認(rèn)識(shí)膜分離工藝流程

模塊十一新型分離技術(shù)01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)3學(xué)習(xí)目標(biāo):

學(xué)習(xí)膜、吸附、色譜等新型分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝流程和工作原理；會(huì)操作膜分離設(shè)備；能夠分析、判斷和解決膜分離生產(chǎn)中發(fā)生的生產(chǎn)問(wèn)題。4

膜分離是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動(dòng)力的作用下，使原料中的某組分選擇性地透過(guò)膜，從而使混合物得以分離，以達(dá)到提純、濃縮等目的的分離過(guò)程。5

吸附是利用某些多孔性固體具有能夠從流體混合物中選擇性地在其表面上凝聚一定組分的能力，使混合物中各組分分離的單元操作過(guò)程，是分離和純化氣體與液體混合物的重要單元操作之一。6

色譜分離法又稱(chēng)層析法，它利用不同組分在兩相中物理化學(xué)性質(zhì)（如吸附力、分子極性和大小、分子親和力、分配系數(shù)等）的差別，通過(guò)兩相不斷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使各組分以不同的速率移動(dòng)，而將各組分分離。工業(yè)中的應(yīng)用78

原水首先透過(guò)過(guò)濾裝置除去懸浮物及膠體，加入殺菌劑次氯酸鈉防止微生物生長(zhǎng)，然后經(jīng)過(guò)反滲透和離子交換設(shè)備除去其中的大部分雜質(zhì)，最后經(jīng)紫外線處理將純水中微量的有機(jī)物氧化分解成離子，再由離子交換器脫除，反滲透膜的終端過(guò)濾后得到超純水送入用水點(diǎn)。用水點(diǎn)使用過(guò)的水已混入雜質(zhì)，需經(jīng)廢水回收系統(tǒng)處理后才能排入河里或送回超純水制造系統(tǒng)循環(huán)使用。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)9

學(xué)習(xí)膜分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝流程和工作原理，會(huì)操作膜分離設(shè)備，能夠分析、判斷和解決膜分離生產(chǎn)中發(fā)生的生產(chǎn)問(wèn)題。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)10能力目標(biāo)學(xué)習(xí)要求與目標(biāo)1.具有根據(jù)生產(chǎn)工藝條件選擇膜分離工藝過(guò)程的能力。知識(shí)目標(biāo)1.掌握反滲透與納濾工藝流程。2.掌握膜超濾工藝流程。3.掌握微濾、透析、點(diǎn)滲析以及其他膜分離工藝流程。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)誠(chéng)實(shí)守信、團(tuán)結(jié)協(xié)作、愛(ài)崗敬業(yè)精神；2.培養(yǎng)安全、環(huán)保、健康生產(chǎn)意識(shí)；3.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度及質(zhì)量意識(shí)，具備工程管理能力；4.培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；5.創(chuàng)新能力培養(yǎng)等。子任務(wù)2認(rèn)識(shí)膜分離工藝流程01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)11子任務(wù)2認(rèn)識(shí)膜分離工藝流程

一、反滲透和納濾工藝流程

1.滲透與反滲透原理

在容器中，如果用半透膜把它隔成兩部分，膜的一側(cè)是溶液，另一側(cè)是純水(溶劑)，由于膜兩側(cè)具有濃度差，純水自發(fā)通過(guò)半透膜向溶液側(cè)擴(kuò)散，這種分離現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。滲透的推動(dòng)力是滲透壓。對(duì)于只能使部分溶劑或溶質(zhì)透過(guò)的膜稱(chēng)為半透膜。半透膜只能使某些溶質(zhì)或溶劑透過(guò)，而不能使另一些溶質(zhì)或溶劑透過(guò)，這種特性稱(chēng)為膜的選擇透過(guò)性。

反滲透是利用半透膜只透過(guò)溶劑(如水)而截留溶質(zhì)(鹽)的性質(zhì)，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶液滲透壓的膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)溶液中溶劑和溶質(zhì)分離的膜分離過(guò)程。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)12

許多天然或人造的半透膜對(duì)于物質(zhì)的透過(guò)具有選擇性。如圖所示，在容器中半透膜左側(cè)是溶劑和溶質(zhì)組成的濃溶液(如鹽水)，右側(cè)是只有溶劑的稀溶液(如水)。滲透是在無(wú)外界壓力作用下，自發(fā)產(chǎn)生水從稀溶液一側(cè)通過(guò)半透膜向濃溶液一側(cè)流動(dòng)的過(guò)程。滲透的結(jié)果是使?jié)馊芤簜?cè)的液面上升，一直到達(dá)一定高度后保持不變，半透膜兩側(cè)溶液的靜壓差等于兩個(gè)溶液間的滲透壓。不同溶液間有不同的滲透壓。當(dāng)在濃溶液上施加壓力，且該壓力大于滲透壓時(shí)，濃溶液中的水就會(huì)通過(guò)半透膜流向稀溶液，使?jié)馊芤旱臐舛雀?，這一過(guò)程就是滲透的相反過(guò)程，稱(chēng)為反滲透。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)1301任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)14

要有一種高選擇性、高透過(guò)率的膜。

要有一定的操作壓力，以克服滲透壓和膜自身的阻力。反滲透過(guò)程必備條件01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)15不認(rèn)為反滲透膜存在微孔結(jié)構(gòu)的氫鍵理論反滲透膜滲透機(jī)理反滲透膜具有微孔結(jié)構(gòu)，擇性吸附毛細(xì)流動(dòng)理論01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)16

（1）氫鍵理論

氫鍵理論把膜視為一種具有高度有序矩陣結(jié)構(gòu)的聚合物，具有與水等溶劑形成氫鍵的能力，鹽水中的水分子能與半透膜的羰基上的氧原子形成氫鍵，形成“結(jié)合水”。在反滲透力推動(dòng)的作用下，以氫鍵結(jié)合進(jìn)入膜表皮層的水分子能夠從第一個(gè)氫鍵位置斷裂，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)位置，形成另一個(gè)新的氫鍵。這些水分子通過(guò)一連串的形成氫鍵和斷裂氫鍵而不斷移位，直至離開(kāi)膜的表皮致密活性層進(jìn)入多孔性支撐層，由于多孔層含有大量毛細(xì)管水，水分子暢通流出膜外，產(chǎn)生流出的淡水。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)17

（2）選擇性吸附-毛細(xì)流動(dòng)理論

選擇性吸附－毛細(xì)流動(dòng)理論把反滲透膜看作是一種微細(xì)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，這符合膜表面致密層的情況。該理論以吉布斯(Gibbs)吸附方程為基礎(chǔ)，認(rèn)為當(dāng)鹽的水溶液與多孔的反滲透膜表面接觸時(shí)，如果膜具有選擇吸附純水而排斥溶質(zhì)(鹽分)的化學(xué)特性，也即膜表面由于親水性原因，可在固-液表面上形成厚度為1個(gè)水分子厚(0.5nm)的純水層。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)18

2.不同工藝流程及其適用場(chǎng)合

為了使反滲透裝置達(dá)到給定的回收率，同時(shí)保持水在裝置內(nèi)的每個(gè)組件中處于大致相同的流動(dòng)狀態(tài)，必須將裝置內(nèi)的組件分為多段錐形排列，段內(nèi)并聯(lián)，段間串聯(lián)。

組件的排列方式有一級(jí)和多級(jí)(通常為二級(jí))，具體可分為一級(jí)一段、一級(jí)二段、一級(jí)多段和多級(jí)多段。

所謂段是指前一組膜組件的濃水流經(jīng)下一組膜組件處理，流經(jīng)幾組膜組件即稱(chēng)為幾段，在同一級(jí)中，排列方式相同的組件組成一個(gè)段。

所謂一級(jí)是指進(jìn)水(料液)經(jīng)過(guò)一次高壓泵加壓，多級(jí)指前一級(jí)的產(chǎn)品水再經(jīng)高壓泵加壓進(jìn)入膜組件處理，產(chǎn)品水經(jīng)幾次膜組件處理即稱(chēng)為幾級(jí)。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)19

（1）一級(jí)一段連續(xù)式

一級(jí)一段連續(xù)式工藝過(guò)程中，經(jīng)膜分離的產(chǎn)水和濃水連續(xù)引出系統(tǒng)。這種方式水的回收率較低，一般除用于海水淡化外，其他工業(yè)中很少采用。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)20（2）一級(jí)一段循環(huán)式

一級(jí)一段循環(huán)式工藝過(guò)程中，為提高水的回收率，將部分濃水返回原水箱與原水混合后，再進(jìn)入系統(tǒng)處理。這種方式適合對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)要求不高且對(duì)水的利用率有較高要求的場(chǎng)合。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)21

（3）一級(jí)多段連續(xù)式

一級(jí)多段連續(xù)式工藝流程適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。它是把第一段的濃水作為第二段的進(jìn)水，再把第二段的濃水作為下一段的進(jìn)水，各段的產(chǎn)水連續(xù)引出系統(tǒng)。這種方式能得到很高的水回收率。為了保證各段組件膜面流速基本相同，防止加大濃差極化，可將各段組件數(shù)成比例減少，形成錐形排列，其流程如圖所示。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)2201任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)23

（4）一級(jí)多段循環(huán)式

一級(jí)多段循環(huán)式,能獲得高濃度的濃縮液。將第二段的產(chǎn)水(滲透液)返回第一段進(jìn)水，再進(jìn)行處理。這樣經(jīng)過(guò)多段分離處理后，濃縮液的濃度便得到提高。這種工藝流程適用于以濃縮為目的的工程項(xiàng)目。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)24

（5）多級(jí)多段排列

組件的多級(jí)多段排列也可分為連續(xù)式和循環(huán)式。多級(jí)多段連續(xù)式的應(yīng)用與一級(jí)多段連續(xù)式相同，只不過(guò)在各級(jí)之間增加了高壓泵提升。多級(jí)多段循環(huán)式是將第一級(jí)產(chǎn)水作為下一級(jí)的進(jìn)水進(jìn)行反滲透分離，將最后一級(jí)的產(chǎn)水作為最終產(chǎn)水。而濃水從后一級(jí)向前一級(jí)返回，與前一級(jí)進(jìn)水混合后作為前一級(jí)的進(jìn)水進(jìn)行反滲透分離。這種方式既提高了水的回收率又提高了最終產(chǎn)水水質(zhì)。缺點(diǎn)是由于泵數(shù)量的增加，能耗加大。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)25

二、超濾工藝流程

超濾膜組件形式與反滲透組件基本相同，有板框式、螺旋卷式、管式和中空纖維式。其中中空纖維式用得最多。中空纖維式分內(nèi)壓式和外壓式兩種操作模式，由于內(nèi)壓式進(jìn)水分配均勻，流動(dòng)狀態(tài)好，而外壓式流動(dòng)不均勻，所以中空纖維超濾多用內(nèi)壓式。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)26

超濾裝置基本操作模式有兩種，即死端過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾。

工業(yè)超濾裝置大多采用錯(cuò)流式操作，在小批量生產(chǎn)中也采用死端過(guò)濾操作。錯(cuò)流操作流程可以分為間歇式和連續(xù)式兩種。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)27

間歇操作適合于小規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程，是將一批料投入料液槽中，用泵加壓后送往膜組件，連續(xù)排出滲透液，濃縮液則返回槽中循環(huán)過(guò)濾直到濃縮液濃度達(dá)到設(shè)定值為止。間歇操作濃縮速度快，所需面積最小。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)28

間歇操作又可以分為開(kāi)式回路和閉式回路，后者可以減少泵的能耗，尤其是對(duì)于料液需經(jīng)預(yù)處理時(shí)更有利。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)29連續(xù)操作常用于大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品的處理。閉式回路循環(huán)的單級(jí)連續(xù)操作效率較低，可采用多級(jí)串聯(lián)操作。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)30

三、微濾工藝流程

微濾操作分為死端過(guò)濾（全過(guò)濾)和錯(cuò)流過(guò)濾。死端過(guò)濾與普通過(guò)濾一樣，原料液置于膜的上游，在原料液側(cè)加壓或在透過(guò)液側(cè)抽真空，溶劑和小于膜孔的顆粒透過(guò)膜，大于膜孔的顆粒被膜截留沉積在膜面上。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，沉積層不斷增厚壓實(shí)，過(guò)濾阻力將不斷增加。在操作壓力不變的情況下，膜滲透能量將減小。因此，死端過(guò)濾操作必須間歇進(jìn)行，定期對(duì)膜組件進(jìn)行沖洗和反沖洗。死端過(guò)濾方式的進(jìn)水壓力變化在0.05～0.25MPa之間，當(dāng)進(jìn)水壓力增大到設(shè)計(jì)值時(shí)需要進(jìn)行反沖洗，死端過(guò)濾工藝能耗為0.l～0.5kW·h／m3滲透液。死端過(guò)濾優(yōu)點(diǎn)是回收率高，缺點(diǎn)是膜污染嚴(yán)重。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)31

錯(cuò)流過(guò)濾的原料液流動(dòng)方向與濾液的流動(dòng)方向呈直角交叉狀態(tài)。

在錯(cuò)流過(guò)濾操作中，原料液與膜面平行流動(dòng)，所產(chǎn)生的湍流能夠?qū)⒛っ娉练e物帶走，因而不易將膜表面覆蓋，可避免濾速下降，膜污染程度減輕。

錯(cuò)流方式的缺點(diǎn)是為保證高回收率要有部分濃縮液回流至進(jìn)料液，故增加能耗。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)32四、透析工藝流程

滲析(也稱(chēng)透析)是物理現(xiàn)象，用半透膜將容器分隔成兩部分，如圖所示，一側(cè)是含鹽的蛋白質(zhì)溶液，另一側(cè)是純水。蛋白質(zhì)不能通過(guò)半透膜，故濃度沒(méi)有變化；溶液中的低分子鹽則通過(guò)半透膜向純水側(cè)擴(kuò)散；而純水側(cè)的水也通過(guò)半透膜向溶液側(cè)滲透，一直到兩側(cè)的鹽和水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)33五、電滲析工藝流程

電滲析裝置工藝流程往往采用不同數(shù)量的級(jí)和段來(lái)連接。一對(duì)電極之間的膜堆稱(chēng)為一級(jí)，具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱(chēng)為一段。增加段數(shù)說(shuō)明增加脫鹽流程，即提高脫鹽率；增加膜堆數(shù)，則可提高水處理量。

01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)34

一級(jí)一段是電滲析器的基本組裝方式?？刹捎枚嗯_(tái)并聯(lián)以增加產(chǎn)水量，也可用多臺(tái)串聯(lián)以提高脫鹽率。

采用二級(jí)一段可以降低操作電壓，即在一級(jí)一段的膜堆中增加中間電極（共電極）。對(duì)于小水量，可以采用一級(jí)多段組裝方式。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)3501任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)36

六、其他膜分離裝置及工藝流程

1.氣體膜分離

氣體膜分離發(fā)展迅猛，日益廣泛地用于石油、天然氣、化工、冶煉、醫(yī)藥等領(lǐng)域。作為膜科學(xué)的重要分支，氣體膜分離已逐漸成為成熟的化工分離單元。

常用的氣體分離膜可分為多孔膜和致密膜兩種，它們可由無(wú)機(jī)膜材料和高分子膜材料組成。氣體膜分離主要是根據(jù)混合原料氣中各組分在壓力的推動(dòng)下，通過(guò)膜的相對(duì)傳遞速率不同而實(shí)現(xiàn)分離的。由于各種膜材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性不同，氣體通過(guò)膜的傳遞擴(kuò)散方式不同。

氣體分離膜大多使用中空纖維式膜件或卷式膜件。

01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)37

2.滲透蒸發(fā)

滲透蒸發(fā)又稱(chēng)滲透汽化，是有相變的膜滲透過(guò)程。膜上游物料為液體混合物，下游透過(guò)側(cè)為蒸氣，為此，分離過(guò)程中必須提供一定熱量，以促進(jìn)過(guò)程進(jìn)行。

滲透蒸發(fā)過(guò)程具有能量利用效率高、選擇性高、裝置緊湊、操作和控制簡(jiǎn)便、規(guī)模靈活可變等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)某些用常規(guī)分離方法能耗和成本非常高的分離體系，特別是近沸、共沸混合物的分離，滲透蒸發(fā)過(guò)程?？砂l(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)38

根據(jù)膜兩側(cè)蒸氣壓差形成方法的不同，滲透蒸發(fā)可以分為以下幾類(lèi)。

①真空滲透蒸發(fā)膜透過(guò)側(cè)用真空泵抽真空，以造成膜兩側(cè)組分的蒸氣壓差，如圖（a）所示。

②熱滲透蒸發(fā)或溫度梯度滲透蒸發(fā)通過(guò)料液加熱和透過(guò)側(cè)冷凝的方法，形成膜兩側(cè)組分的蒸氣壓差。一般冷凝和加熱費(fèi)用遠(yuǎn)小于真空泵的費(fèi)用，且操作也比較簡(jiǎn)單，但傳質(zhì)推動(dòng)力小，如圖（b）所示。

③載氣吹掃滲透蒸發(fā)用載氣吹掃膜的透過(guò)側(cè)，以帶走透過(guò)組分，如圖（c）所示。吹掃氣經(jīng)冷卻冷凝以回收透過(guò)組分，載氣循環(huán)使用。若透過(guò)組分無(wú)回收價(jià)值(如有機(jī)溶劑脫水)可不用冷凝，直接將吹掃氣放空。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)39

滲透蒸發(fā)過(guò)程用膜與氣體分離膜類(lèi)似，主要使用非對(duì)稱(chēng)膜和復(fù)合膜。

隨著料液流率的增加，料液的湍動(dòng)程度加劇，減小了上游側(cè)邊界層的厚度，減少了傳質(zhì)阻力，因此使得組分的滲透通量得到提高。在某些條件下，料液邊界層的傳質(zhì)阻力甚至起支配作用。

滲透蒸發(fā)過(guò)程分離效率的高低，既取決于膜材料和制膜工藝，同時(shí)還取決于膜組件的型式和膜組件內(nèi)的流體力學(xué)。板框式膜組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但流體力學(xué)狀況往往較差；螺旋卷式膜組件流體力學(xué)性能良好，但分布器的設(shè)計(jì)和膜內(nèi)壓降成為主要矛盾；中空纖維膜組件則存在較為嚴(yán)重的徑向溫度和壓力分布。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)40滲透蒸發(fā)的應(yīng)用可分：

①有機(jī)溶劑脫水；

②水中少量有機(jī)物的脫除；

③有機(jī)混合物的分離。有機(jī)溶劑脫水，特別是乙醇、異丙醇的脫水。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)41

七、膜分離的應(yīng)用和發(fā)展方向

膜分離技術(shù)目前已普遍用于化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品、石油化工等領(lǐng)域。

主要用于物質(zhì)分離，如氣體及烴類(lèi)的分離、海水和苦咸水淡化、純水及超純水制備、中水回用和污水處理、生物制品提純等。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)4201任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)43八、膜分離操作的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例

1.含氨廢水處理

采用膜法處理氨氮廢水，能將廢水中的氨氮以硫銨（或氣氨）的形式回收利用，簡(jiǎn)化了工藝，投資少、能耗低、分離效果好，而且不造成二次污染。01任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)4401任務(wù)一認(rèn)識(shí)膜分離技術(shù)452.海水或苦咸水的淡化

圖示為長(zhǎng)島淡化站的工藝流程圖。流程如下：先用預(yù)處理泵A或泵B將原水抽送到雙層濾料過(guò)濾器1，過(guò)濾水中加入次氯酸鈉和偏磷酸鈉，進(jìn)入精密濾器2，進(jìn)入過(guò)濾水箱3，EP為預(yù)處理系統(tǒng)。

過(guò)濾水箱內(nèi)的水用反滲透高壓泵加壓后打入反滲透