第6-1章膜分離技術(shù)

1、分離工程第一章 緒論第二章 單級平衡過程第三章 多組分多級分離過程分析與簡捷計算第四章 特殊精餾與分離過程控制方案第五章 分離過程的選擇與節(jié)能第六章 膜分離技術(shù)與吸附分離第6章 其他分離技術(shù)6.16.1膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)6.26.2吸附分離吸附分離 6.1膜分離技術(shù)6.1.16.1.1膜基本知識膜基本知識6.1.26.1.2微濾和超濾微濾和超濾6.1.36.1.3反滲透和納濾反滲透和納濾6.1.46.1.4滲透汽化和氣體分離滲透汽化和氣體分離一、膜分離發(fā)展史q 分類精靈：1861年，Maxwell分類精靈 能夠區(qū)分每一個分子 并且不消耗任何能量A BA Bq 膜分離推動力C，P，T，E膜 不

2、能實現(xiàn)完全的分離 要消耗能量：W Gm=Hm-TSm觀察現(xiàn)象觀察現(xiàn)象滲透：滲透：Nollet,1748年年電滲析：電滲析：Reuss,1803年，年，Porret 1816年年滲析：滲析：Graham 1861年年關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)式擴散：擴散：Fick, 1855年年滲透壓：滲透壓：Vant Hoff, 1887年年電解質(zhì)傳遞：電解質(zhì)傳遞：Nernst-Planck 1889年年理論探索理論探索滲透壓：滲透壓：Einstein 1905年年膜電位：膜電位：Henderson, 1911年年膜平衡：膜平衡：Donnan,1911年年反滲透：反滲透：Sollner, 1930年年不可逆熱力學：不可逆熱力

3、學：Kedem,Katchalsky,1964年年傳遞模型傳遞模型離子膜：離子膜：Teorell,1937年；年；Mayer,Sievers，1936年年孔模型：孔模型：Schmid 1950年年;Meares,1956年年溶解擴散模型：溶解擴散模型：Lonsdale,1965年年膜過程膜過程國家國家年代年代應(yīng)用應(yīng)用規(guī)模規(guī)模微濾微濾德國德國1920實驗室用（細菌過濾實驗室用（細菌過濾器器小規(guī)模小規(guī)模超濾超濾德國德國1930實驗室用實驗室用小規(guī)模小規(guī)模血液滲析血液滲析荷蘭荷蘭1950人工腎人工腎小規(guī)模小規(guī)模電滲析電滲析美國美國1955脫鹽脫鹽工業(yè)規(guī)模工業(yè)規(guī)模反滲透反滲透美國美國1960海水脫鹽海

4、水脫鹽工業(yè)規(guī)模工業(yè)規(guī)模超濾超濾美國美國1960大分子物質(zhì)濃縮大分子物質(zhì)濃縮工業(yè)規(guī)模工業(yè)規(guī)模氣體分離氣體分離美國美國1979氫回收氫回收工業(yè)規(guī)模工業(yè)規(guī)模膜蒸餾膜蒸餾德國德國1981水溶液濃縮水溶液濃縮小規(guī)模小規(guī)模滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)德國德國/荷荷蘭蘭1982有機溶液脫水有機溶液脫水工業(yè)規(guī)模工業(yè)規(guī)模二、膜分離特點1. 優(yōu)點2. 缺點 可實現(xiàn)連續(xù)分離 能耗通常較低 可在溫和條件下實現(xiàn)分離 易于放大 膜的性能可以調(diào)節(jié) 不需要填充物 易與其它分離過程結(jié)合 濃差極化和污染較嚴重 膜壽命有限 選擇性較低 放大因子基本是線性的三、膜的定義及分類定定 義：義：液 態(tài) 膜復(fù) 合 膜相 轉(zhuǎn) 換 膜不 對 稱 膜無 孔

5、膜荷 電 的 /未 荷 電 的對 稱 膜不 對 稱 膜多 孔 膜有 機 膜無 孔 膜無 機 膜固 態(tài) 膜合 成 膜生 物 膜膜來 源材 料形態(tài)/結(jié)構(gòu)制 造分分 類：類：膜是兩相之間的選擇性屏障對稱膜多孔膜均質(zhì)膜10200m柱狀孔不規(guī)則孔不對稱膜相轉(zhuǎn)膜相轉(zhuǎn)膜復(fù)合膜多孔層50150m稱不對稱多孔膜帶致密皮層的帶致密皮層的不對稱膜不對稱膜致密皮層多孔膜皮層0.10.5m不對稱膜不對稱膜P10圖6-1不對稱聚砜超濾膜斷面復(fù)合膜圖6- 2 反滲透復(fù)合膜(PEC1000,Toray)的構(gòu)造四、膜性能1.分離透過性 a. 透過通量 單位時間通過單位膜面積的物理量。 b. 分離效率 用截留率表示： （R） 截

6、留率；表示膜對溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分數(shù)表示。 %100)1 (%100FPFPFCCCCCR原料濃度透過物濃度原料濃度c. 分離系數(shù)： （ ）AAAAx1y1xyAA 原原料料中中其其它它組組分分濃濃度度透透過過物物其其它它組組分分濃濃度度濃濃度度原原料料濃濃度度透透過過物物 d. 通量衰減系數(shù)通量衰減系數(shù) 膜滲透通量隨時間減少膜滲透通量隨時間減少率率減減系系數(shù)數(shù)（小小數(shù)數(shù)）時時的的滲滲透透通通量量時時間間使使用用時時間間mhmkgJJJm 20/2. 物化穩(wěn)定性 強度、耐溫、耐壓性等五、分離設(shè)備（1）板框式膜具（2）卷式膜具 由四層組成膜膜鹽水鹽水中心管中心管多孔支多孔支撐材料撐材料

7、進料液進料液隔網(wǎng)隔網(wǎng)淡化水流淡化水流圖圖6-3卷式膜結(jié)構(gòu)示意圖卷式膜結(jié)構(gòu)示意圖（3）管式膜具纖維束管纖維束管中心分布管中心分布管透過液透過液濃縮液濃縮液料液料液圖圖6-4 管式膜結(jié)構(gòu)示意圖管式膜結(jié)構(gòu)示意圖六、膜過程種類推動力C，P，T，E相1 膜 相2原料滲透物表6-3 膜過程及相應(yīng)的推動力膜過程相1相2推動力微濾微濾LL P超濾超濾LL P納濾納濾LL P反滲透反滲透LL P加壓透析加壓透析LL P氣體分離氣體分離GG P蒸汽滲透蒸汽滲透GG P滲透汽化滲透汽化LG P電滲析電滲析LL E膜電解膜電解LL E透析透析LL C擴散透析擴散透析LL C膜接觸器膜接觸器LL CGL C / PLG

8、 C / P熱滲透熱滲透LL T / P膜蒸餾膜蒸餾LL T / P表 6-4 不同壓力推動的膜過程的通量和壓力范圍膜過程膜過程膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu)壓力范圍壓力范圍bar通量范圍通量范圍Lm-2h-1bar-1微濾微濾微孔膜微孔膜 0.1 m0.12.050超濾超濾微孔膜微孔膜 0.001 m 0.1 m1.05.01020納濾納濾帶皮層的不對稱膜帶皮層的不對稱膜 0.002 m5.0201.412反滲透反滲透帶皮層的不對稱膜帶皮層的不對稱膜 0.002 m101000.051.4圖圖6-5 不同膜過程的應(yīng)用范圍不同膜過程的應(yīng)用范圍6.1.2一、微濾、超濾為的發(fā)展歷史一、微濾、超濾為的發(fā)展歷史 191

9、8年年 德國開始研究德國開始研究 1921年年 硝酸纖維素微孔膜制造方法獲專利硝酸纖維素微孔膜制造方法獲專利 1925年年 第一個濾膜公司第一個濾膜公司Sartorius GmbH成立成立 1960s 超濾走出實驗室應(yīng)用進入工業(yè)應(yīng)用超濾走出實驗室應(yīng)用進入工業(yè)應(yīng)用 現(xiàn)在現(xiàn)在 成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣，經(jīng)濟價值最大成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣，經(jīng)濟價值最大的膜過程。的膜過程。 二、基本原理 壓力驅(qū)動的篩孔分離過程壓力驅(qū)動的篩孔分離過程圖6-7 超濾和微濾工作原理示意圖 HagenPoiseuille方程xPrJ82J ：通量m3/s; P：壓力Pa; x：膜厚m; r：孔半徑m; ：液體粘度Pas;：膜表面的孔隙率；

10、：彎曲因子 存在濃差極化和凝膠化現(xiàn)象 圖6-8 邊界層中的傳質(zhì)及濃差極化濃差極化的后果：濃差極化的后果： 溶質(zhì)為小分子物質(zhì)時，降低截留率； 溶質(zhì)為大分子混合物時，提高截留率 通量降低對一些大分子溶質(zhì)，出現(xiàn)凝膠層圖6-9 濃差極化和凝膠形成四、超濾膜和微濾膜1. 超濾膜和微濾膜的比較超濾膜和微濾膜的比較表6-5 超濾膜和微濾膜結(jié)構(gòu)的比較膜特性膜特性結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)孔隙率孔隙率()孔徑孔徑（nm)孔密度孔密度cm-2超濾超濾不對稱，不對稱，有皮層有皮層6011001011微濾微濾對稱，無對稱，無皮層皮層70100104109過程特征過程特征截留分子量截留分子量操作壓力（操作壓力（Mpa)超濾超濾10310

11、40.30.7微濾微濾很高很高(一般不用一般不用)0.2表6-6 超濾和微濾膜過程的比較五、超濾膜和微濾膜的制備五、超濾膜和微濾膜的制備制備方法 燒結(jié) 拉伸 徑跡刻蝕 相轉(zhuǎn)換有機膜無機膜 燒結(jié) 溶膠凝膠材料PTFE、PVDF、PPPC、纖維素酯類PS、PESPI聚醚醚酮有機膜無機膜氧化鋁氧化鋯氧化鈦炭化硅圖6-10 聚合物微濾膜 圖6-11 陶瓷微濾膜陽極氧化法燒結(jié)法制備方法 相轉(zhuǎn)換有機膜無機膜 溶膠凝膠材料PVDF纖維素酯類PS、PESPI聚醚醚酮聚丙烯腈聚脂肪酰胺有機膜無機膜氧化鋁氧化鋯圖6-12 聚砜超濾膜斷面圖6-13 多層氧化鋁膜表6-7 國內(nèi)主要超濾膜和組件表6-8 國外主要超濾膜

12、和組件表6-9 國內(nèi)主要微濾膜和組件表6-10 國外主要微濾膜和組件六、微濾和超濾的操作模型表6-11 超濾操作模型圖6-14 微濾操作模型七、微濾和超濾的應(yīng)用 技術(shù)特點：死端過濾 膜及組件：管式膜、百褶式； 膜價格：10/ft2 成熟程度：工業(yè)化 主要問題：使用壽命。氣體除菌幾個月，液體 除菌幾小時 （1）過濾除菌 技術(shù)特點：替代硅藻土過濾 膜及組件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工業(yè)化 主要問題：粘度高 2. 明膠的澄清 技術(shù)特點：玉米加工廠替代硅藻土過濾 膜及組件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：工業(yè)化 主要問題：粘度高 3. 葡萄糖的澄清 技術(shù)特點：法國已經(jīng)用于蘋果汁的澄清，效果與超濾相同

13、成熟程度：工業(yè)化 4. 果汁的澄清 技術(shù)特點：澄清效果好 膜及組件：卷式膜、板框式膜 成熟程度：已推廣應(yīng)用 主要問題：高膜污染、酒的得率和風味 5. 白酒的澄清 技術(shù)特點：死端過濾 成熟程度：已得到廣泛應(yīng)用，是微濾的第二大市場 6. 純凈水制備 方 向：燃料油中脫蠟和瀝青質(zhì)；催化劑回收適用膜：無機膜 成熟程度：研究中 主要問題：膜壽命、經(jīng)濟性7. 石油化工中的應(yīng)用 用 途：回收涂料 技術(shù)特點：膜面積150m2, 滲透率3m3/h 膜及組件：管式膜 成熟程度：工業(yè)化,廣泛應(yīng)用于電泳漆自動化涂漆流水線 1. 電泳漆廢水處理 用 途：金屬加工、罐頭聽生產(chǎn)等工業(yè)含油廢 水的處理成熟程度：普遍應(yīng)用。問

14、題：,其他領(lǐng)域的含油廢水處理過程有待開拓。經(jīng)濟性是主要障礙，膜需要更便宜2. 含油廢水的處理 應(yīng)用特點：紡織工業(yè)上漿材料PVA的回收和重復(fù)利用。 膜及組件：膜要耐高溫，多采用無機膜。大型廠超濾設(shè)備面積達10000平方米，回收量每小時60立方。 成熟程度：廣泛應(yīng)用 3. 上漿液的回收 4. 家庭污水處理在發(fā)達國家旅館、辦公樓、住宅樓已被采用。新建的500戶以上的大住宅樓有可能實現(xiàn)小規(guī)模的水循環(huán)。即用超濾處理過的生活污水沖洗廁所等，可減少40的家庭用水。5. 飲用水的生產(chǎn)在礦泉水生產(chǎn)和家庭用凈水器方面得到廣泛應(yīng)用。6. 高純水生產(chǎn)已廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)集成電路生產(chǎn)過程中，主要采用中空纖維組件，膜滲透

15、率大，能耗低，也可用作醫(yī)藥工業(yè)用水的制備。 7. 回收乳清中的蛋白質(zhì)乳清超濾是乳品工業(yè)中應(yīng)用最大的一個領(lǐng)域。1994年，所用膜面積達到10萬平方米，之后每年以20的速度遞增。大的超濾組件膜面積1800m2,日處理乳清1000m3。 1. 微濾在精制阿司匹林精氨酸制劑中的應(yīng)用 目 的：提高制劑的澄明度 工藝過程：原料109型陶土濾芯0.8m PSA微孔濾膜濾液結(jié)晶分離分離洗滌干燥產(chǎn)品批號批號濃度（）濃度（）過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)澄明度澄明度82120118.2陶土砂芯陶土砂芯不合格不合格82120218.2陶土濾芯陶土濾芯不合格不合格82120318.2陶土濾芯陶土濾芯G3濾球濾球不合格不合格8301

16、0118.2陶土濾芯陶土濾芯+G3+G4濾球濾球不合格不合格83040218.2陶土濾芯陶土濾芯G3+G4濾球濾球不合格不合格83050218.2陶土濾芯陶土濾芯PSA濾膜濾膜合格合格83050318.2陶土濾芯陶土濾芯PSA濾膜濾膜合格合格83050418.2陶土濾芯陶土濾芯PSA濾膜濾膜合格合格83050518.2陶土濾芯陶土濾芯PSA濾膜濾膜合格合格83050618.2陶土濾芯陶土濾芯PSA濾膜濾膜合格合格 2. 金屬電泳涂漆過程廢液的處理 目 的：減少廢液排放量，回收涂料 工藝過程：荷電超濾膜，管式組件，使用壽命2年上海汽車制造廠SH130貨車駕駛室電泳涂漆生產(chǎn)線使用前每天排放含漆1污水20噸，現(xiàn)排放超濾滲透液50L(0.1%固含量)漆料全部回收，每臺車回收3kg漆液質(zhì)量得到提高，保證了產(chǎn)品質(zhì)量 3. 含油廢水的回收 目 的：降低污染、回收油 工藝過程：半間隙式超濾過程4. 膠束強化超濾（MEUF）用于含重金屬廢水的處理MEUF除高價離子Scammehorn J.F. 用SDS加入廢水中，分離C