第9章膜化學(xué)分離工程

1、19 9 膜分離膜分離Chapter9 Barrier separation 分離工程分離工程Separation Engineering 29.1 膜分離概述膜分離概述 一、膜分離是一、膜分離是以天然或合成的薄膜以天然或合成的薄膜為為質(zhì)量分離劑質(zhì)量分離劑，以，以壓力梯度、濃度梯度、電位梯度、溫度梯度等為推壓力梯度、濃度梯度、電位梯度、溫度梯度等為推動(dòng)力動(dòng)力，根據(jù)液體或氣體混合物中，根據(jù)液體或氣體混合物中不同組分通過(guò)膜的不同組分通過(guò)膜的滲透率的差異滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級(jí)、提純或富集實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級(jí)、提純或富集的過(guò)程。的過(guò)程。膜分離過(guò)程示意圖膜分離過(guò)程示意圖3二、人類對(duì)膜的認(rèn)識(shí)和研

2、究應(yīng)用情況二、人類對(duì)膜的認(rèn)識(shí)和研究應(yīng)用情況 1784年年法國(guó)法國(guó)Nelkt發(fā)現(xiàn)膜分離現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)膜分離現(xiàn)象；19世紀(jì)世紀(jì)人類發(fā)現(xiàn)天人類發(fā)現(xiàn)天然橡膠對(duì)不同氣體有不同的透過(guò)率，由此提出用多孔膜分然橡膠對(duì)不同氣體有不同的透過(guò)率，由此提出用多孔膜分離混合氣體、細(xì)菌、蛋白和極細(xì)粒子的超過(guò)濾概念離混合氣體、細(xì)菌、蛋白和極細(xì)粒子的超過(guò)濾概念; 1864年年Traube成功研制出成功研制出人類歷史上的第一片人造膜人類歷史上的第一片人造膜(亞鐵氰亞鐵氰化銅化銅)；20世紀(jì)世紀(jì)30年代開(kāi)始年代開(kāi)始系統(tǒng)研究膜分離技術(shù)；系統(tǒng)研究膜分離技術(shù)；40年代年代出現(xiàn)基于滲析原理的人工腎；出現(xiàn)基于滲析原理的人工腎；50年代開(kāi)始年代

3、開(kāi)始研究反滲透；研究反滲透；60年代膜分離技術(shù)年代膜分離技術(shù)的研究有了突破的進(jìn)展（的研究有了突破的進(jìn)展（醋酸纖維膜的醋酸纖維膜的成功研制成功研制）。）。近年來(lái)近年來(lái)，膜分離技術(shù)，膜分離技術(shù)，在海水淡化、環(huán)保、在海水淡化、環(huán)保、石油化工、生物醫(yī)藥、輕工食品石油化工、生物醫(yī)藥、輕工食品等各領(lǐng)域得到發(fā)展。等各領(lǐng)域得到發(fā)展。 9.1 膜分離概述膜分離概述 4三、膜分離技術(shù)的主要特征三、膜分離技術(shù)的主要特征不發(fā)生相變，能耗低；不發(fā)生相變，能耗低；常溫操作，適用于熱敏感物質(zhì)的分離；常溫操作，適用于熱敏感物質(zhì)的分離；適合于特殊溶液適合于特殊溶液-大分子、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)溶液等大分子、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)溶液等膜分離

4、裝置簡(jiǎn)單、易控制、分離效果好。膜分離裝置簡(jiǎn)單、易控制、分離效果好。四、分離用膜四、分離用膜、膜應(yīng)具備的特征：、膜應(yīng)具備的特征： 膜膜不管薄到什么程度，至不管薄到什么程度，至少少必須具有兩個(gè)界面，必須具有兩個(gè)界面，分別與被膜分開(kāi)的兩側(cè)的流體分別與被膜分開(kāi)的兩側(cè)的流體物質(zhì)相互接觸。物質(zhì)相互接觸。膜應(yīng)具有良好的選擇透過(guò)性。膜應(yīng)具有良好的選擇透過(guò)性。 9.1 膜分離概述膜分離概述 52 2、膜的分類和結(jié)構(gòu)形態(tài)、膜的分類和結(jié)構(gòu)形態(tài)9.1 膜分離概述膜分離概述 形狀：形狀：平板膜、管式膜、中空纖維膜平板膜、管式膜、中空纖維膜制備方法：制備方法：相轉(zhuǎn)化膜、燒結(jié)膜、拉伸膜、溶出膜相轉(zhuǎn)化膜、燒結(jié)膜、拉伸膜、溶出

5、膜圖示圖示6膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)相同，且膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)相同，且孔徑和孔徑分布基本一致。疏松的孔徑和孔徑分布基本一致。疏松的微孔膜和致密均相膜，膜厚度大約微孔膜和致密均相膜，膜厚度大約在在1010200m200m。因膜厚、滲透量低，因膜厚、滲透量低，工業(yè)應(yīng)用少。工業(yè)應(yīng)用少。膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)不相同，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)和形態(tài)不相同，致密層厚度為致密層厚度為0.10.10.5m 0.5m ，支撐，支撐層厚度大約在層厚度大約在5050150m150m。因膜薄，因膜薄，滲透量較高。滲透量較高。在膜分離過(guò)程中，滲透通量一般與膜厚成反比。在膜分離過(guò)程中，滲透通量一般與膜厚成反比。結(jié)構(gòu)類似非對(duì)稱膜

6、，但選用材料結(jié)構(gòu)類似非對(duì)稱膜，但選用材料不同，表層可多層復(fù)合。不同，表層可多層復(fù)合。73 3、膜的材料、膜的材料膜材料膜材料具有良好的成膜性能、物化穩(wěn)定性、耐酸、具有良好的成膜性能、物化穩(wěn)定性、耐酸、堿、微生物的侵蝕和耐氧化。堿、微生物的侵蝕和耐氧化。反滲透、納濾、超濾、微濾反滲透、納濾、超濾、微濾用膜最好為親水性，用膜最好為親水性，以得到高通水量和抗污染能力；以得到高通水量和抗污染能力；氣體分離，尤其是氣體分離，尤其是滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)，要求膜材料對(duì)透過(guò)，要求膜材料對(duì)透過(guò)組分優(yōu)先吸附和優(yōu)先擴(kuò)散；組分優(yōu)先吸附和優(yōu)先擴(kuò)散；電滲析用膜電滲析用膜則特別要求耐酸、耐堿和熱穩(wěn)定性。則特別要求耐酸、耐堿和熱

7、穩(wěn)定性。 P390P390表表9-19-1常用高分子材料膜。常用高分子材料膜。9.1 膜分離概述膜分離概述 84 4、膜性能的表示方法、膜性能的表示方法(1)(1)分離透過(guò)性：分離透過(guò)性：分離效率、分離系數(shù)、滲透通量分離效率、分離系數(shù)、滲透通量 和通量衰減系數(shù)和通量衰減系數(shù)9.1 膜分離概述膜分離概述 分離效率：分離效率：表示膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力，以脫鹽率或表示膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力，以脫鹽率或 截留率截留率R R表示。表示。 99.1 膜分離概述膜分離概述 (2) (2) 物化穩(wěn)定性：物化穩(wěn)定性：膜的強(qiáng)度、耐壓力、耐溫度、膜的強(qiáng)度、耐壓力、耐溫度、 耐酸度、化學(xué)穩(wěn)定性。耐酸度、化學(xué)穩(wěn)定性。通量衰減

8、系數(shù)：通量衰減系數(shù)：由于過(guò)程的濃差極化、膜的壓密由于過(guò)程的濃差極化、膜的壓密 及膜孔堵塞等原因，及膜孔堵塞等原因，膜的滲透通量隨時(shí)間衰減。膜的滲透通量隨時(shí)間衰減。 J=J0m m為衰減系數(shù)；為衰減系數(shù)；為使用時(shí)間；為使用時(shí)間； J為時(shí)間為時(shí)間的滲透通的滲透通量；量； J0為初始時(shí)間的滲透通量。為初始時(shí)間的滲透通量。滲透通量：滲透通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量 分離系數(shù)：分離系數(shù)： 109.1 膜分離概述膜分離概述 l板框式膜具板框式膜具5 5、工業(yè)上常用的膜分離設(shè)備、工業(yè)上常用的膜分離設(shè)備11l卷式膜具卷式膜具9.1 膜分離概述膜分離概述 12l管式

9、膜具管式膜具9.1 膜分離概述膜分離概述 13l中空纖維膜具中空纖維膜具9.1 膜分離概述膜分離概述 149.2 微慮、超慮、納慮和反滲透微慮、超慮、納慮和反滲透 以以壓力為推動(dòng)力壓力為推動(dòng)力將膜將膜分離過(guò)程分為分離過(guò)程分為微濾、超濾、微濾、超濾、納濾和反滲透納濾和反滲透，四者組成，四者組成了一個(gè)了一個(gè)可分離固態(tài)微粒到可分離固態(tài)微粒到離子的四級(jí)分離過(guò)程離子的四級(jí)分離過(guò)程。 分離原理：分離原理：在膜兩側(cè)施加在膜兩側(cè)施加壓力，使部分溶劑及小于壓力，使部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過(guò)膜，而膜孔徑的組分透過(guò)膜，而微粒、大分子、鹽等被膜微粒、大分子、鹽等被膜截留下來(lái)，從而達(dá)到分離截留下來(lái)，從而達(dá)到分離的目

10、的。的目的。151、微濾、微濾(Microfiltration)：基本原理屬于基本原理屬于篩網(wǎng)過(guò)濾篩網(wǎng)過(guò)濾。以靜以靜壓為推動(dòng)力壓為推動(dòng)力，使小于膜孔的粒子通過(guò)濾膜，大于膜孔的，使小于膜孔的粒子通過(guò)濾膜，大于膜孔的粒子被截留到膜面上，使得大小不同的組分得以分離。粒子被截留到膜面上，使得大小不同的組分得以分離。截留粒徑大于截留粒徑大于0.05m的組分，操作壓力一般為的組分，操作壓力一般為 P=0.050.2Mpa； 主要用于制藥行業(yè)除菌、電子工業(yè)用高純水的制備、主要用于制藥行業(yè)除菌、電子工業(yè)用高純水的制備、生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)。生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)。2、超濾、超濾(Ultrafiltration)：主

11、要依靠主要依靠膜的物理篩分作用膜的物理篩分作用除除去污染物。去污染物。以靜壓為推動(dòng)力以靜壓為推動(dòng)力的的膜過(guò)濾膜過(guò)濾過(guò)程。截流大分子過(guò)程。截流大分子或粒徑不大于或粒徑不大于0.2m微粒；操作壓力一般為微粒；操作壓力一般為 P=0.91.0Mpa；主要用于牛奶中蛋白與乳糖、水的分離、聚乙烯醇主要用于牛奶中蛋白與乳糖、水的分離、聚乙烯醇廢水的處理、分離濃縮酶、核酸等特殊蛋白等生物活性廢水的處理、分離濃縮酶、核酸等特殊蛋白等生物活性物質(zhì)物質(zhì)。9.2 微慮、超慮、納慮和反滲透微慮、超慮、納慮和反滲透 163、納濾、納濾(Nano-filtration)：可除去可除去1nm即即0.001m的的顆粒，因?yàn)轭w

12、粒，因?yàn)榻亓鞣肿釉诩{米范圍，故稱為納濾截流分子在納米范圍，故稱為納濾。操。操作壓力一般為作壓力一般為 P=0. 53.0Mpa；主要用于制造生化產(chǎn)品、污水處理、飲用水制主要用于制造生化產(chǎn)品、污水處理、飲用水制備和回收物料等領(lǐng)域。備和回收物料等領(lǐng)域。4、反滲透、反滲透(Reverse osmosis)：在濃溶液的一邊加在濃溶液的一邊加上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉(zhuǎn)滲透方向，把溶上比自然滲透壓更高的壓力，扭轉(zhuǎn)滲透方向，把溶液中的溶劑（水）壓到半滲透膜的另一邊的稀溶液液中的溶劑（水）壓到半滲透膜的另一邊的稀溶液中的過(guò)程。中的過(guò)程。9.2 微慮、超慮、納慮和反滲透微慮、超慮、納慮和反滲透 17 a a

13、、反滲透的原理、反滲透的原理 滲透是由于滲透是由于化學(xué)位梯度的存在化學(xué)位梯度的存在而引起的自發(fā)擴(kuò)散而引起的自發(fā)擴(kuò)散現(xiàn)象。現(xiàn)象。 在一定的溫度壓力下，純水的化學(xué)位大于溶液中在一定的溫度壓力下，純水的化學(xué)位大于溶液中水的化學(xué)位，因此引起純水向溶液方向滲透，并不斷水的化學(xué)位，因此引起純水向溶液方向滲透，并不斷增加溶液側(cè)的壓力。當(dāng)溶液中水的化學(xué)位與純水的化增加溶液側(cè)的壓力。當(dāng)溶液中水的化學(xué)位與純水的化學(xué)位相等時(shí)滲透達(dá)到平衡，此時(shí)，兩側(cè)的學(xué)位相等時(shí)滲透達(dá)到平衡，此時(shí)，兩側(cè)的壓力差壓力差稱為稱為滲透壓滲透壓。 9.2 微慮、超慮、納慮和反滲透微慮、超慮、納慮和反滲透 18b b、反滲透過(guò)程必須的兩個(gè)條件：

14、、反滲透過(guò)程必須的兩個(gè)條件： 一是必須具有一是必須具有高選擇性和高滲透性高選擇性和高滲透性（一般指透水（一般指透水 性）性）的半滲透膜；的半滲透膜； 二是二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。操作壓力必須高于溶液的滲透壓。c c、反滲透技術(shù)的主要應(yīng)用、反滲透技術(shù)的主要應(yīng)用 咸水脫鹽和海水淡化、超純水去除重金屬離子咸水脫鹽和海水淡化、超純水去除重金屬離子（電鍍廢液中）、牛奶的濃縮等。（電鍍廢液中）、牛奶的濃縮等。9.2 微慮、超慮、納慮和反滲透微慮、超慮、納慮和反滲透 199.3 氣膜分離氣膜分離20一、膜技術(shù)的應(yīng)用一、膜技術(shù)的應(yīng)用1 1、水處理中的應(yīng)用、水處理中的應(yīng)用 膜分離是膜分離是飲用水凈化和

15、純化的最佳手段飲用水凈化和純化的最佳手段。使用膜分。使用膜分離可以去除水中的懸浮物、細(xì)菌、有毒金屬和有機(jī)離可以去除水中的懸浮物、細(xì)菌、有毒金屬和有機(jī)物。物。 城市廢水的處理。城市廢水的處理。使用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行城市污水使用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行城市污水處理，可以生產(chǎn)出不同用途的再生水（工業(yè)冷卻水、處理，可以生產(chǎn)出不同用途的再生水（工業(yè)冷卻水、綠化用水和城市雜用水），是解決水資源匱乏的重綠化用水和城市雜用水），是解決水資源匱乏的重要方法。要方法。 工業(yè)廢水工業(yè)廢水的處理。工業(yè)廢水處理既回收了資源又保的處理。工業(yè)廢水處理既回收了資源又保護(hù)了環(huán)境。護(hù)了環(huán)境。 膜技術(shù)的應(yīng)用和展望膜技術(shù)的應(yīng)用和展望 212

16、2、在食品工業(yè)中的應(yīng)用、在食品工業(yè)中的應(yīng)用 1919世紀(jì)世紀(jì)6060年代末已用于乳品加工和啤酒無(wú)菌過(guò)濾；年代末已用于乳品加工和啤酒無(wú)菌過(guò)濾； 果汁飲料加工；果汁飲料加工； 用超濾技術(shù)對(duì)白酒除濁增香、對(duì)啤酒除菌保鮮、對(duì)用超濾技術(shù)對(duì)白酒除濁增香、對(duì)啤酒除菌保鮮、對(duì)果酒、黃酒、葡萄酒、保健酒的精制；果酒、黃酒、葡萄酒、保健酒的精制； 各種動(dòng)、植物蛋白的加工；各種動(dòng)、植物蛋白的加工； 酶制劑的濃縮和精制；酶制劑的濃縮和精制； 用超濾和反滲透技術(shù)提純和精制速溶茶。用超濾和反滲透技術(shù)提純和精制速溶茶。 膜技術(shù)的應(yīng)用和展望膜技術(shù)的應(yīng)用和展望 223 3、在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用、在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用 以膜技術(shù)為核心的以膜技術(shù)為核心的人工腎、人工肺人工腎、人工肺； 以膜技術(shù)為核心的血液透析和腹水透析的以膜技術(shù)為核心的血液透析和腹水透析的透析器透析器 帶有膜過(guò)濾器的帶有膜過(guò)濾器的注射器注射器； 用膜分離技術(shù)進(jìn)行用膜分離技術(shù)進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)和生化分析樣品的預(yù)環(huán)境檢測(cè)和生化分析樣品的預(yù) 處理。處理。 膜技術(shù)的應(yīng)用和展望膜技術(shù)的應(yīng)用和展望 23 膜技術(shù)的應(yīng)用和展望膜技術(shù)的應(yīng)用和展望 二、二、OVER2425本課程學(xué)習(xí)到此結(jié)束了！本課程學(xué)習(xí)到此結(jié)束了！生活還是要繼續(xù)的，生活還是要繼續(xù)的，學(xué)習(xí)才剛剛開(kāi)始！學(xué)習(xí)才剛剛開(kāi)始！祝愿同學(xué)們祝愿同學(xué)們?cè)诮窈?/p>