第八章膜分离案例.ppt

1、1,第八章膜分离,2,8.1概述,1、膜分离：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，对双组分或多组分物系进行分离、分级、提纯或富集的过程。,涉及气体分离、水溶液分离、生化产品的分离与纯化等。,3,膜技术用于生物质资源开发,膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率1580倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60生产装置总投资为传统分离方法总投资的4080%,4,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2控制,制药,食品,化工与石化,电子,冶金,燃料电池,洁净燃烧,5,膜技术的工业应用,

2、6,膜分离法实际上是一般过滤法的发展和延续。一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相的不同将固体从液体或气体中分离出来；膜分离是分子级水平的分离方法，该法关键在于过程中使用的过滤介质：膜。,7,2、特点：1）不发生相变，与有相变的分离相比能耗低。如一个单级的水脱盐蒸发过程需能耗约2260kJ/kg,而反渗透过程在6.8Mpa、泵效率60%、水收率50%的条件下，仅需要28kJ/kg能量。2）在常温下进行，适合于热敏性物质的分离。3）适用于许多特殊溶液体系的分离。如大分子、无机盐、一些共沸物系的分离等。,8,典型的膜分离技术：微滤（MF）、超滤（UF）、反渗透（RO）、纳滤（NF）、渗透（D）、电

3、渗透（ED）、膜:固相、液相和气相膜。特殊膜：液膜（LM）、渗透蒸发膜（PV）、气体分离膜。,9,MF0.1mm-10mmUF5-100nm(10kD-1MD)NF5nm(MW200D-10kD),压力驱动膜分离示意简图,10,分离范围,11,12,13,膜过程的现状与发展趋势,D一透析；MF一微滤；UF一超滤；RO一反渗透；ED一电渗析；CR一控制释放；GS一气体分离；PV一渗透汽化；MD一膜蒸馏；LM一液膜；MR一膜反应器；NF一纳滤；GM一闸膜；AT主动传递,14,1.超滤和微滤：利用膜的筛分性质，以压差微传质推动力，用于截留高分子溶质或固体微粒。超滤：处理不含固形成分的料液，它是根据高

4、分子溶质间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的差别机械分离的方法。微滤：用于悬浮粒的过滤，主要用于菌体的分离和浓缩。,11.2膜分离原理,15,超滤与微滤的能截留溶解的大分子，与反渗透的不同之处在于所截留的大多为大分子溶质。超滤应用非常广泛，从家用净水器到现代化工业生产。,16,2.反渗透促使水分子透过的推动力称为渗透压操作压力：几十个大气压适用于1nm以下小分子的浓缩,17,3、电渗析利用分子的荷电性质荷分子大小的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。,18,4、渗透气化疏水膜的一侧通入料液，另一侧抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。

5、在分压差的作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。,19,发生了相变适用于：高浓度混合物的分离，特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。,20,5.气体分离：混合气体在压差作用下通过分离膜，利用混合气中的各组分分子在膜中的透过速率不同而达到分离的目的。,21,特点：能耗低、操作简单、装置紧凑并可按处理量改变等。应用：合成氨弛放气中回收氢气，天然气中分离CO2、空气、有机蒸气或天然气的脱湿、燃烧废气中CO2的回收和燃烧废气脱硫等。,22,纳滤：截流分子量为几百至几千的物质；P=0.5-3.0Mpa;因为截流分子在纳米范围，

6、故称为纳滤。,23,6、液膜分离技术液膜就是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒，液膜由膜溶剂、表面活性剂、流动载体、膜增强添加剂组成。,24,膜溶剂：成膜的基体物质、一般为水或有机溶剂。表面活性剂：降低液膜的表面张力，对液膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜的重复使用有直接影响。流动载体：选择性迁移指定溶质或离子，常为某种萃取剂。,25,液膜分离的优点,（）分离过程中没有相变化，他不需要使液体沸腾，也不需要使气体液化。因而是一种低能耗，低成本的分离技术。（）分离过程一般在常温下进行，因而对那些需避免高温分离，分级、浓缩与富集的物质，如果汁，药品等，显示出其独特的优点。,26,（）分离技术应用范围广，

7、对无机物、有机物及生物制品等均可适用；（）分离装置简单，操作容易，制造方便。,27,液膜分离的应用,（）水处理：海水，苦咸水的淡化；纯水，超纯水的制备；工业废水的处理；（）元素的分离，富集；（）金属，物质的分离，回收；（）气体分离；（）其他方面；,28,液膜分离装置,（）乳化液膜分离制备乳液液膜萃取破乳（）隔膜含浸型液膜,29,乳化液膜和支撑液膜分离机理：单纯迁移：溶解度和扩散度不同促进迁移：和溶质发生反应,30,11、3膜的种类及特性1、膜的种类（1）均质膜或致密膜（2）微孔膜（3）非对称膜（4）复合膜（5）离子交换膜,31,选择膜应考虑的因素：分离能力、分离速度、抵抗化学、细菌和机械力的稳

8、定性、膜材料的成本。,32,2、膜的结构特性孔道结构：不对称膜（表面活性层和惰性层）膜的孔道特性：孔径、孔径分布、空隙率水通量:在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20）通过测量透过一定量纯水所需的时间来测定。,33,3、对膜材料的要求：具有良好的成膜性能；物化稳定性；耐酸、碱、微生物；耐氧化。反渗透、纳滤、超滤、微滤用膜最好为亲水性，以得到高通水量和抗污染能力；气体分离，尤其是渗透蒸发，要求膜材料对透过组分优先吸附和优先扩散；电渗析用膜特别要求耐酸、耐碱和热稳定性。,34,35,1）纤维素膜：应用最早，也是目前应用最多的膜材料，主要用于反渗透、纳滤、超滤、微滤，在气体分离和渗透蒸发中

9、也有应用；2）芳香聚酰胺类和杂环类：目前主要用于反渗透，聚酰亚胺是近年开发应用的耐高温、化学稳定性好的膜材料，目前已用于超滤、反渗透、气体分离膜的制造。,36,3）聚砜：超滤、微滤膜的主要材料，由于其性能稳定，机械强度好，所以可用作许多复合材料的支撑材料。4）聚丙烯腈：超滤、微滤膜的常用材料，它的亲水性使膜的水通量比聚砜大。5）硅橡胶类、聚烯烃类、含氟高分子：多用作气体分离和渗透汽化膜材料。,37,无机膜有金属膜、陶瓷膜、分子筛膜等。结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。优点：耐高温、耐溶剂、耐生物降解和有较宽的PH适用范围。缺点：制造困难，价格贵。,38,4、膜性能的表示法,膜的

10、性能：分离透过特性：分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个方面。物化稳定性：膜的强度-允许使用压力、温度PH值；化学稳定性（对有机溶剂和化学药品的抵抗性）。,39,5、分离效率对于不同的膜分离过程和分离对象用不同的表示方法。对于溶液中盐、微粒和高分子物质的脱除等可以用脱盐率或截留率R表示。R=(C1-C2)/C1100C1、C2分别表示原液和透过液中被分离物质（盐、微粒和高分子物质）的浓度。,40,对于某些混合物的分离，可以用分离因子或分离系数表示。=/=yA/xA式中：xA、yA分别表示原液（气）和透过液（气）中A的摩尔分数。,41,渗透通量J：通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示。k

11、mol/m2.h(s)或kg/m2.h(s),42,通量衰减系数：由于过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因，膜的渗透通量随时间衰减，可用下式表示：J=JomJo初始时间的渗透通量，kg/m2.h(s)；使用时间，h(s)；J时间时的渗透通量，kg/m2.h(s)；M衰减系数。,43,1、板框式,11.4膜组件,44,2、圆管式,圆管式膜组件的机构主要将膜和支撑体均制成管状。,45,螺旋卷式膜组件是将做好的平板膜密封成膜袋，在两膜袋间衬以网状间隔材料并紧密地卷绕在多孔中心管上制成。,3、螺旋式膜组件,46,将几十万根或更多的中空纤维束的一端封死，另一端固定在管板上，再装入圆筒型耐压容器内制

12、成。特点是自承式。,4、中空纤维式膜组件,47,11.5膜分离过程简介,1、反渗透,渗透现象：即纯溶剂通过半透膜由纯溶剂一侧向溶液一侧的自发流动过程。渗透压：渗透过程达平衡时半透膜两侧形成的压差。,48,反渗透：在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差大于溶液的渗透压(p)，溶剂从溶液一侧向纯溶剂一侧液流动。反渗透是利用反渗透膜选择性地只通过溶剂（一般为水）的性质，对溶液施加压力克服溶剂的渗透压，使溶剂从溶液中透过反渗透膜而分离出来的过程。,49,在一定的温度压力下，纯水的化学位为而盐水的化学为=+RTlna纯水的活度为1，而溶液中水的活度一般小于1，RTlna0纯水的化学位大于溶液中水的化学位，所以

13、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学位相等时渗透达到平衡，此时，两侧的压力差称为渗透压。,50,渗透压是每个物质都具有的一种物性。渗透压与溶液中盐的浓度有关，盐浓度渗透压。低渗透压的溶液高渗透压溶液渗透。如果溶液中施加的压力P(P2-P1)大于膜两侧的渗透压差时，溶液中的水向纯水方向传递。这种在外压作用下使渗透现象的逆转过程称为反渗透。溶质不能或很难透过半透膜，溶液侧失去了水而增浓。,51,对多组分物系的稀溶液，可用扩展的VantHoff(范特荷夫)公式计算溶液的渗透压=RT式中：R-气体常数;ci-溶质摩尔浓度，mol/l;,52,反渗透过程的机理与

14、传质方程：反渗透膜微孔孔径2nm,而一般无机离子直径为0.1-0.3nm,形成水合离子后水合离子的直径为0.3-0.6nm。用筛分作用无法解释反渗透机理。,53,目前已提出多种反渗透机理，最典型的有溶解扩散模型；优先吸附-毛细孔流动模型。由1960年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上提出的，是当前比较流行的膜传递理论之一，也是用反渗透进行海水淡化等脱盐过程设计的基础。,54,优先吸附-毛细孔流动机理1）膜与无机盐的稀溶液接触时，水优先被膜表面吸附，形成纯水层，其厚度t=1nm;2）无机离子受到排斥，不能进入纯水层。离子的价数越高，受到的排斥力越强；,55,3）当外压P的作用下，当

15、膜表面的有效孔径2t时，透过的是纯水；如果有效孔径2t时，溶质也透过膜，而且有效孔径越大离子泄露越多；4）当膜上的毛细孔孔径=2t时能得到最大纯水透过量。这一孔径称为临界孔径。由此看出，膜表面的物化性质（吸附水、排斥离子）和合适的微孔孔径是实现反渗透操作的必要条件。,56,溶解-扩散机理由Lonsdale和Riley等人于20世纪60年代中期提出的。该机理认为溶剂和溶质透过膜的过程分为三步：1）溶剂和溶质在膜的上游侧吸附溶解；2）溶剂和溶质在化学位梯度作用下，以分子扩散形式透过膜；3）透过物在膜下游侧表面解吸。溶剂和溶质在膜中的溶解度和扩散系数是该机理的核心参数。,57,渗透通量：Kimura

16、-Sourirajan模型求算溶剂和溶质渗透通量。1）溶剂的渗透通量JW=A(P-)JW-水的渗透速率或渗透通量，kmol/m2.s或mol/(cm2.s);P-膜两侧的压力差，Pa;-膜两侧溶液的渗透压差，Pa;A-水的渗透系数，g/(cm2.s.Mpa)，表示纯水透过膜的特性，它与a膜材料和膜的结构形态b操作温度和压力有关，一般用纯水实验测定。,58,2）溶质的渗透通量Js=(cRxA,RcPxA,P)Js溶质的渗透速率或渗透通量，kmol/m2.s或mol/(cm2.s);cR-料液在膜表面处的浓度，kmol/m3或mol/cm3;cp-透过液在膜表面处的浓度，kmol/m3或mol/c

17、m3;xA,R-料液在膜表面处的摩尔分率；xA,P-透过夜在膜表面处的摩尔分率；-溶质的渗透系数，m/s;DA,M-溶质在膜中的扩散系数，m2/s;,59,-膜的厚度，m;KA分配系数，因为溶质在膜中的浓度无法测定，故常用分配系数KA与膜表面出浓度表示，即KA=cA,MxA,M/cRxA,R可以反映溶质透过膜的特性，其数值小，表示溶质透过膜的速率小，膜对溶质的分离效率高；与溶质和膜材料的物化性质、膜的结构形态及操作条件有关。,60,浓差极化：在反渗透过程中，大部分溶质被截流，溶质在膜表面附近积累，因此从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界层，溶质在膜表面的浓度CAi大于料液主体浓度CA1

18、。此现象称为浓差极化。,61,传质机理与模型,浓度极化模型,62,浓差极化对反渗透过程的影响：1）由于浓差极化，膜表面处溶质浓度，当P一定时，过程的推动力（P-），渗透通量J；2）随渗透通量JW,浓差极化比急剧地增加，溶质的JA,截流率。说明浓差极化的存在对JW的提高提出了限制。3）当膜表面处溶质浓度高于溶解度时，在膜表面上出现沉淀，形成凝胶层，透过膜的阻力。料液主体浓度xA1不能高于一定值。海水用反渗透处理时，水的利用率受到了限制，水和盐不能完全分离。,63,由此看出，膜分离中完全避免浓差极化是不可能的。但可以采取如下措施减小浓差极化：1）提高料液的流速，增加湍流程度；2）提高操作温度，使溶质的溶解度增加；3）对膜表面进行定期清洗等。,64,渗透通量的影响因素操作压差P:P,JW,但浓差极化比，；能耗；应权衡之后选择最佳操作压差P。操作温度T:T,水的渗透系数A,JW;但温度的升高受膜耐温性的影响。料液流速：料液流速，传质系数，JW;料液的浓缩程度：浓缩程度，水的回收率。但，（P-），JW，还引起膜污染。膜材质与结构：膜材质与结构是膜分离的核心。研究性能好的膜材质与制膜工艺是膜分离研究的主攻方向。,65,四、影响膜分离速度的因素1、操作形式2、流速3、压力4、料液浓度,66,膜污染,67,五、膜的污染与清洗1、膜污染的原因（1）凝胶极化引起的凝胶层（2