化工分離過程膜分離概要

化工分離過程膜分離概要第1頁/共89頁膜與膜工程技術的工業(yè)應用膜制備技術膜分離過程膜與膜分離技術的分類

前言

與傳統(tǒng)反應和分離技術的結合目錄

展望第2頁/共89頁如精餾、吸收、萃取等，借助于熱能、溶劑和吸附劑等媒介，使均相混合物變成兩相，原料中各組分在兩相間選擇性分配；對分離過程進行工藝計算時，可以簡化為一個個的平衡理論級來考慮，分離效果由相平衡關系決定。常規(guī)分離過程——平衡分離過程膜分離過程——速率分離過程而膜分離過程（主要是固膜分離）是以選擇性透過膜為分離介質，在兩側加以某種推動力，利用原料側各組分透過膜的擴散速率的差異，從而達到混合物分離的過程；分離效果的好壞，由各組分通過膜的速率快慢來決定。所有分離過程都是利用在某種環(huán)境中混合物中各組分性質的差異進行分離。5.1前言第3頁/共89頁推動力：

P,C或

膜分離過程第4頁/共89頁被動傳遞

通過膜相際的組分均以化學勢梯度為推動力，可以是膜兩側的壓力差、濃度差、溫度差或電勢差。促進傳遞通過膜的組分仍以化學勢梯度為推動力，各組分由特定的載體帶入膜中。促進傳遞是一種高選擇性的被動傳遞主動傳遞與前二者不同，各組分可以逆化學勢梯度而傳遞，其推動力由膜內某種化學反應提供，這類現象主要存在于生命膜通過膜相際有3種基本的傳質形式：第5頁/共89頁

不同的膜分離過程中所用的膜具有一定結構、材質和選擇特性；被膜隔開的兩相可以是液態(tài)，也可以是氣態(tài)；推動力可以是壓力梯度、濃度梯度、電位梯度或溫度梯度，所以不同的膜分離過程的分離體系和適用范圍也不同。

本章主要簡述反滲透、納濾、超濾、微濾、透析、電滲析、載體促進傳遞、滲透汽化、膜精餾、膜萃取和氣體分離等膜分離過程。第6頁/共89頁膜分離技術的發(fā)展歷史膜分離過程國家年份應用微濾德國1920實驗室規(guī)模超濾德國1930實驗室規(guī)模血液滲析荷蘭1950人工腎(實驗室規(guī)模)電滲析美國1955脫鹽(工業(yè)規(guī)模)反滲透美國1960海水淡化(工業(yè)規(guī)模)超濾美國1960大分子濃縮(工業(yè)規(guī)模)氣體分離美國1979氫氣回收(工業(yè)規(guī)模)膜蒸餾德國1981水溶液濃縮(工業(yè)規(guī)模)滲透汽化德國/荷蘭1982有機溶劑脫水(工業(yè)規(guī)模)第7頁/共89頁美國膜與膜組件的實際銷售額與預測額單位:百萬美元2000年，美國膜產品的銷售額總計14.62億US$；世界范圍內100億US$，而國內銷售額僅占0.5%左右。第8頁/共89頁膜分離過程及其應用領域第9頁/共89頁幾種典型溶質分子大小和對應的膜第10頁/共89頁各種膜分離過程的分離機理膜過程相1*2推動力分離機理滲透物截留物膜結構微濾LL壓力差(0.01-0.2MPa)篩分水、溶劑溶解物懸浮物、顆粒、纖維和細菌(0.01-10m)對稱和不對稱多孔膜超濾LL壓力差(0.1-0.5MPa)篩分水、溶劑、離子和小分子(分子量1000)生化制品、膠體和大分子(分子量1000-300000)具有皮層的多孔膜納濾LL壓力差(0.5-2.0MPa)篩分+溶解/擴散水和溶劑(分子量200)溶質、二價鹽、糖和染料(分子量200-1000)致密不對稱膜和復合膜反滲透

LL壓力差(1.0-10.0MPa)溶解/擴散水和溶劑全部懸浮物、溶質和鹽致密不對稱膜和復合膜電滲析LL電位差離子交換電解離子非解離和大分子物質離子交換膜滲析LL濃度差擴散離子、低分子量有機質、酸和堿分子量大于1000的溶解物和懸浮物不對稱膜和離子交換膜滲透蒸發(fā)LG分壓差溶解/擴散溶質或溶劑(易滲透組份的蒸汽)溶質或溶劑(難滲透組份的液體)復合膜和均質膜膜蒸餾LL溫度差氣-液平衡溶質或溶劑(易汽化與滲透的組份)溶質或溶劑(難汽化與滲透的組份)多孔膜氣體分離GG

壓力差(1.0-10.0MPa)(分壓差)溶解/擴散易滲透的氣體和蒸汽難滲透的氣體和蒸汽復合膜和均質膜液膜LL化學反應與濃度差反應促進和擴散傳遞電解質離子非電解質離子載體膜膜接觸器LLGLLG濃度差濃度差(分壓差)濃度差(分壓差)

分配系數

易擴散與滲透的物質

難擴散與滲透的物質

多孔膜和無孔膜第11頁/共89頁<CompanyName>按膜凝聚態(tài)分類復合膜存在于固體多孔支撐層中以乳液形式存在的固膜液膜對稱膜不對稱膜柱狀孔膜多孔膜均質膜多孔膜具有皮層的多孔膜5.2膜與膜分離技術的分類第12頁/共89頁1.天然高分子材料主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維等。醋酸纖維：截留能力強，反滲透膜，也可作微濾膜和超濾膜，使用時的溫度和pH值受到限制，溫度低于45～50℃，pH3～8。2.合成高分子材料市場上大部分膜為合成高分子膜，種類很多，如聚砜、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類和含氟聚合物等。聚砜是最常用的材料之一，主要用于超濾膜，耐溫(70～80℃)、耐pH(pH1～13)，但耐壓較差。聚酰胺膜的耐壓能力較高，使用壽命長，常用于反滲透。主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。機械強度高，耐高溫和腐蝕；加工不易，成本比有機膜高十倍以上。3.無機材料膜材料的分類

第13頁/共89頁有機材料纖維素類二醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、硝酸纖維素等聚酰胺類尼龍－66、芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等芳香雜環(huán)類聚哌嗪酰胺、聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮等聚砜類聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜等。聚烯烴類聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚丙烯酸等硅橡膠類聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷含氟聚合物聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等其它聚碳酸酯、聚電解質無機材料陶瓷氧化鋁、氧化硅、氧化鋯等玻璃硼酸鹽玻璃金屬鋁、鈀、銀等第14頁/共89頁1.液體分離膜2.氣體分離膜分類1:按被分離物質的狀態(tài)分類膜分離技術微濾、超濾、滲析、電滲析、納濾、反滲透、滲透汽化、膜蒸餾、膜萃取等氣體分離、蒸汽滲透、膜吸收等第15頁/共89頁1.固膜分離2.液膜分離分類2:按膜的狀態(tài)分類

過濾式膜分離：溶液或混合氣體置于固體膜的一側，在壓力的作用下，部分物質透過膜而成為濾液或滲透氣，留下部分則成為濾余液或滲余氣。例如，超過濾、反滲透、氣體滲透。

滲析式膜分離：被處理溶液置于固體膜的一側，接受液是接納滲析組分的溶劑或溶液，置于膜另一側。液膜處于料液和接受液兩液相之間，由于選擇透過性，料液中某些組分透過液膜進入接受液，實現組分的分離。液膜分離又稱液膜萃取。3.氣態(tài)膜分離第16頁/共89頁板式膜組件常用的膜組件(module)管式膜組件卷式膜組件毛細管膜組件中空纖維膜組件與平板式壓濾機相近。結構和操作方式不同；在膜組件中，液體處于高速流動的以減輕濃差極化。由支撐物與過濾膜組成。有內壓式和外壓式之分。直徑10mm用平面膜卷制而成。類似于單管程管殼式熱交換器。直徑在0.5～10mm之間類似于單管程管殼式熱交換器。通常管間流物料，管內匯集滲濾液。直徑0.5mm管式、毛細管式和中空纖維式皆為管狀膜，主要差別是直徑不同：管式膜直徑10mm；毛細管式膜直徑0.5～10mm；中空纖維膜直徑0.5mm。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。第17頁/共89頁卷式組件第18頁/共89頁中空纖維膜組件第19頁/共89頁平板膜組件管式膜組件第20頁/共89頁反滲透（ReverseOsmosis)和納濾(Nanofiltration)滲透過程示意圖

反滲透原理：當用一個半透性膜分離兩種不同濃度的溶液時，膜僅允許溶劑分子通過。由于濃溶液中溶劑的化學位低于它在稀溶液中的化學位，稀溶液中的溶劑分子會自發(fā)地透過半透膜向濃溶液中遷移。

5.3膜分離過程第21頁/共89頁反滲透過程的實現必須滿足兩個條件：1.高選擇性(對溶劑和溶質的選擇透過性)和高透過通量（一般是透水）；2.操作壓力必須高于溶液的滲透壓。第22頁/共89頁比較項目管式板框式卷式中空纖維式填充密度(m2/m3)201502501800膜清洗內壓式易外壓式難易難難（內壓中空纖維超濾易）膜更換難易內壓式難外壓式易一般易易原水預處理成本低中等高高相對價格高高低低四種膜組件用于反滲透和納濾時的性能及操作條件

第23頁/共89頁反滲透時溶劑通量JW=（ΔP-Δπ）/Rm

考慮濃差極化，反滲透過程的通量：反滲透膜對無機鹽的截留率較高，所以，CF＜＜CB，則此關系式可簡化為：

上式變形后為溶質通量為

JS=JWCF=JW(1—σ)CW

第24頁/共89頁

CW/CB稱為濃差極化比，其值越大，濃差極化現象越嚴重。

濃差極化對反滲透過程有嚴重影響：提高了滲透壓差，溶劑通量JW下降；產品產量下降提高了膜面溶質濃度，使透過液中溶質濃度CF上升；產品質量下降膜面處溶質濃度高于溶解度時，將析出沉淀增加膜阻力；因此水的濃縮比率受到限制為減輕濃度極化的影響，可采取以下措施：提高料液流速、增強料液的湍流強度，提高操作溫度，對膜面定期清洗第25頁/共89頁在海水和苦咸水淡化方面，反滲透技術的應用到1980年代即已占到20%，可使海水一次脫鹽達到飲用水標準。海水、苦咸水淡化反滲透、超濾等膜技術和離子交換組合過程進行純水生產，可使純水中的雜質含量接近理論純水值，廣泛用于醫(yī)藥工業(yè)無菌純水和電子工業(yè)超純水的制造。純水制備反滲透也用于低分子量水溶性組分的濃縮過程，包括：食品工業(yè)中牛奶、果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮。濃縮過程反滲透的應用第26頁/共89頁

對Na+和Cl-等一價離子的截留率較低，但對Ca2+、Mg2+、SO42-等二價離子及除草劑、農藥、色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物質的截留率很高，而且水在納濾膜中的滲透速率遠大于反滲透膜，所以當需要對低濃度的二價離子和分子量在500到數千的溶質進行截留時，選擇納濾比使用反滲透經濟。

納濾的應用

第27頁/共89頁超濾(Ultrafiltration)

超濾是一種根據分子或離子的大小來進行分離的膜過程。以壓力差為推動力，通過膜孔的篩分機理來截留溶液中的大分子溶質，實現大分子溶質與溶劑和小分子溶質分離。

超濾膜截留的大分子溶質粒徑范圍在1-20nm，分子量300-300000。超濾膜的孔徑常用被截留分子的分子量大小來表征；膜的截留率與截留分子量有關。第28頁/共89頁

對于超濾過程：

CF—ConcentrationofsoluteintheFiltrateCB—ConcentrationofsoluteintheBulkofthefeed截留率σ(Retentivity)第29頁/共89頁

一般地，將截留曲線上截留率為90%的溶質相對分子量定義為膜的截留相對分子質量（relativemolecularweightcut-off,MWCO）第30頁/共89頁

膜孔徑分布的微小變化，就能造成截留能力的顯著變化，由于目前制膜工藝水平限制，還很難得到截留分布很窄的膜。超濾膜的截留分子量（=90%）和對應的實測平均孔徑第31頁/共89頁多級連續(xù)錯流操作配置示意圖

第32頁/共89頁超濾裝置

第33頁/共89頁

超濾在需將尺寸較大的分子和微粒與低分子物質或溶劑分離的領域得到了廣泛地應用，超濾裝置可單獨運行，也可與其它處理設備結合用于各種分離過程中。目前超濾膜除了用于水處理、生物制劑的提純以及在食品和醫(yī)藥工業(yè)外，正在向非水體系的應用發(fā)展，無機超濾膜在這一領域有良好的前景。

超濾應用第34頁/共89頁電子工業(yè)高純水的制備：原水—吸附—微孔過濾—反滲透—離子交換—超過濾醫(yī)藥工業(yè)中，超濾用于制劑水的除菌和除熱原。1.水的凈化是應用膜技術最多的行業(yè)。乳制品生產中乳品的濃縮、精制和排水處理中、果汁和酒等的生產中，均廣泛使用著超濾等膜分離過程。（茶葉、果汁的澄清和濃縮）2.食品工業(yè)酶和蛋白質等活性大分子產物的生產中，超濾操作條件溫和，不易使目標生物大分子失活，被用于分離提取過程的各個階段。中草藥的濃縮3.生物化工汽車制造業(yè)中電泳涂料清洗用水的處理、含油廢水的處理、合成纖維生產中含聚乙烯醇廢水的處理、紙漿廢水的處理等。4.環(huán)保過程

超濾應用第35頁/共89頁微濾(Microfiltration)

微濾膜各種截留作用的示意圖（a）膜的表面層截留；(b)膜內部的網絡中截留

第36頁/共89頁死端過濾和錯流過濾示意圖(a)死端過濾；(b)錯流過濾

對濾液穿過小孔的流動，壓強降可以用Poiseuille方程表示，即：第37頁/共89頁聚合物微濾膜(a)相轉化法；(b)拉伸法；(c)徑跡刻蝕法

陶瓷微濾膜（a）Anotec陽極氧化法（表面）；(b)USFilter燒結法（橫斷面）

第38頁/共89頁

微濾是所有膜過程中應用最普遍、銷售額最大的一項技術，其年銷售額大于其它所有膜過程銷售額的總和。工業(yè)上，微濾主要用于將大于0.1m的粒子與溶液分開的場合。它的最大市場是制藥行業(yè)的除菌過濾和電子工業(yè)用高純水的制備，在食品工業(yè)的許多領域得到了成功的運用，在各種與生物、生理有關的分析中細胞的捕獲、各種顆粒的富集等方面也得到了廣泛應用。隨著水資源的日趨緊張及社會生活水平的提高，飲用水生產和城市污水處理成為微濾過程的兩個潛在的大市場。其最新的應用領域是生物技術和生物醫(yī)學技術領域。

微濾膜的應用第39頁/共89頁滲析過程及濃度分布示意圖(a)滲析過程；(b)典型的濃度分布；(c)若存在邊界層阻力的濃度分布滲析(Dialysis)定義：滲析是溶質分子在濃度差的推動下選擇性透過膜的分離過程。透析原理：第40頁/共89頁

滲透主要用于從高分子量物質中分離出低分子量組分。分離是基于不同組分物化性質和分子尺寸的差異導致在膜擴散速率不同而實現分離的。為了得到高的滲透速率，在以下幾個方面進行了努力：1)在材料強度允許的范圍內，將使?jié)B析膜做得盡可能得薄，用銅氨法生產的再生纖維素制得僅0.005mm厚的滲析膜；2）當膜兩側都是水溶液的時候，選用能被水溶脹或者潤濕的材料。已經應用的材料有賽璐酚、纖維素、乙烯/乙烯醇共聚物、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯等；3）當滲析膜的一側是油相時，選用能被油相溶脹和潤濕的材料，已經應用的有聚碳酸酯等.第41頁/共89頁

目前滲析最主要的用途是血液透析。透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒癥患者的病情。該過程中血液被蠕動泵加壓通過滲透器，在膜兩側液體所含溶質的濃度差及所形成的滲透壓差的作用下，血液中的上述廢物過程通過膜進入滲析液，滲析液中的某些組分則通過擴散進入血液，使血液達到需要的離子平衡。

滲析膜應用

滲析膜與超濾相同，分離能透過膜的小分子溶質；但滲析分離時有稀釋作用，傳輸速率慢，選擇性不高，許多工業(yè)分離都用超過濾而不用滲析。滲析過程較緩和，操作流速低，料液不加壓，因而不會損壞大分子溶質。在生物分離中用于大分子溶液的脫除鹽分等小分子物質；在醫(yī)療方面用作人工腎臟。第42頁/共89頁電滲析(Electrodialysis)

定義：利用離子能選擇性地通過離子交換膜的性質,使離子從各種水溶液中分離出來（脫鹽）。電滲析器基本組成形式1—壓緊板；2—墊板；3—電極；4—墊圈；5—導水、極水板；6—陽膜；7—淡水隔板；8—陰膜；9—濃水隔板電滲析器的主體部分膜組件，由大量的離子交換膜和隔板按一定的格式相間疊加而成。第43頁/共89頁電滲析過程原理示意圖

第44頁/共89頁

要求：離子交換膜應該有良好的選擇透過性，膜電阻小，較好的化學穩(wěn)定性，較高的機械強度，較低的擴散性能。

分類：離子交換膜用粉狀離子交換樹脂與黏合劑混煉、拉片并加網熱壓制成。異相膜具有較好的化學性能和機械性能，但電化學性能較差。異相離子交換膜是將單體澆注聚合，以切削法成膜，再導入離子活性基團或將含有活性交換基團的線性聚合物溶解，以流延法揮發(fā)溶劑成膜。均相膜具有制造方便、電化學性能好、適用性廣等優(yōu)點。均相離子交換膜半均相膜的結構及性能均處于異相膜和均相膜之間。它的制備方法借鑒了異相膜和均相膜的制備工藝。半均相膜第45頁/共89頁隔室內湍流流體中的濃度分布示意圖為了減輕濃差極化的影響，操作時電流密度不能過高，水的流速不能過低。提高溫度，加快流速，適當減薄隔板的厚度，在一定程度上可以提高電滲析器的性能。

與超濾、反滲透等膜分離過程一樣，在電滲析過程中，也存在濃差極化的現象。第46頁/共89頁陰膜的濃差極化示意圖(a)末通電；(b)正常運轉；(c)極化

式中：Ji是離子i的遷移速度[mol/(cm2s)]；Ci是離子i濃度(mol/cm3)；Vx是流體在x方向上的平均速度，取流體重心的運動速度(cm/s)；x是x方向上的距離(cm)；Di是離子i的擴散系數(cm2/s)；fi是離子i的活度系數；Zi是離子i的價數；F是法拉第數(96500)；R是氣體常數[=8.314J/(molC)]；T是溶液的絕對溫度(K)；是電位(V)。第47頁/共89頁各種電滲析器的組裝方式示意圖(a)一級一段并聯；(b)二級一段并聯；(c)一級二段串聯；(d)二級二段串聯

第48頁/共89頁1.各種水的脫鹽2.食品、醫(yī)藥和化學工業(yè)中的應用目前電滲析已是一種相當成熟的膜分離技術，主要用途是苦咸水淡化、生產飲用水、濃縮海水制鹽、以及從體系中脫除電解質。電滲析應用海水、苦水或咸水的淡化，制成生活用水；將各種自來水純化為鍋爐用水、化工生產用水或制備高純度水用的初級水。醫(yī)藥工業(yè)中葡萄糖、甘露醇等溶液的脫鹽；食品中牛乳、乳清的脫鹽；脫出果汁中引起酸味的過量檸檬酸等。第49頁/共89頁

在許多領域與其它方法相比，電滲析能有效地將生產過程與產品的分離過程融合起來，具有其它方法不能比擬的優(yōu)勢。比如，新出現的四室電滲析器提取乳酸新技術，不但將乳酸從發(fā)酵液中分離出來，同時將它由鈣鹽轉化成了酸的形式。與傳統(tǒng)工藝相比工序簡單、耗能少/產率高。因此電滲析在節(jié)能和促進傳統(tǒng)技術的升級方面具有很大的潛力。電滲析是目前所有膜分離過程中唯一涉及化學變化的分離過程(電極反應)。第50頁/共89頁液膜分離液膜分離是將第三種液體展開成膜狀以分隔兩個液相，由于液膜的選擇性透過，使液體組分分離。分離用液膜三種形態(tài)：支撐液膜、液滴液膜和乳狀膜。液膜的形態(tài)第51頁/共89頁1.支撐液膜設備2.乳狀液膜的設備液膜設備

所用支撐物有聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯和纖維素的微孔膜，采用板框結構或管殼式結構。油型支撐液膜通過將微濾膜浸泡在有機溶劑中（帶有流動載體）制備；膜相液體附著在微孔膜內，只需適時補充和清理。料液和接受液分別在膜的兩側流過

。

乳狀液膜分離裝置由制乳、萃取和破乳設備組成。制乳—

攪拌槽萃取—

攪拌槽或轉盤塔破乳—

微液滴凝聚，分離成單獨的膜相和內液相。破乳方法：加熱法、高壓靜電法和高速離心法等。第52頁/共89頁乳液膜連續(xù)萃取過程第53頁/共89頁兩類液膜的制備示意圖(a)乳化液膜（ELM）；(b)支撐液膜（SLM）

第54頁/共89頁

液膜分離的傳質過程，涉及三個液相和兩個液液界面。在兩個相界面上有不同的平衡關系。液膜類型和設備類型多種多樣，液膜內和上、下游邊界層內的傳質情況也較復雜。促進傳遞是液膜分離中提高傳遞通量和分離選擇性的重要手段。促進傳遞（FacilitatedTransportation）

偶合傳遞可分成兩類：

——同向偶合傳遞，兩種組分沿同一方向傳遞

——反向偶合傳遞，兩種組分沿相反方向傳遞

液膜分離中傳質第55頁/共89頁選擇性滲透內相有化學反應偶合同向遷移偶合逆向遷移可以實現Ｍ+從低濃度到高濃度的遷移，有富集濃縮作用第56頁/共89頁促進傳遞應用載體介質傳遞的載體種類很多，選擇性和傳質速率很高，可用于陽陰離子、有機分子、氣體分子的分離。如Cu2+、Hg2+、Ni2+、Cd2+等陽離子和NO3-、Cr2O72-等陰離子均可用液膜有效回收。

第57頁/共89頁生物分離濕法冶金廢水處理從發(fā)酵液中提取氨基酸、有機酸等從銅礦酸浸液中回收銅，從鈾礦酸浸液中回收鈾含酚、氰、氨、汞、銅等的工業(yè)廢水，采用液膜處理，可富集濃縮并回收有用物質。

在液膜的形成、分散、溶脹、滲漏、穩(wěn)定性、滲透性、傳遞過程和機理，促進傳遞、支撐液膜、各種應用試驗以及投資和成本的預估等各個方面都進行了廣泛和深入的研究。液膜分離要在工業(yè)上得到廣泛應用，還有很多問題需要解決，比如怎樣實現更好的破乳效果，進一步減少溶劑損失等。只有達到高的溶劑回收率，很多僅在技術上可行的液膜工藝，才能在工業(yè)實際中得到應用。液膜分離的應用第58頁/共89頁滲透蒸發(fā)過程示意圖(a)真空滲透蒸發(fā)；(b)惰性氣體吹掃滲透蒸發(fā)

滲透蒸發(fā)(Pervaporation)定義：用于液體混合物的分離；采用高選擇性的均質膜或復合膜，透膜的組分通過真空、溫差或其它方法使之汽化，過程的推動力為分壓差。該過程中物質的遷移包括：(1)液相溶質溶入膜表面；(2)液體在膜內的擴散；(3)液體在膜的另一側表面蒸發(fā)、氣化。第59頁/共89頁滲透流通量：分離因子1：因為在分離過程中涉及到相變過程，所以要真實地反映膜的優(yōu)先選擇性，應扣去相變所引起的分離效果。故又定義了一個分離因子。分離因子2：第60頁/共89頁法國Betheniville日產150m3無水酒精的滲透蒸發(fā)示意圖

滲透汽化被認為在許多場合可以代替精餾，并取得明顯的節(jié)能效果，尤其是對恒沸物、沸點相近的體系和稀溶液分離。用滲透汽化法從恒沸混合物生產99.8%無水乙醇已于1980年代實現工業(yè)化，能耗約為恒沸精餾的30%～40%。滲透汽化還可以水中含有的微量或少量有機物，用于環(huán)保、有機物或溶劑的回收。第61頁/共89頁MTR公司用滲透蒸發(fā)從水中脫除1,1,2－三氯乙烷示意圖在化工與環(huán)保方面它是一項很有前途的分離技術，尤其在化工方面通過與各種傳統(tǒng)分離技術及分離過程相互耦合能極大地提高化工過程的經濟性。滲透蒸發(fā)由于滲透汽化過程的核心部件—滲透蒸發(fā)膜的性能的限制，滲透蒸發(fā)過程的應用還很有限，隨著關于滲透蒸發(fā)膜研究的不斷深入，滲透蒸發(fā)膜性能的提高，滲透蒸發(fā)過程將在有機溶劑脫水、水中除去有機物、極性/非極性有機物的分離、飽和/不飽和有機物的分離、有機物異構體的分離等領域得到廣泛的應用。第62頁/共89頁氣體分離

1979年，Monsanto公司最早將中空纖維聚砜膜用于氣體混合物的分離。定義：氣體的滲透分離（GasPermeation），是以分壓差為推動力，根據氣體分子通過膜的滲透率不同而進行氣體組分分離。特點：氣體滲透可以采用無孔的致密膜，其分離選擇性不在分子的大小，而在于不同組分分子滲透通過膜的速率的快慢。第63頁/共89頁

氣體組分透過致密膜的過程包括：(1)在膜的高壓側，氣體混合物中易滲透組分溶解在膜表面；(2)溶解組分從高壓側通過分子擴散傳遞到低壓側；(3)在膜的低壓側表面，滲透組分解吸釋放。第64頁/共89頁

氣體的膜分離發(fā)展異常迅猛，七十年代才進入工業(yè)應用階段，1990年銷售收入已突破一億美元，1995年達到五億美元。膜分離回收氫氣是目前應用最多、最成熟的一個領域，已廣泛應用于合成氨工業(yè)、煉油工業(yè)和石油工業(yè)。氣體分離膜應用第65頁/共89頁回收氫回收氦天然氣的凈化最早用于從合成氨馳放氣和石油煉廠氣中提氫，已得到了較大范圍推廣，取得可觀經濟效益。膜分離回收氫氣是目前應用最多、最成熟的領域。從天然氣中回收氦甲烷/二氧化碳分離富氧空氣的制備用空氣膜法富氧技術產生含氧量30-40%的富氧空氣，可用于鍋爐和工業(yè)窯爐的燃燒節(jié)能以及醫(yī)用空氣膜法富氮技術已用于油井和化工裝置的保護以及蔬菜和果品保鮮。(O2/N2分離)氣體分離膜應用第66頁/共89頁用途最廣的相轉化法、界面縮聚法及無機膜制備方法簡單介紹。膜分層的熱力學過程示意圖(a)瞬時分相；(b)延遲分相5.4膜制備技術第67頁/共89頁

平板膜的制備裝置示意圖管式膜的制備工藝示意圖第68頁/共89頁界面聚合法制復合膜示意圖等離子體聚合制復合膜示意圖第69頁/共89頁類型1萃取應用領域有機酸分離提純、廢水中重金屬離子分離等2吸收BV熱鉀堿吸收CO2、檸檬酸吸收SO2等3精餾加鹽精餾、恒沸精餾等4吸附變壓吸附提純或回收H2、載銅活性吸附CO等5結晶海水和鹽鹵NaCl結晶分離傳統(tǒng)分離技術：5.5與傳統(tǒng)反應和分離技術的耦合第70頁/共89頁萃取與反應、萃取與膜分離、吸收與膜分離、滲透蒸發(fā)與化學反應、反應精餾等分離與反應耦合氣體/液體分離膜與膜工程如恒沸物的滲透蒸發(fā)分離（MTBE與甲醇、ETBE與乙醇、DMC與甲醇等共沸物分離）、功能膜反應器、CO2/CH4分離、富氧膜、酸性氣體膜分離、油/水分離超濾膜、廢水或污水膜分離（水回收再利用）等膜分離與傳統(tǒng)反應技術的結合與傳統(tǒng)分離技術的結合膜分離與精餾、膜分離與萃取、膜分離與吸收、膜分離與吸附、膜分離與離子交換樹脂等

酶膜生物反應器、鈀膜反應器、滲透汽化膜反應器等新型分離技術：第71頁/共89頁滲透蒸發(fā)膜滲透蒸發(fā)與精餾或反應精餾結合的中試規(guī)模有：有機酸與醇反應生成酯脫水、MTBE與甲醇、ETBE與乙醇、DMC與甲醇等共沸物分離第72頁/共89頁5.6膜與膜工程技術的工業(yè)應用超濾：蛋白質與酶、活性多肽、熱原的去除、中草藥濃縮及果汁和茶葉的澄清和濃縮。納濾：染料、食用色素、抗生素、多肽和氨基酸等。微濾：空氣過濾除菌，以及牛奶、果汁、果酒、白酒、啤酒、飲料、飲用水等的除菌過濾。氣體分離：膜法H2回收、膜法富氧、膜法回收機蒸汽等。離子交換膜：燒堿生產1飲用水與工業(yè)用水2傳統(tǒng)工藝的改造3工業(yè)廢水與市政廢水處理和循環(huán)回用第73頁/共89頁海水淡化工藝流程各種海水淡化方法投資費用和運行費用第74頁/共89頁我國西北地區(qū)含鉻高氟低礦化苦咸水淡化工藝流程第75頁/共89頁由于省去了活性污泥的沉降槽，且活性污泥的膜分離可在較高濃度下操作，所以污泥濃縮貯留槽及曝氣槽體積小，裝置緊湊。裝置緊湊由于能夠保持曝氣槽內活性污泥的高濃度，所以可適應高濃度污水。引入膜分離后，對SS去除徹底，可得到十分澄清的處理水。適應高濃度污水傳統(tǒng)生物學處理法，為了維持良好的處理水質，對污泥管理須忖注很多勞力和精力。膜分離活性污泥法省去了沉降槽，對污泥濃度管理容易，設備占地面積小，操作自動化程度高，管理人員少。維護管理容易污水膜生物技術的特點第76頁/共89頁1根據膜的使用形態(tài)2根據膜分離的形式3根據操作壓力膜生物反應器4根據膜組件的類型循環(huán)型和浸漬型兩類。微濾膜生物反應器，超濾膜生物反應器