膜分離技術(shù)概述和基本原理

膜分離技術(shù)當(dāng)前1頁，總共52頁。成員生物0203當(dāng)前2頁，總共52頁。目錄理論概述技術(shù)原理當(dāng)前3頁，總共52頁。理論概述當(dāng)前4頁，總共52頁。膜，是指在一種流體相內(nèi)或是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，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。膜的厚度在0.5mm以下，否則，就不稱為膜。膜的特性：不管膜多薄,它必須有兩個(gè)界面。這兩個(gè)界面分別與兩側(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物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。1.1基本概念當(dāng)前5頁，總共52頁。MembraneNomenclatureFeedRetentate(residue)（截留液）Permeate透過液膜分離過程原理：以選擇性膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個(gè)推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電位差等）時(shí)，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，透過側(cè)稱為膜下游。當(dāng)前6頁，總共52頁。1.2膜分離技術(shù)發(fā)展簡史50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。真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）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-丙酮-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Amicon公司首先將這種膜商品化。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS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。當(dāng)前7頁，總共52頁。

自上世紀(jì)60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UF膜）、微孔過濾膜（簡稱MF膜）和反滲透膜（簡稱RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。

在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80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)一步提高。當(dāng)前8頁，總共52頁。

具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，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1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。

70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動(dòng)載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。當(dāng)前9頁，總共52頁。1.3膜分離技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1)能耗低。膜分離不涉及相變，對能量要求低，與蒸餾、結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；2)分離條件溫和，對于熱敏感物質(zhì)的分離很重要；3)操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動(dòng)化。缺點(diǎn)1)膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；2)穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；3)單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與其他分離技術(shù)連用。當(dāng)前10頁，總共52頁。

1.4分離膜種類分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜陽離子膜陰離子膜過濾膜精密過濾膜超濾膜納米濾膜反滲透膜當(dāng)前11頁，總共52頁。a.分離粒子或分子大小分類

1.4分離膜種類當(dāng)前12頁，總共52頁。mARelativesizeofcommonmaterial過濾對象Molecularweight分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueoussalts中水鹽份Metalions金屬離子Sugars蔗糖FiltrationTechnology過濾方法Pyrogens

熱源Virus

病毒Colloidalsilica

膠體硅Albuminprotein白蛋白Bacteria

細(xì)菌Carbonblack碳黑Paintpigment

顏料色素Yeastcells

酵母Milledflour

面粉Beachsand海灘沙礫Pollens

花粉RO反滲透Ultrafiltration超濾Microfiltration微濾Particle

filtration一般過濾THEFILTRATIONSPECTRUM過濾譜圖NF

納濾當(dāng)前13頁，總共52頁。b.以推動(dòng)力或傳送機(jī)制分類以濃度差為推動(dòng)力的過程：透析技術(shù)(Dialysis,DS)

以電位差為推動(dòng)力的過程：A電透析B離子交換電透析 以靜壓力差為推動(dòng)力的過程：A微濾(microfiltration)B超濾(untrafiltration)C反滲透(reverseosmosis)

以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過程：A膜蒸餾B滲透蒸餾

1.4分離膜種類當(dāng)前14頁，總共52頁。c.以分離應(yīng)用領(lǐng)域過程分類 微濾(micro-filtration,MF)

超濾(untra-filtration,UF)

反滲透(reverseosmosis,RO)

透析(Dialysis,DS)

電透析(electro-dialysis,ED)

納米膜分離(NF)

親和過濾(affinityfiltration,AF)

滲透氣化(pervaporation,PV

1.4分離膜種類當(dāng)前15頁，總共52頁。透析和反滲透透析是以膜兩側(cè)的濃度差為傳質(zhì)推動(dòng)力，從溶液中分離出小分子物質(zhì)的過程。在生物分離中主要用于蛋白質(zhì)的脫鹽。反滲透是在透析膜濃度高的一側(cè)施加大于滲透壓的壓力，利用膜的篩分性質(zhì)，使?jié)舛容^高的溶液進(jìn)一步濃縮。用于海水淡化，藥物濃縮，純水制造。

1.4分離膜種類當(dāng)前16頁，總共52頁。微濾和超濾

微濾和超濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力，主要用于截留固體微粒和高分子溶質(zhì)。微濾廣泛用于細(xì)胞、菌體等的分離和濃縮，操作壓力通常為。超濾適用于1-50nm的生物大分子的分離，如蛋白質(zhì)、病毒等。操作壓力常為。

1.4分離膜種類當(dāng)前17頁，總共52頁。電滲析

電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法，可用于小分子電解質(zhì)的分離和溶液的脫鹽。

1.4分離膜種類當(dāng)前18頁，總共52頁。d.按膜的材料分類表1膜材料的分類類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等

1.4分離膜種類當(dāng)前19頁，總共52頁。

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，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。

1.4分離膜種類當(dāng)前20頁，總共52頁。e.按膜的形態(tài)（組件）分類膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物以及容納這些部件的容器構(gòu)成的一個(gè)單元稱為膜組件。膜組件的種類管式膜組件中空纖維式平板膜組件卷式膜組件

1.4分離膜種類當(dāng)前21頁，總共52頁。管式膜組件特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、壓力損失小、透過量大，清洗、安裝方便、可耐高壓，適宜處理高粘度及稠厚液體。但比表面積小。適于微濾和超濾。當(dāng)前22頁，總共52頁。平板膜組件特點(diǎn)：較管式組件比表面積大得多，易于更換膜，適于微濾、超濾。當(dāng)前23頁，總共52頁。螺旋卷式膜組件特點(diǎn)：膜面積大，湍流情況好，但制造裝配要求高、清洗檢修不方便，不能處理懸浮液濃度較高的料液?？捎糜谖V、超濾和反滲透。當(dāng)前24頁，總共52頁。

各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能比較：當(dāng)前25頁，總共52頁。f.按膜的結(jié)構(gòu)分類

按膜的結(jié)構(gòu)分為：對稱膜(SymmetricMembrane)

非對稱膜(AsymmetricMembrane)

復(fù)合膜(CompositeMembrane)

1.4分離膜種類當(dāng)前26頁，總共52頁。不對稱結(jié)構(gòu)是膜制造的一種突破，因?yàn)榛钚詫雍鼙。黧w阻力較小。且不易使孔道阻塞，顆粒被截留在膜的表面。此后膜過濾法逐漸走向工業(yè)化，20世紀(jì)70年代以后發(fā)展比較迅速．應(yīng)用范圍涉及到海水淡化、純水制造、食品和乳品工業(yè)、污水處理和生物工程等領(lǐng)域。在此期間，世界膜銷售額迅速增長。當(dāng)前27頁，總共52頁。當(dāng)前28頁，總共52頁。技術(shù)原理當(dāng)前29頁，總共52頁。1.壓力特征當(dāng)前30頁，總共52頁。壓力特征

當(dāng)前31頁，總共52頁。2.濃差極化當(dāng)前32頁，總共52頁。膜兩側(cè)溶液間的傳遞方程濃差極化模型(concen-trationpolarization）

適應(yīng)范圍：反滲透、超濾和微濾。定義：在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，見圖。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象謂之濃度極化或濃差極化)。當(dāng)前33頁，總共52頁。濃差極化特性它是一個(gè)可逆過程。只有在膜過程運(yùn)行中產(chǎn)生存在，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，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，提高膜的透過流量。當(dāng)前34頁，總共52頁。凝膠極化模型：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)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時(shí)，溶質(zhì)會(huì)析出，形成凝膠層。即使分離含有菌體、細(xì)胞和其他固形成分的料液時(shí)，也會(huì)在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象謂之凝膠極化(gelpolarization)。當(dāng)前35頁，總共52頁。3.膜分離理論當(dāng)前36頁，總共52頁。

當(dāng)前37頁，總共52頁。17.5影響膜過濾的各種因素壓力A、當(dāng)p小,無濃度極化層,Jv與p成正比,此時(shí)用：B、當(dāng)p大,有濃差極化,Jv的增長速率減慢,此時(shí)用C、當(dāng)p繼續(xù)增加時(shí)，形成凝膠層，且厚度隨壓力的增大而增大，所以Jv不再隨p的增加。此時(shí)的Jv為此流速下的極限值(Jlim)，用方程：D、Jlim隨料液濃度而，隨流速(攪拌速度)而。當(dāng)前38頁，總共52頁。4.膜的截留能力當(dāng)前39頁，總共52頁。截留率和截?cái)喾肿恿拷亓袈?膜對溶質(zhì)的截留能力以截留率R來表示。當(dāng)前40頁，總共52頁。截?cái)喾肿恿?MWCO)定義為相當(dāng)于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估計(jì)孔徑的大小?？椎捞卣靼讖?，孔徑分布，空隙度。完整性試驗(yàn)用于試驗(yàn)?zāi)ず徒M件是否完整或滲漏。當(dāng)前41頁，總共52頁。5膜的污染當(dāng)前42頁，總共52頁。膜污染(membranefouling)---最大問題原因：A、凝膠極化引起的凝膠層，阻力為Rg；B、溶質(zhì)在膜表面的吸附層，阻力為Ras；C、膜孔堵塞，阻力為Rp；D、膜孔內(nèi)溶質(zhì)吸附，阻力為Rap；因此，透過通量方程：可見，膜污染不僅造成透過通量大幅度，而且影響產(chǎn)物的回收率。

當(dāng)前43頁，總共52頁。膜清洗A、試劑：水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等。B、原則：去污能力好，對膜無損害，成本最低。C、方法：反向清洗，試劑置換，化學(xué)降解消化。E、預(yù)防：膜的預(yù)處理(用乙醇浸泡聚砜膜)，料液預(yù)處理(調(diào)pH，預(yù)過濾)，開發(fā)抗污染膜，臨界壓力操作等。當(dāng)前44頁，總共52頁。6.膜組件的選擇當(dāng)前45頁，總共52頁。1造價(jià)

2抗污染能力

3膜材料

4組建的結(jié)構(gòu)

5反滲透中空纖維式