膜科学-膜分离技术的应用学习资料

膜科学-膜分离技术的应用膜技术简介膜技术简介 1 1 膜的定义和分类膜的定义和分类一个包含各方面的精确的、完整的膜（一个包含各方面的精确的、完整的膜（membranemembrane）定义是不容）定义是不容易得出的。一种最通用的广义定义是把易得出的。一种最通用的广义定义是把“膜膜”定义为两相之间定义为两相之间的一个不连续区间，其尺寸中，一维大大的小于其他二维，极的一个不连续区间，其尺寸中，一维大大的小于其他二维，极薄。简单说就是薄。简单说就是膜是分离两相的中间相。膜是分离两相的中间相。膜中间相相相原料透过物传质推动力膜的分类 膜的种类膜的种类根据膜的材质固体膜液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能膜技术发展简况19世纪Fick发现扩散定理可用于透过膜的扩散现象、气体分离、渗析和渗透压力研究。20世纪以来，开始研究Donnan电渗析、微孔膜、初期的超滤、反渗透，研究膜电势是电渗析和电极的基础，以及初期的人工肾研究。50年代以来，合成膜的研究、电渗析微孔过程和血液渗析等分离技术开始进入工业化应用。60年代Loeb和Saurirajan共同研制成高脱盐率、高透水能力的非对称型醋酸纤维素的反渗透膜，使反渗透技术进入工业化应用。70年代超滤技术进入工业化。80年代开始，膜分离技术用于气体分离，80年代至90年代，渗透汽化研究有了新进展，如1998年由原GFT公司在法国建成日产15万升无水酒精装置，以及MeOH/MTBE分离等。90年代以来新的膜分离过程，膜-基平衡分离 ，如液-液分离的膜萃取，气-液分离的膜吸收膜真空蒸馏等，当前常以膜接触器的研究出现，其他还有促进传递过程，膜反应器、传感器、控制释放等膜技术发展很快，可携带能源燃料电池因膜技术的研究开发，使之可在工业上应用，因而为膜科学研究者倍加关注，并已成为最新的一个热点。中国的膜科学我国的膜科学技术开始于我国的膜科学技术开始于19581958年离子交换膜的研究，年离子交换膜的研究，2020世纪世纪6060年代年代研究反渗透膜，曾组织全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科学研究反渗透膜，曾组织全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科学技术的发展；技术的发展；7070年代就已开发出反渗透、超滤、微滤和电渗析等器件设备，随后年代就已开发出反渗透、超滤、微滤和电渗析等器件设备，随后投入工业应用；投入工业应用；8080年代继续发展液体分离之外，气体膜分离和渗透汽化等也进入开年代继续发展液体分离之外，气体膜分离和渗透汽化等也进入开发和研究阶段，有的已工业应用或建成中试装置，其它新技术也在发和研究阶段，有的已工业应用或建成中试装置，其它新技术也在不断研究开发之中。不断研究开发之中。膜分离技术特点膜分离技术的重要作用膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。膜分离技术的特点膜分离技术是利用天然或人工制备的具膜分离技术是利用天然或人工制备的具 有选择透过性的膜。以外界能量或化学单有选择透过性的膜。以外界能量或化学单 位差为推位差为推动力对溶液中的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯动力对溶液中的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和浓缩的方法和浓缩的方法膜分离技术的特点膜分离通常是一个高效的分离过程膜分离通常是一个高效的分离过程多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适用于对热过敏物质的处理。对热过敏物质的处理。膜分离过程的能耗通常比较低。膜分离过程的能耗通常比较低。膜分离技术的特点膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度有在室温附近，膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度有在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简便，而且所以很少需要维护，可靠度很高。它的操作十分简便，而且从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作从开动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。效率、设备单价、运行费用等都变化不大。膜分离由于分离效率高，通常体积比较小，占地较少。而且膜分离由于分离效率高，通常体积比较小，占地较少。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变产线进行大的改变从此反渗透技术在美国得到迅猛的发展，随后在世界各地相继应用。其间微滤和超滤技术也得到相应的发展膜分离的基本原理膜分离的基本原理膜分离的基本原理膜分离的基本原理溶解扩散模型溶解扩散模型优先吸附毛细管流动模型：优先吸附毛细管流动模型：从不可逆热力学导出的模型从不可逆热力学导出的模型：溶解-扩散模型分子透过膜的过程可分为三步：分子透过膜的过程可分为三步：(1) 分子与膜接触，分子在膜的进料侧表面吸分子与膜接触，分子在膜的进料侧表面吸附溶解；附溶解；(2) 吸附溶解的分子在浓度差的推动下扩散透吸附溶解的分子在浓度差的推动下扩散透过膜，到达膜的透过侧；过膜，到达膜的透过侧；(3) 在膜的透过侧表面分子解吸。在膜的透过侧表面分子解吸。液化或或流体由菲克第一定律导出n= n= n n 为质量流速gs 为混合物密度W 为组分质量分数D12 为12元体系的扩散系数-D121-w1dw1dx液体的水力学透过液体的水力学透过液体通过致液体通过致密膜的水力密膜的水力学强制渗透，学强制渗透，可以按溶解可以按溶解扩散机制进扩散机制进行。行。膜分离技术的应用膜分离技术的应用膜分离技术的应用膜分离技术的应用 膜分离技术具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小膜分离技术具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。一、水的脱盐与淡化一、水的脱盐与淡化1、海水与苦咸水淡化2、电厂锅炉水脱盐3、城市家庭饮用水的净化4、超纯水制备.二、在食品工业的应用二、在食品工业的应用1、乳品加工2 2、酒类生产、酒类生产3、果汁加工4、酶制剂生产.三、在医疗、卫生方面的应用三、在医疗、卫生方面的应用1、医疗卫生用品2、药品生产3、医疗应用4 4、中药提炼、中药提炼四、在环境工程方面的应用四、在环境工程方面的应用1 1、电镀废水、电镀废水2、纤维工业废水3、含油、脱脂废水五、在石油、化工方面的应用五、在石油、化工方面的应用1、液膜法进行铀的分离与回收2、膜法由合成氨驰放气中回收氢气3、膜法回收有机蒸汽4 4、膜法制取富氧空气、膜法制取富氧空气5、膜法回收油田三次采油中的二氧化碳6、渗透蒸发法用于无水乙醇的生产石油化工中的应用石油化工中的应用膜分离技术在石油化工中的应用膜分离技术在石油化工中的应用膜技术在石油化工中的应用主要有以下三方面：膜技术在石油化工中的应用主要有以下三方面： 1. 1.气体混合物的分离回收气体混合物的分离回收 2. 2.液体混合物的分离、纯化液体混合物的分离、纯化 3. 3.离子交换膜电解制碱离子交换膜电解制碱 液体混合物的分离、纯化液体混合物的分离、纯化应用概述应用概述目前石油化工生产过程中用于液体混合物分离技目前石油化工生产过程中用于液体混合物分离技术的膜技术主要为渗透汽化（术的膜技术主要为渗透汽化（PVAP)PVAP)过程。渗透汽过程。渗透汽化分离适用于某些用常规分离方法能耗高或费用化分离适用于某些用常规分离方法能耗高或费用高的分离体系，特别是近沸或恒沸体系的分离。高的分离体系，特别是近沸或恒沸体系的分离。液体混合物的分离、纯化液体混合物的分离、纯化基本原理基本原理液相中的组分通过渗透汽化膜的过程可以用溶解液相中的组分通过渗透汽化膜的过程可以用溶解扩散机理描述。在渗透汽化过程中，组分在扩散机理描述。在渗透汽化过程中，组分在膜两侧蒸汽压差的推动下，首先选择性溶解在膜膜两侧蒸汽压差的推动下，首先选择性溶解在膜料液侧面，再扩散透过膜，最后在膜的透过侧表料液侧面，再扩散透过膜，最后在膜的透过侧表面汽化，解收。面汽化，解收。液体混合物的分离、纯化液体混合物的分离、纯化膜及组件膜及组件渗透汽化膜分为亲水膜和疏水膜两种。已工业化渗透汽化膜分为亲水膜和疏水膜两种。已工业化应用的应用的PVAPPVAP中的亲水性表皮层主要选用中的亲水性表皮层主要选用PVAPVA（聚乙（聚乙烯醇）、壳聚糖、烯醇）、壳聚糖、CACA（醋酸纤维素）和其他聚电（醋酸纤维素）和其他聚电解质，他们的分离原因子高，热稳定性好，使用解质，他们的分离原因子高，热稳定性好，使用温度可以达到温度可以达到130130。疏水膜材料则主要选用。疏水膜材料则主要选用PDMSPDMS（硅橡胶）。（硅橡胶）。工业实例工业实例例例1 ,1 ,在用异丁烯及异戊烯与甲醇反应制取在用异丁烯及异戊烯与甲醇反应制取MTBEMTBE（甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚）、）、TAME TAME （甲基叔戊基醚甲基叔戊基醚）等产）等产品生产中品生产中, ,醚化反应的产物是含有醚、醇及烃醚化反应的产物是含有醚、醇及烃(C4(C4C7) C7) 的恒沸混合物的恒沸混合物. . 传统的分离工艺能耗大传统的分离工艺能耗大, ,如如果采用果采用PV PV 与精馏联合工艺与精馏联合工艺, ,可以降低消耗可以降低消耗, ,节省投节省投资。应用资。应用PV PV 技术，成功地进行了工业性试验，结技术，成功地进行了工业性试验，结果证明，采用果证明，采用PV PV 技术可减少蒸汽消耗技术可减少蒸汽消耗10 %10 %30 30 %,%,节省投资节省投资5 %5 %20 %20 %例例2 ,2 ,碳酸二甲酯碳酸二甲酯(DMC) (DMC) 与与MTBE MTBE 一样一样, ,广泛被用来作广泛被用来作为提高汽油辛烷值的添加剂。在为提高汽油辛烷值的添加剂。在DMCDMC生产中，反应产生产中，反应产物物DMCDMC与甲醇形成恒沸混合物。美国与甲醇形成恒沸混合物。美国Texaco Texaco 公司采用公司采用PV PV 技术与精馏联合工艺来分离技术与精馏联合工艺来分离DMC DMC 与甲醇与甲醇, ,投资仅为投资仅为单纯高压精馏的单纯高压精馏的20 %20 %30 %30 %，显示出明显的技术和经，显示出明显的技术和经济的优势济的优势 例例3 3，在润滑油的脱蜡工艺中，对于不的原料，在润滑油的脱蜡工艺中，对于不的原料( (重质重质和轻质润滑油和轻质润滑油) ) 需要不同配比的脱蜡溶剂需要不同配比的脱蜡溶剂( (甲乙酮甲乙酮/ / 甲苯甲苯) . ) . 美国美国Dupont Dupont 公司的研究人员用该公司的公司的研究人员用该公司的Nafion-H117 Nafion-H117 改性膜改性膜, ,采用采用PV PV 技术进行脱蜡溶剂的调技术进行脱蜡溶剂的调整整, ,可使操作十分方便可使操作十分方便, ,并能适应不同原料的需要。并能适应不同原料的需要。海水淡化技术海水淡化技术海水淡化技术海水淡化技术1.1.水资源现状水资源现状2.2.水体淡化的方法水体淡化的方法3.3.分离机理分离机理4.4.工艺流程工艺流程5.5.主要性能指标主要性能指标6.6.海水淡化新技术海水淡化新技术水资源现状 随城市人口增长，工业发展和日常用水的俱增，高效利用水资随城市人口增长，工业发展和日常用水的俱增，高效利用水资源，开辟新水源当务之急。源，开辟新水源当务之急。海水淡化海水淡化处理技术是指将水中的多余海水淡化处理技术是指将水中的多余盐盐分和分和矿物质矿物质去除得到去除得到淡水淡水的工序。的工序。半个世纪以来己养活了世界上半个世纪以来己养活了世界上1 1亿多的人口，促进了亿多的人口，促进了干旱沙漠地区和发达国家沿海经济和社会发展。干旱沙漠地区和发达国家沿海经济和社会发展。水体淡化的方法1 1）多级闪蒸多级闪蒸(MSF)(MSF)2 2）电渗析法）电渗析法3 3）反渗透反渗透(RO)(RO)4 4）冷冻法）冷冻法5 5）渗透蒸发法）渗透蒸发法被实用化反渗透法稀溶液的渗透压稀溶液的渗透压为：为：=iCRT式中式中i为溶质分子电离生成的离子数；为溶质分子电离生成的离子数；C为溶质的为溶质的摩尔浓度摩尔浓度；R为为摩尔气体摩尔气体常数常数；T为绝对温度。为绝对温度。溶剂溶液膜渗透溶剂溶液=gH平衡H溶剂溶液溶液反渗透p p分离机理一、优先吸附一、优先吸附- -毛细孔流模型毛细孔流模型工艺流程工艺流程工艺流程主要性能指标1 1。膜通量：。膜通量：表明通过膜表面的一个特定区域的水流速表明通过膜表面的一个特定区域的水流速度。度。 计算公式计算公式 ：J= V/(TJ= V/(TA)A)； :J-:J-膜通量膜通量(L/m2h)(L/m2h)；V-V-取样体积取样体积(L)(L)；T-T-取样时间取样时间(h)(h)；A-A-膜有效面积膜有效面积(m2)(m2)。2 2。脱盐率：溶质的截留百分率。脱盐率：溶质的截留百分率3 3。回收率：。回收率：与原水流量相关的透出水流量与原水流量相关的透出水流量技术需要与性能指标SDI（污染指数）55PH值2-112-11脱盐率95-99%95-99%出水PH值5-7 5-7 余氯（mg/l)0.1 0.1 水温4-454-45C C 回收率60-80% 60-80% 海水淡化新技术正向渗透正向渗透膜分离技术未来的展望膜分离技术未来的展望膜分离技术未来的展望膜分离技术未来的展望膜科学技术膜科学技术 膜分离过程已逐渐成为化学工业、食品加工、水处理、医药技术等方面的重要分膜分离过程已逐渐成为化学工业、食品加工、水处理、医药技术等方面的重要分离过程。已经工业化的有微孔过滤、超滤、反渗透、电渗析和气体分离等，渗透离过程。已经工业化的有微孔过滤、超滤、反渗透、电渗析和气体分离等，渗透汽化也已建成几种工业规模的装置。膜分离与反应结合的过程，各种膜反应器的汽化也已建成几种工业规模的装置。膜分离与反应结合的过程，各种膜反应器的研究与应用也发展较快。其他非分离膜过程，如控制释放技术、医用人造膜和膜研究与应用也发展较快。其他非分离膜过程，如控制释放技术、医用人造膜和膜传感应器的种类也不少，有的发展速度将超过膜分离过程。各种膜过程具有不同传感应器的种类也不少，有的发展速度将超过膜分离过程。各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。但有其共同点，如过程一般较简单，经济性的机理，适用于不同的对象和要求。但有其共同点，如过程一般较简单，经济性较好，往往没有相变，可以在常温下操作，即节约能耗，又特别适用于热敏性物较好，往往没有相变，可以在常温下操作，即节约能耗，又特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。各种膜过程，质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。各种膜过程，又以不同结构与性能的膜为主要决定因素。因此，各种膜过程、膜的形成机理、又以不同结构与性能的膜为主要决定因素。因此，各种膜过程、膜的形成机理、膜材料和成膜条件，以及如何控制其结构等，都是膜科学技术领域中的重要内容。膜材料和成膜条件，以及如何控制其结构等，都是膜科学技术领域中的重要内容。膜反应器主要有两种：一种是以合成膜的优良分离性能，与化学催化反应膜反应器主要有两种：一种是以合成膜的优良分离性能，与化学催化反应相结合，使化学反应器技术得到新发展，成为膜催化反应器。另一种是膜相结合，使化学反应器技术得到新发展，成为膜催化反应器。另一种是膜分离与生物反应相结合，称为膜生化反应器（分离与生物反应相结合，称为膜生化反应器（MBRMBR）。因此，膜反应器适）。因此，膜反应器适用于化学合成，药物中间体的转化和生物制药及其纯化过程。膜反应器从用于化学合成，药物中间体的转化和生物制药及其纯化过程。膜反应器从结构上分，大体分为两类：一类是反应和分离同在一装置中进行，另一反结构上分，大体分为两类：一类是反应和分离同在一装置中进行，另一反应器和膜分离组分间分开，相连和循环。膜催化反应其用途宽广如石油化应器和膜分离组分间分开，相连和循环。膜催化反应其用途宽广如石油化工生产过程的脱氢、加氧过程、丁烯脱氢与丁二烯丙烷脱氢为丙烯等，可工生产过程的脱氢、加氧过程、丁烯脱氢与丁二烯丙烷脱氢为丙烯等，可用硅酸盐膜催化器。膜生化反应器采用酶或微生物为催化剂，含酶膜反应用硅酸盐膜催化器。膜生化反应器采用酶或微生物为催化剂，含酶膜反应器具有选择性高，且可以在常温常压下作用，可得高转化率、高纯度产品器具有选择性高，且可以在常温常压下作用，可得高转化率、高纯度产品。多用于食品工业和制药工业，国内已有研究。膜生物反应器在废水处理。多用于食品工业和制药工业，国内已有研究。膜生物反应器在废水处理中应用发展最快。多用膜组件直接浸于生物反应器中成为浸没式膜生物反中应用发展最快。多用膜组件直接浸于生物反应器中成为浸没式膜生物反应器。近年来，在日本、欧美等国家列为国家重点计划，有大规模的应用应器。近年来，在日本、欧美等国家列为国家重点计划，有大规模的应用装置，国内也有研究。装置，国内也有研究。1 膜反应器 2 2 控制释放系统控制释放系统 控制释放技术也称吸附微囊技术。将活化剂（药物）贮控制释放技术也称吸附微囊技术。将活化剂（药物）贮存于精密的膜结构中，控制一定速率或浓度，从膜中向外扩存于精密的膜结构中，控制一定速率或浓度，从膜中向外扩散。控制释放速率基本由三种形式：即扩散速率为常数；释散。控制释放速率基本由三种形式：即扩散速率为常数；释放动力学为一级反应；以及释放速率与时间的平方根成反比。放动力学为一级反应；以及释放速率与时间的平方根成反比。控制释放的优点在于释放活性剂的浓度水平较易保持不变，控制释放的优点在于释放活性剂的浓度水平较易保持不变，活性剂的有效利用率高，可以释放于所需要的局部地方，消活性剂的有效利用率高，可以释放于所需要的局部地方，消耗药剂较少，且可定量控制。这种技术应用已从农药发展到耗药剂较少，且可定量控制。这种技术应用已从农药发展到人类用药，如对局部癌症的治疗和眼科用药等都有价值。正人类用药，如对局部癌症的治疗和眼科用药等都有价值。正在探索释放形式的多样化和高功能化。在探索释放形式的多样化和高功能化。3 医用人造膜的研究生物膜是由各种功能膜构成的。目前，正在探索以人造膜补充和代替生物体的功能，对人造肺、人造皮肤等进行研究和应用，从仿生着手，开发人造和天然相调和的新功能。这些要从人体安全性考虑的膜技术，研究活跃、开发前景乐观。4 酶膜传感器和微生物传感器生物膜具有信息传递、物质输送和能量转换等优异功能。因此制造带有这类生物膜功能的人造膜，可在各领域中应用。模仿生物膜对化学物质的识别能力，制成生物传感器。由生物催化剂酶或微生物，与合成高分子生物膜以及电极转化器组合而制成的传感器为酶膜传感器或微生物传感器。它具有高选择性和高精密度，用于测定葡萄糖浓度、其他糖类和乙醇、苯酚、丙酮、尿素以及高分子离子等。这种传感器应用于电子技术领域，可望有极大的发展。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢