第二章 膜分离技术.ppt

1、第二章为膜分离技术，在第一节中进行了总结。首先，膜分离技术的简史。1784年，法国学者阿贝内尔基(Abble Nelkee)发现水可以自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱中，首次揭示了膜分离现象。1855年，Fick制造了超滤半透膜。1861年，托马斯格雷姆发现了透析。20世纪60年代中期，膜分离技术的发展进入了一个新时代。里德、苏瑞拉扬等。20世纪80年代以来，膜技术进入了高速发展阶段。自20世纪90年代以来，膜技术的发展一直相对稳定。2.膜的类型1。根据膜的性质：天然膜和合成膜。2.根据膜结构，它分为多孔膜、致密膜和液膜。3.根据膜的作用机理，可分为吸附膜、扩散膜、离子交换膜、选择性渗透膜和非

2、选择性膜。几种常见的膜。多孔膜膜中的孔一般为0.0520平方米。致密膜也称为均质膜。它是一种均匀的薄膜，没有多孔结构，类似于一团纤维，物质只通过聚合物链段之间的自由空间。3.不对称膜由薄但致密的分离层和多孔支撑层组成。支撑层(100200 m)的孔径大于分离层(0.11 m)的孔径。4.复合膜的选择性膜层(活性膜层)沉积在具有微孔的支撑层表面，就像非对称膜的连续表层一样，只是表层和底层是不同的材料，而非对称膜是相同的材料。5.无机膜无机膜是一种新型的膜。不对称的膜结构，组分的通量与膜厚度成反比，所以为了获得高通量，真正起选择性作用的膜层应该尽可能薄。无机膜具有一些突出的优点：(1)化学稳定性好

3、，能抵抗强酸、强碱、化学溶剂和强氧化剂。(2)良好的热稳定性和耐高温性。(3)流量大，污染少。(4)机械强度高，使用寿命长。(5)恶劣条件下的清洗作业(如蒸汽灭菌、高压反冲洗等)。)是允许的。无机膜有三种：致密膜、多孔膜和复合不对称改性膜。无机多孔膜的三种结构：膜材料、有机膜材料、纤维素衍生物材料：醋酸纤维素、硝酸纤维素等。2.聚砜：的性能优于纤维素。3.其他高分子材料：机械强度高、酸碱度范围宽、耐高温的无机膜材料，如金属、金属化合物、陶瓷、玻璃和沸石。醋酸纤维素膜材料的特点，(1)它有两个优点：高过滤流量和良好的保留性能。(2)原料来源丰富，价格低廉，可生物降解。(3)不耐高温，游离氯低于1

4、毫克/千克，酸碱度为28。(4)易被细菌和酶降解。(5)膜结构在长期压力下会变得紧密，这将减少截留。聚砜膜具有以下特点：(1)较高的滤液流量和较好的截留性能。(2)耐75高温；耐酸碱度范围广，达到酸碱度113。(3)耐氯性强，耐游离氯高达50毫克/千克。(4)耐压不高，一般低于0.17兆帕。表征膜性能、膜的物理化学稳定性的参数：膜的强度、允许压力、温度、酸碱度以及对有机溶剂和化学物质的耐受性是决定膜使用寿命的主要因素。膜1的分离性能。分离效率：表观废品率2。渗透通量3。通量衰减系数：Jw=V/St，Jt=J1tn。六.膜分离技术的原理，它利用天然或合成膜和外部压力或化学电位差作为驱动力来分离、

5、分类、纯化或富集两种或多种组分的溶质和溶剂，统称为在常温下有效成分损失少，特别适用于热敏性物质如抗生素等药物、果汁、酶和蛋白质的分离和浓缩，无需相变即可保持原有风味，能耗极低，其成本约为典型物理分离过程的1/3-1/8，蒸发浓度或冷冻浓度不发生化学变化，无需化学试剂和添加剂，产品无污染，对分子水平的物质分离具有良好的选择性。性能优异，适应性强，连续或间歇处理，工艺简单，操作方便，易于自动化，是普通滤料无法替代的。七.膜分离的优点。八.膜分离技术在食品加工领域的应用。(1)膜分离技术在饮料工业中的应用(2)膜分离技术在乳品工业中的应用(3)膜技术在大豆蛋白分离中的应用(4)膜分离技术在食品色素精

6、制生产中的应用(5)膜分离技术在酿酒工业中的应用(6)膜分离技术在酱油和醋生产中的应用(7)膜分离技术在酶制剂工业中的应用， 第2节反渗透分离技术渗透压：渗透进行到溶液侧的压力足够高，使溶剂分子不再渗透，此时达到平衡。 平衡期间膜上的压差。反渗透：溶剂分子将从溶液侧渗透到溶剂侧。反渗透是通过向溶液施加压力以克服溶液的渗透压，从而通过反渗透膜将溶剂从溶液中分离出来的过程。水分子渗透的驱动力叫做渗透压。反渗透最大的特点是它可以拦截大多数与溶剂分子数量级相同的溶质，获得相当纯净的溶剂(如水)。(2)反渗透膜的渗透机理，(1)氢键和结合水孔的有序扩散模型，(2)优先吸附毛细管流模型，(3)溶解扩散模型

7、，氢键和结合水孔的有序扩散模型，里德提出对于醋酸纤维素膜，水与醋酸纤维素羰基上的氧原子形成氢键形成结合水。在压力的作用下，溶液中的水分子与醋酸纤维素羰基上的原子形成氢键，而原来的水分子形成氢键。膜的多孔层中有大量的毛细水，水分子可以顺利地流出膜孔扩散，并优先吸附毛细流动模型。Sourirajan提出，当水溶液与亲水膜接触时，它排斥溶质，因为膜吸收水，所以在膜表面形成纯水层；这层水在外部压力的作用下进入膜表面的孔隙，并通过孔隙流出。当膜表面的有效孔径等于或小于纯水层厚度t的两倍时，纯水被传输，当它大于两倍时，溶质也将通过膜。-临界孔径2t。为膜材料的选择和膜的制备提供了理论依据。它优先吸附毛细管

8、流模型图和溶解扩散模型。该模型认为，膜是一个完全致密的中性界面，在化学电位差的驱动下，膜料液侧表面无孔渗透物的吸收和溶解决定了膜在第二阶段的渗透速率。速率=驱动力/阻力。第四，影响反渗透运行的因素。(1)浓度极化：边界层附近形成浓度梯度，靠近膜表面的溶质浓度最大。这种浓度梯度被称为浓度极化。浓差极化边界层形成的结果是降低了膜系统的透过率和分离能力。边界层阻力远大于膜阻力，它将逐渐成为阻止渗透的主要阻力，因此会严重影响流体的传输速率。因为边界层的存在也增加了对溶剂和小分子溶质渗透的阻力反洗(使逆流液体以与进料液体相反的方向间歇地流入膜系统)、膜或进料液体的超声波处理(促进溶质的均匀扩散)、增加液

9、体的湍流度(在进料通道入口处设置静态搅拌器、金属管或流化床等)。可增加液体的湍流度)，改变操作模式(切向流或横流过滤)，提高膜的性能；(2)膜压实，当反渗透压力高时，膜会变形而不渗透。改进方法：提高膜的机械强度，减少膜的变形。同时，膜被定期反洗以恢复膜的原始孔。(3)膜的降解，化学降解：膜材料在碱性和强酸性液体的影响下发生水解。避免方法：酸碱度调节；化学性质稳定的膜材料的生物降解是微生物在膜上繁殖的结果，可以通过清洗或消毒来处理。(4)膜污染，主要由悬浮物、离子化合物或盐组成。悬浮物可以通过预处理去除，离子化合物和盐可以通过螯合去除。5.反渗透膜的基本要求是高透水性和高去除率；该膜耐压高，致密

10、性好，化学稳定性好，可在较高温度下使用，具有良好的抗污染性能。(1)纤维素膜(2)聚酰胺膜(3)复合膜，钙膜的结构与合成。合成方法：是通过纤维素与乙酸酐-乙酸混合物(或乙酰氯)反应，使用H2SO4作为催化剂(HClO4、BF3等)制备的。也可以使用)。醋酸纤维素是纤维素酯中最稳定的物质。酯化过程中主链断裂。因此，ca的n=100200。近年来，反渗透膜有被性能更好的芳香族聚酰胺复合膜替代的趋势。以二氨基二苯砜和间苯二甲酰氯为原料，采用低温缩聚法或间苯二甲酸高温缩聚法合成了聚砜酰胺。PSA膜具有良好的化学稳定性，特别是优异的抗氧化性。6.反渗透膜组件。反渗透膜组件的结构有管状、扁平、中空纤维和螺

11、旋形。膜组件，滞留物，图2-10中空纤维膜组件(动画)，进料，渗透物，中空纤维，滞留物，中空纤维膜分离器(实验室用)，中空纤维膜分离器(工业用)，收集管，进料，进料，膜，渗透物，浓缩液，隔离垫，隔离渗透流，渗透流收集管，指向渗透流的箭头，螺旋膜分离器(工业用)，第七部分。反渗透系统的工艺流程、膜组件和泵组成膜分离装置。工业过程可以分为两种基本形式：单向过程和循环过程。单向过程、再循环开环过程、再循环闭环过程、阶段和区段，阶段一是指进料液体通过加压反渗透分离一次；二次意味着进料液体必须通过二次加压反渗透进行分离。在同一层次上，以相同方式排列的组件称为一个段。多级和多级回收过程；8.反渗透的应用；

12、(1)果汁浓度；(2)去除葡萄酒中的酒石；(3)超滤分离技术；(1)压差驱动的筛分过程。一般认为超滤截留的溶质的相对分子质量大于500。2.超滤切向过滤的运行特性：3.边界层中的浓差极化和膜污染、传质和浓差极化；膜渗透流速取决于边界层中的传质。膜污染是指料液中的某些组分沉积在膜表面或孔隙上，导致膜渗透率降低的现象。浓差极化和膜污染会降低膜渗透流速，导致超滤不能长期稳定。如何解决？控制措施：预先过滤，去除料液中的大颗粒；提高流速，减小边界层厚度，提高传质系数；选择合适的操作压力和料液粘度，避免增加沉淀层的厚度和密度；采用具有抗污染性能的改性膜；定期清洗和反冲洗膜。4.超滤操作、单级连续操作和多级

13、连续操作；5.超滤在食品工业中的应用：1.在乳品工业中的应用；2.在果汁澄清中的应用：3.在酱油酿造中的应用：4.乳品工业中的应用反渗透和超滤技术在乳品工业中最重要的方面是乳清蛋白回收和牛奶浓缩。(1)从乳清中回收蛋白质，BOD是生化需氧量，是指好氧微生物在一定时间内氧化分解有机污染物所消耗的氧气量，是水中有机污染物含量的综合指标。生化需氧量越高，水中的有机物越多。(2)脱脂牛奶的浓缩，图9-30卡门伯特生产过程中超滤和反渗透的应用，第4节液膜分离技术，一、液膜的分类液膜顾名思义是一层很薄的液体。它能分离两种互溶的溶液，并通过渗透作用起到分离一种或一种物质的作用。液体可以是水溶液或有机溶液。当

14、两种分离的溶液为亲水相时，液膜应为油型，当分离的溶液为亲油相时，液膜应为水型。液膜根据其不同的结构和运行方式，主要分为支撑液膜和乳化液膜。图2-31乳化液膜、油乳液示意图乳化液膜是将两个不互溶的相，即内相(循环液)和膜相(液膜溶液)充分乳化，然后在搅拌下将乳液分散在第三相(即外相)中制得的。通常，内相和外相是互溶的，而膜相既不溶于内相也不溶于外相。在液膜分离过程中，待萃取的目标物质在膜的原料侧(外相侧)的界面处进入膜相，同时在膜的接收相侧(内相侧)释放物质，从而达到与原料中其它组分分离的目的。因此，液膜分离方法是在膜的两侧同时提取和汽提(或吸收和解吸)的操作。根据聚合物凝胶层中的化学反应或带电

15、材料的静电作用，通过在表面张力的作用下将溶解有载体的液膜浸入多孔载体的微孔中来制备支撑液膜。由于液膜分布在多孔载体上，它可以承受更大的压力，具有更高的选择性，因此可以满足合成聚合物膜不能满足的分离要求。支撑液膜的分离性能与支撑材料、膜厚度和微孔直径有关。一般来说，载体的孔径越小，液膜越稳定，但孔径越小，孔隙率越低，这将降低传输速度。二是液膜的组成，表面活性剂是液膜的主要成分之一，主要用于控制液膜的稳定性。常用的油膜表面活性剂是Span809脱水山梨糖醇单油酸酯，水膜表面活性剂是皂角苷。1%-5%的膜溶剂是膜的主体。为了保持液膜的稳定性，要求溶剂具有一定的粘度。溶剂不溶于膜的内相和外相。在油膜中

16、，国外通常使用S100N(中性油)和ISOPAM(异链烷烃)作为溶剂。约90%的膜增强剂要求液膜在分离过程中具有一定的稳定性，并且在破乳阶段容易破裂。为了将两者统一起来，通常使用添加剂。在液膜分离中，流动载体是实现分离和传质的关键。流动载体主要包括离子载体和非离子载体，而离子载体又分为带正电荷的载体和带负电荷的载体1%-5%，3)液膜分离机理，(1)无载体扩散迁移，1)简单扩散迁移，2)化学反应液滴中的化学反应(类型促进迁移)，2)基于载体的扩散迁移，1)同向迁移，2)反向迁移，(1)无载体扩散迁移，1)简单扩散迁移，仅通过膜中待分离的组分。下图显示了两种不同碳氢化合物(A和B)的混合液体。由于它们在液膜中的渗透速度不同，经过一定时间后，甲能穿透膜而乙不能，从而达到分离的目的。2。化学反应液滴中的化学反应(类型促进迁移)，下图显示进料液体中的分离物质通过膜进入液滴，并与液滴中的试剂反应形成磷，而产