1、第9章 膜分離 Multi-component distillation and special distillation,膜分離過程 利用天然或合成的、具有選擇透過性的薄膜，以化學位差或電位差為推動力，對雙組分或多組分體系進行分離、分級、提純或富集的過程。,9.1 膜分離概述,近幾十年來，膜分離技術已廣泛應用于化工、輕工、食品、生物、醫(yī)藥、環(huán)保、水處理等多個領域。,膜分離過程原理： 以選擇性透膜為分離介質，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電壓差等）時，使原料側組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。通常膜原料側稱為膜上游，透過側稱為膜下游。,9.1 膜分離概述,膜分離技術發(fā)展

2、史,十八世紀，發(fā)現(xiàn)動物體膜的天然半透性； 十九世紀，用某些天然材料制作半透膜； 1918年Zsigmondy制成微孔濾膜，微濾技術誕生； 50年代研制成功離子交換膜，電滲析實現(xiàn)工業(yè)化； 1960年Loeb和Sourirajan研制成醋酸纖維素非對稱膜，反滲透和超濾技術得到廣泛應用； 1968年，Norman提出液膜分離技術； 70年代Prism中空纖維膜問世，氣體分離技術誕生； 80年代Heins發(fā)明阻力復合膜，氣體膜分離飛躍發(fā)展。,9.1 膜分離概述,膜分離技術發(fā)展簡史,高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地擴散到裝有酒精的豬膀胱內，開創(chuàng)了膜滲透

3、的研究。,9.1 膜分離概述,1861年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側施加壓力，使膜的兩側產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細菌、蛋白質、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點看，這種過濾應稱為微孔過濾。,9.1 膜分離概述,7,然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀60年代。1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質混合物以水丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon公司首先將這種膜商品化

4、。,9.1 膜分離概述,8,50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。 1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。,9.1 膜分離概述,9,自上世紀60年代中期以來，膜分離技術真正實現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（UF膜）、微孔過濾膜（MF膜）和反滲透膜（RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進一步提高。,9.1 膜分離概述,10,具有分離

5、選擇性的人造液膜是馬丁（Martin）在60年代初 研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的， 為支撐液膜。 60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的 水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新 型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項專利。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動載體的 液膜，使液膜分離技術具有更高的選擇性。,9.1 膜分離概述,11,膜分離過程的類型,分離膜的基本功能是從物質群中有選擇地透過或輸送特定的物質，如顆粒、分子、離子等。或者說，物質的分離是通過膜的選擇性透過實現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機理如表7-1所示。,9.1

6、 膜分離概述,9.1.3 膜分離技術的種類,膜 分 離 過 程 特 點,沒有相變,常溫完成,特殊溶液體系的分離,產(chǎn)品互溶,清晰分離難,分離過程的能耗低,適合熱敏物質分離,溶液中大分子分離 無機鹽分離 共沸物或近沸點物系分離,膜分離技術的特點,9.1 膜分離概述,不需添加物質媒介,不會引入新的污染源,適應性強 使用方便,處理規(guī)模靈活 操作方式多樣,9.1.1 膜 膜的定義 在一定流體相內或兩個流體相之間有一薄層凝聚相物質把流體相分隔成為兩部分，那么這一薄層物質就是膜。 膜具備兩個特性： 1.至少有兩個界面 2.具有選擇透過性（完全透過性，半透過性）,9.1 膜分離概述,膜的分類,9.1 膜分離概

7、述,按膜的材料分類,9.1 膜分離概述,膜材料的要求： 良好的成膜性能 物化穩(wěn)定性 耐酸、堿、微生物侵蝕 耐氧化等,膜和種類及結構： 按形狀 平板膜 管式膜 中空纖維膜,9.1 膜分離概述,致密膜就是均勻的致密薄膜，物質通過這類膜是依靠分子擴散。致密膜的滲透阻力與膜的厚度成正比。因此，通常致密膜都很薄(5nm-5m)，又成為超薄膜。,9.1 膜分離概述,微孔膜的孔徑很小，一般在（0.02-10 m)，微孔膜有兩種：多孔膜和核孔膜，前者的膜孔有一較寬的分布范圍，孔徑曲折，膜厚50-250m，核孔膜用10-15m的致密膜經(jīng)過特殊處理制得，其特點是孔為圓柱型直孔，孔徑均勻，開孔率小。,微孔膜,致密膜

8、（無孔膜）,按膜孔徑的大小,按膜的結構 對稱膜、非對稱膜、復合膜,9.1 膜分離概述,膜兩側截面的結構及形態(tài)相同，且孔徑與孔徑分布也基本一致的膜,有表面活性層和支撐層組成，表面活性層很?。?.1-1.5 m)，膜的分離作用主要取決于它，表面活性層致密無孔或孔徑小于1nm的用于反滲透、氣體分離等。表面活性層孔徑為1-20nm的膜成為超濾膜。支撐層的厚度為50-250m，主要起支撐作用，它決定膜的機械強度，為多孔狀。,復合膜,9.1 膜分離概述,復合膜是在非對稱膜的表面再加上一層0.25-15m厚的致密膜形成的膜，膜的分離作用主要決定致密活性層，她的優(yōu)點在于活性層可以用各種材料，因此具有較廣的選擇

9、余地。它廣泛用于反滲透、氣體膜分離和滲透汽化等過程。,醋酸纖維素膜的結構示意圖,99,表皮層， 孔徑 0.81nm,過渡層， 孔徑 20nm,多孔層， 孔徑100400nm,1%,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,聚合物膜通常在較低的溫度使用（不高于200），而且要求原料與膜不發(fā)生化學反應。當在較高的溫度下或原料流體為化學活性混合物時，可以采用由無機材料制成的膜。無機膜多以金屬及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃為原料，制成相應的金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。這類膜的特點是耐熱、機械和化學穩(wěn)定性好，使用壽命長，污染少且易清洗，孔徑分布均勻等，缺點是易破損，成型性能差，造價高。 無機膜的發(fā)展大大擴寬了膜

10、分離的應用領域。將無機材料與聚合物材料制成性能更好的雜合膜。,無機膜,9.1 膜分離概述,膜性能,膜 的 性 能,物化穩(wěn)定性,較好的機械強度 耐受一定壓力 耐受一定的溫度 耐酸腐蝕。pH 耐有機溶劑和各種化學品的抵抗性,分離透過特性,滲透通量 分離效率 通量衰減系數(shù),決定膜的使用壽命,9.1 膜分離概述,(1)滲透通量,通常用單位時間內通過單位膜面積的透過物量表示，對任何一種膜分離過程，滲透通量越大越有利。,(2)通量衰減系數(shù),因為過程的濃差極化、膜的壓密以及膜孔堵塞等原因，膜的滲透通量將隨時間而衰減,J時間的滲透通量, 使用時間,J0時間0(初始時間)的滲透通量,m 衰減系數(shù),分離透過特性,

11、9.1 膜分離概述,(1)滲透通量,通常用單位時間內通過單位膜面積的透過物量表示,(2)通量衰減系數(shù),因為過程的濃差極化、膜的壓密以及膜孔堵塞等原因，膜的滲透通量將隨時間而衰減,J時間的滲透通量, 使用時間,J0時間0(初始時間)的滲透通量,m 衰減系數(shù),理化穩(wěn)定性 強度、耐溫、耐壓性等,分離透過特性,9.1 膜分離概述,(3)分離效率,原料液C1,透過液C2,對于不同的膜分離過程和分離對象可以用不同的表示方法。對于溶液中的鹽、微粒和某些高分子物質的脫除等可以用脫鹽率或截留率R表示,膜的分離透過特性還可以用分離因子或分離系數(shù)表示：,在分離、純化氣體時，我們希望膜對混合氣中某一組分A有高的選擇性

12、和較大的滲透率，而對別一組分B只有較低的選擇性和較小的滲透率，這樣才能獲得較滿意的純化效果。,原料液（氣）C1A,透過液（氣）C2A A多B少,AB,9.1 膜分離概述,1. 分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣 的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能 差別很大。合理的、先進的制膜工藝是制造優(yōu)良性 能分離膜的重要保證。 目前，國內外的制膜方法很多，其中最實用的 是相轉化法（流涎法和紡絲法）和復合膜化法。,膜的制備,9.1 膜分離概述,2. 相轉化制膜工藝 相轉化是指將均質的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或 向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉變?yōu)楣?相的過程。相轉化制膜工

13、藝中最重要的方法是LS 型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里 拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造 醋酸纖維素膜。,9.1 膜分離概述,將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉化就形成了由液相轉化為固相的膜。 其工藝框圖可表示如下圖7-1：,LS型制膜法,9.1 膜分離概述,圖7-1 LS法制備 分離膜工藝流程框圖,9.1 膜分離概述,3. 復合制膜工藝 由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當于總厚度的1/100左右。理論研究表明可知，膜的透過速

14、率與膜的厚度成反比。而用LS法制備表面層小于0.1m的膜極為困難。為此，發(fā)展了復合制膜工藝，其方框圖如圖7-2所示。,9.1 膜分離概述,圖7-2 復合制膜工藝流程框圖,9.1 膜分離概述,分離膜的保存對其性能極為重要。主要應防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。 溫度、pH值不適當和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結構。,膜的保存,9.1 膜分離概述,36,膜的收縮 主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴重時還會造成膜的破裂。當膜與高濃度溶液接觸

15、時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴散而失水，也會造成膜的變形收縮。,9.1 膜分離概述,膜污染,凝膠極化引起的凝膠層; 溶質在膜表面的吸附層; 膜孔內的溶質吸附; 膜孔堵塞。,膜污染不僅造成滲透通量的大幅度下降，而且影響目標產(chǎn)物的回收率。 造成膜污染主要原因來自以下幾個方面:,9.1 膜分離概述,為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進行，必須對膜進行定期清洗，除去膜表面及膜孔內的污染物，恢復膜的透過性能。,膜的清洗,9.1 膜分離概述,膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗劑。 具體用何種清洗劑應根據(jù)膜的性質和污染物的性質而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力

16、，同時又不能損害膜的過濾性能。,如果用清水清洗就恢復膜的透過性能，則不需使用其他清洗劑。對于蛋白質的嚴重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）溶液清洗，效果較好。,39,清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時，得采取必要的措施防止或減輕膜污染。 例如，選用高親水性膜或對膜進行適當?shù)念A處理（如聚砜膜用乙醇溶液浸泡），均可緩解污染程度。此外，對料液進行適當?shù)念A處理（如進行預過濾、調節(jié)pH值），也可相當程度地減輕污染的發(fā)生。,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,膜組件定義,固定膜的支撐材料、間隔物或管式外

17、殼等組裝成的一個單元稱為膜組件。,膜組件的結構及型式取決于膜的形狀，工業(yè)上應用的膜組件主要有板框式、管式、螺旋卷式、中空纖維式四種。,良好的膜組件應具備下列條件： 沿膜面的流動情況好，濃差極化小。 單位體積中所含的膜面積較大。 組件的價格低。 清洗和膜的更新方便。 保留體積小，且無死角。,9.1.2 膜組件,操作：與板框式過濾裝置類似。 優(yōu)點：保留體積小，操作費用低，壓力降小，流液穩(wěn)定，比較成熟。,板框式,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,缺點： A、投資費用高; B、大的固體含量會堵塞進料液流通，撤卸清洗管道費時。 應用： 適合于處理懸浮液較高的料液。,9.1 膜分離概述,9.1 膜分

18、離概述,螺旋卷式膜組件,膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適當?shù)姆绞奖唤M合在一起，然后將其裝入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通道的形式,這類膜組件的內部結構也可被設計成多種不同的形式。,密封,密封,密封,螺旋卷式膜器一個膜葉結構示意圖,多孔透水材料,膜，上下兩層,9.1 膜分離概述,膜葉,透水網(wǎng)狀材料,透過水,濃水,進水,螺旋卷式膜器組合示意圖,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,膜組件的組裝示意圖,進水口,耐壓容器,連接器,膜組件,密封圈,端蓋,透過液,濃縮液,9.1 膜分離概述,卷式膜器應用于反滲透裝置,工業(yè)應用的反滲透裝置的膜組件之間的連接,9.1 膜分

19、離概述,缺點： A、料液需預處理； B、壓力降大； C、易污染，難清洗； D、液流不易控制。,應用： 適用于低固體含量的料液。,優(yōu)點： A、結構簡單，更新膜容易，比表面積大； B、價格低，操作費用低。,螺旋卷式膜組件,53,9.1 膜分離概述,管式膜組件有外壓式和內壓式兩種。 內壓式膜組件，膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內或用玻璃纖維增強的塑料管內。加壓的料液流從管內流過，透過膜的滲透溶液在管外側被收集。 外壓式膜組件，膜則被澆鑄在多孔支撐管外側面。加壓的料液流從管外側流過，滲透溶液則由管外側滲透通過膜進入多孔支撐管內。無論是內壓式還是外壓式，都可以根據(jù)需要設計成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。,管式膜組件,操

20、作：(10-20根并聯(lián)管） 優(yōu)點：A、結構簡單，內徑較大； B、操作清洗容易。,9.1 膜分離概述,管式,內壓式原料液走管內,外壓式原料液走管外,管式膜器,缺點： A、單位體積的過濾表面積在各種膜組件中最小; B、投資大，操作費用高，保留體積大; C、壓力降大。 應用： 適合于處理懸浮液較高的料液。,9.1 膜分離概述,操作： (數(shù)百至數(shù)百萬根中空毛細纖維管)， 中空纖維膜ID = 40-80um， 毛細管膜ID = 0.25-2.5mm 優(yōu)點： A、比表面積最大，效率高； B、可以逆流操作，壓力較?。?C、設備投資低。,9.1 膜分離概述,中空纖維式膜組件,內壓式,外壓式,中空纖維膜結構,單

21、 內 皮 層,雙 皮 層,9.1 膜分離概述,外壓式原料走管外,9.1 膜分離概述,內壓式,9.1 膜分離概述,61,材質為聚偏氟乙烯 (PVDF) 的微濾膜組件,中空纖維超濾膜組件,62,中空纖維超濾膜,9.1 膜分離概述,中空纖維超濾膜設備,缺點： A、料液需預處理、易堵塞； B、單根管的損壞常使整個組件報廢； C、不夠成熟。 應用： A、 中空纖維式(能耐高壓)： 大規(guī)模透析，人工腎； B、 適合于處理低固體含量的料液。,9.1 膜分離概述,優(yōu)點： A、比表面積最大，效率高； B、可以逆流操作，壓力較?。?C、設備投資低。,9.1 膜分離概述,四種膜組件的傳質特性和綜合性能,毛細管式膜組

22、件,毛細管式膜組件是由管徑較中空纖維大(di=0.56mm)，耐壓性相對較弱的膜管構成?；钚苑蛛x層在管內側，進料走管內。膜管平行排列，兩個端頭被粘合在一起。裝填密度比管式膜組件高，可達1000m2/m3。由于管內的流動多為層流，故物質交換性能較差。,9.1 膜分離概述,無機陶瓷膜膜管,9.1 膜分離概述,無機陶瓷膜膜管,9.1 膜分離概述,根據(jù)被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結構可以將以壓力差為推動力的膜分離過程分為微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.1 反滲透,透過：溶劑 截留：水中無機離子、膠體物質、大分子溶液 應用：

23、海水、苦咸水淡化； 廢水處理； 鍋爐用水軟化； 乳品、果汁濃縮； 生產(chǎn)產(chǎn)品、生物制劑的分離、濃縮。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,基本原理 借助于半透膜對溶液中低分子量溶質的截留作用,以高于溶液滲透壓的壓差為推動力,使溶劑滲透通過半透膜. 鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,當膜兩側的溶液化學位不相等時,溶劑會從化學位較高的一側向化學位較低側流動,直到兩側溶液的化學位相等時達到平衡,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,溶液中水反滲透，使溶液增濃。 對于實際反滲透過程： 溶劑滲透時

24、，少量溶質也滲透，兩邊都有溶質，溶質與水之間各有滲透壓，對于正常操作：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,P2P1=21,反滲透過程原理,半透膜,開始時兩邊液面相同,由于化學勢差存在，所以水透過半透膜，使鹽水一側液面升高，產(chǎn)生滲透壓,在鹽水側加壓，當壓力超過滲透壓時，則水透過半透膜，即反滲透，實現(xiàn)凈化過程。,反滲透過程原理,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,二、過程機理與傳質方程 1.過程機理（不成熟） 1）是否篩分機理？ 反滲透采用膜孔徑：2nm 不通過離子： 無機離子直徑：0.10.3nm 水合離子直徑：0.30.6nm,所以：不存在篩分機理,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,膜的物化性質

25、使水優(yōu)先吸附于膜表面，形成純水層厚度t=1nm。在外界壓力下如果將該純水層通過膜表面的毛細孔，就有可能從溶液中獲得純水。 無機離子受排斥，不能進入純水層，價數(shù)越高，斥力越強。 當膜孔徑2t時，透過的是純水，孔徑增大，溶質開始透過，越大，透過溶質越多。 孔徑為2t時稱臨界孔徑。,2）選擇吸附毛細孔流動模型,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.傳質方程 通過膜的水滲透通量：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,通過膜的少量溶質滲透通量：,JA,溶質R的透系數(shù)。與溶質和膜材料的物化性質、膜的結構形態(tài)以及操作條件有關。,CR、 CP膜兩側溶液濃度,（1）濃差極化現(xiàn)象,3、反滲透過程的濃差極化,9.2

26、微濾、超濾、納濾和反滲透,（2）濃差極化影響： 由于膜表面濃度升高使?jié)B透壓升高，過程有效推動力降低，滲透通量下降； 凝膠層的形成使膜透過阻力增大。 （3）減輕影響的措施： 提高料液流速，增大料液湍動程度； 提高操作溫度； 定期清洗膜面。,三、濃差極化及影響,這種現(xiàn)象為濃差極化,溶質在膜表面附近積累,傳質方向,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,減輕濃差極化的有效途徑： 提高傳質系數(shù) 方法： 增加料液流速；增加湍流速度；提高溫度；清洗膜面。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,濃差極化對過程的不利影響： 1）使 若 不變，傳質通量變低。 2）使截留率R下降 3）xAi高于溶解度時，會出現(xiàn)沉淀，使膜阻

27、力增加。,四、反滲透過程通量與下列因數(shù)有關： （1）操作壓差 ：P P ,使水滲透通量JA=A（ P ) 但有能耗大。 選擇適當?shù)?P (2)操作溫度:T T ,使純水的透過系數(shù)A ,JA 但受膜耐溫所限。 (3)料液流速 流速大,傳質系數(shù)大。 但溶質的滲透通量JS大。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,（4）料液的濃縮程度 濃縮程度高，水回收率高。 但： 有效壓差??； 污染膜。 （5）膜材料與結構 （主要研究方向）,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,五、反滲透過程工藝流程 1. 一級一段連續(xù)式,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.一級一段循環(huán)式（閉路循環(huán)）,料液不返回到原料槽，而是返回到膜

28、組件 特點：目標產(chǎn)物濃度的增加比開路循環(huán)快，透過通量小于開路循環(huán)。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,3.反滲透過程的工藝流程,一級一段連續(xù)式,一級一段循環(huán)式,一級多段連續(xù)式,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,一級多段循環(huán)式,二級五段連續(xù)式,六、應用舉例 1. 反滲透（RO）技術在果蔬汁濃縮中應用,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.反滲透法濃縮茶液,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.2 超濾 膜: 非對稱性膜,表面活性層孔徑10-200微孔,能截留分子量500以上大分子或膠體微粒.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,原理: 原料液在壓差作用下,小分子物質與小分子量 物質透過膜上微孔

29、,流到低壓側，膠體大分子被截留。 機理: 篩分機理.,壓差: 0.1-0.5MPa,應用： 純水制造 電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。 廢水處理回收有用的物質 3. 產(chǎn)品加工各種大分子物質分離，濃縮。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.3 微濾過程(微孔過濾) 膜: 微孔、均質的多孔膜,孔徑0.02-10m微孔, 能截留直徑為0.05-10m 的微?；蚍肿恿看笥?06 的高分子 壓差: 0.01-0.2MPa 原理: 原料液在壓差作用下,小分子物質與小分子量 物質透過膜上微孔,流到低壓側. 機理: 篩分機理.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,過程與操作 1.透過通量 溶劑

30、: 溶質:,2.影響因數(shù) (1) 操作壓差(推動力) 壓差大,通量大,能耗大; 一般取一較好值(接近于凝界滲透通量時壓差),9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,(2)料液流速 采用錯流裝置,使料液與膜面平行流動. 流速高,傳質系數(shù)大,有利于提高滲透通量; 但:膜面壓降大,能耗大. 因此:可采用湍流促進器,脈沖流動等提高流速. (3)溫度 溫度高,料液粘度小,擴散系數(shù)大,有利于提高滲透通量. (4)截留液濃度 濃度增加,濃度邊界層增厚,易形成凝膠層,使?jié)B透通量減小.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,工藝流程和應用 1.超、微濾流程,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.超濾應用 (1)食品、飲料

31、工業(yè),9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,失。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,(2)膜分離技術在油脂加工中和應用,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,另外： a.對生物活性物質： 酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分離提純； b.從植物或動物中提取藥物： 如生物堿、荷爾蒙等； c.血液過濾 除去有害成分或進行血清分離。 （5）工業(yè)廢水處理 造紙工業(yè)廢水：回收有用成分、水重新使用； 食品工業(yè)廢水：回收有用的高分子物質； 紡織工業(yè)廢水：含聚乙烯醇水處理、回收。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,3.微濾

32、應用 同于超濾，例：,。,返回,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,一、定義 在直流電場的作用下，利用離子交換膜的選擇滲透性，產(chǎn)生陰陽離子的定向遷移。,9.5 電滲析,二、采用的膜 由高分子材料制成，具有離子交換基團的薄膜。 陽離子交換膜陽膜 陰離子交換膜陰膜,9.5 電滲析,1、陽膜：,例：,通常含有帶負電的酸性活性基團，能選擇溶液中的陽離子透過，而溶液中的陰離子則受陽膜上所帶負電荷基團的同性相拆作用不能透過陽膜。,磺酸型的陽膜，R-SO3H，其中-SO3H為活性基因,R-SO3H,H+ +R-SO3-,進入水溶液,帶負電荷的基團R-SO3- 留在膜上，可吸引溶液中帶正電荷的離子，排斥帶負電荷

33、的離子；,9.5 電滲析,2、陰膜：,通常含有帶正電的堿性活性基團，能選擇溶液中的陰離子透過，而溶液中的陽離子則受陰膜上所帶正電荷基團的同性相拆作用不能透過陰膜。,例：,季胺型，R-N(CH3)3OH，其中-N(CH3)3OH 為 活性基團，,R-N(CH3)3OH,OH-+ R-N(CH3)3+,進入水溶液中,帶正電荷的基團R-N(CH3) 3+留在膜上，可吸引溶液中帶負電荷的離子，排斥帶正電荷的離子；,這種現(xiàn)象稱為反離子遷移與膜所帶電荷相反的離子穿過膜的現(xiàn)象稱反離子遷移。,三、 電滲析操作過程,9.5 電滲析,1. 在正、負兩電極間交替放置陰陽離子膜；,9.5 電滲析,2. 在二膜形成的隔

34、室中充入含離子水溶液；,9.5 電滲析,接上電源后，溶液中帶正電荷離子在電場作用下，向陰極方向運動，易穿過陽膜，被陰膜擋住。,帶負電荷離子反之。,9.5 電滲析,4. 結果 2、4隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。,1.良好的選擇透過性(反離子遷移)； 2.較小的膜電阻； 3.良好的化學穩(wěn)定性，較高的機械強度； 4.良好的抗?jié)B漏性能。,四、 電滲析的條件,1.直流電場溶液中的陽、陰離子作定向運動 2.離子交換膜的選擇透過使溶液中離子作反離子遷移,9.5 電滲析,五、電滲析對膜的性能要求,六、電滲析中傳遞過程 1.反離子遷移； 2.同名離子遷移； 3.電解質離子遷移； 4.水的滲透； 5.滲

35、漏； 6.水的電滲析。,9.5 電滲析,七、電極反應和電極電位 濃、淡隔室及膜中導電：離子型 電極上導電：電子型,9.5 電滲析,電滲析器的組裝,電滲析器的構造,例：食鹽水溶液 四種離子： 電極反應： 在陽極： （氧化反應）,特點：,2.產(chǎn)生O2、Cl2;另外HCl腐蝕設備。,1.OH-減少，極水呈酸性；,9.5 電滲析,在陰極： （還原反應）,一般操作中； 要按一定時間調換電極；并排除或加入水。,9.5 電滲析,特點：,七、離子交換膜的選擇透過 實用膜應具備： 1.選擇透過性良好； 2.膜阻?。?3.較好的化學穩(wěn)定性； 4.較高的化學強度，良好的尺寸穩(wěn)定性，較低的擴散性能； 5.便宜。 評價

36、膜好壞的方法： 1.反離子遷移數(shù)； 2.膜的通過性。,9.5 電滲析,八、 電滲析過程的影響因素及對策,1.由膜的選擇性能不良引起的同性離子遷移： 選用合適的膜材料 2.由膜兩側離子濃度差引起的電解質擴散和水的滲透： 提高料液流速；降低濃度差 3.由于濃差極化使水分子電離發(fā)生電滲析： 降低電流密度；增加料液湍動以減小邊界層厚度 4.因濃差極化使水電離引起的CaCO3、Mg(OH)2沉淀： 預處理除去料液中的Ca2+、Mg2+；定期清洗膜面 5.由膜兩側壓力差引起的滲漏：調整料液流速,降低壓差,9.5 電滲析,八、工藝流程 1.循環(huán)操作流程,9.5 電滲析,2.三級連續(xù)操作,9.5 電滲析,九、應用 1.水的純化 海水、苦咸水、普通自然水純化生產(chǎn)：飲用水，初級水（鍋爐或醫(yī)用）或純水。 方法特點： （1）與其他方法比較,電滲析不適用于含鹽高的海水淡化；適用與含鹽低的苦咸水。,優(yōu)點：操