《膜分离技术》PPT课件.ppt

1、膜分离技术概论,膜分离技术概论,主要章节和学时: 32学时 第1章 导 论 第2章 膜材料和膜制备 第3章 反渗透 第4章 超滤和纳滤 第5章 微滤 第6章 气体膜分离 第7章 其它膜过程 第8章 膜分离过程强化 第9章 21世纪膜分离技术的发展,第1章 导 论,1.1 分离技术在人类生产和生活中的重要作用 1.2 分离和膜分离 1.3 膜分离的基本原理 1.4 膜分离技术的特点 1.5 膜分离技术的发展史 1.6 膜分离的应用及市场 1.7 发展中的膜科学,1.1 分离技术在人类生产和生活中的重要作用,地球上的物质，绝大多数是与其他物质混在一起的(称为混合物)。天然存在的单纯物质少之又少。生

2、产实践证明，将地球上的各种各样混合物进行分离和提纯是提高生产和改善生活水平的一种重要途径。 冶炼术的发明 放射性铀的同位素分离成功 水和空气中微量杂质除去的分离技术 深冷分离技术 蒸馏、吸附、萃取等分离技术,当代工业的三大支柱是材料、能源和信息。这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。,1.2 分离和膜分离,将自然界的混合物分开可以采取各种方法。例如: 蒸馏 吸附方法 变压吸附方法 混合物之所以能被分离，是由于它们之间的物理或化学性质有所差异。我们就是利用这些差异将其分开的。性质完全相同的物质称为元素和化合

3、物，元素和化合物是不能被分离的。性质愈相近，分离就愈困难，反之亦然。,例如水与油比较容易分开，水与酒精就不易分开。这是因为水与酒精都具有较强的极性(分子上都具有羟基)，而油的分子上只有无极性的C-C键和C-H键。,又如氮与氢较易分离，而氮与氧则较难分开，这是因为氮的相对分子质量为28，氢的相对分子质量为2，二者相差悬殊，而氧的相对分子质量为32，与氮很接近的缘故。,分离技术的发展与人类的生产实践密切相关。伴随着生产力的发展、科学技术的进步，分离的方法也从简到繁、技术从低级到高级、工艺从一种方法到多种联用，不断地改进、创新，提高质量，降低成本，以满足人类对生活改善日新月异的需求。例如：从简单的蒸

4、馏发展到减压蒸馏、多级闪蒸、压汽蒸馏；从简单的吸附发展到变压吸附、气相色谱、高压液相色谱；从筛网发展到精密过滤、膜分离等。,膜分离,膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。顾名思义，膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离新方法。这种薄膜必须具有使有的物质可以通过、有的物质不能通过的特性。膜可以是固相、液相或气相。目前使用的分离膜绝大多数是固相膜。,膜的定义,自然界中存在着这样的物质体系，即在一种流体相(fluid phase)内或两种流体相之间，有一薄层凝聚相(condensed phase)物质把流

5、体相分隔成两部分。这一薄层物质就是所谓的“薄膜”或简称膜(membrane)。 膜可以是固态的或液态的。被膜分隔开的流体相物质可以是液态的或气态的。膜本身可以是均匀的一相，也可以是由两相以上的凝聚态物质所构成的复合体。 膜必定有两个界面，并由这两个界面分别与被其分隔于两侧的流体相物质相接触。,膜的定义,膜不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那些具有一定特殊性能(例如，半透、电学、光学、识别及反应等特性)的膜。对分离膜来说，可将它看作是两相之间的一个半渗透的隔层，该隔层按一定的方式截留分子。因此，两相间的膜必须起到隔层的作用，以阻止两相的直接接触。该隔层可以是固体、液体，甚至是气体的，半渗透性质主要是

6、为了保证分离效果。,如果所有物质不按比例均可通过，那就失去了分离的意义了。膜截留分子的方式有多种，例如， 按分子孔径大小截留， 按不同渗透系数截留， 按电荷截留， 按不同的溶解度截留，等等。,物质透过分离膜的能力可以分为两类： 一种借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动； 另一种是以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。,表1-1 主要膜分离过程的推动力,膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的厚度在0.5mm以下，否则，就不称为膜。 膜的特性： 不管膜多薄, 它必须有两个界面。这两个界面分别

7、与两侧的流体相接触。 膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。,反渗透膜装置,膜器,膜分离装置,小型实验室平板超滤膜装置,平板膜、卷式膜支撑材料,管式膜过滤设备,管式膜,1.3 膜分离的基本原理,分离膜具有选择透过特性，所以它可以使混合物质有的通过、有的留下。但是，不同的膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理有的类似，有的完全不一样。 总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段。 (1)根据它们物理性质的不同 (2)根据混合物的不同化学性质,(1)根据它们物理性质的不同,主要是质量、体积大小和几何形态差异，用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过

8、程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于50nm的固体杂质去掉的。,图11 各种膜的截留区段,(2)根据混合物的不同化学性质,主要是溶解和扩散 物质通过分离膜的溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关。混合物质透过的总速度相差愈大，则分离效率愈高，反之，若总速度相等，则无分离效率可言。 物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度，首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度(称溶解速度)，其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。总速度愈大，透过膜所需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈久。,例如反渗透一般用于水溶液除

9、盐。这是因为反渗透膜是亲水性的高聚物，水分子很容易进入膜内，在水中的无机盐离子(Na、K、Cl)则较难进入，所以经过反渗透膜的水就被除盐淡化了。,1.4 膜分离技术的特点,膜分离技术是利用天然或人工制备的具有选择透过性的膜。以外界能量或化学单位差为推动力对溶液中的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和浓缩的方法。,1. 膜分离通常是一个高效的分离过程,例如，在按物质颗粒大小分离的领域，以重力为基础的分离技术最小极限是微米(m)，而膜分离却可以做到将相对分子质量为几千甚至几百的物质进行分离(相应的颗粒大小为纳米，nm)。 又如，与扩散过程相比，在蒸馏过程中物质的相对挥发度的比值大都是个位数，难分离的混

10、合物有时仅比1稍大一点。而膜分离的分离系数要大得多。 如乙醇浓度超过90的水溶液已接近恒沸点，蒸馏很难分离。但渗透气化的分离系数为几百。 再如氮和氢的分离，常规方法不仅要在非常低的温度下进行，而且H2(氢)N2(氮)的相对挥发度很小。在膜分离中，用聚砜膜分离氮、氢，分离系数为80左右，聚酰亚胺膜则超过120。,2. 膜分离过程的能耗(功耗)通常比较低,大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。对比之下，蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附等分离过程，都伴随着从液相或吸附相至气相的变化，而相变化的潜热是很大的。另外，很多膜分离过程通常是在室温附近的温度下进行的，被分离物料加热或冷却的消耗很小。,3. 多数膜

11、分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理,膜分离在食品加工、医药工业、生物技术等领域有其独特的适用性。例如，在抗生素的生产中，一般用减压蒸馏法除水，很难完全避免设备的局部过热现象，在局部过热地区抗生素受热后被破坏，产生有毒物质，它是引起抗生素针剂副作用的重要原因。用膜分离去水，可以在室温甚至更低的温度下进行，确保不发生局部过热现象，大大提高了药品使用的安全性。又如，在食品工业中，用膜分离代替传统的蒸馏除水，使很多产品在加工后仍基本保持原有的营养和风味。,4. 膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简便，而且从开动到得到产

12、品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。 5. 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。6. 膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变。,例如，在合成氨生产中，只需在尾气(废气)排放口接上氮氢膜分离器，利用原有的反应气中压力，就可将尾气中的氢气浓度浓缩到原料气浓度。这样，用管子直接输送到生产车间就可作为氢的原料气使用。就这样一个简单的膜分离装胃，使合成氨产量在不增加原料和其他设备下提高4左右。,膜分离技术的特点,1. 膜分离通常是一个高效的分离过程。 2. 膜

13、分离过程的能耗(功耗)通常比较低。 3. 多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理。 4. 膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简便，而且从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。 5. 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。 6. 膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变。,1.5 膜分离技术的发展史,1 748年Nollet发现渗透现象 19世纪中叶Graham

14、发现了透析(Dialysis)现象人们才开始对膜分离现象重视起来并开始研究 1864年，Traube才成功地制成人类历史上第一张人造膜-亚铁氰化铜膜。 Preffer、 Vant Hoff 1911年Donnan研究了荷电体传递中的平衡现象。 1930年Treorell、Meyer、Sievers等对膜电动势的研究，为电渗析和膜电极的发明打下了基础。 1950年WJuda等试制成功第一张具有实用价值的离子交换膜 1960年在膜分离技术的发展史上极为重要。这一年Loeb和Sourirajan共同发明一种新的制膜技术，他们用这一新技术制造出具有高脱盐率和高透水量的醋酸纤维素反渗透膜。,近半个世纪以

15、来，膜分离工业得到了长足的发展主要膜分离过程的发展进程。,3,膜分离技术之所以能在近半个世纪内得到迅速发展、脱颖而出，有以下三个方面的原因,首先，膜分离技术经过近200年的研究积累，已经形成厂较为完整、系统的基础理论。在坚实的基础理论之上，它才能快速发展。 其次，近代科学技术的发展为分离膜的研究和制造创造了良好的条件。 最后，是现代工业迫切需要节能、低品位原材料再利用和能消除环境污染的生产新技术。大部分膜分离过程是最节能的分离方法。水资源再生、低品位原材料的回收和再利用、环境工程中的污水和废气处理等，都与膜分离技术密切相关。所以，膜分离技术是应时代的需要而出现的，应该说这是促进膜分离技术最重要

16、的因素，最强大的推动力。,20世纪60年代以来，膜分离技术的研究与开发一直受到各国政府和工业、科技界的高度重视。,许多国家建立厂与膜分离技术开发密切相关的政府管理机构。近年来从战略的高度加强了投资。例如： 欧洲共同体将膜技术列为9个优先发展的课题之一，仅水处理一项每年就投资3亿法郎。 美国一些大公司(Monsanto、Dow、Dupont、A1lied等)已对膜分离技术的开发计划做出了相应的调整，增加了力度，加快了步伐。 在国际膜会议上，多次对膜分离技术在2l世纪的多数工业的技术改造中所扮演的战略角色进行了讨论。,1.6 膜分离的应用及市场,1925年世界上第一个滤膜公司(Sartorius)

17、在德国Gottingen(哥廷根)成立。 20世纪50年代电渗析开始在工业上推广应用。 60年代以后，反渗透、超滤、气体分离等多个膜分离过程相继应用于各个工业领域(表1-6)。本书后面章节将通过具体事例，全面、详细介绍膜分离技术在各工业领域的主要应用情况以及所取得的经济与社会效益。,表1-6 膜分离的工业应用,1950年与膜分离技术相关的工业产品年销售量为500万美元。1981年增加到5亿美元。2005年已经超过300亿美元，并且正以年均30的速度高速增长 。 膜分离工业的增长速度很快。下图是8种主要分离膜19901995年的年销售额增长情况。在大多数工业中，膜的费用占整个设备的2540。,例

18、1： 膜材料和海水淡化被天津市确立为循环经济重点发展技术,据人民网天津视窗2009年1月15日讯 从天津市发改委获悉，为了提高城市功能和资源有效配置率，有关部门将按照上下游产业对接的原则发展具有行业特色的循环经济技术和产业链条，并重点发展15项循环经济技术，从而深层次推动本市建设资源节约、清洁生产和资源综合利用型城市的步伐。 包括：生态产业链的链接技术，节能和能源效率改进技术，可再生能源技术，能源高效存储及转换技术，核能安全利用技术，绿色化工过程及其装备技术，石化下游产品和精细化工产品开发技术，膜技术与膜材料，绿色制造技术，水资源优化配置与综合开发利用技术，综合节水技术，海水淡化及综合利用技术

19、，资源节约、循环利用与再制造技术，污染防治与生态修复技术，绿色建筑与建材技术。借助循环经济技术，到2012年，天津市主要工业固体废物综合利用率将达99%，城市生活垃圾无害化处理率将达95%。,例2： 膜技术开始在林产资源精深加工中扮演集成创新技术的重要角色,据中国化工网2009年1月7日讯 林产化工产品正逐渐成为我国农林特产资源高效开发利用技术研究的亮点。从中国林业科学研究院林产化学工业研究所了解到，“十一五”国家科技支撑计划重点项目该所承担的松脂水性化加工技术研究和绿色化工产品开发课题，以及龙源天然多酚合成厂承担的特色生物化工资源精深加工产品开发项目，攻克了一批关键技术，形成了系列精深加工林

20、化产品。这两个项目已通过国家林业局等部门组织的验收。 其中，特色生物化工资源精深加工产品开发项目以五倍子和塔拉为原料，采用分级膜过滤、螯合吸附和氧化及相转移催化等集成创新技术，生产出电子级2,3,4,4-四羟基二苯甲酮和2,3,4-三甲氧基苯甲酸及高纯度食用单宁酸。据了解，这两项课题在实施期内，通过迅速产业化已取得了经济效益。其中，特色生物化工资源精深加工产品开发项目新增产值550万元。,例2：新加坡美能中空纤维膜项目即将在绵阳科技城建成投产,绵阳日报记者侯治强 / 时间：2009-2-16 绵阳科技城按照市委五届十次全会“四个加快”的要求，紧紧把握灾后重建、扩大内需的机遇，通过加快推进工业项

21、目建设，创新科技城投融资平台，强力推进自主创新、产业发展、军民结合、城市建设等各项工作，目前，科技城各项产业项目进展顺利。新加坡美能中空纤维膜项目、广州金发聚酯薄膜项目等即将建成投产。据不完全统计，2009年度，科技城范围计划新开工投资千万元以上工业项目119个，总投资超过200亿元。,例4： 老字号会稽山以膜分离的“尚海派养生型商务酒”推向上海,据文新传媒2009年2月5日讯 作为黄酒行业龙头企业，会稽山是中国黄酒规模最大的，历史、品牌内涵丰富，人脉、文脉资源富足的百年老字号，为中国黄酒的创新发展作出了重要贡献。2005年，会稽山与上海佳惠公司合资成立上海新佳惠实业有限公司，以1.5亿元控股

22、嘉善黄酒，专为上海市场推出“尚海派养生型商务酒”。 据介绍，尚海派定位中高档商务人士，以会稽山260多年的悠久历史和精湛酿艺为依托，汲鉴湖上游至醇之水，以拥有自主知识产权的现代生物工程和膜分离等黄酒集成降度技术为依托，辅以异麦芽低聚糖、枸杞等良好的养生功效，秉承会稽山高贵血统，酒香清雅怡人，酒体甘醇柔和，符合上海消费者口感需求。,例5： 江苏南通双鹤集团印染废水膜深度处理在金融危机中显效,据中华纺织网2009年2月6日讯 观音山镇是南通市崇川区色织业大镇，色织行业销售额占全镇工业总销售额的85%。全球金融危机对色织行业带来了不小的影响，去年规模企业产值增幅达到14.21%，多年来第一次低于全镇

23、工业总产值的增幅。在企业和政府的共同努力下，观音山一批色织企业从容应对金融危机。 江苏双鹤集团是一家老企业，利用现有资产建立了纺织印染工业园区，吸引了40多家企业入园，其中有污染源的企业10多家。工业园区建立后，双鹤集团一直没有放松节能减排工作，用于废水前期处理的投入达到800万元。去年9月，投资800万元的废水回用项目正式投产，项目应用“膜技术”对印染废水深度处理回用于生产，项目年水回收利用率大于55%，水资源重复利用率达到70%，一年可回用废水30万吨。园内相关企业因此提高了产量，降低了成本，增强了市场应对能力。,例6： 印染废水大通量膜处理及回用技术与产业化获国家科技进步奖,据新华网20

24、09年1月10日讯 记者从福建省科技厅获悉，在9日举行的国家科学技术奖励大会上，福建省共有5项科研成果荣获2008年度国家科技进步奖二等奖。由中国纺织工业协会推荐的，由东华大学、鲁泰纺织股份有限公司、福建凤竹纺织科技股份有限公司、江苏倪家巷集团有限公司、江阴清源水处理有限公司承担的，由奚旦立、陈季华、刘振鸿、李方、徐淑红、杨波、田晴、马春燕、王方水、常向真等完成的“印染废水大通量膜处理及回用技术与产业化”项目获国家科学技术进步奖通用项目类二等奖。,例7： 昆明市盘龙区44家涉污企业集资建成膜过滤污水处理站,据云南电视网2009年2月3日讯 金汁河属盘龙区内的主要入滇河道，作为穿城而过的城市主要

25、河流之一，多年来河道水质一直为劣5类水，污染严重。尤其是处于上游端的竹园村片区一向被称为“重灾区”，这里常驻人口及流动人口约1200多人，共有涉及食品加工、金属加工、木材加工、餐饮、包装、塑料加工、铸造等的61家小企业，日产生污水380立方米左右。而长期以来，由于北市区片区截污干管仅铺设到北辰大道，因此金汁河北辰大道以上河道沿岸的生产废水、生活污水都是直接排进河道内。 据悉，竹园村污水处理站是全市首个“集资共建”污水处理站，总投资180万元，其中44家企业共出资100.8万元，和政府共建。于去年10月动工并于12月28日竣工试运行。这个占地面积400平方米的污水处理站内犹如小花园，处理工艺主要采用生化预处理、膜过滤，每天处理水量为410立方米，处理后的水质达到一级A排放标准，目前已经用于绿化等景观用水。,例8: 成都按新标准建成的膜法垃圾渗滤液处理工程将试运行,据中国水网2009年2月18日讯 垃圾山中渗出散发着恶臭的黑水，泛着令人望而生厌的彩色泡沫，污染程度是生活污水的100倍。投资9926.29万元的成都市固体废弃物卫生处置场垃圾渗滤液处理工程已完工，并通过了市发改委审批，将于3月开始试运行。据悉，自从去年国家环保总局提高了生活垃圾填埋污染控制标准后，成都成为全国首个按照