膜技术 专业知识课件

膜分离法(MembraneSeparationProcesses)1第1页教学内容：一、膜定义和分类二、膜分离概述三、扩散渗析（diffusiondialysis）四、电渗析(electrodialysis)五、反渗入（reverseosmosis)六、超出滤(ultrafiltration)2第2页一、膜定义和分类1、膜（分离膜）定义

分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质屏障。它能够是固态、液态或气态，目前使用分离膜绝大多数是固膜。膜能够存在于两流体之间或附着于支撑体或载体微孔隙上，膜厚度要远不大于其比表面积。2、膜分类

按膜构造分：有对称膜和不对称膜按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等

无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等

按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜

3第3页二、膜分离概述1．膜分离概念2、膜分离技术特点3．膜分离法分类4．膜分离法应用4第4页1．膜分离概念用一张特殊制造、具有选择透过性能薄膜（分离膜），在外力推进下对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓缩办法，统称为膜分离法。膜分离可用于液相和气相，对液相分离，能够用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及具有其他微粒水溶液体系等。5第5页膜分离过程推进力有两类：

①借助外界能量，物质发生由低位向高位流动；

②以化学位差为推进力，物质发生由高位向低位流动。某些主要膜分离过程推进力6第6页2、膜分离技术特点（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化效率高。例如在目前多种海水淡化办法中反渗入法能耗最低；（b）膜分离过程在常温下进行，因而尤其适于对热敏性物料，假如汁、酶、药品等分离、分级和浓缩；（c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。与其他水处理办法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；（d）由于目前膜成本较高，因此膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱耐受能力较差。因此目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中有用成份或水回用处理。7第7页

3．膜分离法分类

膜分离法种类很多，现已应用膜过程有反渗入、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗入蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏等。目前，在废水处理中常用有扩散渗析、电渗析、反渗入、超滤等四种膜分离技术。

废水处理中几个常用膜分离法特点如下表所示。

8第8页大家有疑问，能够问询和交流能够互相讨论下，但要小声点9第9页10第10页4、膜分离应用领域

（1）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/仪表及其他工业涂漆浓缩回收（2）食品/饮料工业

啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁澄清除菌过滤苹果、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存豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品澄清、脱盐与浓缩蔬菜抽提汁/西红柿汁脱水浓缩

11第11页（3）制药/生物工程

抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液蛋白剔除酶、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6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素脱盐浓缩中成药、保健品口服液澄清除菌过滤动物血浆、血清浓缩精制其他有关脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞搜集等分离过程（4）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

其他一切有关粉尘搜集及空气除尘过程

12第12页（5）水处理

饮用纯水（太空水）制备

医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水制备

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

制造业中终端洗涤水制备

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）

BOD/COD最小化

垃圾填埋场渗出水浓缩处理

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

13第13页三、扩散渗析（diffusiondialysis）1、渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶质被截留现象称为渗析。 半透膜：起渗析作用薄膜，对溶质具有选择性。半透膜发展：动物膀胱膜、肠膜、羊皮纸；离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜2、扩散渗析原理

利用离子交换膜选择透过性，以浓度差为推进力来实现酸与盐或者碱与酸分离。14第14页扩散渗析回收酸原理示意图(1)—原液室；(2)—回收液室；A—阴离子交换膜残液/渗析液H2O回收液/扩散液废酸液A（2）（1）H+H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-

扩散渗析法回收酸原理⑴为原液室，⑵为回收室，向⑴室自下而上引入料液(H2SO4和FeSO4混合液)，另向⑵室自上而下引入水流。由于⑴室中酸及盐浓度较大，其中Fe2＋、H＋、SO42-都有向⑵室扩散趋势，因阴离子交换膜对离子具有选择透过性，只允许阴离子SO42-通过而不让阳离子透过，因此Fe2＋受到阴膜阻挡而不能进入⑵室，而H＋则因性质特殊，其水合离子半径小，迁移速度快，也能跟随SO42-一起进入⑵室，以保持溶液电中性。这样，⑴室中H2SO4就不停扩散进入(2)室，而FeSO4被阻挡在⑴室中，从而实现了酸与盐分离。

15第15页3、优缺陷：长处：能耗小，设备构造简单，操作方便，不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需要加入其他化学药剂。缺陷渗析速度慢，分离效率低。4、应用：在生物医学上应用最为广泛，主要用途是血液渗析法（又称为人工肾），另外尚有人工肺。在工业方面应用从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其他废酸液中回收硝酸等；从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH16第16页四、电渗析（electrodialysis，简称ED）

1．电渗析基本原理电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推进力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中溶质与水分离一种物理化学过程。从而实现溶液浓缩、淡化、精制和提纯一种膜过程。17第17页++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图18第18页阳极反应：阴极反应：19第19页2．离子交换膜离子交换膜具有与离子交换树脂相同组成，具有活性基团和能使离子透过细孔。常用离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。阳膜(cationexchangemembrane)具有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中阴离子，吸引水中阳离子并使其通过。20第20页阴膜(anionexchangemembrane)具有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄网布做成，具有方向性电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高电阻。当膜朝向与上述相反时，膜电阻减少，膜两侧对应离子进入膜中。21第21页离子交换膜是一种由高分子材料制成具有离子交换基团薄膜，其因此具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团作用。膜上孔隙作用是，在膜高分子键之间有一足够大孔隙，以容纳离子进出和通过。是离子通过膜大门和通道。膜上离子基团作用是，在膜高分子链上，连接着某些能够发生解离作用活性基团。在水溶液中，膜上活性基因会发生解离作用，解离所产生离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷固定基团。存在于膜微孔中带一定电荷固定基团，好比在一条狭长通道中设置一种个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过离子。离子交换膜为何具有选择透过性呢？注意：离子交换膜作用并不是起离子交换作用，而是起离子选择透过性作用。22第22页离子交换膜功能示意图23第23页3、电渗析器电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于电渗析器中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供应电渗析器直流电，将原水导入膜堆配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成不漏水电渗析器整体，可采取压板和螺栓拉紧，也可采取液压压紧。

24第24页（1）电渗析器组装电渗析器组装依其应用不一样而有所不一样。其组装情况是用级和段来表达。级：一对正、负电极之间膜堆称为一级。段：具有同一水流方向并联膜堆称为一段。电渗析器组装示意图25第25页（2）电渗析器级与段一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、负电极之间膜堆称为一级具有同一水流方向并联膜堆称为一段26第26页（3）实际应用电渗析器27第27页4、电渗析在废水处理中应用目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍有：⑴造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。⑵从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。⑶从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。⑷电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物电镀废水都合适用电渗析法处理，其中应用最成熟是含镍废水处理。⑸从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。

28第28页

五、反渗入（RO）

ReverseOsmosis1、概述2、反渗入基本原理3、反渗入膜及其透过机理4、反渗入装置5、反渗入工艺流程29第29页1、概述反渗入是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都≤10×10–10（10A），它能清除滤液中离子范围和分子量很小有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水生产，还应用于生物、医学工程。

特点常温条件下，能够对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低；杂质清除范围广，可清除无机盐和各类有机物杂质；较高水回用率；

分离装置简单，容易操作和维修。30第30页应用范围太空水、纯净水、蒸馏水等制备；

酒类制造及降度用水；

医药、电子等行业用水前期制备；

化工工艺浓缩、分离、提纯及配水制备；

锅炉补给水除盐软水；

海水、苦咸水淡化；

造纸、电镀、印染等行业用水及废水处理。31第31页2、反渗入原理渗入和反渗入原理示意图半透膜开始时两边液面相同由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，因此水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗入压在浓水边加压，当压力超出渗入压时，则水透过半透膜，即反渗入，实现净化过程。32第32页

一种只能透过溶剂而不能透过溶质膜称为半透膜。当把溶剂和溶液(或把两种不一样浓度溶液)分别置于此膜两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗入。此H称为该溶液渗入压Π。Π=iRTc若在溶液液面上再施加一种大于Π压力P时，溶剂将与本来渗入方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓反渗入。凡基于此原理所进行浓缩或纯化溶液分离办法，一般称之为反渗入工艺。

反渗入是渗入一种反向迁移运动，它主要是在压力推进下，借助半透膜截留作用，迫使溶液中济剂与溶质分开。33第33页3．反渗入膜及其透过机理（1）对反渗入膜性能要求选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；热和化学稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；构造均匀一致，尽也许地薄，寿命长，成本低。34第34页（2）反渗入膜分类按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜；按膜形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜；按膜构造可分为多孔性和致密性膜，或对称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)构造膜；按应用对象可分为海水淡化用海水膜、咸水淡化用咸水膜及用于废水处理、分离提纯等膜。35第35页1）醋酸纤维素膜构造及性能①膜构造醋酸纤维素是没有强烈氢键无定形链状高分子化合物。制膜过程是将其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑成型，然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋酸纤维素(celluloseacetate,CA)膜。外观为乳白色、半透明，有一定韧性，膜厚l00－250

m。36第36页这种膜有不对称构造，表面构造致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下层构造较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。示意CA膜是被水充足溶胀了凝胶体。由于铸膜液中所有添加剂及溶剂在制膜过程中先后被除去，膜中仅含水分。链接37第37页38第38页醋酸纤维素膜构造示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%39第39页显微镜下膜照片40第40页在相对湿度为100％时，膜含水量高达60％，其中表皮层只含10％－20％，且主要是以氢键形式结合所谓一级结合水和少许二级结合水。多孔层中除上述两种结合水外，较大孔隙中还充满着毛细管水，此层中含水率较高。正由于膜中存在这几个不一样性质水，决定了CA膜具有良好脱盐性能和合适透水性能。膜必须保存在水中。41第41页②CA膜性质（a）膜方向性：由于CA膜是一种不对称膜，因此，在进行反渗入时，必须保持表层与待处理溶液或废水接触，而决不能倒置，不然达不到处理目标。（b）选择透过性：CA膜对无机电解质和有机物具有选择透过性。42第42页对电解质，离子价越高，或同价离子水合半径越大，则脱除效果越好。阳离子脱除次序为：Sr2+>Ba2+>Li+>Na+>K+。阴离子脱除次序为：柠檬酸根>酒石酸根>SO42->CH3COO->Cl->Br->NO3->I->SCN-。对有机物，一般是水溶性好、非解离性、分子量小脱除效果较差。而解离性大、分子量大于200有机物，则脱除效果较好。对同一类有机物，随分子量增大，脱除效率增加。对同分子量有机物，随分子支链增加，脱除效果变得更加好。43第43页（c）压密效应：CA膜在压力作用下，外观厚度一般减少25％―50％，同步，透水性及对溶质脱除率也对应减少，这种现象称为膜压密效应。这种塑性变形是不可逆，因此膜性能在压力消失后不会恢复。（d）膜水解作用和生物分解作用：CA膜是一种酯，易于水解，水解速率与pH值和水温度有关。一般在碱性介质中水解速率比在酸性介质中大，在pH4.5－5.2时最低。44第44页（3）反渗入膜透过机理1）氢键理论该理论以为，水透过膜是由于水分子和膜活化点形成氢键及断开氢键过程。即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上结合水解离出来，解离出来水分子继续和下一种活化点缔合，又解离出下一种结合水。水分子通过一连串缔合－解离过程，依次从一种活化点转移到下一种活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。45第45页2)优先吸附－毛细管流理论该理论把反渗入膜看作一种微细多孔构造物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子化学特性。当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质纯水分子层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。46第46页3）溶解-扩散机理

溶剂与溶质透膜机理是由于溶剂与溶质在膜中溶解，然后在化学位差推进力下，从膜一侧向另一侧进行扩散，直至透过膜。47第47页4．反渗入装置工业生产中使用膜分离设备是由多种构造相同单个装置组合而成，一般把组成设备相同装置称为膜组件（membranemodule）。反渗入膜组件有板框式（plateandframe)、管式(tubularmodules)、螺旋卷式(spiralswound)和中空纤维式(hollowfiber)等四种。48第48页四种反渗入装置性能及操作特点

49第49页（1）板框式反渗入膜组件装配图50第50页进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜板框式膜组件工作过程示意图特点：构造简单，体积比管式小。缺陷：装卸复杂，单位体积膜表面积小。51第51页（2）管式反渗入膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式52第52页内压式管式膜组件内部构造示意图特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，能够处理高粘度原水。缺陷是膜有效面积小，装置体积大，并且两端要较多联结装置。淡水淡水膜表皮层玻璃纤维管进水53第53页束式外压式膜组件1－档圈；2－集水密封环；3－聚氯乙烯烧结板；4－锥形多孔橡胶塞；5－密封管接头；6－进水口；7－壳体；8－橡胶胆；9－出水口；10－膜元件；11－网套；12－O形密封圈；13－档圈槽；14－淡水出口54第54页（3）螺旋卷式反渗入膜组件55第55页密封密封密封螺旋卷式膜组件一种膜叶构造示意图多孔透水材料膜，上下两层56第56页膜叶透水网状材料透过水浓水进水螺旋卷式膜组件组合示意图57第57页膜组件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58第58页工业应用反渗入装置59第59页工业应用反渗入装置膜组件之间连接60第60页螺旋卷式反溶透装置特点：构造紧凑，单位容积膜面积大。处理能力高，占地面积小，操作方便。缺陷是不能处理具有悬浮物液体，原水流程短，压力损失大，浓水难于循环以及密封长度大，清洗、维修不方便，易堵塞。61第61页（4）中空纤维式反渗入膜组件中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成。中空纤维外径50―200

m，内径25

42

m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分派原水用多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。62第62页中空纤维反渗入组件简图

进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器63第63页（4）中空纤维式反渗入膜组件64第64页中空纤维为U形膜组件65第65页中空纤维式膜组件特点：单位体积膜表面积大。制造和安装简单，不需要支撑物。缺陷是不能用于处理具有悬浮物废水，预处理必须通过滤处理。难以发觉损坏膜。66第66页5．反渗入工艺流程反渗入工艺一般包括预处理和膜分离两部分。预处理能够用物理化学法，也能够用化学法。所采取预处理办法与原水物理、化学性质及生物学特性有关，还与膜装置构造有关。67第67页制定工艺流程应考虑原因：对溶液分离有不一样质量要求。膜元件使用寿命。反渗入工艺中级与段：段（concentratestaging)：指膜组件浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处理。流经n组膜组件，即称为n段。级(permeatestaging)：指膜组件产品水再经下一组膜组件处理。透过液产品水经n次膜组件处理，称为n级。68第68页一级一段不一样方式一级一段连续式一级一段循环式可确保出水水质，但水回收率低能够提升水回收率，但出水水质有也许下降69第69页一级多段连续式水回收率高，浓缩液量少，浓度高，有助于回收其中有用物质。但出水水质差。70第70页一级多段循环式浓缩液浓度高，出水水质较好。71第71页二级五段连续式第二级72第72页六、超出滤（Ultrafiltration)1、超出滤与反渗入异同2、超出滤原理3、超滤膜及膜组件4、超滤基本工艺流程5、超滤特点及应用领域73第73页1、超出滤与反渗入异同超出滤简称超滤，它同反渗入同样，都是利用膜来分离废水中溶解物质。两种办法共同点在于：两种过程动力同是溶液压力，在溶液压力下，溶剂分子通过薄膜，而溶解物质被阻滞在膜表面上。74第74页二者区分在于：（1）膜不一样：超出滤所用膜(超滤膜)较疏松，透水量大，除盐率低，一般用超出滤分离高分子和低分子有机物以及无机离子等，能够分离溶质分子最少要比溶剂分子大10倍，在这种系统中渗入压已经不起作用了。反渗入所用膜(反渗入膜)致密，透水量低，除盐率高，具有选择透过能力，用以分离分子大小大体相同溶剂和溶质，75第75页（2）机理不一样：超出滤清除机理主要是筛滤作用。在反渗入膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂物理化学作用。（3）工作压力不一样：超出滤工作压力低(0.07－0.7MPa