第二章 膜分離

1、1第二章第二章 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)2目錄目錄l第一節(jié)第一節(jié) 膜技術(shù)概述膜技術(shù)概述l第二節(jié)第二節(jié) 膜分離裝置膜分離裝置l第三節(jié)第三節(jié) 極化、污染現(xiàn)象和控制極化、污染現(xiàn)象和控制l第四節(jié)第四節(jié) 典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域3 第一節(jié)第一節(jié) 膜技術(shù)概述膜技術(shù)概述4一、一、 基本概念基本概念5 所謂的所謂的膜膜，是指在兩種流體相之間有一層薄的凝，是指在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜的特性膜的特性： 不管膜多薄不管膜多薄, , 它必須有兩

2、個界面。這兩個界面分別它必須有兩個界面。這兩個界面分別與兩側(cè)的流體相接觸與兩側(cè)的流體相接觸 膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。膜膜(Membrane)是什么？有何特性？是什么？有何特性？6膜分離過程原理膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）力差或電位差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游膜上游，透過側(cè)稱為膜下游膜下游。膜上游膜上游 透膜透膜 膜下游膜下游選擇

3、性透膜選擇性透膜7 分離膜種類分離膜種類分離膜分離膜高分子膜高分子膜液體膜液體膜生物膜生物膜帶電膜帶電膜非帶電膜非帶電膜陽離子膜陽離子膜陰離子膜陰離子膜過濾膜過濾膜精密過濾膜精密過濾膜超濾膜超濾膜反滲透膜反滲透膜納米濾膜納米濾膜8高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐年，耐克特（克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地?cái)U(kuò)散到裝有酒精）發(fā)現(xiàn)水能自動地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。二、二、 膜分離技術(shù)發(fā)展簡史膜分離技術(shù)發(fā)展簡史91861年，施密特（年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超過）首先提出了超過濾

4、的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過濾應(yīng)稱為微孔過濾。濾應(yīng)稱為微孔過濾。 10然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)世紀(jì)60年代。年代。1961年，米切利斯（年，米切利斯（A. S. Mi

5、chealis）等人用各種）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水丙酮丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon(艾美康恩）公司首先將這種膜商品化。艾美康恩）公司首先將這種膜商品化。1150年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。了反滲透膜的研究。1967年，年，DuPont公司研制成功了以尼龍公司研制成功了以尼龍66為主為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹要組分

6、的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥麥DDS（糖業(yè)有限公司）公司研制成功平板式反（糖業(yè)有限公司）公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。12 自上世紀(jì)自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱UF膜）、微孔過濾膜（簡稱膜）、微孔過濾膜（簡稱MF膜）和反滲透膜膜）和反滲透膜（簡稱（簡稱RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也在此期間，除上述三大膜外，

7、其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)使功能膜的地位又得到了進(jìn)步提高。步提高。13 具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在）在60年代初研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在年代初研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于固體膜

8、支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。的第一項(xiàng)專利。70年代初，卡斯勒（年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動）又研制成功含流動載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。年代年代科學(xué)家科學(xué)家主要內(nèi)容主要內(nèi)容1748Abbe Nollet水能自發(fā)地穿過豬膀胱進(jìn)入酒精溶液，發(fā)生水能自發(fā)地穿過豬膀胱進(jìn)入酒精溶液，發(fā)生滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象1827Dutrochet名詞滲透作用（名詞滲透作用（Osmosis）的引入）的引入1831J.V.Mitchell氣體透過橡膠膜的研究氣體透過橡膠膜的研究1855Fick發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)散定

9、律，至今用于通過膜的擴(kuò)散；發(fā)現(xiàn)了擴(kuò)散定律，至今用于通過膜的擴(kuò)散；制備了早期的人工半滲透膜制備了早期的人工半滲透膜18611966Graham發(fā)現(xiàn)氣體通過橡皮有不同的的滲透率，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)氣體通過橡皮有不同的的滲透率，發(fā)現(xiàn)滲析（滲析（Dialysis）現(xiàn)象）現(xiàn)象18601977Vant Hoff，Tranbe，Preffer滲透壓定律滲透壓定律1906Kahlenbery觀察到烴觀察到烴/乙醇溶液選擇透過橡膠薄膜乙醇溶液選擇透過橡膠薄膜1917Kober引入名詞滲透氣化（引入名詞滲透氣化（Pervaporqtion）膜科學(xué)的發(fā)展史膜科學(xué)的發(fā)展史1911DonnanDonnan分布定律。研究了分子帶電

10、荷體的形成，電荷分分布定律。研究了分子帶電荷體的形成，電荷分布，布，Donnan電滲析和伴生傳遞的平衡現(xiàn)象電滲析和伴生傳遞的平衡現(xiàn)象1922Zsigmondy Bachman Fofirol.etc微孔膜用于分離極細(xì)粒子、初期的超濾和反滲透（膜材微孔膜用于分離極細(xì)粒子、初期的超濾和反滲透（膜材料為賽璐玢和再生纖維）料為賽璐玢和再生纖維）1920Mangold，Michaels.Mobain.etc用賽璐玢和消化纖維素膜觀察了電解質(zhì)和非電解質(zhì)的反用賽璐玢和消化纖維素膜觀察了電解質(zhì)和非電解質(zhì)的反滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象1930Teorell，Meyer，Sievers進(jìn)行了膜電勢的研究，是電滲析和膜電極的

11、基礎(chǔ)進(jìn)行了膜電勢的研究，是電滲析和膜電極的基礎(chǔ)1944William Kolff初次成功使用了人工腎初次成功使用了人工腎1950Juda，Mcrae合成膜的研究，發(fā)明了電滲析，微孔過濾和血液透析等合成膜的研究，發(fā)明了電滲析，微孔過濾和血液透析等分離工程分離工程1960Loeb-Sourirajan相轉(zhuǎn)化法制出了非對稱反滲透膜相轉(zhuǎn)化法制出了非對稱反滲透膜1968N.N.Li發(fā)明了液膜發(fā)明了液膜1980Cadotte制出了界面反應(yīng)聚合復(fù)合膜制出了界面反應(yīng)聚合復(fù)合膜續(xù)表：續(xù)表：分離過程分離過程年代年代目前主要廠商目前主要廠商應(yīng)用應(yīng)用微濾微濾1925Millipore Corp，Pall corp.，

12、Asahi Chemical微電子、醫(yī)學(xué)、微電子、醫(yī)學(xué)、食品、化工等食品、化工等電滲析電滲析1960Oonics Ins.，Tokuyama Soda，Asahi Glass苦咸水脫鹽、水苦咸水脫鹽、水分解、氯堿工業(yè)分解、氯堿工業(yè)反滲透反滲透1965Film Tech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，DuPont海水脫鹽、飲用海水脫鹽、飲用水生產(chǎn)、食品工水生產(chǎn)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等業(yè)、造紙工業(yè)等滲析滲析1965Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical血液滲析、工業(yè)血液滲析、工業(yè)廢液等廢液等超濾超濾1970Amicon Corp.，Koch E

13、ng.Inc.，Nittl Denko制藥工業(yè)、乳品制藥工業(yè)、乳品工業(yè)等工業(yè)等氣體分離氣體分離1980Permea/Air Prod.，Ube Ind.，Hoechst/Celanese醫(yī)療、燃燒過程醫(yī)療、燃燒過程等等滲透汽化滲透汽化1990GFT GmbH無水乙醇生產(chǎn)無水乙醇生產(chǎn)膜工業(yè)的發(fā)展史膜工業(yè)的發(fā)展史17三、膜的分類三、膜的分類1. 按膜的材料分類按膜的材料分類 表表1 膜材料的分類膜材料的分類類類 別別膜材料膜材料舉舉 例例纖維素酯類纖維素酯類纖維素衍生物纖維素衍生物類類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯非纖維素酯類類聚砜類聚砜類聚砜，

14、聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰(亞亞)胺類胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等等聚酯、烯烴類聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟(硅硅)類類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等烷等其他其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等殼聚糖，聚電解質(zhì)等182. 按膜的分離原理及適用范圍分類按膜的分離原理及適用范圍分類 根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲其分為微孔

15、膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3. 按膜的形態(tài)分類按膜的形態(tài)分類 按膜的形狀分為平板膜按膜的形狀分為平板膜(Flat Membrane)、管、管式膜式膜(Tubular Membrane)和中空纖維膜和中空纖維膜(Hollow Fiber)、卷式膜。、卷式膜。4.4.按膜的孔徑大小分多孔膜和致密膜按膜的孔徑大小分多孔膜和致密膜 多孔膜（微孔膜）多孔膜（微孔膜） 特點(diǎn)：孔道相互交聯(lián)曲折，膜孔大小分布比特點(diǎn)：孔道相互交聯(lián)曲折，膜孔大小分布比較寬，一般為較寬，一般為0.1-200.1-20m m，膜厚，膜厚50-250 50-250 m

16、 m。對。對于小分子的滲透性較高，選擇性較低。于小分子的滲透性較高，選擇性較低。原料中的原料中的分子直徑大于平均孔徑和小于平均孔徑的兩類分分子直徑大于平均孔徑和小于平均孔徑的兩類分子可以分離。子可以分離。微孔膜的分離機(jī)理是微孔膜的分離機(jī)理是篩分作用篩分作用，主，主要用于超濾、微濾、滲析或者用于復(fù)合膜的支撐要用于超濾、微濾、滲析或者用于復(fù)合膜的支撐膜。膜。多孔膜的截面結(jié)構(gòu)多孔膜的截面結(jié)構(gòu) (a) 均質(zhì)海面狀膜；均質(zhì)海面狀膜； (b) 非對稱海面狀膜；非對稱海面狀膜； (c) 指狀孔膜；指狀孔膜； (d) 氧化鋁多孔膜氧化鋁多孔膜 致密膜（無孔膜）致密膜（無孔膜） 是一種均勻、致密的薄膜，作用機(jī)理

17、主要是溶是一種均勻、致密的薄膜，作用機(jī)理主要是溶解和擴(kuò)散作用，主要用于反滲透、氣體分離和滲透解和擴(kuò)散作用，主要用于反滲透、氣體分離和滲透汽化。汽化。5.5.按膜的結(jié)構(gòu)分為對稱膜、非對稱膜和復(fù)合膜按膜的結(jié)構(gòu)分為對稱膜、非對稱膜和復(fù)合膜 對稱膜對稱膜 特點(diǎn)：膜兩側(cè)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)相同，孔徑和孔徑特點(diǎn)：膜兩側(cè)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)相同，孔徑和孔徑分布也基本一致，對稱膜可以是微孔膜，也可以是分布也基本一致，對稱膜可以是微孔膜，也可以是致密的均相膜，膜的厚度致密的均相膜，膜的厚度10-200 10-200 m，致密膜由于致密膜由于膜較厚，導(dǎo)致膜通量較低，應(yīng)用較少。膜較厚，導(dǎo)致膜通量較低，應(yīng)用較少。 非對稱膜非對稱膜

18、特點(diǎn)：兩層，表皮層和多孔支撐層構(gòu)成。表特點(diǎn)：兩層，表皮層和多孔支撐層構(gòu)成。表皮層結(jié)構(gòu)致密，多孔支撐層結(jié)構(gòu)疏松。膜上下的皮層結(jié)構(gòu)致密，多孔支撐層結(jié)構(gòu)疏松。膜上下的截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)均不相同。表皮層厚度截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)均不相同。表皮層厚度0.1-0.1-0.50.5m m，支撐層厚度，支撐層厚度50- 15050- 150m.m.在膜過程中滲在膜過程中滲透量和膜厚度一般成反比。，由于非對稱膜的表透量和膜厚度一般成反比。，由于非對稱膜的表皮層厚度薄，所以其通量較大。皮層厚度薄，所以其通量較大。對稱與非對稱膜對稱與非對稱膜對稱膜：對稱膜： (a) 均質(zhì)膜均質(zhì)膜 (b) 柱型孔膜柱型孔膜 (c)海綿孔狀膜

19、海綿孔狀膜非對稱膜非對稱膜 ： (d) 多孔膜多孔膜 (e) 疊合膜疊合膜 (f) 復(fù)合膜復(fù)合膜 復(fù)合膜復(fù)合膜 特點(diǎn)：具有表皮層的非對稱膜，但表皮層和特點(diǎn)：具有表皮層的非對稱膜，但表皮層和支撐層的材料不同，表皮層可以是一層或者多層支撐層的材料不同，表皮層可以是一層或者多層疊合。疊合。無機(jī)復(fù)合膜無機(jī)復(fù)合膜有機(jī)復(fù)合膜有機(jī)復(fù)合膜25四、膜過濾的基礎(chǔ)理論四、膜過濾的基礎(chǔ)理論l 通透量理論通透量理論：一種基于一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流動的動的毛細(xì)管理論。毛細(xì)管理論。l 水通量（水通量（Jw）和截留率（）和截留率（R）l W透水量，透水量，A膜的有效面積，膜的有效面積，時間時間l

20、 c1料液中溶質(zhì)濃度，料液中溶質(zhì)濃度， c2透過液中溶質(zhì)濃度透過液中溶質(zhì)濃度AWJw121cccR26五、膜分離過程的類型五、膜分離過程的類型 分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地?fù)竦赝高^或輸送特定的物質(zhì)透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過子、離子等。或者說，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表離過程及其傳遞機(jī)理如表2所示。所示。27表表2 幾種主要分離膜的分離過程幾種主要分離膜的分離過程膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物

21、截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大小形分子特性大小形狀（狀（2000）水、溶劑小分子水、溶劑小分子膠體和超過膠體和超過截留分子量截留分子量的分子的分子非對稱性膜非對稱性膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小及電荷離子大小及電荷（150）水、一價離子、水、一價離子、多價離子多價離子有機(jī)物，重有機(jī)物，重金屬金屬復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對稱性膜非對稱性膜復(fù)合膜復(fù)合膜28膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透

22、過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞遞低分子量物、離低分子量物、離子子溶劑溶劑非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對合膜，非對稱膜稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質(zhì)或溶劑質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對合膜

23、，非對稱膜稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)溶劑溶劑乳狀液膜、乳狀液膜、支撐液膜支撐液膜續(xù)上表續(xù)上表29六、六、 膜材料膜材料 用作分離膜的材料包括天然的和人工合成的有用作分離膜的材料包括天然的和人工合成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜

24、求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。的制備技術(shù)。30331 目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位

25、。占主要地位。321. 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1, 4甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：其結(jié)構(gòu)式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_2233 從結(jié)構(gòu)上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。從結(jié)構(gòu)上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋

26、酸纖維與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。素或三醋酸纖維素。 C6H7O3 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O3 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH34 醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。 醋酸醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生下易發(fā)生水解。水解。 纖維素醋類材料易纖維素醋類材料易受微生物侵蝕受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶

27、劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。3536醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99表皮層，孔徑表皮層，孔徑（810）1010m過渡層，孔徑過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑（10004000）1010m1%37顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片382. 非纖維素酯類膜材料非纖維素酯類膜材料 常用于制備分離膜的合成高分子材料有常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。合物等。39 聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)

28、定性，強(qiáng)度也很高，性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為值適應(yīng)范圍為113，最高使，最高使用溫度達(dá)用溫度達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。此已成為重要的膜材料之一。40 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龍，如尼龍4、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在的分離率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076 ml/cm2h。 以后發(fā)展了以后發(fā)展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍

29、為311，分離率可達(dá)，分離率可達(dá)99.5（對鹽水），（對鹽水），透水速率為透水速率為0.6 ml/cm2h。長期使用穩(wěn)定性好。由于。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求較高要求。41 聚酰亞胺聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn42 離子性聚合物離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子可用于制備離子

30、交換膜。與離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜。酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離是最常用的兩種離子聚合物膜。子聚合物膜。43 用作膜材料的用作膜材料的乙烯基聚合物乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯

31、酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。44常見材料的最高允許使用溫度名稱溫度CA（二醋酸纖維素）二醋酸纖維素）聚酰胺 聚苯并咪唑 聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚 磺化聚砜 聚醚砜酮35 35 9070 70 120 16045七、七、 膜的制備膜的制備1. 分離膜制備工藝類型分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣膜的制備工藝

32、對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。能分離膜的重要保證。 目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。462. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔蛉芤杭尤敕侨軇┗蚣訜嶂颇?/p>

33、液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是相的過程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜法型制膜法。它是由加拿大人勞勃（。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。酸纖維素膜。 47 將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶劑緩緩蒸流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶劑緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：其工藝框

34、圖可表示如下：48聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對稱膜圖圖 LS法制備法制備分離膜工藝流程框圖分離膜工藝流程框圖493. 復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝 由由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當(dāng)于總厚度的，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用LS法法制備表面層小于制備表面層小于0.1m的膜極為困難

35、。為此，發(fā)展的膜極為困難。為此，發(fā)展了了復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖，其方框圖如圖3所示。所示。50多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑圖圖 復(fù)合制膜工藝流程框圖復(fù)合制膜工藝流程框圖51八、八、 膜的保存膜的保存 分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；主要發(fā)生在醋酸纖維素膜； 而而水解和冷凍水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、度、

36、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。52 膜的收縮膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時還會造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時，時還會造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會造由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會造成膜的變形收縮。成膜的變形收縮。53第二節(jié)第二節(jié) 膜分離裝置膜分離裝置54將膜、固定膜的支撐材料、

37、間隔物或管式外殼等組裝將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決成的一個單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀于膜的形狀, ,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。 膜組件膜組件(Membrane Module)(Membrane Module)55(1)、板框式、板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件 板框式是最早使用的

38、一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于常規(guī)的板框過濾裝置常規(guī)的板框過濾裝置, 膜被放置在可墊有濾紙的多孔膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間流道空間,組成一個膜單元組成一個膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。道的結(jié)構(gòu)上。56進(jìn)料滲透液濃縮液濃縮液滲透液進(jìn)料滲透液板框和圓盤式膜組件板框和圓盤式膜組件 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 敞開式流道，流道高度一般在敞開式流道，流道高度

39、一般在0.7-1.0mm0.7-1.0mm之之間，原水流速可達(dá)間，原水流速可達(dá)1-5m/s1-5m/s，流道截面積比較大，流道截面積比較大，對水的預(yù)處理要求較低。對水的預(yù)處理要求較低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 膜面積與體積比較?。ㄍǔＰ∮谀っ娣e與體積比較?。ㄍǔＰ∮?00400m2/m3）,易泄露，成本高。易泄露，成本高。 適用范圍：小型水處理廠或濃縮分離。適用范圍：小型水處理廠或濃縮分離。5758(2)、管式、管式(Tubular)膜組件膜組件 管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜組件組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維膜被直接澆鑄在多孔的不

40、銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過,透過膜的透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件,膜則被澆膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置?；虿⒙?lián)裝置。5960多通道管式膜組件 管式組件是將膜澆鑄到直徑管式組件是將膜澆鑄到直徑3.2-25.

41、4mm3.2-25.4mm的多孔的多孔管內(nèi)制成的，多孔管的材料有玻璃纖維、陶瓷、塑管內(nèi)制成的，多孔管的材料有玻璃纖維、陶瓷、塑料、不銹鋼等。料、不銹鋼等。 按照管的多少管式組件可分為單管式和列管式，按照管的多少管式組件可分為單管式和列管式，列管式又可分為串聯(lián)和并聯(lián)列管式又可分為串聯(lián)和并聯(lián)61管式組件的優(yōu)點(diǎn)：管式組件的優(yōu)點(diǎn)： 流道寬，能夠處理含有較大顆粒和懸浮物的流道寬，能夠處理含有較大顆粒和懸浮物的原料液。通常膜組件中可處理的最大顆粒直徑小原料液。通常膜組件中可處理的最大顆粒直徑小于流道高度的于流道高度的1/10.1/10. 流速高，直徑為流速高，直徑為1.25-2.5cm1.25-2.5cm

42、的管式膜組件建的管式膜組件建議操作流速為議操作流速為2-6m/s2-6m/s，當(dāng)管子的流速達(dá)到，當(dāng)管子的流速達(dá)到10-10-60L/min60L/min，膜污染低，容易清洗。，膜污染低，容易清洗。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 組件膜的裝填密度是所有組件中最低的。膜組件膜的裝填密度是所有組件中最低的。膜面積與體積比小于面積與體積比小于100100m2/m3，成本高。，成本高。62(3)、螺旋卷式、螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件 目前目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分離過程。離過程。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔

43、的膜支撐體等通過適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝入能承受壓力的外然后將其裝入能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動通道的殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動通道的形式形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的形式。形式。63進(jìn)料流道空間滲透液流方向滲透管滲透液流道進(jìn)料進(jìn)料物流滲透液流外殼進(jìn)料分布網(wǎng)膜滲透液收集材料膜滲透液濃縮液滲透液收集孔抗縮減裝置濃縮液 膜元件的直徑范圍膜元件的直徑范圍50.8-438mm50.8-438mm，長度范圍，長度范圍304.8-1524mm304.8-1524mm。使用時將一

44、個或者多個元件裝在。使用時將一個或者多個元件裝在一個膜殼中（壓力容器）組成單原件組件、二原一個膜殼中（壓力容器）組成單原件組件、二原64件組件、三元件組件，最多可以到七原件組件，件組件、三元件組件，最多可以到七原件組件，根據(jù)工程需要進(jìn)行排列組合，可以滿足不同產(chǎn)水根據(jù)工程需要進(jìn)行排列組合，可以滿足不同產(chǎn)水量和水的回收率。量和水的回收率。 卷式膜的流道高度通常為卷式膜的流道高度通常為0.7-0.8mm0.7-0.8mm之間，之間，流道高度較小的膜元件可以提高膜的裝填密度，流道高度較小的膜元件可以提高膜的裝填密度，流道高度大的膜組件，會使膜的裝填裝填密度略流道高度大的膜組件，會使膜的裝填裝填密度略有

45、減小。但這對減小壓降，減小結(jié)垢有利。卷式有減小。但這對減小壓降，減小結(jié)垢有利。卷式組件一般要求膜面流速為組件一般要求膜面流速為5-10cm5-10cm s1,單個組件單個組件的壓力損失很小，一般為的壓力損失很小，一般為70-150kPa70-150kPa，但當(dāng)表面，但當(dāng)表面流速為流速為25cm25cm s1壓降為1000-1380kPakPa。65卷式膜組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：卷式膜組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、造價低、膜面積與體積比中等結(jié)構(gòu)簡單、造價低、膜面積與體積比中等（小于（小于1200m2/m3)、抗污染、可現(xiàn)場置換、適用、抗污染、可現(xiàn)場置換、適用于各種膜材料。于各種膜材料。缺點(diǎn)：有產(chǎn)生濃差極化

46、的趨勢、不易清洗、在缺點(diǎn)：有產(chǎn)生濃差極化的趨勢、不易清洗、在小規(guī)模應(yīng)用中回收率較低。小規(guī)模應(yīng)用中回收率較低。66(4)、中空纖維、中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件 中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有其他組件大所有其他組件大, 最高可達(dá)到最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維。中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個管狀容器內(nèi)裝在一個管狀容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端外殼壁固封制

47、成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流人流人, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動,透過液則滲透通透過液則滲透通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出頭的開端引出,原液則從膜組件的另一端流出。原液則從膜組件的另一端流出。 67中空纖維式膜組件(內(nèi)壓式）69各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。70第三節(jié)第三節(jié) 濃差極化、污染現(xiàn)象和控制濃差極化、污染現(xiàn)象和控制71濃差極化定義濃差極化定義 在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳

48、送到膜表面上，不能透過膜的溶質(zhì)受液傳送到膜表面上，不能透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高。到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高。這種這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化象稱為濃度極化或濃差極化(concentration polarization)(concentration polarization)。72濃差極化特性 它是一個可逆過程。只有在膜運(yùn)行過程它是一個可逆過程。只有在膜運(yùn)行過程 中產(chǎn)生，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸消失。中產(chǎn)生，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸消失。 它與操作條件相關(guān)，可通過降低膜兩側(cè)壓差，它與操作條件相關(guān)，可

49、通過降低膜兩側(cè)壓差，減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流量。量。73l膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶質(zhì)會析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、質(zhì)會析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化

50、面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化(gel (gel polarization)polarization)凝膠極化凝膠極化74 膜分離過程中遇到的最大問題是膜污染膜分離過程中遇到的最大問題是膜污染(membrane fouling)(membrane fouling)，膜污染的主要原因來，膜污染的主要原因來自以下幾個方面。自以下幾個方面。凝膠極化引起的凝膠層凝膠極化引起的凝膠層; ;溶質(zhì)在膜表面的吸附層溶質(zhì)在膜表面的吸附層; ;膜孔堵塞膜孔堵塞; ; 膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附. .75 膜污染不僅造成透過通量的大幅度下膜污染不僅造成透過通量的大幅度下降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證

51、降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對膜進(jìn)膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對膜進(jìn)行定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染行定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，恢復(fù)膜的透過性能。物，恢復(fù)膜的透過性能。76 膜的清洗一般選用膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液和酶溶液等為清洗劑。具體用何種清洗劑等為清洗劑。具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力，同使用的清洗劑要具有良好的去污能力，同時又不能損害膜的過濾性

52、能。時又不能損害膜的過濾性能。77 如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過性能，如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過性能，則不需使用其他清洗劑。對于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重則不需使用其他清洗劑。對于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶吸附所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白如胃蛋白酶、胰蛋白酶等酶、胰蛋白酶等)溶液清洗，效果較好。溶液清洗，效果較好。78l 清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。清洗操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時，采取必要因此，在采用有效的清洗操作的同時，采取必要的措施防止或減輕膜污

53、染。例如，選用高親水性的措施防止或減輕膜污染。例如，選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理( (如聚砜膜用乙醇溶液如聚砜膜用乙醇溶液浸泡浸泡) )，均可緩解污染程度。，均可緩解污染程度。l 此外，對料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理此外，對料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理( (如進(jìn)行預(yù)過如進(jìn)行預(yù)過濾、調(diào)節(jié)濾、調(diào)節(jié)pHpH值值) )，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。79 如何防止膜污染以及開發(fā)高效節(jié)能的污染清除如何防止膜污染以及開發(fā)高效節(jié)能的污染清除技術(shù)是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是產(chǎn)技術(shù)是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是產(chǎn)學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。學(xué)界孜孜以求的

54、目標(biāo)。 研究表明，膜分離過程存在臨界操作壓力，研究表明，膜分離過程存在臨界操作壓力，在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，可長時間維持較在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，可長時間維持較高的透過通量。降低對清洗操作的依賴程度，提高高的透過通量。降低對清洗操作的依賴程度，提高膜分離效率。膜分離效率。80膜分離技術(shù)應(yīng)用中需注意的幾個問題膜分離技術(shù)應(yīng)用中需注意的幾個問題 膜材料的選擇膜材料的選擇 膜孔徑或截留分子量的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇 膜結(jié)構(gòu)選擇膜結(jié)構(gòu)選擇 組件結(jié)構(gòu)選擇組件結(jié)構(gòu)選擇 溶液溶液 pH pH 控制控制 溶液溫度影響溶液溫度影響 溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制81

55、第四節(jié)第四節(jié) 典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾、超濾(UF)、反滲透、反滲透(RO)、納濾、納濾(NF)、滲析、滲析(D)、電滲析電滲析(ED)、液膜、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)及滲透蒸發(fā)( PV)等，等，下面分別介紹之。下面分別介紹之。8283 NF 納濾84膜形態(tài)推 動 力膜 過 程應(yīng) 用 實(shí) 例對稱非對稱復(fù)合壓力差反滲透超 濾微 濾納 濾氣體分離海水淡化超純水/白蛋白濃縮前處理/終端過濾醫(yī)藥/啤酒氣體/蒸汽分離*電位差電滲析海水淡化/廢水*濃度差濃度差濃度差（分壓差）濃度差化學(xué)反應(yīng)滲析控制釋放滲透蒸發(fā)液膜人

56、工腎醫(yī)用/農(nóng)藥無水乙醇金屬分離/廢水*85一、反滲透技術(shù)一、反滲透技術(shù)1. 反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn) 滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超的現(xiàn)代分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。法不可比擬的優(yōu)勢。86圖

57、圖4 滲透與反滲透原理示意圖滲透與反滲透原理示意圖 滲透和反滲透的原理如下圖所示。滲透和反滲透的原理如下圖所示。87如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)的半透如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透移，這一現(xiàn)象稱滲透（圖（圖4a）。這一過程的推動力。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓

58、。88 隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，壓力增大。當(dāng)液面升高至壓力增大。當(dāng)液面升高至H時，滲透達(dá)到平衡，兩時，滲透達(dá)到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖（圖4b）。滲透過程達(dá)到。滲透過程達(dá)到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。89 如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)

59、，這一過程就稱為反滲透這一過程就稱為反滲透（圖（圖4c）。 90 反滲透技術(shù)反滲透技術(shù)所分離的物質(zhì)的分子量一般小于所分離的物質(zhì)的分子量一般小于200，操作壓力為操作壓力為 2100MPa。 用于實(shí)施反滲透操作的膜為用于實(shí)施反滲透操作的膜為反滲透膜反滲透膜。反滲透。反滲透膜大部分為不對稱膜，膜大部分為不對稱膜，孔徑小于孔徑小于0.5nm，可截留溶，可截留溶質(zhì)分子。質(zhì)分子。91 制備反滲透膜的材料主要有制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等

60、。等。 反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附氫鍵理論、選擇吸附毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散毛細(xì)管流動理論、溶解擴(kuò)散理論等。理論等。2 2 反滲透系統(tǒng)的主要部件反滲透系統(tǒng)的主要部件 主要部件有：壓力容器（膜殼）、高壓泵、主要部件有：壓力容器（膜殼）、高壓泵、保安過濾器、自動控制與儀器儀表、輔助設(shè)備保安過濾器、自動控制與儀器儀表、輔助設(shè)備 . .壓力容器（膜殼）壓力容器（膜殼）( (卷式膜）卷式膜） 容納容納1-71-7個膜元件，可以是并聯(lián)或串聯(lián)，材個膜元件，可以是并聯(lián)或串聯(lián)，材質(zhì)一般是增強(qiáng)玻璃鋼或不銹鋼。質(zhì)一般是增強(qiáng)玻璃鋼或不銹鋼。