《膜分離技術》ppt課件

1、第三章第三章 膜分別技術膜分別技術 物質分別與純化技術膜分別技術膜分別技術l具有選擇透過性是分別膜的根本特征。利用膜的選擇性，以膜兩側存在的能量差作為推進力，允許某些組分透過而保管混合物中其它組分，從而到達分別目的的技術。膜分別特點膜分別特點l共同特點：l 1無相變發(fā)生，能耗低；l 2普通無需從外界參與其他物質，節(jié)約資源，維護環(huán)境；l 3可以實現(xiàn)分別與濃縮、分別與反響同時進展，從而大大提高效率；l 4常溫常壓下進展，特別適用于熱敏性物質的分別、濃縮； 5不僅適用于從病毒、細菌到微粒廣泛范圍的有機物或無機物的分別，而且還適用于特殊溶液體系的分別如共沸物的分別； 6膜組件簡單，可實現(xiàn)延續(xù)操作，易控

2、制、易放大。缺乏：膜強度較差，運用壽命不長，易于污染 反浸透、超濾、微濾和電滲析為四大已開發(fā)運用的膜分別技術，有大規(guī)模的工業(yè)運用和市場。其中反浸透、超濾、微濾相當于過濾技術，用于分別含溶解的溶質或懸浮微粒的液體。電滲析用的是荷電膜，在電場的推進下，用于從水溶液中脫出離子，主要用于苦咸水的脫鹽。膜組件膜組件(Membrane Module)l將膜、固定膜的支撐資料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個單元稱為膜組件。膜組件的構造及型式取決于膜的外形,工業(yè)上運用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內壓式和外壓式兩種。板框式板框式(Plate-and-

3、Frame)膜組件膜組件l 板框式是最早運用的一種膜組件。其設計類似于常規(guī)的板框過濾安裝, 膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一同構成的料液流道空間,組成一個膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)銜接。不同的板框式設計的主要差別在于料液流道的構造上。比外表積大，易于改換膜，適于微濾、超濾。管式管式(Tubular)膜組件膜組件l管式膜組件有外壓式和內壓式兩種。對內壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內或用玻璃纖維加強的塑料管內。加壓的料液流從管內流過,透過膜的浸透溶液在管外側被搜集。l對外壓式膜組件,膜那么被澆鑄在多孔支撐管外側面。加壓的料液流從管外側流過,浸透溶液那

4、么由管外側浸透經(jīng)過膜進入多孔支撐管內。無論是內壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需求設計成串聯(lián)或并聯(lián)安裝。螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件膜組件l目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地運用于多種膜分別過程。l膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等經(jīng)過適當?shù)姆绞奖唤M合在一同,然后將其裝入能接受壓力的外殼中制成膜組件。經(jīng)過改動料液和過濾液流動通道的方式,這類膜組件的內部構造也可被設計成多種不同的方式。中空纖維中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件l中空纖維膜組件的最大特點是單位裝填膜面積比一切其他組件大, 最高可到達30000m2/m3。中空纖維膜組件也分為外壓式和內壓式。將大量的中空纖維

5、安裝在一個管狀容器內,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流人, 沿纖維外側平行于纖維束流動,透過液那么浸透經(jīng)過中空纖維壁進入內腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出,原液那么從膜組件的另一端流出。比較比較型式型式優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點管式管式易清洗，無死角，適宜于處理易清洗，無死角，適宜于處理含固體較多的料液，單根管子含固體較多的料液，單根管子可以調換可以調換保留體積大，單位體積保留體積大，單位體積中所含過濾面積較小，中所含過濾面積較小，壓力降大壓力降大中空纖維中空纖維式式保留體積小，單位體積所含過保留體積小，單位體積所含過濾面積大，可以逆洗，操作壓濾面積

6、大，可以逆洗，操作壓力較低，動力消耗較低力較低，動力消耗較低料液需要預處理，單根料液需要預處理，單根纖維損壞時需調換整個纖維損壞時需調換整個模件模件螺旋卷繞螺旋卷繞式式單位體積中所含過濾面積大，單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易換新膜容易料液需預處理，壓力降料液需預處理，壓力降大大,易污染易污染,清洗困難清洗困難平板式平板式保留體積小，能量消耗界于管保留體積小，能量消耗界于管式和螺旋卷繞式式和螺旋卷繞式死體積大死體積大l截斷分子量、l水通量、l孔的特征、lpH適用范圍、l抗壓才干、l對熱和溶劑的穩(wěn)定性等。18表征膜性能的參數(shù)表征膜性能的參數(shù)截留率和截斷分子量截留率和截斷分子量l 膜對溶質的截

7、留才干為截留率Rrejection，其定義為：l R1 CpCb l lCp和Cb：表示在某一瞬間，透過液和截留液的濃度。l如R1，那么Cp0，表示溶質全部被截留；l如R0，那么Cp Cb，表示溶質能自在透過膜。1920截斷曲線截斷曲線質量好的膜，陡直，可使不同分子量的溶質分別完全；反之，會導致分別不完全。透析透析l 利器具有一定孔徑大小、高分子溶質不能透過的親水膜，將含有高分子溶質和其他小分子溶質的溶液與純水或緩沖液分隔，以膜兩側的濃度差為傳質推進力，從溶液中分別出小分子物質的過程。l在生物分別中主要用于蛋白質的脫鹽，血液中代謝廢物的脫除。水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜推進

8、力：濃度差截留分子尺寸： 工業(yè) 0.02m人工腎 0.005m透過組分：分別目的：傳送機理:膜類型：小分子溶質大分子溶質溶液脫小分子小分子溶質溶液脫大分子篩分微孔膜內的受阻傳送非對稱膜、離子交換膜根本概念根本概念運用運用蛋白質、無機鹽蛋白質、無機鹽 無機鹽無機鹽緩沖液緩沖液特點特點l 滲析過程是以濃度差作為推進力的，所以速度較慢。隨著過程的進展，膜兩邊鹽水的濃度差就越來越小，滲析的速度就越來越慢，直至膜兩邊的濃度一樣，建立了平衡，電解質離子的遷移也就停頓了。透析膜資料透析膜資料l主要有天然纖維素及其衍生物與合成聚合物兩大類。l纖維素類有：醋酸纖維素、再生纖維素；l合成聚合物有：聚酰胺、聚丙烯腈

9、、聚碳酸酯、聚砜、聚烯烴、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等。已商業(yè)化的人工腎運用的透析膜資料膜資料消費廠商評論Akzo-EnKa*初次用于臨床透析銅氨法再生纖維素脫乙?；w維素醋酸纖維素聚丙烯腈聚甲基丙烯酸酯乙烯-乙烯醇共聚物聚醚砜/多芳基化合物合金聚砜聚酰胺Asahi ChemicalTerumoCordis-DowTeijinCordis-DowToyoboRhone Poulenc*Asahi ChemicalTorayKurarayFreseniusNikkisoGrambro第一種日本透析膜第一種中空纖維透析膜蒸汽消毒蛋白質過濾膜由合成聚合物

10、制造的第一種膜用于去除2-小球蛋白的第一種不對稱透析膜采用特征吸附，射線消毒，以去除2-小球蛋白抗凝血酶源透析膜用于去除2-小球蛋白的不對稱透析膜易于控制浸透率的不對稱透析膜用于去除2-小球蛋白的不對稱透析膜性能和表征性能和表征1、傳質阻力包括三項，即在血液側進入膜外表的傳質阻力、在膜中的傳質阻力、在透析液中的傳質阻力。2、溶質透過系數(shù)3、過濾系數(shù)4、含水率5、生物相容性人工腎血液透析安裝 腎臟功能：對血液進展過濾，排泄尿素、肌酐、尿酸、胍的衍生物等代謝產(chǎn)物及某些毒物和藥物，調節(jié)體內水、電解質和酸堿平衡；調理血壓，激活維生素D；分泌血管活性物質和促紅細胞生成素等。 腎功能衰竭可呵斥新陳代謝物質

11、在體內堆積，產(chǎn)生代謝紊亂，從而引起尿毒癥，危及人的生命。 腎臟患者，治療手段以人工腎和/或腎臟移植為主，并輔以藥物治療。 人工腎是臨床上用于治療急、慢性腎功能衰竭的最有效的常規(guī)腎臟替代療法。透析的運用透析的運用 1. 透析有效面積 普通為0.62.0平方米。 2. 超濾率 透析器排出水分的效率叫超濾率 。 3. 去除率 單位時間內從血液中去除的某溶質的量除以透析器血液入口處該溶質的濃度，并以容量速率表示之，單位為mlmin。 4. 透析率 單位時間內血液中去除某溶質的量除以入口處血液與透析液之間該物質的濃度差。透析器主要技術性能透析器主要技術性能工業(yè)運用工業(yè)運用 壓榨(堿)液的回收 在粘膠纖維

12、消費中，壓榨液約為纖維產(chǎn)量的1822倍，壓榨液的堿濃度為1617，還含有大量的半纖維素、樹脂和機械雜質。 透析法回收壓榨液中NaOH中空纖維透析器的膜資料由聚乙烯醇制成。經(jīng)預處置過的壓榨液和軟水分別由壓榨液和軟水進口管進入透析器，在膜的兩側反向流動，壓榨液中的NaOH不斷進入軟水中。剩余液出透析器后進入廢液槽，經(jīng)處置后排放；酒精飲料脫醇酒精飲料脫醇l中空纖維透析器可以進展啤酒脫醇。啤酒在中空纖維內側流過、透析液(水)經(jīng)過中空纖維外側逆向而流，醇的脫除率可達40。l該法雖優(yōu)于精餾法，但在脫酒精的同時會把某些低分子組分一同脫除，而影響酒的芳香度和風味。l有人建議在透析液中加人啤酒中的芳香成分，以堅

13、持啤酒的原有風味透析膜的運用透析膜的運用l處置l檢查-進樣-斷定l 各需求留意哪些方面？超濾技術超濾技術超濾超濾 超濾技術始于 1861 年，其過濾粒徑介于微濾和反浸透之間，約510 nm，在 0.10.5 MPa 的靜壓差推進下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等大分子及膠體，構成濃縮液，到達溶液的凈化、分別及濃縮目的。原理原理l超濾技術的中心部件是超濾膜，分別截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一同透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒那么被截留。膜上微孔的尺寸和外形決議膜的分別效率。超濾膜超濾膜l最早運用的超濾膜是天然動物的臟器薄膜。l1867年，在多孔磁板上凝膠沉淀鐵氰化銅制成了第一

14、張人工膜。l目前超濾膜均為不對稱膜，絕大多數(shù)的超濾膜采用L-S相轉化法制備。l制備超濾膜的資料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。l超濾膜分別的組分直徑為5nm10m，分別相對分子質量大于500的大分子和膠體，這種溶液的浸透壓很小，可以忽略。因此采用的操作壓力較小，為0.10.5 MPa ，膜的水透過通量為0.55m3/m2*d)。超濾膜的性能超濾膜的性能 除機械物理性能，耐熱性，耐酸堿性和耐溶劑，抗氧化等性能外，主要有如下兩個目的：截留率和截留分子量(MWCO)：通常把能截留90或95的某物質的分子量作為膜的截留分子量(MWCO) 。顯然，截留分子量越窄，截留率越高的膜越好。截留分子

15、量(MWCO)不僅與膜孔徑有關，且與被截留物性能和分子構造、膜資料和膜外表的物化性質有關荷電、吸附、疏水等。截留率截留率透過通量透過通量 用超濾池，用純水在用超濾池，用純水在0.1-0.5MPa下進展超濾實驗，可下進展超濾實驗，可求出該膜的通量求出該膜的通量ml/(cm2.h)。單位時間、單位膜面積上透過的溶液量。單位時間、單位膜面積上透過的溶液量。 在一定的截留率下，通量越大越好。在一定的截留率下，通量越大越好。 在壓力驅動膜過程中，由于料液中水或小分子物透過膜，而其他成分被膜阻留，使膜外表上的濃度升高，從而也導致一回分散，當?shù)竭_平衡時，膜外表濃度C2高于主體溶液濃度C1，這一景象叫濃差極化

16、。 C2/C1叫濃差極化度。濃差極化為一可逆過程。 濃差極化濃差極化 超濾中濃差極化超濾中濃差極化凝膠極化凝膠極化 超濾過程中，大分子溶質在進料膜側外表不斷積累，最后在膜外表構成凝膠層，如下圖。超濾凝膠極化模型超濾凝膠極化模型cbixA,B膜cmicpilci,e,Di,Gl組分i的邊界層DjVp-VwccGl,ilcl濃差極化的危害濃差極化的危害l降低水通量l降低脫鹽率l導致膜外表堆積而引起膜污染，縮短膜運用壽命l添加流道阻力濃差極化的防治濃差極化的防治主要的防治途徑有：加強進料的預處置選擇適宜膜組件合理的過程設計適宜的操作參數(shù)的選擇膜污染膜污染定義 由于與膜存在物化作用或機械作用，進料中的

17、微粒、膠體或溶質在膜外表或孔內發(fā)生吸附、凝聚和堆積，使膜孔徑變窄或堵塞，其透過通量和分別性能也有不可逆的變化，這一景象謂之膜污染。膜污染的影響要素膜污染的影響要素1膜的物化性質膜的親水性和外表張力親水性好的膜，膜外表與水成氫鍵，不疏水溶質接近膜外表時，要突破這一氫鍵結合，這需能量，膜耐污染；而疏水膜外表無氫鍵構成，疏水溶質接近膜外表時，擠開水是一熵增大過程，易進展，那么膜易被污染。膜的荷電性荷電膜處置同離子溶質的料液，由于荷電排斥，也不易污染。2膜的構造對稱構造的膜耐污染不如一樣孔徑的不對稱膜；兩面雙皮層的膜耐污染不如一樣孔徑的單皮層的膜；膜孔徑分布窄截留分子量窄的膜耐污染性好；外表光滑的膜耐

18、污染性好。3進料的組成和性質進料會與膜有相互作用：靜電作用：膜外表電荷與溶液中荷電介質一樣時，相互排斥，膜不易被污染；反之那么易被污染；范氏壓力：溶質和膜親水，那么之間吸引力弱，溶質不易污染膜； 其他：進料濃度，溫度，pH，離子強度，溶質分子大小和外形等。膜污染的控制膜污染的控制據(jù)影響污染的要素，相應的控制污染的方法如下：膜資料的選擇、留意資料的親水性和荷電性等；選擇適宜構造的膜，包括膜的對稱性，皮層構造，孔徑大小及其分布，膜外表粗糙度等；選擇適宜的膜組件，適宜的操作參數(shù)如壓力，流速，回收率等；選擇適宜的進料的濃度，pH，溫度，離子強度等。膜的清洗膜的清洗1 膜清洗必要性和本卷須知必要性：消除

19、污染物，使水通量恢復，使膜壽命延伸，能耗降低等。本卷須知：1)膜的物化特性，如耐溫，耐酸、堿，耐氧化性等； 2)污染物特性，如種類，可溶解性，可氧化性，可酶解性等。膜的清洗膜的清洗2 膜清洗方法和效果物理法：主要有高流速水沖洗，氣水反沖洗，海綿球機械清洗，抽吸清洗，電脈沖清洗等。化學法：主要有酸、堿、外表活性劑、絡合劑、殺菌劑、酶、氧化劑和其他添加劑等。清洗效果：通量恢復，流程壓差降減少等。超濾技術運用領域超濾技術運用領域1純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。2汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處置。汽車、家具等制品的電

20、泳涂裝淋洗水中常含有12的涂料高分子物質，用超濾安裝可分別出清水反復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。3食品工業(yè)中的廢水處置。在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分別蛋白和低分子量的乳糖。4果汁、酒等飲料的消毒與廓清。運用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處置的同時堅持原有的色、香、味，操作方便，本錢較低。5在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處置熱敏性物質，分別濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。6造紙廠的廢水處置。微孔膜過濾微孔膜過濾微孔膜過濾微孔膜過濾l微濾(Microfiltration) 它是以靜壓差為推進力，利用膜的“篩分作用進展分別的膜分別過程。lMF膜具有比較整齊、均勻的多孔構造，在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子經(jīng)過膜，大于膜孔的粒子那么被阻攔在膜的外表上，使大小不一的組分得以分別。lMF作用相當于過濾，由于微孔濾膜孔徑相對較大，孔隙率高，因此阻力小，過濾速度快，實踐操作壓力也較低。lMF主要從氣相和液相物質中截留微米及亞微米級的細小懸浮物、微生物、微粒、細菌、酵母、紅細球、污染物等，以到達凈化、分別和濃縮的目的。被分別粒子的直徑范圍為 0.110m。lMF膜在過濾時介質不會零落，