第十四章新型膜分離技術(shù)

1、0 *膜熱錮與膜接舷賽Membrane Distillation & Membrane ContactorsLL11濮蒸錮概述丿*膜蒸餡(Membrane Distillation)是2(Ht紀(jì)60年代中期由/ M E Findly提出，80年代發(fā)展起來的一種新型膜分離技 術(shù)。其原理是以微孔疏水膜將兩種不同溫度的水溶液分： 開，由膜兩側(cè)溫度差造成二側(cè)蒸氣壓差，使易揮發(fā)組分 的蒸氣分子通過膜孔從高溫側(cè)向低溫側(cè)擴(kuò)散，并冷凝；1 其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離 或提純的目的。馬*膜蒸餡(MD)是膜技術(shù)與蒸發(fā)過程相結(jié)合的膜分離過程： 屬熱驅(qū)動(dòng)膜過程。/崇實(shí)現(xiàn)MD需要有兩個(gè)條件

2、：所用膜必須是疏水微孔膜匕 (對分離水溶液而言)；膜兩側(cè)要有一定的溫度差存» 在，以提供傳質(zhì)所需的推動(dòng)力。疏水多孔膜TAG透水水整個(gè)傳遞過程包括三個(gè)步驟:1）高溫側(cè)蒸發(fā);2 ）蒸氣分子通過疏水膜孔進(jìn)行傳遞;3）低溫低冷凝。3膜蒸餾的特點(diǎn)該過程幾乎是在常壓下進(jìn)行的，設(shè)備簡單，操作容易, 在技術(shù)力量比較薄弱的地區(qū)也有實(shí)現(xiàn)的可能性; 在該過程和運(yùn)行中，無需把溶液加熱到沸點(diǎn)，只要使膜 兩側(cè)維持適當(dāng)?shù)臏夭罹涂梢?。這就有可能利用太陽能、 地?zé)峒皽厝攘畠r(jià)的天然能源以及工廠的余熱等；該過程可以用來處理極高濃度的水溶液; 在非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的膜蒸餡過程中，只有水蒸氣能 透過膜孔，所以膜蒸餡液十分純

3、凈，可望成為大規(guī)模、 低成本制備超純水的有效手段；膜蒸餡組件很容易設(shè)計(jì)成潛熱回收的形式，并具有以高效率的小型組件構(gòu)成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性。膜蒸憎的弱點(diǎn):膜蒸餡是一個(gè)有相變的膜過程，汽化潛熱降低了熱能的7 利用率，所以在組件的設(shè)計(jì)上必須考慮到潛熱的回收。； 與其他膜過程相比，膜蒸餡在有廉價(jià)能源可利用的情況; 下才更有實(shí)用意義； / 膜蒸館與制備純水的其他膜過程相比通量較小，所以目' 前尚未實(shí)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如何提高膜蒸館的通量彳 也就成了一個(gè)重要的研究課題； 4 膜蒸餡采用疏水性微孔膜，與親水膜相比在膜材料和制 備工藝的選擇方面都十分有限。4濮熱餾用濮材料崇膜蒸餡所用膜材料應(yīng)滿足疏

4、水性和多孔性兩個(gè)要求，以保證水不會(huì)滲入到微孔內(nèi)和具有較高的通量。另外，足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性.化學(xué)穩(wěn)定性以及低的 熱導(dǎo)率也是膜蒸餡用膜材料所必需的。崇近年來，膜蒸餡過程的膜材料的研究開發(fā)集中于三種膜 材料，即：聚四氟乙烯（PTFE） 聚偏氟乙烯（PVDF） 聚丙烯（PP）5膜蒸餾的應(yīng)用i.海水或苦咸水的淡化II.強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中水的分離in.甘蔗榨汁液的濃縮IV. 人參露和洗參水的分離濃縮V. 分離提純天然鹽水中的食鹽和芒硝VI. 超純水的制備VII. 廢水的處理共沸混合物及有機(jī)溶液的分離滲遂蒸掘的概念及鷹理*上世紀(jì)80年代提出了滲透蒸餡(osmotic distillation)的過程,

5、 這是一種與膜蒸館十分類似過的程。使用的也是疏水性 微孔膜，膜兩側(cè)也是不潤濕膜孔的水溶液，且也是利用 膜兩側(cè)的蒸汽壓差將料液側(cè)水蒸汽傳遞到膜的另一側(cè)。 但不同的是，膜蒸餡兩側(cè)有壓差是由膜兩側(cè)的溫度差產(chǎn) 生的，而滲透蒸餡兩側(cè)的壓差是由臘兩側(cè)溶液的滲透壓 產(chǎn)生的(也稱為等溫膜蒸餡)。崇應(yīng)用：膜的一側(cè)是含鹽量很低的稀溶液，另一側(cè)為電解 質(zhì)濃溶液，這樣即可對低鹽溶液進(jìn)行脫水濃縮。該方法 特別適用于新鮮牛奶、水果汁等熱敏物質(zhì)的脫水濃縮。膜 接觸賽(Membrane Contactors )*除蒸餡過程可以用膜外，傳統(tǒng)的吸收（及解吸）過程. 萃取過程也可以通過膜來實(shí)現(xiàn)。在這里膜僅提供傳質(zhì)的 相界面，以實(shí)現(xiàn)

6、氣液或液液之間的傳質(zhì)，因此統(tǒng)稱為 膜接觸器。*根據(jù)相間傳質(zhì)體系的不同，膜接觸器可分為： 氣液（G-L）膜接觸器。類似于吸收； 液氣（L-G）膜接觸器。類似于解吸；液液（LL）膜接觸器。類似于萃取與反萃取。#<a)液體氣體(b)液體氣體液體毛液接觸器（b）液-氣接融星（C）紀(jì)液接蔽器15Liquid-gas contactor: to remove dissolved gases from liquidsWaterd issolvedoxygenEthyle ethane mixtureAgNO3ethyleneabsorbentsolution17#yNitrogenJf?T77m EW

7、eepGas-liquid contactor: to separate olefin/paraffin mixturesLiquid-liquid contactor with two miscible liquids (membrane distillation): to remove pure " water from a salt solution “DissolvedVOCs inwaterOrganicvoc abso rbent solutionHot aqueoussalt solutionCool aqueous solution/Liquid-liquid con

8、tactor with two immiscible liquids: to remove dissolved VOCs from water#Ethyls ne/et han efeedEthylene productFlash tankMembrane contactor Ethane residueAgNO3 solution recirculation pumpFlow schematic of the membrane contactor processdeveloped by British Petroleum to separate ethylene/ethanemixtures

9、 by absorption into silver nitrate solution膜反&賽Membrane Reactors1濮反應(yīng)賽(MR)概述*膜反應(yīng)器(Membrane Reactors)是膜和化學(xué)反應(yīng)或生# 化反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或設(shè)備。也可這樣定義：依靠膜的/ 功能、特點(diǎn)改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率的設(shè)備或系統(tǒng)*膜反應(yīng)器中膜的功能：;A. 分離功能 即膜有選擇性透過不同物質(zhì)的能力；/B. 載體功能指膜可以作為催化劑或生物催化劑的載體，鞏用于制備具有催化活性的功能膜；c.分隔功能和復(fù)合功能 分隔功能是指膜具有兩個(gè)表面，； 并可將系統(tǒng)分隔為獨(dú)立的依靠膜相關(guān)聯(lián)的兩部分；復(fù)合, 功能是

10、指利用復(fù)合技術(shù)制備出具有不同功能的功能型復(fù)； 合層膜系統(tǒng)。>3膜反應(yīng)器的類型糸膜催化反應(yīng)器(membrane catalytic reactor)將膜分離與催化反應(yīng)結(jié)合，可突破化學(xué)平衡的限 制，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。糸膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor MBR)將膜分離與生物反應(yīng)結(jié)合，可控制產(chǎn)物抑制作用, 回收生物催化劑，提高生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。它按生 物催化劑類型又可分：酶膜生物反應(yīng)器、膜發(fā)酵 器和膜組織培養(yǎng)。(a) Membrane as a contactorJuice' Pectinase gn zymesJuice+ degraded pectin半乳糖醛酸/卜

11、 butaneHydrogen果膠酶Pectin* galacturonic acid(b) Membrane as a separating barrier.-Noble metalcatalyst- butadiene一Hy d rogen -perm eab I e. hyd roca rbon-impe rme ab q membra non-butane = butadiene 十 hydrogenExamples of the three types of membrane reactor (1)（亦骨孔內(nèi)裝有値化劑$4）皮層含有備化齊嘰（叮膜箜含有權(quán)化才原茶(0J一吹掃/純化吹掃

12、/純化管內(nèi)裝 催化劑截留物5"亠嚴(yán)吹掃/純化支樺休支撐體管內(nèi)裝有催化劑的皮層管內(nèi)裝有催化剤 的膜（亦骨孔內(nèi)裝有値化劑$4）皮層含有備化齊嘰（叮膜箜含有權(quán)化才崇無機(jī)催化膜反應(yīng)器中的耙牘反應(yīng)器，用真空蒸鍍4.膜反應(yīng)賽所用濮材料法或飛濺涂膜法使鈍超薄覆蓋于無機(jī)陶瓷多孔膜 的表面上，形成Pd多孔陶瓷復(fù)合膜。*有機(jī)催化膜反應(yīng)器中酶牘反應(yīng)器的膜材料常用聚 硯、芳香聚酰胺；膜生物反應(yīng)器常用聚丙烯、聚 乙烯.聚硯.聚偏氟乙烯等。5濮反應(yīng)器的應(yīng)用糸耙膜反應(yīng)器的應(yīng)用：由天然氣或co制造氫；環(huán) 已烷的脫氫；低級石蠟族烷炷的芳構(gòu)化。崇酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用：蔗糖的水解；生物大分子水 解；低聚肽合成；手性化合物的生

13、產(chǎn)研究；輔酶 的再生；酶法生產(chǎn)L氨基酸。楽膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用：細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵；動(dòng)/植物細(xì) 胞培養(yǎng)；城市污水和工業(yè)廢水的處理。十、 4Mb A B * V iTjTnrnnmnrilL tlwn-wr««r bW«r b T b "WW « i LiiiibLhiiMf ifflf JI !9 9 li 2浙江大學(xué)凱華公司MBR工程1浙MBR賣際上是一種膜分富 與活性污泥法組合的新型 污水處理技術(shù) Q 二忙皿231膜控制釋放Control Release1膜控制釋放概述*控制釋放就是將藥物或其他生物活性物質(zhì)和基材（通常為高分子材料）結(jié)合在一起，使藥

14、物 通過擴(kuò)散等方式在一定的時(shí)間內(nèi)，以某一速率 釋放到環(huán)境中的技術(shù)。*藥物的釋放速率取決于基材和藥物性質(zhì)以及它 們之間的結(jié)合方式、環(huán)境條件等。*膜控制釋放是一類新興的交叉學(xué)科，它涉及化 學(xué)、化工、材料學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等諸多學(xué) 科，已在醫(yī)學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、船舶涂料 等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2濮控制釋放的特點(diǎn)藥物的控制釋放與常規(guī)釋放相比有以下優(yōu)點(diǎn): *釋放到環(huán)境中的藥物濃度比較穩(wěn)定;*能最有效地利用藥物;崇可使藥物的釋放部位盡可能接近病源，提高了 藥效，減小可能的副作用；*減少了用藥次數(shù)，極大地方便了用藥者。21擴(kuò)散控制釋放糸統(tǒng)R*擴(kuò)散控制藥物釋放體系有貯存器(reservoir)型和 詁 混合藥

15、膜(monolithic)兩種§ 貯存器型：藥物被聚合物基材包埋，藥物由聚| 合物膜中的孔道或網(wǎng)絡(luò)間的空隙擴(kuò)散釋放出來。彳 混合藥膜型：藥物是以溶解或分散的形式和聚2合物基材結(jié)合在一起的。HReservoir device貯存器型22化學(xué)控制釋放糸統(tǒng)g*化學(xué)控制藥物釋放體系是目前最使人感興趣的xjffl 膜控制釋放體系。其中，聚合物基材可在釋放 傷I 環(huán)境中降解，當(dāng)藥物釋放完畢后，基材可完全 悔 降解以致消失，不需要手術(shù)將基材從體內(nèi)取出。綁 *藥物的釋放速率是以聚合物基材的降解反應(yīng)速 領(lǐng) 率來控制的。須I*該體系可分為：4|A. 混合藥膜降解體系須降解大分子藥物體系41Salt ch

16、amberSalt chamberDrug chamberWaterchamberRigidElastic diaphragmsmiperweablemembrane*用于溶劑滲透控制釋放體系的聚合物：其半透膜應(yīng)有一定的滲透性、強(qiáng)度和剛度。主要有: 纖維素及其衍生物 甲基丙烯酸程乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物 EVA共聚物交聯(lián)PVA#3濮控制釋放技術(shù)的應(yīng)用A.在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用 膜控制釋放在醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用得最多，現(xiàn)已廣泛用于臨床，解決一些疑難雜癥。按給藥部位和方式不同,分為口服型、透皮吸收型、植入型、宮腔給藥等。B.在農(nóng)藥工業(yè)中的應(yīng)用 體現(xiàn)多種優(yōu)點(diǎn)，如可防止農(nóng)藥揮發(fā)、分解、流失，延長藥效，提高防治 效果；減少施藥次數(shù)和施藥量；將農(nóng)藥對環(huán)境污染的程度降低到最大限度。具體方式有微膠囊；塑料壓層；吸收混合；種子包衣法；高分子