第四章膜技術(shù)及其

第四章膜技術(shù)及其第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五目錄第一節(jié)膜分離技術(shù)的概述第二節(jié)反滲透除鹽第三節(jié)微濾第四節(jié)超濾第五節(jié)納濾第六節(jié)電滲析與電除鹽第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五膜分離技術(shù)的重要性膜分離技術(shù)兼具分離、濃縮和純化的功能，又有使用簡單、易于控制及高效、節(jié)能的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)哪し蛛x技術(shù)，可替代過濾、沉淀、萃取、吸附等多種傳統(tǒng)的分離與過濾方法。

膜分離技術(shù)得到各國重視：國際學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了化工的未來”。

膜分離技術(shù)在短短的時(shí)間迅速發(fā)展起來，近30年膜分離技術(shù)，已廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工及水處理等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)膜分離技術(shù)的概述概念：利用天然或人工合成的、具有選擇透過性的薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對雙組分或多組分體系進(jìn)行分離、分級、提純或富集的過程第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五1925年以來，差不多每十年就有一項(xiàng)新的膜過程在工業(yè)上得到應(yīng)用30年代微濾40年代透析50年代電滲析60年代反滲透70年代超濾80年代納濾90年代滲透蒸發(fā)概述第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五膜的用途濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五膜分離的特點(diǎn)①操作在常溫下進(jìn)行；②是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；③不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五膜的分類按孔徑大?。何V膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜按膜結(jié)構(gòu)：對稱性膜、不對稱膜、復(fù)合膜按材料分：合成有機(jī)聚合物膜、無機(jī)材料膜多孔膜與致密膜：前者微濾膜、超濾膜、納濾膜，后者反滲透膜、滲透蒸發(fā)第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五常見膜分離方法按分離粒子大小分類：透析（Dialysis，DS）微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration，NF）反滲透（Reverseosmosis，RO）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透蒸發(fā)（Pervaporation，PV）第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五分離粒子大小范圍第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)反滲透除鹽（RO）反滲透的原理——半透膜理論第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五反滲透膜的制備膜材料應(yīng)該具備的條件A單位面積水通量高，截留率高B化學(xué)穩(wěn)定性好，耐氯和其他氧化物氧化，耐高溫，耐酸堿C抗生物、懸浮物與膠體的污染D機(jī)械強(qiáng)度高，多孔支撐層的壓實(shí)作用小E原料充足，制造容易，價(jià)格便宜第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五常用的半透膜天然材料：各種纖維素衍生物人造材料：各種合成高聚物特殊材料：復(fù)合膜，無機(jī)膜,不銹鋼膜，陶瓷膜第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五1.醋酸纖維素膜（CA膜）：①透過速度大②截留鹽的能力強(qiáng)③易于制備④來源豐富⑤不耐溫（30℃）⑥pH范圍窄，清洗困難⑦與氯作用，壽命降低⑧微生物侵襲⑨適合作反滲透膜第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五2.聚酰胺膜（PA膜）（1）溫度范圍廣（2）pH范圍廣（3）耐氯能力強(qiáng)（4）孔徑范圍寬（5)操作壓力低（6）適合作超濾膜第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五3.芳香聚酰胺膜聚酰胺含有酰胺基團(tuán)（-CO-NH-）,親水性好,且其機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及水解穩(wěn)定性均很好,是最典型的反滲透膜材料之一，但同樣不耐氯與醋酸纖維素反滲透膜相比,它具有脫鹽率高、通量大、操作壓力要求低、pH范圍廣4-11第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五4.近年來開發(fā)的新型膜材料復(fù)合膜；無機(jī)多孔膜；納米過濾膜。功能高分子膜；聚氨基葡糖

第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五反滲透膜的基本性能透水率（水通量）——單位時(shí)間單位膜面積上的純水的透過量。來表示反滲透膜的透量的大小，用JW表示。透鹽率和脫鹽率透鹽率指鹽通過反滲透膜的速度，用Js表示Js=B（C1-C2）B——膜的鹽透過系數(shù)C1——高壓側(cè)鹽的濃度C2——低壓側(cè)鹽的濃度脫鹽率R=（1-C2/C1）*100%第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五選擇透過性反滲透膜的脫鹽率對水中不同的鹽是不同的。不同物質(zhì)有不同的脫除規(guī)律，這就是反滲透膜的選擇通過性，反滲透膜對離子的脫除規(guī)律：水合半徑越大，電荷越高的離子，脫除率越高反滲透膜對有機(jī)物額脫除規(guī)律：分子質(zhì)量越大，去除效果越明顯反滲透膜對水中溶解氣體的脫除規(guī)律：對氨、氯、二氧化碳和硫化氫等氣體脫除效果較差第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五反滲透水處理組件將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個(gè)單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五(1)、板框式(Plate-and-Frame)膜組件板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于常規(guī)的板框過濾裝置,膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個(gè)膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五(2)、管式(Tubular)膜組件管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過,透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件,膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五(3)、螺旋卷式(SpiralWound)膜組件目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分離過程。膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝人能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動(dòng)通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的形式。第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五(4)、中空纖維(HollowFiber)膜組件中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有其他組件大,最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個(gè)管狀容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流人,沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過液則滲透通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出,原液則從膜組件的另一端流出。

第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五反滲透裝置及其基本流程水源供水泵預(yù)處理系統(tǒng)高壓泵反滲透膜單元后處理系統(tǒng)分配汽提、消毒能量回收系統(tǒng)濃液排放典型脫鹽系統(tǒng)單元可降低能耗25～40％沖擊式水輪泵反轉(zhuǎn)泵第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)微濾（MF）以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推動(dòng)力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分離的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五微濾應(yīng)用

1)除去水/溶液中的細(xì)菌和其它微粒；

2)除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等多種溶液中的菌體；

3)除去飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。

第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)超濾（UF）是以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過程。其截?cái)喾肿恿恳话銥?000到50萬，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜△P出背壓閥超濾過程示意圖：△P進(jìn)透出液截留液當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時(shí)，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質(zhì)透過具有不對稱微孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達(dá)到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五超濾應(yīng)用超濾從70年代起步，90年代獲得廣泛應(yīng)用,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。蛋白、酶、DNA的濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細(xì)胞、純化病毒除病毒、熱源第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第五節(jié)納濾（NF）納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來的。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來。膜組器于80年代中期商品化。納濾(NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截?cái)喾肿恿糠秶s為MWCO300～1000，能截留透過超濾膜的那部分有機(jī)小分子，透過無機(jī)鹽和水。在電廠中主要用于冷卻水的處理。第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五幾種膜分離技術(shù)的分離范圍第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五第六節(jié)電滲析和電除鹽電滲析（ED）在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽兩個(gè)電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五正極

陰離子交換膜

負(fù)極+固定離子Cl-Na+-第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五++++++陽極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽膜陽極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽膜陰膜電滲析原理第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五

電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實(shí)現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。

電滲析裝置

1.離子交換膜第四十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價(jià)離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、有機(jī)物質(zhì)的分離等。第四十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五離子交換膜和離子交換樹脂的區(qū)別：

作用機(jī)理使用方法樹脂

離子間交換RSO3－H+選擇互換作用Na+H+解吸后須再生，并恢復(fù)成原來的離子型式，才能繼續(xù)使用。膜選擇透過作用，RSO3－Na+膜上反離子是H2O什么，無關(guān)緊Na+

Na+要，主要是骨Cl－

架的電荷作用?？蛇B續(xù)使用，∵是透過，不是交換。第四十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五2.裝置電滲析器主要由電滲析器本體和輔助設(shè)備兩大部分組成。本體可分為膜堆、極區(qū)和夾緊裝置。膜堆是由濃淡水隔板和陰陽離子交換膜交替而成。極區(qū)包括電極、電極框和導(dǎo)水板。夾緊裝置為了防止電滲析內(nèi)漏外泄，而用來固定的裝置。第四十九頁，共五十四頁，