1、膜分離過(guò)程特點(diǎn) 所有的分離過(guò)程都是利用在某種環(huán)境中混合物中各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分離。 過(guò)濾操作是指流體中兩種或兩種以上組分基于尺寸差異的分離過(guò)程。常規(guī)的過(guò)濾一般是指固液分離或氣液分離。 膜分離過(guò)程將這一應(yīng)用擴(kuò)展到了固體或液體溶液中溶解性物質(zhì)的分離。即以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動(dòng)力時(shí)，原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，從而達(dá)到分離或提純的目的。 不同的膜分離過(guò)程中所用的膜具有一定的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和選擇特性;被隔開(kāi)的兩相可以是液態(tài)，也可以是氣態(tài);推動(dòng)力可以是壓力梯度、濃度梯度或電位梯度，所以不同的膜分離過(guò)程的分離體系和適用范圍也不同 。 膜分離有希望代替精餾。從國(guó)內(nèi)情況看，實(shí)驗(yàn)室研制應(yīng)用好，但

2、轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)規(guī)模有難度。尤其是膜的質(zhì)量、膜的組裝、密封等。第1頁(yè)/共29頁(yè)第2頁(yè)/共29頁(yè)膜技術(shù)的應(yīng)用 膜的商業(yè)應(yīng)用：20C60S第一代膜技術(shù)，液體分離，微濾、超濾、反滲 透、電滲析。20C70S，第二代膜技術(shù)，氣體分離膜技術(shù)。 20C80S第三代膜技術(shù)，滲透汽化 深度處理-是指在常規(guī)處理工藝后，采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，將常?guī)處理工藝不能去除的污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物加以去除，提高和保證水質(zhì)。 常用深度處理的方法主要有:活性炭吸附，臭氧氧化，生物活性炭，膜技術(shù)等，其中，膜技術(shù)看來(lái)是最有前途的一種方法。膜處理法具有良好的調(diào)節(jié)水質(zhì)的能力，去除的污染物范圍比較廣，從顆粒雜質(zhì)到離子，細(xì)菌和病毒無(wú)一幸免。并

3、且其能耗低、操作簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定. 在水處理領(lǐng)域，反滲透、微濾、超濾、納濾等壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程的應(yīng)用更為廣泛。而與反滲透相比，超濾由于操作壓力低，能耗小等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在國(guó)外常常被用于替代常規(guī)處理或深度處理，并且其應(yīng)用研究日益受到廣泛關(guān)注。 由于我國(guó)近幾年在膜生產(chǎn)的技術(shù)和工藝上有很大改進(jìn)，使得超濾技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。它在處理含油廢水，電鍍廢水，含酚廢水，食品加工廢水等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力。超濾法可使紡織漿的聚乙烯醇(PVA)廢液濃縮回用，使印染廢水中的染料和水同時(shí)回用。此外，超濾還可成為每年數(shù)億噸含油廢水回注的關(guān)鍵技術(shù)。 第3頁(yè)/共29頁(yè)各種膜過(guò)程的分離機(jī)理 第4頁(yè)/共29頁(yè)符號(hào)

4、縮寫(xiě) D-Dialysis 滲析 RO-Reverse Osmosis 反滲透 UF-Ultra-filtration 超濾 MF-Micro-filtration 微濾 GS-Gas Separation 氣體膜分離 PV-Per-vaporation 滲透蒸發(fā) MD-Membrane Distillation 膜蒸餾 ME-Membrane Extraction 膜萃取 ED-Electro-dialysis 電滲析第5頁(yè)/共29頁(yè)不同壓力推動(dòng)膜的孔徑范圍第6頁(yè)/共29頁(yè)壓力過(guò)濾的分離范圍 0.0004-0.02m -10 m -1000 m 離子 大分子 顆粒 反滲透 0.00010.0

5、01 m 超濾 0.001-0.02 m 微孔過(guò)濾0.02-10 m 過(guò)濾第7頁(yè)/共29頁(yè)膜材料及種類(lèi) 用于分離膜的種類(lèi)很多。 以高分子材料制成的聚合膜居多。 用于制膜的高分子材料：纖維素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡膠等。 無(wú)機(jī)膜的制備已成為研究熱點(diǎn)，其增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)快于聚合物膜。 以金屬及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些熱固性聚合物為材料。其熱力學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)。 陶瓷膜的應(yīng)用較好。 根據(jù)分離過(guò)程和分離對(duì)象選擇合適的膜材料第8頁(yè)/共29頁(yè)膜的分類(lèi)第9頁(yè)/共29頁(yè)膜的性能 膜的基本性能包括膜的分離透過(guò)特性和物化穩(wěn)定性兩方面。 物化穩(wěn)定性：膜的空隙率、

6、孔結(jié)構(gòu)、表面特性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性、允許使用壓力、溫度、pH值、游離氯允許最高濃度以及對(duì)有機(jī)溶劑和各種化學(xué)藥品如的抵抗性。其中孔結(jié)構(gòu)和表面特性對(duì)使用過(guò)程中的膜污染、膜的滲透流率及分離性能具有很大的影響，化學(xué)性能如膜的耐壓性、耐高溫性、耐清洗性、耐生物降解性等在某些工業(yè)應(yīng)用中也非常重要。 分離透過(guò)特性：滲透通量、分離效率、通量衰減系數(shù)。 滲透通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間透過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量 分離效率：不同的膜分離過(guò)程和分離對(duì)象，表示方法不同。如截留率、脫鹽率等 通量衰減：由于過(guò)程的濃差極化、膜的壓密及膜孔堵塞等原因造成的膜滲透通量隨時(shí)間的減小。第10頁(yè)/共29頁(yè)膜分離設(shè)備 膜的分離裝置主要包括：膜組件

7、、泵、過(guò)濾器、閥門(mén)、儀表、管路等。 常用膜組件：板框式、圓管式、螺旋卷式、和中空纖維式。第11頁(yè)/共29頁(yè)反滲透簡(jiǎn)介我國(guó)反滲透技術(shù)開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)60年代19671969年全國(guó)海水淡化會(huì)戰(zhàn)為乙酸纖維素不對(duì)稱反滲透膜的開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)，70年代進(jìn)行中空纖維和卷式反滲透組件的研究開(kāi)發(fā)，80年代進(jìn)行反滲透復(fù)合膜的研究開(kāi)發(fā)，開(kāi)始步人產(chǎn)業(yè)化，反滲透技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海水苦咸水淡化，純水、超純水制備，化工分離、濃縮、提純等領(lǐng)域工程遍布電力、電子、化工、輕工煤炭、環(huán)保、醫(yī)藥、食品等行業(yè)反滲透膜技術(shù)及其工程應(yīng)用的發(fā)展方向主要集中于研究開(kāi)發(fā)具有低能耗、抗污染、耐高溫、高壓和特種分離等性能的反滲透膜組器超低壓反滲透膜

8、能在保持原脫鹽率的情況下，操作壓力下降2540，從而降低了系統(tǒng)的能耗和設(shè)備材料的要求抗污染反滲透膜的開(kāi)發(fā)，減少了膜清洗的能耗，延長(zhǎng)了膜的使用壽命，廣泛地應(yīng)用于污水回用和化工原材料的濃縮提純帶正電荷反滲透膜可直接應(yīng)用于二級(jí)、三級(jí)反滲透系統(tǒng)制備14MQ、1015MQ電阻率的純水、超純水，實(shí)現(xiàn)無(wú)酸堿廢水污染的潔凈工藝耐高溫反滲透膜具有90耐溫性能，可用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)需采用高溫殺菌消毒的反滲透裝置耐高壓反滲透膜具有90MPa以上的耐壓性能，用于二級(jí)海水淡化反滲透裝置、可使水回收率達(dá)到60近20年來(lái)，多種高性能和特殊用途的新型反滲透膜組器的研制成功，有力地推進(jìn)了反滲透應(yīng)用工程的發(fā)展反滲透工程應(yīng)用的另

9、一個(gè)發(fā)展方向是反滲透膜組器與超濾、微濾、納濾、EDI等組器的有機(jī)地組合應(yīng)用，充分發(fā)揮各種膜分離技術(shù)的特性，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)工程，達(dá)到濃縮、分離、提純的目的第12頁(yè)/共29頁(yè)反滲透分離原理 滲透是自發(fā)過(guò)程，而反滲透是非自發(fā)過(guò)程。反滲透同樣可以視作溶液中水的化學(xué)勢(shì)不同引起的水的移動(dòng)過(guò)程。當(dāng)兩溶液的壓力差大于其滲透壓差時(shí)，水的流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)非自發(fā)過(guò)程反滲透過(guò)程。 用只能讓水分子透過(guò)，而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜將純水與咸水分開(kāi)，則水分子將從純水一側(cè)通過(guò)膜向咸水一側(cè)透過(guò)，結(jié)果使咸水一側(cè)的液位上升，直到某一高度，此所謂滲透過(guò)程；當(dāng)滲透達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，半透膜兩側(cè)存在一定的水位差或壓力差，此為在指定溫度下的溶

10、液滲透壓；當(dāng)咸水一側(cè)施加的壓力P大于該溶液的滲透壓，可迫使?jié)B透反向，實(shí)現(xiàn)反滲透過(guò)程。此時(shí)，在高于滲透壓的壓力作用下，咸水中水的化學(xué)位升高，并超過(guò)純水的化學(xué)位，水分子從咸水一側(cè)反向地通過(guò)膜透過(guò)到純水一側(cè)，使咸水得到淡化，反滲透除鹽法即基于此原理。 一般反滲透膜微孔尺寸在10A左右，操作壓力為1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留鹽或小分子量有機(jī)物，可使水中離子的含量降低96-99%。 第13頁(yè)/共29頁(yè)反滲透影響因素分析 壓差對(duì)脫鹽率、膜通量、傳質(zhì)系數(shù)的影響第14頁(yè)/共29頁(yè)反滲透通量的影響因素 操作壓差壓差越大，滲透通量越大，但濃差極化比增大，膜表面溶液滲透壓升高，推動(dòng)力不能按比

11、例增大 溫度溫度升高，純水透過(guò)系數(shù)增大，同時(shí)濃差極化減小，滲透壓降低，推動(dòng)力增大，通量增大。 料液流速流速大，傳質(zhì)系數(shù)增大，濃差極化比減小，滲透通量增大。 料液的濃縮程度濃縮程度高，水的回收率高。但滲透壓高，滲透通量小，且已造成膜污染。 膜材料和結(jié)構(gòu)決定膜滲透通量的基本因素。第15頁(yè)/共29頁(yè)反滲透過(guò)程的濃差極化 反滲透過(guò)程中，大部分溶質(zhì)被截留，溶質(zhì)在膜表面附近積累，因此從料液主體到膜表面建立起有濃度梯度的濃度邊界層，溶質(zhì)在膜表面的濃度高于料液主體濃度，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。第16頁(yè)/共29頁(yè)濃差極化比隨時(shí)間的變化第17頁(yè)/共29頁(yè)濃差極化對(duì)過(guò)程的不利影響 膜表面濃度升高，溶液的滲透壓升高，當(dāng)

12、操作壓差一定，推動(dòng)力下降，滲透通量下降。 隨著滲透通量的增加，濃差極化比急劇增加，溶質(zhì)的滲透通量也增加，截流率降低。 濃差極化使膜表面溶液的滲透壓增高，由此引起水通量下降和通過(guò)膜的鹽遷移量的上升。倘若在邊界層中溶解溶質(zhì)的濃度超過(guò)它的溶解度，則在膜表面上將有沉淀或結(jié)垢發(fā)生。在如此高的濃度下，膠體物質(zhì)變得較不穩(wěn)定，因而它會(huì)凝聚和污染膜表面。 減輕濃差極化的有效途徑是提高料液流速；增強(qiáng)料液的湍流程度；提高操作溫度；對(duì)膜面進(jìn)行定期清洗等。第18頁(yè)/共29頁(yè)超濾 超濾 (UF)是一種篩孔分離過(guò)程，在靜壓差為推動(dòng)力作用下，原料液中溶劑和小溶質(zhì)粒子從高壓的料液側(cè)透過(guò)膜到低壓側(cè)，一般稱為透過(guò)液或滲透液，而大粒

13、子組分被膜所阻攔，使它們?cè)跒V剩液中濃度增大。 超濾膜的分離性能主要是指膜的透過(guò)率和脫除率，這與膜的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，它是以膜對(duì)不同分子量的截留率來(lái)描述的，相當(dāng)與分離分級(jí)曲線。第19頁(yè)/共29頁(yè)中空纖維膜圖2.1.1 中空纖維超濾器示意圖第20頁(yè)/共29頁(yè)第21頁(yè)/共29頁(yè)壓差對(duì)透過(guò)率的影響0200400600800100012000 .0 20 .0 30 .0 30 .0 30 .0 40 .0 40 .0 40 .0 50 .0 60 .0 8壓 差 M P a透過(guò)率L/h m2第22頁(yè)/共29頁(yè)壓差對(duì)脫除率的影響4050607080901001100 .0 2 30 .0 2 60 .0 2

14、90 .0 3 20 .0 3 50 .0 4 20 .0 5 20 .0 60 .0 7 8壓 差 M P a脫除率 %第23頁(yè)/共29頁(yè)超濾的滲透通量影響因素 操作壓差 料液流速 溫度 截留物濃度第24頁(yè)/共29頁(yè)膜的主要傳質(zhì)機(jī)理 溶解-擴(kuò)散模型，膜的選擇透過(guò)性是由于不同組分在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同而造成的。 孔模型 篩分模型 優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流動(dòng)模型第25頁(yè)/共29頁(yè)膜傳質(zhì) 膜表面上傳質(zhì) 膜內(nèi)傳質(zhì)第26頁(yè)/共29頁(yè)膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式 層流時(shí)： （Re1800） Grber 等提出 Sh=0.664（Re）0.5（Sc）0.33（dh/L）0.5 即k與U的指數(shù)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)式： k=0.664(U/L)1/2D2/3/0.17 湍流時(shí)： Dittus和 Boelter 1961年New York提出 Sh=0.023（Re）0.8（Sc）0.33 即k=0.023（U0.8D0.67）/（dh0.