膜分離原理技術(shù)與設(shè)備課件(同名1719)

第9章膜分離設(shè)備第1節(jié)膜分離概述一、膜分離的基本原理1、什么是膜分離膜分離（MembraneSeparation）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。2、膜分離的推動(dòng)力（1）借助外界能量，物質(zhì)發(fā)生由低位到高位的流動(dòng)；（2）借助本身的化學(xué)位差，物質(zhì)發(fā)生由高位到低位的流動(dòng)。3、膜分離方法（1）壓力推動(dòng)反滲透、納濾、超濾、微濾均為壓力推動(dòng)的膜過(guò)程，即在壓力的作用下，溶劑及小分子通過(guò)膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。——反滲透膜幾乎無(wú)孔，可以截留大多數(shù)溶質(zhì)（包括離子）而使溶劑通過(guò)，操作壓力較高，一般為2～10MPa；——納濾膜孔徑為2～5nm，能截留部分離子及有機(jī)物，操作壓力為0.7～3MPa；——超濾膜孔徑為2～20nm，能截留小膠體粒子、大分子物質(zhì)，操作壓力為0.1～1MPa；——微濾膜孔徑為0.05～10μm，能截留膠體顆粒、微生物及懸浮粒子，操作壓力為0.05～0.5MPa。（2）其他推動(dòng)力——電滲析采用帶電的離子交換膜，在電場(chǎng)作用下膜能允許陰、陽(yáng)離子通過(guò)，可用于溶液去除離子?！?dú)怏w分離是依據(jù)混合氣體中各組分在膜中滲透性的差異而實(shí)現(xiàn)的膜分離過(guò)程?！獫B透汽化是在膜兩側(cè)濃度差的作用下，原料液中的易滲透組分通過(guò)膜并汽化，從而使原液體混合物得以分離的膜過(guò)程。膜分離法傳質(zhì)推動(dòng)力分離原理應(yīng)用舉例微濾（MF）壓差0.05～0.5篩分除菌，回收菌，分離病毒超濾壓差0.1～1.0篩分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮反滲透壓差1.0～10篩分鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造滲析濃差篩分脫鹽，除變性劑電滲析電位差電荷、篩分脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸分離滲透氣化壓差、溫差溶質(zhì)與膜的親和作用有機(jī)溶劑與水的分離，共沸物的分離各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍二、膜材料及分類1、常用膜材料有機(jī)高聚物膜：纖維素類、聚砜類、聚酰胺類、聚酯類、含氟高聚物、聚烯烴等無(wú)機(jī)分離膜：陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等2、膜的種類（1）對(duì)稱膜：又稱為均質(zhì)膜，是一種均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同。包括致密的無(wú)孔膜和對(duì)稱的多孔膜兩種?！獋髻|(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過(guò)速率。（2）非對(duì)稱膜：橫斷面具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。包括一體化非對(duì)稱膜和復(fù)合膜兩類?！蛛x效能主要或完全由很薄的皮層決定，傳質(zhì)阻力小，其透過(guò)速率較對(duì)稱膜高得多。醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖三、膜分離的特點(diǎn)（1）膜分離是一個(gè)高效分離過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)高純度的分離；（2）大多數(shù)膜分離過(guò)程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；（3）膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；（4）膜分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性高，操作、維

護(hù)都十分方便；（5）處理能力和規(guī)模選擇性強(qiáng)；（6）體積小，占地少。

第2節(jié)膜分離裝置一、膜分離系統(tǒng)組成1、膜分離系統(tǒng)的構(gòu)成膜器件、泵、過(guò)濾器、閥、儀表、管路等2、常用膜器件的類型板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、毛細(xì)管式二、常用的膜器件（一）板框式膜器件1、基本部件平板膜、支撐盤、間隔盤。三種部件相互交替、重疊、壓緊。2、特點(diǎn)①組裝比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單地增加膜的層數(shù)以提高處理量；②操作比較方便。③板框式膜組件組裝零件太多；裝填密度低；膜的機(jī)械強(qiáng)度要求較高。3、應(yīng)用超濾（UF）、微濾（MF）、反滲透（RO）、電滲析（ED）4、板框式反滲透膜組件季緊螺栓型-裝配圖（1）結(jié)構(gòu)單元承壓板、多孔支撐板、濾膜組成濾板（2）結(jié)構(gòu)形式多層濾板堆疊，經(jīng)密封后，由季緊螺栓固定。進(jìn)水透過(guò)水濃縮水耐壓容器透水板半透膜（3）工作過(guò)程板式超濾膜裝置（二）圓管式膜器件1、基本部件管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端部密封2、特點(diǎn)①流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易清洗，安裝、操作方便；③裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積??；④耐高壓，無(wú)死角，適宜于處理高黏度及固體含量較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。3、類型與結(jié)構(gòu)管式膜組件又分為內(nèi)壓型和外壓型兩種。內(nèi)壓型有單管式和管束式兩種。（三）螺旋卷式膜器件1、基本部件膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心管構(gòu)成：兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋，膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層隔網(wǎng)，從膜袋開口端開始繞多孔中心管卷繞而形成螺旋卷式膜器件。密封密封密封螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料膜，上下兩層2、特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度高②制作簡(jiǎn)單，安裝、操作方便③適合低流速、低壓下操作④制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難3、工作過(guò)程原料從端部進(jìn)入組件后，在隔網(wǎng)中的流道沿平行于中心管方向流動(dòng)，而透過(guò)物進(jìn)入膜袋后旋轉(zhuǎn)著沿螺旋方向流動(dòng)，最后匯集在中心收集管中再排出，濃液則從組件另一端排出。進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過(guò)液濃縮液4、膜組件的結(jié)構(gòu)與組裝（四）中空纖維式膜器件1、基本構(gòu)成（1）中空纖維膜將膜材料制成外徑為80～400μm、內(nèi)徑為40～100μm的空心管，即為中空纖維膜。（2）中空纖維膜組件將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件。2、特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度很高；②清洗困難；③中空纖維膜一旦損壞無(wú)法維修，只能更換膜組件；④液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力很大，易阻塞。3、工作過(guò)程（1）內(nèi)壓式料液從空心纖維管內(nèi)流過(guò)，透過(guò)液經(jīng)纖維管膜流出管外，這是常用的操作方式。（2）外壓式料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動(dòng)，透過(guò)液則從纖維膜管內(nèi)流出。4、中空纖維膜設(shè)備操作（1）操作過(guò)程過(guò)濾、濃縮→反洗→清洗→正洗（2）操作注意事項(xiàng)中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。長(zhǎng)期停用時(shí)，用0.5%甲醛或次氯酸鈉水溶液保存。三、電滲析器（一）電滲析原理和特點(diǎn)1、電滲析的基本原理電滲析是在直流電場(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰膜只允許陰離子通過(guò)），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過(guò)程。離子交換膜的選擇透過(guò)性主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團(tuán)的作用。膜上的孔隙容許離子進(jìn)出和通過(guò)。膜上的離子基團(tuán)容許電性相反的離子通過(guò)。2、電滲析法的特點(diǎn)（1）耗電能與鹽溶液的濃度成正比，不適合與濃溶液（2）不能除去不帶電荷的雜質(zhì)（二）電滲析器的結(jié)構(gòu)1、構(gòu)造電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分構(gòu)成。（1）膜堆膜堆是由相當(dāng)數(shù)量的膜對(duì)組裝而成的。膜對(duì)：是由一張陽(yáng)離子交換膜，一張隔板甲（或乙）；一張陰膜，一張隔板乙（或甲）組成。（2）極區(qū)包括電極、極框和導(dǎo)水板。（3）壓緊裝置壓緊裝置是用來(lái)壓緊電滲析器，使膜堆、電極等部件形成一個(gè)整體，不致漏水。2、組裝方式電滲析器的組裝是用“級(jí)”和“段”來(lái)表示，一對(duì)電極之間的膜堆稱為“一級(jí)”。水流同向的每一個(gè)膜堆稱為“一段”。增加段數(shù)就等于增加脫鹽流程，也就是提高脫鹽效率，增加膜對(duì)數(shù)，可提高水處理量。一般有以下幾種組裝形式：一級(jí)一段；一級(jí)多段；多級(jí)一段；多級(jí)多段。（三）電滲析工藝流程1.循環(huán)操作流程2.三級(jí)連續(xù)操作（四）應(yīng)用1.水的純化生產(chǎn)制藥工藝用水2.鹽溶液濃縮3.脫除有機(jī)物和有機(jī)物脫酸4.廢水處理第3節(jié)超濾與微濾1、超濾過(guò)程膜:非對(duì)稱性膜,表面活性層孔徑1~20nm微孔,能截留分子量500以上大分子或膠體微粒。原理:原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔，流到低壓側(cè)，大分子物質(zhì)被截留。機(jī)理:篩分2、微濾過(guò)程(微孔過(guò)濾)膜:微孔,均質(zhì)的多孔膜,孔徑0.02-10μ微孔,能截留直徑為0.05-10μ的微?；蚍肿恿看笥?06的高分子原理:原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔，流到低壓側(cè)，懸浮微粒和分子膠體被截留。機(jī)理:篩分3、濃差極化（1）概念

膜傳質(zhì)過(guò)程中，靠近膜表面的邊界層處會(huì)存在濃度梯度或分壓差，對(duì)于給定的主體流體濃度，邊界層阻力的存在降低了膜分離的傳質(zhì)推動(dòng)力，滲透物的通量也降低。由于傳質(zhì)阻力而引起邊界層組分濃度的增加或降低的現(xiàn)象被稱為濃差極化。（2）濃差極化對(duì)膜分離過(guò)程的不利影響①引起滲透壓的增大，減小傳質(zhì)推動(dòng)力；②增加透過(guò)阻力；③改變膜的分離特性；④惡化膜的性能；⑤嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。（3）減輕濃差極化的方法①改變流向、提高流速；②設(shè)置湍流促進(jìn)器；③脈沖加料法；④攪拌法；⑤適當(dāng)提高原料側(cè)溫度。4、切向流概念：料液流向與膜平面平行。5、超濾的影響因數(shù)（1）操作壓差(推動(dòng)力)壓差大，通量大，