第6-1章膜分离技术

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6.1膜分离技术6.2吸附分离

6.1膜分离技术6.1.1膜基本知识6.1.2微滤和超滤6.1.3反渗透和纳滤6.1.4渗透汽化和气体分离一、膜分离发展史分类精灵：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ABAB膜分离推动力

C，P，T，E膜不能实现完全的分离要消耗能量：W

Gm=Hm-TSm观察现象渗透：Nollet,1748年电渗析：Reuss,1803年，Porret1816年渗析：Graham1861年关联式扩散：Fick,1855年渗透压：Van’tHoff,1887年电解质传递：Nernst-Planck1889年理论探索渗透压：Einstein1905年膜电位：Henderson,1911年膜平衡：Donnan,1911年反渗透：Sollner,1930年不可逆热力学：Kedem,Katchalsky,1964年传递模型离子膜：Teorell,1937年；Mayer,Sievers，1936年孔模型：Schmid1950年;Meares,1956年溶解－扩散模型：Lonsdale,1965年表6-1膜科学发展里程碑表6-2膜技术的发展膜过程国家年代应用规模微滤德国1920实验室用（细菌过滤器〕小规模超滤德国1930实验室用小规模血液渗析荷兰1950人工肾小规模电渗析美国1955脱盐工业规模反渗透美国1960海水脱盐工业规模超滤美国1960大分子物质浓缩工业规模气体分离美国1979氢回收工业规模膜蒸馏德国1981水溶液浓缩小规模渗透蒸发德国/荷兰1982有机溶液脱水工业规模二、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、膜的定义及分类定义：来源材料形态/结构制造分类：膜是两相之间的选择性屏障对称膜多孔膜均质膜10～200

m柱状孔不规则孔不对称膜相转膜复合膜多孔层50～150

m称不对称多孔膜带致密皮层的不对称膜致密皮层多孔膜皮层0.1～0.5

m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）截留率；表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。

c.分离系数：（）ad.通量衰减系数膜渗透通量随时间减少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盐水中心管多孔支撑材料进料液隔网淡化水流图6-3卷式膜结构示意图（3）管式膜具纤维束管中心分布管透过液浓缩液料液图6-4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LL

P超滤LL

P纳滤LL

P反渗透LL

P加压透析LL

P气体分离GG

P蒸汽渗透GG

P渗透汽化LG

P电渗析LL

E膜电解LL

E透析LL

C扩散透析LL

C膜接触器LL

CGL

C/

PLG

C/

P热渗透LL

T/

P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结构压力范围bar通量范围L·m-2·h-1·bar-1微滤微孔膜>0.1m0.1~2.0>50超滤微孔膜0.001m<<0.1m1.0~5.010~20纳滤带皮层的不对称膜

<0.002m5.0~201.4~12反渗透带皮层的不对称膜

<0.002m10~1000.05~1.4图6-5不同膜过程的应用范围七、膜过程的开发思考层次6.1.2

微滤、超滤及其应用一、微滤、超滤为的发展历史

1918年德国开始研究

1921年

硝酸纤维素微孔膜制造方法获专利

1925年

第一个滤膜公司SartoriusGmbH成立

1960s超滤走出实验室应用进入工业应用现在……

成为应用领域最广，经济价值最大的膜过程。

二、基本原理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

三、传质模型Hagen－Poiseuille方程J：通量m3/s;P：压力Pa;x：膜厚m;r：孔半径m;

：液体粘度Pa·s;

：膜表面的孔隙率；：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：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表6-5超滤膜和微滤膜结构的比较膜特性结构孔隙率(％)孔径（nm)孔密度cm-2超滤不对称，有皮层～601～1001011微滤对称，无皮层～70100～104109过程特征截留分子量操作压力（Mpa)超滤103~1040.3~0.7微滤很高(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1.微滤膜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1.微滤膜图6-10聚合物微滤膜图6-11陶瓷微滤膜阳极氧化法烧结法2.超滤膜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2.超滤膜图6-12聚砜超滤膜断面图6-13多层氧化铝膜五、国内外商品超滤膜、微滤膜和组件表6-7国内主要超滤膜和组件表6-8国外主要超滤膜和组件表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1.微滤的应用现状及前景

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

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.石油化工中的应用八、超滤的应用现状及前景用途：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。九、微滤、超滤的应用现状举例

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0.8

mPSA微孔滤膜滤液结晶分离分离洗涤干燥产品表6-12阿司匹林精氨酸制剂的过滤效果批号浓度（％）过滤介质澄明度82120118.2陶土砂芯不合格82120218.2陶土滤芯不合格82120318.2陶土滤芯＋G3滤球不合格83010118.2陶土滤芯+G3+G4滤球不合格83040218.2陶土滤芯G3+G4滤球不合格83050218.2陶土滤芯＋PSA滤膜合格83050318.2陶土滤芯＋PSA滤膜合格83050418.2陶土滤芯＋PSA滤膜合格83050518.2陶土滤芯＋PSA滤膜合格83050618.2陶土滤芯＋PSA滤膜合格

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效果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ScammehornJ.F.用SDS加入废水中，分离Cd2+、Zn2+、Cu2+及Ca2+，截留率大于96％HuangY-