膜分离技术简介

1、膜分离技术简介,王振芳,膜分离过程特点,所有的分离过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差异进行分离。 过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差异的分离过程。常规的过滤一般是指固液分离或气液分离。 膜分离过程将这一应用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分离。即以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。 不同的膜分离过程中所用的膜具有一定的结构、材质和选择特性;被隔开的两相可以是液态，也可以是气态;推动力可以是压力梯度、浓度梯度或电位梯度，所以不同的膜分离过程的分离体系和适用范围也不同 。 膜分离有希望代替精馏。从国内情况

2、看，实验室研制应用好，但转化为生产规模有难度。尤其是膜的质量、膜的组装、密封等。,膜技术的应用,膜的商业应用： 20C60S第一代膜技术，液体分离，微滤、超滤、反渗 透、电渗析。 20C70S，第二代膜技术，气体分离膜技术。 20C80S第三代膜技术，渗透汽化 深度处理-是指在常规处理工艺后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证水质。 常用深度处理的方法主要有:活性炭吸附，臭氧氧化，生物活性炭，膜技术等，其中，膜技术看来是最有前途的一种方法。膜处理法具有良好的调节水质的能力，去除的污染物范围比较广，从颗粒杂质到离子，细菌和病毒无一幸免。并且

3、其能耗低、操作简单、出水水质良好且稳定. 在水处理领域，反渗透、微滤、超滤、纳滤等压力驱动膜分离过程的应用更为广泛。而与反渗透相比，超滤由于操作压力低，能耗小等独特的优点在国外常常被用于替代常规处理或深度处理，并且其应用研究日益受到广泛关注。 由于我国近几年在膜生产的技术和工艺上有很大改进，使得超滤技术的应用更加广泛。它在处理含油废水，电镀废水，含酚废水，食品加工废水等方面具有明显的优势和巨大的潜力。超滤法可使纺织浆的聚乙烯醇(PVA)废液浓缩回用，使印染废水中的染料和水同时回用。此外，超滤还可成为每年数亿吨含油废水回注的关键技术。,各种膜过程的分离机理,符号缩写,D-Dialysis 渗析

4、RO-Reverse Osmosis 反渗透 UF-Ultra-filtration 超滤 MF-Micro-filtration 微滤 GS-Gas Separation 气体膜分离 PV-Per-vaporation 渗透蒸发 MD-Membrane Distillation 膜蒸馏 ME-Membrane Extraction 膜萃取 ED-Electro-dialysis 电渗析,不同压力推动膜的孔径范围,压力过滤的分离范围,0.0004-0.02m -10 m -1000 m 离子 大分子 颗粒 反渗透 0.00010.001 m 超滤 0.001-0.02 m 微孔过滤0.02-1

5、0 m 过滤,膜材料及种类,用于分离膜的种类很多。 以高分子材料制成的聚合膜居多。 用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。 无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化学稳定性好，使用寿命长。 陶瓷膜的应用较好。 根据分离过程和分离对象选择合适的膜材料,膜的分类,膜的性能,膜的基本性能包括膜的分离透过特性和物化稳定性两方面。 物化稳定性：膜的空隙率、孔结构、表面特性、机械强度、化学稳定性、允许使用压力、温度、pH值、游离氯允许最高浓度以及对有机溶剂和各

6、种化学药品如的抵抗性。其中孔结构和表面特性对使用过程中的膜污染、膜的渗透流率及分离性能具有很大的影响，化学性能如膜的耐压性、耐高温性、耐清洗性、耐生物降解性等在某些工业应用中也非常重要。 分离透过特性：渗透通量、分离效率、通量衰减系数。 渗透通量：单位时间透过单位膜面积的透过物量 分离效率：不同的膜分离过程和分离对象，表示方法不同。如截留率、脱盐率等 通量衰减：由于过程的浓差极化、膜的压密及膜孔堵塞等原因造成的膜渗透通量随时间的减小。,膜分离设备,膜的分离装置主要包括：膜组件、泵、过滤器、阀门、仪表、管路等。 常用膜组件：板框式、圆管式、螺旋卷式、和中空纤维式。,反渗透简介,我国反渗透技术开发

7、始于20世纪60年代 19671969年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础， 70年代进行中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发， 80年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步人产业化， 反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域工程遍布电力、电子、化工、轻工煤炭、环保、医药、食品等行业 反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组器超低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下，操作压力下降2540，从而降低了系统的能耗和设备材料的要求抗污染反渗透膜的开发，减少了膜清洗的能耗

8、，延长了膜的使用寿命，广泛地应用于污水回用和化工原材料的浓缩提纯 带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级反渗透系统制备14MQ、1015MQ电阻率的纯水、超纯水，实现无酸碱废水污染的洁净工艺耐高温反渗透膜具有90耐温性能，可用于食品、医药等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置耐高压反渗透膜具有90MPa以上的耐压性能，用于二级海水淡化反渗透装置、可使水回收率达到60近20年来，多种高性能和特殊用途的新型反渗透膜组器的研制成功，有力地推进了反渗透应用工程的发展 反渗透工程应用的另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器的有机地组合应用，充分发挥各种膜分离技术的特性，形成一个完整的

9、系统工程，达到浓缩、分离、提纯的目的,反渗透分离原理,渗透是自发过程，而反渗透是非自发过程。反渗透同样可以视作溶液中水的化学势不同引起的水的移动过程。当两溶液的压力差大于其渗透压差时，水的流动可实现非自发过程反渗透过程。 用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过，结果使咸水一侧的液位上升，直到某一高度，此所谓渗透过程；当渗透达到动态平衡状态时，半透膜两侧存在一定的水位差或压力差，此为在指定温度下的溶液渗透压；当咸水一侧施加的压力P大于该溶液的渗透压，可迫使渗透反向，实现反渗透过程。此时，在高于渗透压的压力作用下，咸水中水的化学位升高

10、，并超过纯水的化学位，水分子从咸水一侧反向地通过膜透过到纯水一侧，使咸水得到淡化，反渗透除盐法即基于此原理。 一般反渗透膜微孔尺寸在10A左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低96-99%。,反渗透影响因素分析 压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响,反渗透通量的影响因素,操作压差压差越大，渗透通量越大，但浓差极化比增大，膜表面溶液渗透压升高，推动力不能按比例增大 温度温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，渗透压降低，推动力增大，通量增大。 料液流速流速大，传质系数增大，浓差极化比减小，渗透通量增大。 料液的浓缩程度

11、浓缩程度高，水的回收率高。但渗透压高，渗透通量小，且已造成膜污染。 膜材料和结构决定膜渗透通量的基本因素。,反渗透过程的浓差极化,反渗透过程中，大部分溶质被截留，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高于料液主体浓度，这种现象称为浓差极化。,浓差极化比随时间的变化,浓差极化对过程的不利影响,膜表面浓度升高，溶液的渗透压升高，当操作压差一定，推动力下降，渗透通量下降。 随着渗透通量的增加，浓差极化比急剧增加，溶质的渗透通量也增加，截流率降低。 浓差极化使膜表面溶液的渗透压增高，由此引起水通量下降和通过膜的盐迁移量的上升。倘若在边界层中溶解溶质

12、的浓度超过它的溶解度，则在膜表面上将有沉淀或结垢发生。在如此高的浓度下，胶体物质变得较不稳定，因而它会凝聚和污染膜表面。 减轻浓差极化的有效途径是提高料液流速；增强料液的湍流程度；提高操作温度；对膜面进行定期清洗等。,超滤,超滤 (UF)是一种筛孔分离过程，在静压差为推动力作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，一般称为透过液或渗透液，而大粒子组分被膜所阻拦，使它们在滤剩液中浓度增大。 超滤膜的分离性能主要是指膜的透过率和脱除率，这与膜的孔结构有关，它是以膜对不同分子量的截留率来描述的，相当与分离分级曲线。,中空纤维膜,图2.1.1 中空纤维超滤器示意图,压差对透过率的影

13、响,压差对脱除率的影响,超滤的渗透通量影响因素,操作压差 料液流速 温度 截留物浓度,膜的主要传质机理,溶解-扩散模型，膜的选择透过性是由于不同组分在膜中的溶解度和扩散系数不同而造成的。 孔模型 筛分模型 优先吸附-毛细管流动模型,膜传质,膜表面上传质 膜内传质,膜传质系数的关联式,层流时： （Re1800） Grber 等提出 Sh=0.664（Re）0.5（Sc）0.33（dh/L）0.5 即k与U的指数关系经验式： k=0.664(U/L)1/2D2/3/0.17 湍流时： Dittus和 Boelter 1961年New York提出 Sh=0.023（Re）0.8（Sc）0.33 即k=0.023（U0.8D0