTPT0),),12212.2==-P1P2P1<P2且：P2﹣P1=∏盐水溶液：9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透P1P2C.P2﹣P1>∏盐水溶液：9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透溶液中水反渗透，使溶液增浓。对于实际反渗透过程：溶剂渗透时，少量溶质也渗透，两边都有溶质，溶质与水之间各有渗透压，对于正常操作：9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透P1P2P2﹣P1>=π2﹣π1

反渗透过程原理半透膜开始时两边液面相同由于化学势差存在，所以水透过半透膜，使盐水一侧液面升高，产生渗透压在盐水侧加压，当压力超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，实现净化过程。反渗透过程原理9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透二、过程机理与传质方程1.过程机理（不成熟）

1）是否筛分机理？反渗透采用膜孔径：2nm

不通过离子：无机离子直径：0.1—0.3nm

水合离子直径：0.3—0.6nm小于孔径所以：不存在筛分机理9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透ⅰ膜的物化性质使水优先吸附于膜表面，形成纯水层厚度t=1nm。在外界压力下如果将该纯水层通过膜表面的毛细孔，就有可能从溶液中获得纯水。ⅱ无机离子受排斥，不能进入纯水层，价数越高，斥力越强。ⅲ当膜孔径≤2t时，透过的是纯水，孔径增大，溶质开始透过，越大，透过溶质越多。

∴孔径为2t时称临界孔径。2）选择吸附——毛细孔流动模型多孔膜多孔膜界面上的脱盐水9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透2.传质方程通过膜的水渗透通量：9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透通过膜的少量溶质渗透通量：JA溶质R的透系数。与溶质和膜材料的物化性质、膜的结构形态以及操作条件有关。CR、

CP——膜两侧溶液浓度（1）浓差极化现象料液主体浓度透过液浓度膜浓度边界层膜表面浓度溶质扩散方向3、反渗透过程的浓差极化J9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透（2）浓差极化影响：①由于膜表面浓度升高使渗透压升高，过程有效推动力降低，渗透通量下降；②凝胶层的形成使膜透过阻力增大。（3）减轻影响的措施：①提高料液流速，增大料液湍动程度；②提高操作温度；③定期清洗膜面。三、浓差极化及影响

这种现象为浓差极化xA1xMAixAixMA2xA2溶质在膜表面附近积累传质方向9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透减轻浓差极化的有效途径：提高传质系数方法：增加料液流速；增加湍流速度；提高温度；清洗膜面。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透浓差极化对过程的不利影响：1）使若不变，传质通量变低。2）使截留率R下降3）xAi高于溶解度时，会出现沉淀，使膜阻力增加。四、反渗透过程通量与下列因数有关：（1）操作压差：△P

△P↑,使水渗透通量JA=A（△P—△π)↑

但有能耗大。∴选择适当的△P

(2)操作温度:T

T↑,使纯水的透过系数A↑,JA↑

但受膜耐温所限。

(3)料液流速

流速大,传质系数大。但溶质的渗透通量JS大。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透（4）料液的浓缩程度

浓缩程度高，水回收率高。但：①有效压差小；②污染膜。（5）膜材料与结构

（主要研究方向）9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透五、反渗透过程工艺流程1.一级一段连续式产水原水膜组件储槽9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透2.一级一段循环式（闭路循环）产水原水膜组件储槽

料液不返回到原料槽，而是返回到膜组件特点：目标产物浓度的增加比开路循环快，透过通量小于开路循环。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透3.反渗透过程的工艺流程一级一段连续式一级一段循环式一级多段连续式9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透一级多段循环式二级五段连续式六、应用举例1.反渗透（RO）技术在果蔬汁浓缩中应用超滤反渗透9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透2.反渗透法浓缩茶液9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透9.2.2超滤膜:

非对称性膜,表面活性层孔径10-200Å微孔,能截留分子量500以上大分子或胶体微粒.9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透进料溶剂、水胶体大分子原理:

原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔,流到低压侧，胶体大分子被截留。机理:

筛分机理.压差:

0.1-0.5MPa应用：纯水制造——

电子工业：超纯水；医药工业：注射剂、眼药水。废水处理回收有用的物质3.产品加工各种大分子物质分离，浓缩。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透9.2.3

微滤过程(微孔过滤)膜:

微孔、均质的多孔膜,孔径0.02-10μm微孔,

能截留直径为0.05-10μm

的微粒或分子量大于106

的高分子压差:

0.01-0.2MPa原理:

原料液在压差作用下,小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔,流到低压侧.机理:

筛分机理.9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透过程与操作1.透过通量溶剂:溶质:2.影响因数(1)操作压差(推动力)

压差大,通量大,能耗大;

一般取一较好值(接近于凝界渗透通量时压差)9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透(2)料液流速采用错流装置,使料液与膜面平行流动.

流速高,传质系数大,有利于提高渗透通量;

但:膜面压降大,能耗大.因此:可采用湍流促进器,脉冲流动等提高流速.(3)温度

温度高,料液粘度小,扩散系数大,有利于提高渗透通量.(4)截留液浓度

浓度增加,浓度边界层增厚,易形成凝胶层,使渗透通量减小.9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透工艺流程和应用1.超、微滤流程透过液原料膜组件储槽9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透2.超滤应用(1)食品、饮料工业超滤反渗透9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透失。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透(2)膜分离技术在油脂加工中和应用9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透（3）配制葡萄酒中酒的澄清9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透（4）在药物制剂中的应用9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透另外：a.对生物活性物质：酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分离提纯；b.从植物或动物中提取药物：

如生物碱、荷尔蒙等；c.血液过滤除去有害成分或进行血清分离。（5）工业废水处理造纸工业废水：回收有用成分、水重新使用；食品工业废水：回收有用的高分子物质；纺织工业废水：含聚乙烯醇水处理、回收。9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透3.微滤应用同于超滤，例：。返回9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透一、定义在直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择渗透性，产生阴阳离子的定向迁移。9.5电渗析二、采用的膜

由高分子材料制成，具有离子交换基团的薄膜。

阳离子交换膜——阳膜

阴离子交换膜——阴膜9.5电渗析1、阳膜：例：

通常含有带负电的酸性活性基团，能选择溶液中的阳离子透过，而溶液中的阴离子则受阳膜上所带负电荷基团的同性相拆作用不能透过阳膜。

磺酸型的阳膜，R-SO3H，其中-SO3H为活性基因

R-SO3HH++R-SO3-水中离解进入水溶液

带负电荷的基团R-SO3-

留在膜上，可吸引溶液中带正电荷的离子，排斥带负电荷的离子；9.5电渗析2、阴膜：

通常含有带正电的碱性活性基团，能选择溶液中的阴离子透过，而溶液中的阳离子则受阴膜上所带正电荷基团的同性相拆作用不能透过阴膜。例：季胺型，R-N(CH3)3OH，其中-N(CH3)3OH

为活性基团，R-N(CH3)3OH水中离解OH-+

R-N(CH3)3+进入水溶液中

带正电荷的基团R-N(CH3)3+留在膜上，可吸引溶液中带负电荷的离子，排斥带正电荷的离子；这种现象称为反离子迁移——与膜所带电荷相反的离子穿过膜的现象称反离子迁移。三、电渗析操作过程阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—123459.5电渗析

1.在正、负两电极间交替放置阴阳离子膜；9.5电渗析2.在二膜形成的隔室中充入含离子水溶液；阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—12345Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Cl-Cl-Na+Na+阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—123459.5电渗析接上电源后，溶液中带正电荷离子在电场作用下，向阴极方向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住。Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Cl-Cl-Na+Na+带负电荷离子反之。阳膜阴膜阴膜阳膜+++++++++++----------阳级阴级+—123459.5电渗析Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Cl-Cl-Na+Na+4.结果2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。浓缩室浓缩室淡化室1.良好的选择透过性(反离子迁移)；2.较小的膜电阻；3.良好的化学稳定性，较高的机械强度；4.良好的抗渗漏性能。四、电渗析的条件1.直流电场——溶液中的阳、阴离子作定向运动

2.离子交换膜的选择透过——使溶液中离子作反离子迁移9.5电渗析五、电渗析对膜的性能要求六、电渗析中传递过程1.反离子迁移；2.同名离子迁移；3.电解质离子迁移；4.水的渗透；5.渗漏；6.水的电渗析。9.5电渗析七、电极反应和电极电位浓、淡隔室及膜中导电：离子型电极上导电：电子型9.5电渗析电渗析器的组装电渗析器的构造例：食盐水溶液四种离子：电极反应：在阳极：（氧化反应）特点：2.产生O2、Cl2;另外HCl腐蚀设备。1.OH-减少，极水呈酸性；9.5电渗析在阴极：（还原反应）一般操作中；

要按一定时间调换电极；并排除或加入水。9.5电渗析特点：七、离子交换膜的选择透过实用膜应具备：

1.选择透过性良好；

2.膜阻小；

3.较好的化学稳定性；

4.较高的化学强度，良好的尺寸稳定性，较低的扩散性能；

5.便宜。评价膜好坏的方法：

1.反离子迁移数；

2.膜的通过性。9.5电渗析八、

电渗析过程的影响因素及对策1.由膜的选择性能不良引起的同性离子迁移：

选用合适的膜材料2.由膜两侧离子浓度差引起的电解质扩散和水的渗透：

提高料液流速；降低浓度差3.由于浓差极化使水分子电离发生电渗析：

降低电流密度；增加料液湍动以减小边界层厚度4.因浓差极化使水电离引起的CaCO3、Mg(OH)2沉淀：

预处理除去料液中的Ca2+、Mg2+；定期清洗膜面5.由膜两侧压力差引起的渗漏：调整料液流速,降低压差9.5电渗析八、工艺流程1.循环操作流程原水储槽DD间歇式+-ACAC浓盐水A：阴膜C：阳膜9.5电渗析2.三级连续操作DDDCCDDDCCDDDCC脱盐水原水9.5电渗析九、应用1.水的纯化海水、苦咸水、普通自然水纯化生产：饮用水，初级水（锅炉或医用）或纯水。方法特点：（1）与其他方法比较

费用元/立方米电渗析多效蒸发反渗透料液浓度电渗析不适用于含盐高的海水淡化；适用与含盐低的苦咸水。优点：操作方便，设备简单。一般，海岛、鱼船上仍有实用价值。9.5电渗析(2)当原水盐浓度过低时，溶液电阻大，耗电大，不经济。若要制纯水，可与离子交换法联合使用。原水机械过滤精密过滤电渗析阳离子交换拄阴离子交换拄紫外灯灭菌阴阳离子混合床微孔过滤器高纯水9.5电渗析9.5电渗析2.海水、盐泉卤水浓缩制盐传统法：盐田法电渗析：占地小，投资省，劳动力省，不受地理条件的限制。例：我国西南