4膜分离第一部分

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,4,章 膜分离,(Membrane separation),主讲人：梁桂兆,gzliang,Tel:13206183258,主要内容,4.1,概述,4.2,各种膜分离方法及其原理,4.3,膜材料及其特性,4.4,膜组件与设备,4.5,膜分离机理,4.6,影响膜分离速度的主要因素,4.7,膜的污染与清洗,4.8,膜分离技术的应用,利用膜的选择性,(,孔径大小,),，以膜的两侧存在的能量差作为推动力,(,压力和电位,),，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。,膜分离的概念：,4.1,概述,膜,的,概念,在,一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。,膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体,被膜分开的流体相物质是液体或气体,膜的厚度应在,0.5mm,以下，否则不能称其为膜,1925,年以来，差不多每十年就有一项,新的膜过程在工业上得到应用,30,年代 微孔过滤,40,年代 渗析,50,年代 电渗析,60,年代 反渗透,70,年代 超滤,80,年代 气体分离,90,年代 渗透汽化,现代,EDI,技术,(,电渗析和离子交换,),膜分离技术的发展历史,1960,年,Loeb,和,Sourirajan,制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的,不对称反渗透膜,，是膜分离技术发展的一个里程碑。自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。,膜分离技术优点,处理效率高，设备易于放大；,可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；,化学与机械强度最小，减少失活；,无相转变，省能；,有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；,选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率；,系统可密闭循环，防止外来污染；,不外加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。,膜分离技术的重要性评论,美国官方文件曾说18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”。,国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命”,日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。,在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。,世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。,他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。,膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类,常见膜分离过程,微滤（,Microfiltration,，,MF,）,超滤（,Ultrafiltration,，,UF,）,反渗透（,Reverse osmosis,，,RO,）,透析（,Dialysis,，,DS,）,电渗析（,Electrodialysis,，,ED,）,渗透气化（,Pervaporation,，,PV,）,4.2,各种膜分离法及其原理,各种分离法及适用范围,微滤分离原理,利用筛分原理，分离、截留直径为,0.05,m,到,10,m,大小的粒子，即微滤膜的孔径为,0.05,m,到,10,m,。,采用压力为,0.05,0.5MPa,。,超 滤 分 离 原 理,超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但在有些情况下受到,粒子荷电性及其与荷电膜相互作用,的影响。它可分离分子量从,1000,到,1000000,道尔顿的可溶性大分子物质，对应孔径为,0.002,m,到,0.05,m,。采用压力为,0.11MPa,。,反 渗 透 分 离 原 理,在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的,水,透过膜，而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。理想的反渗透膜应被认为是无孔的，它分离的基本原理是溶解扩散（也有毛细孔流学说）。,“,膜孔径,”,为,0.1,到,1nm,。采用压力为,1,10,MPa,.,电 渗 析 分 离 原 理,电渗析是利用分子的,荷电性质,和分子,大小,的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面的孔内共价键合有离子交换基团,.,电渗析器是利用,离子交换膜的选择透过性,进行工作，电渗淅器主要组成部分是离子交换膜。分为,阳膜，阴膜,。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。,透析,利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液；与水溶液，或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）,透向右侧,，右侧的水,透向左侧,，这就是,透析,。,右侧纯水或缓冲溶液称为透析液；,所用的亲水膜称为透析膜；,透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。,透析原理图,水分子,大分子,小分子,透析膜,透析法的应用,透析法在临床上常用于,肾衰竭患者,的血液透析。,在生物分离方面，主要用于,大分子溶液的脱盐,。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在,实验室中应用较多,。,纳滤,纳滤,( NF,，,Nanofiltration,),是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。,但与反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”,( Loose RO ),。,纳滤分离作为一项新型的膜分离技术，技术原理近似机械筛分。但是,纳滤膜本体带有电荷性,。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。,纳滤在工业上的应用,-,-,-,RO membrane NF membrane,UF membrane MF membrane,微滤,超滤,纳滤,反渗透,悬浮颗粒,大分子有机物,糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐,单价盐,水,膜分离法与物质大小（直径）的关系,有关微米的一组数据,1m= 10,-3,mm,人发直径,70-80m,裸眼可见最小颗粒,40,m,金属颗粒,50m,酵母菌,3m,假单胞菌,0.3m,小,RNA,病毒,0.03m,0.5,离子、分子量,100,的有机物,溶解扩散,渗透蒸发,0.5,离子、分子量,100,的有机物,溶解扩散,反渗透,离子、分子量,100,的有机物,溶解扩散,纳滤,250,10001000,000Da,的大分子,体积大小,超滤,5010000,0.0510m,的固体粒子,体积大小,微滤,10000,固体粒子,体积大小,粒子过滤,孔径,/nm,分离对象,分离机理,膜过程,各种膜分离范围,电位差,浓度梯度,压力,（,110MPa),压力,（,0.21MPa),压力,（,0.050.5MPa),驱动力,苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工艺用水,离子脱除、氨基酸分离,离子交换膜,电渗析,除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等,小分子有机物和无机离子的去除,对称的或不对称的膜,透析,低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水淡化，超纯水制备,小分子溶质脱除与浓缩,带皮层的不对称膜、复合膜,（,nm),反渗透,溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌，酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印染废水处理，乳化液分离、浓缩等,细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离,不对称微孔膜,（,0nm),超滤,溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除,清毒、澄清、细胞收集,对称微孔膜,（,0.0510m),微滤,示例,应用对象,膜结构,名称,几种主要膜分离技术特征,4.3,膜材料及其特性,基本要求：,耐压：,膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在,0.10.5MPa,，反渗透膜的压力更高，约为,110MPa;,耐高温,:,高通量带来的温度升高和清洗的需要,;,耐酸碱：,防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；,化学相容性：,保持膜的稳定性；,生物相容性：,防止生物大分子的变性；,成本低；,膜,材料,微滤膜材料,：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维,超滤膜,：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维,反渗透膜,：醋酸纤维素衍生物，聚醚 ，聚酰胺,天然材料,：各种纤维素衍生物,人造材料,：各种合成高聚物,特殊材料,：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜,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,固体膜,根据膜断面的物理形态,根据固体膜的形态,对称膜,不,对称膜,复合膜,平板膜,管式膜,中空纤维膜,核径蚀刻膜,膜材料种类,高分子分离膜材料,纤维素衍生物类,聚砜类,聚酰胺类,聚酰亚胺类,聚酯类,聚烯烃类,乙烯类聚合物,含硅聚合物,含氟聚合物,甲壳素类,无机膜,致密膜,多孔膜,致密的金属膜,致密的固体电解质膜,致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜,Pd,膜及,Pd,合金膜,Ag,膜及,Ag,合金膜,氧化锆膜,复合固体氧化膜,多孔负载膜,多孔金属膜，多孔不锈钢膜,多孔,Ni,膜，多孔,Ag,膜，多孔,Pd,膜，多孔,Ti,膜,多孔陶瓷膜，包括,Al,2,O,3,膜，,SiO,2,膜，,ZrO,2,膜，,TiO,2,膜,（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）,具体分类,种类,具体分类,纤维素衍生物类,再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物,聚砜类,双酚,A,型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮,聚酰胺类,脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺,聚酰亚胺类,脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺,聚酯类,涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯,聚烯烃类,聚乙烯，聚丙烯，聚,4-,甲基,-1-,戊烯,乙烯类聚合物,聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯,含硅聚合物,聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷,含氟聚合物,聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯,甲壳素类,无,对称膜和不对称膜示意图,不对称膜的过滤作用,4.4,膜组件与设备,目前生产的膜过滤装置都由模件,(Module),构成，所以研究装置的性能只要研究模件的性能即可。一个良好的模件应具备下列条件：,1,膜面切线方向的速度相当快，或有较高的剪切率，以减少浓差极化；,2,膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大；,3,拆洗和膜的更换比较方便，,4,保留体积小，且无死角。,常见的膜过滤装置有四种类型：,管式,平板式,卷式（螺旋式）,中空纤维式,膜分离设备流程图,管式组件,1,管式组件,2,平板式构造,螺旋式式超滤筒的构造,中空纤维式膜组件,轴流型中空纤维膜组件,各种模件性能比较,管式,中空纤维式,板式,卷式,单位膜面积的成本,高,低,最高,低,更换膜的费用（不包括人工）,低,中等,最低,高,通量,较高,中等,/,低（由于不能耐压，一般流速低，在滞流下操作）,最高,/,较高,较高,装载密度（单位体积内的膜面积）,差（,2030m,2,/m,3,）,很好,（,1600030000 m,2,/m,3,）,好,/,一般（,400600 m,2,/m,3,）,好,8001000 m,2,/m,3,）,保留体积,大,低,中等,中等,能耗,高,低,中等,中等,抗污染性,很好,差,好,/,一般,好,/,一般,各种膜组件的优缺点比较,组件,优 点,缺 点,板框式,保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟,投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间,螺旋卷式,设备投资低，操作费用也低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易,料液需经预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制,管,式,易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制，无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒,高的设备投资和操作费用，保留体积大，单位体积中所含有过滤面积较小，压力降大,中空纤维式,保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆流操作，压力较低，设备投资低,料液需要预处理，单根纤维管损坏时，需调换整个组件，不够成熟,膜分离设备流程图,大型苦咸水脱盐系统流程,1390t/d,