第9章-膜-------化学分离工程

1、1,9 膜分离 Chapter9 Barrier separation,分离工程 Separation Engineering,2,9.1 膜分离概述,一、膜分离是以天然或合成的薄膜为质量分离剂，以压力梯度、浓度梯度、电位梯度、温度梯度等为推动力，根据液体或气体混合物中不同组分通过膜的渗透率的差异实现组分的分离、分级、提纯或富集的过程。,膜分离过程示意图,3,二、人类对膜的认识和研究应用情况 1784年法国Nelkt发现膜分离现象；19世纪人类发现天 然橡胶对不同气体有不同的透过率，由此提出用多孔膜分 离混合气体、细菌、蛋白和极细粒子的超过滤概念; 1864 年Traube成功研制出人类历史上

2、的第一片人造膜(亚铁氰 化铜)；20世纪30年代开始系统研究膜分离技术；40年代 出现基于渗析原理的人工肾；50年代开始研究反渗透； 60年代膜分离技术的研究有了突破的进展（醋酸纤维膜的 成功研制）。近年来，膜分离技术，在海水淡化、环保、 石油化工、生物医药、轻工食品等各领域得到发展。,9.1 膜分离概述,4,三、膜分离技术的主要特征 不发生相变，能耗低； 常温操作，适用于热敏感物质的分离； 适合于特殊溶液-大分子、无机盐、蛋白质溶液等 膜分离装置简单、易控制、分离效果好。 四、分离用膜 、膜应具备的特征： 膜不管薄到什么程度，至 少必须具有两个界面，分别与被膜分开的两侧的流体 物质相互接触。

3、膜应具有良好的选择透过性。,9.1 膜分离概述,5,2、膜的分类和结构形态,9.1 膜分离概述,形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜 制备方法：相转化膜、烧结膜、拉伸膜、溶出膜,图示,6,膜两侧截面的结构和形态相同，且孔径和孔径分布基本一致。疏松的微孔膜和致密均相膜，膜厚度大约在10200m。因膜厚、渗透量低，工业应用少。,膜两侧截面的结构和形态不相同，致密层厚度为0.10.5m ，支撑层厚度大约在50150m。因膜薄，渗透量较高。,在膜分离过程中，渗透通量一般与膜厚成反比。,结构类似非对称膜，但选用材料不同，表层可多层复合。,7,3、膜的材料 膜材料具有良好的成膜性能、物化稳定性、耐酸、 碱、微

4、生物的侵蚀和耐氧化。 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； 电渗析用膜则特别要求耐酸、耐碱和热稳定性。 P390表9-1常用高分子材料膜。,9.1 膜分离概述,8,4、膜性能的表示方法 (1)分离透过性：分离效率、分离系数、渗透通量 和通量衰减系数,9.1 膜分离概述,分离效率：表示膜对溶质的截留能力，以脱盐率或 截留率R表示。,9,9.1 膜分离概述,(2) 物化稳定性：膜的强度、耐压力、耐温度、 耐酸度、化学稳定性。,通量衰减系数：由于过程的浓差极化、膜的压密 及膜孔堵塞等原因，膜的渗透

5、通量随时间衰减。 J=J0m m为衰减系数；为使用时间； J为时间的渗透通量； J0为初始时间的渗透通量。,渗透通量：单位时间内通过单位膜面积的透过物量,分离系数：,10,9.1 膜分离概述,板框式膜具,5、工业上常用的膜分离设备,11,卷式膜具,9.1 膜分离概述,12,管式膜具,9.1 膜分离概述,13,中空纤维膜具,9.1 膜分离概述,14,9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透,以压力为推动力将膜分离过程分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，四者组成了一个可分离固态微粒到离子的四级分离过程。 分离原理：在膜两侧施加压力，使部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分

6、离的目的。,15,1、微滤(Microfiltration)：基本原理属于筛网过滤。以静压为推动力，使小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子被截留到膜面上，使得大小不同的组分得以分离。截留粒径大于0.05m的组分，操作压力一般为 P=0.050.2Mpa； 主要用于制药行业除菌、电子工业用高纯水的制备、生物技术和生物医学。 2、超滤(Ultrafiltration)：主要依靠膜的物理筛分作用除去污染物。以静压为推动力的膜过滤过程。截流大分子或粒径不大于0.2m微粒；操作压力一般为 P=0.91.0Mpa； 主要用于牛奶中蛋白与乳糖、水的分离、聚乙烯醇废水的处理、分离浓缩酶、核酸等特殊蛋白等生物

7、活性物质。,9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透,16,3、纳滤(Nano-filtration)：可除去1nm即0.001m的颗粒，因为截流分子在纳米范围，故称为纳滤。操作压力一般为 P=0. 53.0Mpa； 主要用于制造生化产品、污水处理、饮用水制备和回收物料等领域。 4、反渗透(Reverse osmosis)：在浓溶液的一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转渗透方向，把溶液中的溶剂（水）压到半渗透膜的另一边的稀溶液中的过程。,9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透,17,a、反渗透的原理 渗透是由于化学位梯度的存在而引起的自发扩散 现象。 在一定的温度压力下，纯水的化学位大于溶液中 水的化学位，

8、因此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。,9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透,18,b、反渗透过程必须的两个条件： 一是必须具有高选择性和高渗透性（一般指透水 性）的半渗透膜； 二是操作压力必须高于溶液的渗透压。 c、反渗透技术的主要应用 咸水脱盐和海水淡化、超纯水去除重金属离子（电镀废液中）、牛奶的浓缩等。,9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透,19,9.3 气膜分离,20,一、膜技术的应用 1、水处理中的应用 膜分离是饮用水净化和纯化的最佳手段。使用膜分离可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属和有机

9、物。 城市废水的处理。使用膜生物反应器进行城市污水处理，可以生产出不同用途的再生水（工业冷却水、绿化用水和城市杂用水），是解决水资源匮乏的重要方法。 工业废水的处理。工业废水处理既回收了资源又保护了环境。,膜技术的应用和展望,21,2、在食品工业中的应用 19世纪60年代末已用于乳品加工和啤酒无菌过滤； 果汁饮料加工； 用超滤技术对白酒除浊增香、对啤酒除菌保鲜、对果酒、黄酒、葡萄酒、保健酒的精制； 各种动、植物蛋白的加工； 酶制剂的浓缩和精制； 用超滤和反渗透技术提纯和精制速溶茶。,膜技术的应用和展望,22,3、在医疗领域中的应用 以膜技术为核心的人工肾、人工肺； 以膜技术为核心的血液透析和腹水透析的透析器 带有膜过滤器的注射器； 用膜分离技术进行环境检测和生化分析样品的预