第七章膜分離技術(shù)1

1、第七章第七章 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)27.1 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)7.2 分離用膜和膜分離設(shè)備分離用膜和膜分離設(shè)備7.3 以靜壓力差為推動力的膜分離技術(shù)以靜壓力差為推動力的膜分離技術(shù)7.4 以氣體分壓差為推動力的膜分離技術(shù)以氣體分壓差為推動力的膜分離技術(shù)7.5 以濃度梯度為推動力的膜分離技術(shù)以濃度梯度為推動力的膜分離技術(shù)7.6 以電位差為推動力的膜分離技術(shù)以電位差為推動力的膜分離技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)37.1 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù) 膜分離一般是指利用膜（膜分離一般是指利用膜（Membrane）對流體）對流體混合物中不同組分的混合物中不同組分的選擇性滲透選擇性滲透的特點(diǎn)來分離流的特

2、點(diǎn)來分離流體混合物的操作過程。體混合物的操作過程。 膜分離過程利用流體混合物中組分在特定的膜分離過程利用流體混合物中組分在特定的半透膜中遷移速度的不同，經(jīng)過半透膜的滲透作半透膜中遷移速度的不同，經(jīng)過半透膜的滲透作用，改變混合物的組成，對混合物中的用，改變混合物的組成，對混合物中的溶質(zhì)和溶溶質(zhì)和溶劑劑進(jìn)行分離、分級、提純和富集，達(dá)到組分間分進(jìn)行分離、分級、提純和富集，達(dá)到組分間分離的目的。離的目的。膜分離技術(shù)概論膜分離技術(shù)概論4膜還沒有一個完整精確的定義，一種通用的廣膜還沒有一個完整精確的定義，一種通用的廣義上的定義是義上的定義是膜是兩相之間的不連續(xù)區(qū)間膜是兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。 膜是有一定三維

3、結(jié)構(gòu)的隔層，以區(qū)別通常所說的膜是有一定三維結(jié)構(gòu)的隔層，以區(qū)別通常所說的“相界面相界面”; 膜可分為固相、液相和氣相膜可分為固相、液相和氣相 以高分子材料、致孔劑、添加劑為主要原料，采用人工合成的高分子膜，這種膜對溶以高分子材料、致孔劑、添加劑為主要原料，采用人工合成的高分子膜，這種膜對溶液具有選擇透過性，只能使溶劑或溶質(zhì)透過，或只能使某些溶劑或溶質(zhì)透過，而不能液具有選擇透過性，只能使溶劑或溶質(zhì)透過，或只能使某些溶劑或溶質(zhì)透過，而不能使另一些溶劑或溶質(zhì)透過，膜的這種分離性能又稱為半透膜。使另一些溶劑或溶質(zhì)透過，膜的這種分離性能又稱為半透膜。5 膜在分離過程中具有如下功能：膜在分離過程中具有如下功

4、能：物質(zhì)的識別與透過：物質(zhì)的識別與透過：是使混合物中各組分之是使混合物中各組分之間實(shí)現(xiàn)分離的內(nèi)在因素；間實(shí)現(xiàn)分離的內(nèi)在因素；相界面：相界面：膜將透過液和保留液（料液）分為膜將透過液和保留液（料液）分為互不混合的兩相；互不混合的兩相；反應(yīng)場：反應(yīng)場：膜表面及孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)膜表面及孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團(tuán)，通過物理作用具有相互作用能力的官能團(tuán)，通過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性和分離速度。和分離速度。6膜膜分分離離過過程程特特點(diǎn)點(diǎn)沒有相變沒有相變常溫完成常溫完成操作簡便操作簡便放大能力高放大能力高分離過程的能耗低分

5、離過程的能耗低適合熱敏物質(zhì)分離適合熱敏物質(zhì)分離膜分離過程的特點(diǎn)膜分離過程的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)精細(xì)分離能實(shí)現(xiàn)精細(xì)分離納米級別的物質(zhì)分離納米級別的物質(zhì)分離分離系數(shù)高分離系數(shù)高滲透氣化膜對乙醇水分離滲透氣化膜對乙醇水分離設(shè)備體積小設(shè)備體積小特殊溶液體系的分離特殊溶液體系的分離溶液中大分子分離溶液中大分子分離無機(jī)鹽分離無機(jī)鹽分離共沸物或近沸點(diǎn)物系分離共沸物或近沸點(diǎn)物系分離7膜分離技術(shù)發(fā)展簡史膜分離技術(shù)發(fā)展簡史高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（年，耐克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地?cái)U(kuò)）發(fā)現(xiàn)水能自動地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透散到裝有酒精的豬膀胱

6、內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。的研究。81861年，施密特（年，施密特（A. Schmidt）首先提出了）首先提出了超過超過濾濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜的概念。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(cè)施加壓力，使膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。白質(zhì)、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(diǎn)看，這種過這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過濾應(yīng)稱為濾應(yīng)稱為微孔過濾微孔過濾。 9然而，真正意義上的分離膜

7、出現(xiàn)在然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)世紀(jì)60年代。年代。1961年，米切利斯（年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各種）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水丙酮丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的的膜，這種膜是真正的超過濾膜超過濾膜。美國。美國Amicon公公司首先將這種膜商品化。司首先將這種膜商品化。10 50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了了反滲透膜反滲透膜的研究。的研究。 1967年，年，DuPont公

8、司研制成功了以尼龍公司研制成功了以尼龍-66為主要為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥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。膜開始工業(yè)化。11 自上世紀(jì)自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（UF膜）、微孔過濾膜膜）、微孔過濾膜（MF膜）和反滲透膜（膜）和反滲透膜（RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。類型的分離膜。 在此期間，除上述三大膜外

9、，其他類型的膜也獲得很大的在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)一步提高。得到了進(jìn)一步提高。1979年，美國年，美國Monsanto（孟山都）研（孟山都）研制出制出“Prism”氣體分離膜裝置（用于合成氨氫氣回收）氣體分離膜裝置（用于合成氨氫氣回收）（里程碑）（里程碑）12 具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在）在60年代初年代初 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，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，

10、為為支撐液膜支撐液膜。 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，并于型液膜，并于1968年獲得年獲得純粹液膜純粹液膜的第一項(xiàng)專利。的第一項(xiàng)專利。 70年代初，卡斯勒（年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含）又研制成功含流動載體的流動載體的 液膜液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。13膜分離過程的類型膜分離過程的類型 分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選

11、擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透等。或者說，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)推動力本質(zhì)：過實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)推動力本質(zhì)：p 靜壓力差靜壓力差p 蒸汽分壓蒸汽分壓p 濃度差濃度差p 電位差電位差14膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小顆粒大小形狀形狀水、溶劑溶解水、溶劑溶解物物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔纖維多孔膜膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大分子特性大小形狀小形狀水、溶劑小分水、溶劑小分子子膠體和超過截留膠體和超過截留分子量的分子

12、分子量的分子非對稱性非對稱性膜膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小離子大小及電荷及電荷水、一價離子、水、一價離子、多價離子多價離子有機(jī)物有機(jī)物復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)溶劑的擴(kuò)散傳遞散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對稱性非對稱性膜復(fù)合膜膜復(fù)合膜幾種主要的膜分離過程幾種主要的膜分離過程15膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質(zhì)擴(kuò)散溶質(zhì)擴(kuò)散傳遞傳遞低分子低分子量物、離子量物、離子溶劑溶劑非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子選擇傳遞選擇傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)大

13、分子物質(zhì)離子交換膜離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽氣體和蒸汽擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相、復(fù)合、均相、復(fù)合、非對稱膜非對稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)易滲溶質(zhì)或溶劑或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質(zhì)或溶劑質(zhì)或溶劑均相、復(fù)合、均相、復(fù)合、非對稱膜非對稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)溶劑溶劑乳狀液膜、支乳狀液膜、支撐液膜撐液膜167.2 分離用膜和膜分離設(shè)備分離用膜和膜分離設(shè)備 所謂的所謂的膜膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間

14、有一層薄的間有一層薄的凝聚相凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜的特性膜的特性： 不管膜多薄不管膜多薄, , 它必須有它必須有兩個界面兩個界面。這兩個界面分別與兩。這兩個界面分別與兩 側(cè)的流體相接觸側(cè)的流體相接觸; ; 膜傳質(zhì)有膜傳質(zhì)有選擇性選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì) 透過，而不允許其它物質(zhì)透過。透過，而不允許其它物質(zhì)透過。膜（膜（Membrane）是什么？有何特性？）是什么？有何特性？17膜分離過程原理膜分離過程原理：以以選擇性透膜選擇

15、性透膜為分離介質(zhì)，通過在為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個膜兩邊施加一個推動力推動力（如濃度差、壓力差或電壓差等）時，（如濃度差、壓力差或電壓差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純分離提純的目的。通的目的。通常膜原料側(cè)稱為常膜原料側(cè)稱為膜上游膜上游，透過側(cè)稱為，透過側(cè)稱為膜下游膜下游。18 膜的性能膜的性能膜膜的的性性能能物化穩(wěn)定性物化穩(wěn)定性強(qiáng)度強(qiáng)度允許使用壓力允許使用壓力允許使用溫度允許使用溫度允許使用允許使用pH對有機(jī)溶劑和各種化學(xué)品的抵抗性對有機(jī)溶劑和各種化學(xué)品的抵抗性分離透過特性分離透過特性滲透通量滲透通量分離效率分離效率通量衰減系數(shù)通量衰

16、減系數(shù)決定膜的使用壽命決定膜的使用壽命19膜的分類（膜的分類（Classification of membrane） 分離膜分離膜高分子膜高分子膜液體膜液體膜生物膜生物膜反滲透膜反滲透膜帶電膜帶電膜非帶電膜非帶電膜陽離子膜陽離子膜陰離子膜陰離子膜過濾膜過濾膜精密過濾膜精密過濾膜超濾膜超濾膜納米濾膜納米濾膜20按膜的按膜的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分類分類 對稱膜對稱膜(Symmetric Membrane) 非對稱膜非對稱膜(Asymmetric Membrane) 復(fù)合膜復(fù)合膜(Composite Membrane)早期多為早期多為對稱膜對稱膜，即截留面的膜厚方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻。傳質(zhì)，即截留面的膜厚方向上孔道

17、結(jié)構(gòu)均勻。傳質(zhì)阻力大，透過通量低，容易污染，清洗困難。阻力大，透過通量低，容易污染，清洗困難。對稱膜的彎曲孔道結(jié)構(gòu)示意圖對稱膜的彎曲孔道結(jié)構(gòu)示意圖21 60年代，開發(fā)了年代，開發(fā)了不對稱膜不對稱膜。解決了上述弊端，開。解決了上述弊端，開創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。 不對稱膜不對稱膜主要由主要由起膜分離作用的起膜分離作用的表面活性層表面活性層（ 0 . 2 0 . 5 m ） 和） 和 起 支 撐 強(qiáng) 化 作 用 的起 支 撐 強(qiáng) 化 作 用 的 惰 性 層惰 性 層（50100m）構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對透過流體）構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對透過流體無阻力?；钚苑蛛x層很

18、薄，孔徑微細(xì)，因此透過通量無阻力?；钚苑蛛x層很薄，孔徑微細(xì)，因此透過通量大，膜孔不易堵塞、容易清洗。目前超濾和反滲透膜大，膜孔不易堵塞、容易清洗。目前超濾和反滲透膜多為不對稱膜。多為不對稱膜。不對稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖不對稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖22不對稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖不對稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖23膜的材質(zhì)與種類膜的材質(zhì)與種類膜膜材材料料聚合物膜聚合物膜高分子材料高分子材料制成的膜制成的膜纖維素酯纖維素酯脂肪族和芳香族聚酰胺脂肪族和芳香族聚酰胺聚砜、聚丙烯睛聚砜、聚丙烯睛聚四氟乙烯聚四氟乙烯硅橡膠硅橡膠無機(jī)膜無機(jī)膜無機(jī)材料無機(jī)材料制成的膜制成的膜金屬及其氧化物金屬及其氧化物陶瓷陶瓷多孔玻璃多孔玻璃

19、24聚合物膜分類聚合物膜分類 根據(jù)聚合物的結(jié)構(gòu)和作用特點(diǎn)，聚合物膜分為：根據(jù)聚合物的結(jié)構(gòu)和作用特點(diǎn)，聚合物膜分為： 聚合物膜聚合物膜致密膜致密膜微孔膜微孔膜復(fù)合膜復(fù)合膜非對稱膜非對稱膜離子交換膜離子交換膜25致密膜致密膜 致密膜就是均勻的致密薄膜，物質(zhì)通過這類致密膜就是均勻的致密薄膜，物質(zhì)通過這類膜是依靠分子擴(kuò)散。致密膜的滲透阻力與膜的厚膜是依靠分子擴(kuò)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?。ǘ瘸烧?。因此，通常致密膜都很?。?nm-5m)，又成為超薄膜。又成為超薄膜。26微孔膜微孔膜 微孔膜的孔徑很小，一般在（微孔膜的孔徑很小，一般在（0.02-10 m)，微孔膜有兩種：

20、多孔膜和核孔膜，前者的膜孔有微孔膜有兩種：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，膜厚一較寬的分布范圍，孔徑曲折，膜厚50-250m，核孔膜用核孔膜用10-15m的致密膜經(jīng)過特殊處理制得，的致密膜經(jīng)過特殊處理制得，其特點(diǎn)是孔為圓柱型直孔，孔徑均勻，開孔率小。其特點(diǎn)是孔為圓柱型直孔，孔徑均勻，開孔率小。27非對稱膜非對稱膜 非對稱膜的特點(diǎn)是膜的斷面不對稱。有表面非對稱膜的特點(diǎn)是膜的斷面不對稱。有表面活性層和支撐層組成，表面活性層很?。ɑ钚詫雍椭螌咏M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，膜的分離作用主要取決于它，表面活性層致密無孔或孔

21、徑小于致密無孔或孔徑小于1nm的用于反滲透、氣體分的用于反滲透、氣體分離等。表面活性層孔徑為離等。表面活性層孔徑為1-20nm的膜成為超濾膜。的膜成為超濾膜。支撐層的厚度為支撐層的厚度為50-250m，主要起支撐作用，它，主要起支撐作用，它決定膜的機(jī)械強(qiáng)度，為多孔狀。決定膜的機(jī)械強(qiáng)度，為多孔狀。28復(fù)合膜復(fù)合膜 復(fù)合膜是在非對稱膜的表面再加上一層復(fù)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，膜的分離作用厚的致密膜形成的膜，膜的分離作用主要決定致密活性層，其優(yōu)點(diǎn)在于活性層可以用主要決定致密活性層，其優(yōu)點(diǎn)在于活性層可以用各種材料，因此具有較廣的選擇余地。它廣泛用各種材料，因

22、此具有較廣的選擇余地。它廣泛用于反滲透、氣體膜分離和滲透汽化等過程。于反滲透、氣體膜分離和滲透汽化等過程。29離子交換膜離子交換膜 由離子交換樹脂制成，主要用于電滲析、有由離子交換樹脂制成，主要用于電滲析、有陽離子交換膜和陰離子交換膜兩類，工業(yè)上用的陽離子交換膜和陰離子交換膜兩類，工業(yè)上用的離子交換膜都是均質(zhì)膜，厚度為離子交換膜都是均質(zhì)膜，厚度為200m左右。左右。30無機(jī)膜無機(jī)膜 聚合物膜通常在較低的溫度使用（不高于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(xué)反應(yīng)。當(dāng)在而且要求原料與膜不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)在較高的溫度較高的溫度下下或或原料流體為化學(xué)活性混合物原料

23、流體為化學(xué)活性混合物時，可以采用由無機(jī)材料時，可以采用由無機(jī)材料制成的膜。制成的膜。無機(jī)膜無機(jī)膜多以金屬及其氧化物、陶瓷、多孔玻多以金屬及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃為原料，制成相應(yīng)的金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。這璃為原料，制成相應(yīng)的金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。這類膜的類膜的特點(diǎn)特點(diǎn)是是耐熱、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性好耐熱、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長使用壽命長，污染少且易清洗污染少且易清洗，孔徑分布均勻孔徑分布均勻等，等，缺點(diǎn)缺點(diǎn)是是易破損易破損，成成型性能差型性能差，造價高造價高。 無機(jī)膜的發(fā)展大大擴(kuò)寬了膜分離的應(yīng)用領(lǐng)域。將無無機(jī)膜的發(fā)展大大擴(kuò)寬了膜分離的應(yīng)用領(lǐng)域。將無機(jī)材料與聚合物材料制成性能更好的機(jī)

24、材料與聚合物材料制成性能更好的雜合膜雜合膜。31MFI nanosheet coating on porous supportsKumar Varoon, et al. Science 334, 72 (2011)32LTA zeolite membraneAisheng Huang, et al. Chem. Mater. 2010, 22, 43534355337.3 以靜壓力差為推動力以靜壓力差為推動力p 微濾（微濾（MF）p 超濾（超濾（UF）p 納濾（納濾（NF）p 反滲透（反滲透（RO，reverse osmosis）物理篩分作用物理篩分作用物理化學(xué)作用物理化學(xué)作用34MFUFNF

25、ROSuspended SolidsMacromolecules (MF500)Multivalent IonsMonovalent IonsWater35微濾（微濾（Micropore Filtration）1. 定義：定義： 微孔過濾技術(shù)微孔過濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，是以始于十九世紀(jì)中葉，是以靜壓差靜壓差為推動力，為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。作用進(jìn)行分離的膜過程。實(shí)施微孔過濾的膜稱為微孔膜。實(shí)施微孔過濾的膜稱為微孔膜。 微孔膜是微孔膜是均勻的多孔薄膜均勻的多孔薄膜，厚度在，厚度在90150m左右，過左右，過濾粒徑在濾粒徑在0.02

26、510m之間，操作壓力在之間，操作壓力在0.010.2MPa。到目。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有前為止，國內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計(jì)類，總計(jì)400多種。多種。361）孔徑均勻，過濾精度高孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；粒全部截留；2）孔結(jié)構(gòu)對稱孔結(jié)構(gòu)對稱。自膜上表面至下表面，膜孔孔徑均勻一致；。自膜上表面至下表面，膜孔孔徑均勻一致；3）孔隙率大，流速快孔隙率大，流速快。一般微孔膜的孔密度為。一般微孔膜的孔密度為107孔孔/cm2，微孔，微孔體積占膜總體積的體積占膜總體積的7080。4）濾膜很薄，阻力小濾膜很薄，阻力

27、小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；微孔膜厚度一般在微孔膜厚度一般在90150m之間，因而吸附量很少之間，因而吸附量很少5）膜結(jié)構(gòu)連續(xù)膜結(jié)構(gòu)連續(xù)。無溶質(zhì)溶出，微孔膜為均一的高分子材料，過。無溶質(zhì)溶出，微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。6）分離機(jī)制屬于機(jī)械分離作用分離機(jī)制屬于機(jī)械分離作用。2. 微濾膜特征微濾膜特征37 微孔膜的缺點(diǎn)：微孔膜的缺點(diǎn)： 1）顆粒容量較小，易被堵塞；）顆粒容量較小，易被堵塞； 2）使用時必須有前道過濾的配合，否則）使用時必須有前道過濾的配合，

28、否則無法正常工作。無法正常工作。38 3. 微孔膜制備材料：微孔膜制備材料：n無機(jī)材料無機(jī)材料 陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼、碳素陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼、碳素n天然高分子材料天然高分子材料 醋酸纖維素膜、硝酸纖維素膜醋酸纖維素膜、硝酸纖維素膜n合成高分子材料合成高分子材料聚砜類、聚烯烴及其共聚物、全氟磺酸、共聚物和全氟羧酸共聚物、聚砜類、聚烯烴及其共聚物、全氟磺酸、共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯聚碳酸酯39 4. 微濾操作方式：微濾操作方式：FeedFiltrate并流過濾（死端過濾）并流過濾（死端過濾）l 進(jìn)料進(jìn)料/出料垂直膜面出料垂直膜面l 進(jìn)料與濾液方向平行進(jìn)料與濾液方向平行 少量樣品過濾少

29、量樣品過濾 易產(chǎn)生濾餅，造成通量衰減易產(chǎn)生濾餅，造成通量衰減 間歇操作間歇操作錯流過濾錯流過濾l 進(jìn)料平行膜面進(jìn)料平行膜面l 出料垂直膜面出料垂直膜面l 進(jìn)料與出料方向垂直進(jìn)料與出料方向垂直FeedFiltrate 有效避免了濾層在膜面上的堆積有效避免了濾層在膜面上的堆積 適用于大規(guī)模樣品分離的連續(xù)操作適用于大規(guī)模樣品分離的連續(xù)操作40微濾膜微濾膜F透過液透過液錯流過濾錯流過濾41 1、定義：、定義： 超濾技術(shù)始于超濾技術(shù)始于1861年，其過濾粒徑介于微濾和反年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間。以膜兩側(cè)壓力差為推動力，以超濾膜為滲透之間。以膜兩側(cè)壓力差為推動力，以超濾膜為分離介質(zhì)，在一定壓力下

30、，分離介質(zhì)，在一定壓力下，利用膜孔的選擇性分離利用膜孔的選擇性分離作用作用，當(dāng)液體混合物經(jīng)膜表面時，實(shí)現(xiàn)溶液凈化、，當(dāng)液體混合物經(jīng)膜表面時，實(shí)現(xiàn)溶液凈化、分離與濃縮。分離與濃縮。超濾（超濾（Ultrafiltration）421）超濾膜孔徑：）超濾膜孔徑：10-210-3m2）壓力為推動力的分離過程：壓力介于）壓力為推動力的分離過程：壓力介于0.10.6MPa3）分離范圍是相對分子質(zhì)量在）分離范圍是相對分子質(zhì)量在5001000000大分子物質(zhì)和膠體，大分子物質(zhì)和膠體，相應(yīng)的分子尺寸為相應(yīng)的分子尺寸為0.0050.1m4）超濾膜形態(tài)結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)超濾膜形態(tài)結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)5）分離為篩分機(jī)理）分

31、離為篩分機(jī)理6）過程無相變化，可在常溫下實(shí)現(xiàn)分離，能耗低）過程無相變化，可在常溫下實(shí)現(xiàn)分離，能耗低7）錯流過濾錯流過濾8）物質(zhì)在超濾過程中無相變，適于熱敏性及生物質(zhì)的分離）物質(zhì)在超濾過程中無相變，適于熱敏性及生物質(zhì)的分離2. 超濾分離特征超濾分離特征43膜的分離性能主要取決于膜的分離性能主要取決于表面活性層和過渡層表面活性層和過渡層。超超濾濾膜膜的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)最上層：致密而光滑的最上層：致密而光滑的表面活性層表面活性層（厚度（厚度d=0.11.5m，孔徑，孔徑 10nm）最下層：起支撐作用的最下層：起支撐作用的支撐層支撐層（厚度（厚度d=50250m，孔徑，孔徑 50nm）超濾膜的結(jié)構(gòu)超濾膜的結(jié)

32、構(gòu)44 1、定義：、定義： 利用反滲透膜選擇性地利用反滲透膜選擇性地只透過溶劑只透過溶劑（通常是水）的（通常是水）的性質(zhì)，對溶液施加壓力克服溶劑的滲透壓，使溶劑從性質(zhì)，對溶液施加壓力克服溶劑的滲透壓，使溶劑從溶液中透過反滲透膜分離出來的過程。溶液中透過反滲透膜分離出來的過程。壓力差壓力差4Mpa膜孔膜孔10-4m反滲透（反滲透（Reverse Osmosis）45 滲透滲透是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前是自然界一種常見的現(xiàn)象。人類很早以前就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。就已經(jīng)自覺或不自覺地使用滲透或反滲透分離物質(zhì)。目前，反滲透技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代目前，反滲透技

33、術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術(shù)。在分離技術(shù)。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理、廢水處理等方面，反滲透技術(shù)有其他方法不可比擬等方面，反滲透技術(shù)有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。的優(yōu)勢。46如果用一張只能如果用一張只能透過水而不能透過溶質(zhì)透過水而不能透過溶質(zhì)的的半透膜半透膜將兩將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透滲透。這一過程的推動力是低濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度。這一過程的推動力是低

34、濃度溶液中水的化學(xué)位與高濃度溶液中水的溶液中水的化學(xué)位之差化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的，表現(xiàn)為水的滲透壓滲透壓。0),(),(PTPT12PPln0),(),(RTPTPT 如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，這一過程就稱為水將通過半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，這一過程就稱為反反滲透滲透。 47氫鍵理論氫鍵理論（醋酸纖維素反滲透膜進(jìn)行含鹽水脫鹽）（醋酸纖維素反滲透膜進(jìn)行含鹽水脫鹽）1）醋酸纖維素反滲透膜具有非對稱孔結(jié)

35、構(gòu)，且表面及膜孔內(nèi)存）醋酸纖維素反滲透膜具有非對稱孔結(jié)構(gòu)，且表面及膜孔內(nèi)存在大量羰氧基團(tuán)（親水）；在大量羰氧基團(tuán)（親水）；2）當(dāng)膜與含鹽水接觸時，羰氧基團(tuán)與水分子優(yōu)先行程氫鍵，在）當(dāng)膜與含鹽水接觸時，羰氧基團(tuán)與水分子優(yōu)先行程氫鍵，在膜表面優(yōu)先吸附一層水分子（純水層）；膜表面優(yōu)先吸附一層水分子（純水層）；3）純水層不具備溶劑化能力，鹽水中的離子不能溶解其中；）純水層不具備溶劑化能力，鹽水中的離子不能溶解其中；4）在膜兩側(cè)壓力差作用下，膜表面活化點(diǎn)上的結(jié)合水結(jié)締，之）在膜兩側(cè)壓力差作用下，膜表面活化點(diǎn)上的結(jié)合水結(jié)締，之后與膜下方的活化點(diǎn)締合，并使得原有的結(jié)合水解締，此過程不后與膜下方的活化點(diǎn)締合，

36、并使得原有的結(jié)合水解締，此過程不斷地以擴(kuò)散的方式從膜面向下層進(jìn)行，最后從底層解脫成產(chǎn)品水。斷地以擴(kuò)散的方式從膜面向下層進(jìn)行，最后從底層解脫成產(chǎn)品水。物理化學(xué)作用，非簡單的機(jī)械篩分作用物理化學(xué)作用，非簡單的機(jī)械篩分作用4849工工業(yè)業(yè)應(yīng)應(yīng)用用的的反反滲滲透透裝裝置置50工業(yè)工業(yè)應(yīng)用應(yīng)用反滲反滲透裝透裝置的置的膜組膜組件之件之間的間的連接連接51 反滲透、超濾和微孔過濾都是以反滲透、超濾和微孔過濾都是以壓力差壓力差為推動力使溶劑為推動力使溶劑通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固通過膜的分離過程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級膜分離過程。體微粒的三級膜分離過程。

37、一般來說，分離溶液中一般來說，分離溶液中分子量低于分子量低于1000的低分子物質(zhì)，應(yīng)的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用該采用反滲透膜反滲透膜；分離溶液中；分離溶液中分子量大于分子量大于1000的大分子或的大分子或極細(xì)極細(xì)的膠體粒子的膠體粒子可以選擇可以選擇超濾膜超濾膜，而分離溶液中的直徑，而分離溶液中的直徑0.0210m的粒子的粒子應(yīng)該選應(yīng)該選微孔膜微孔膜。 以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透與超濾、微孔過濾的比

38、較52反滲透與超濾、微孔過濾的比較反滲透與超濾、微孔過濾的比較分離技術(shù)類型分離技術(shù)類型反滲透反滲透超濾超濾微孔過濾微孔過濾膜孔結(jié)構(gòu)膜孔結(jié)構(gòu)非對稱膜孔結(jié)構(gòu)非對稱膜孔結(jié)構(gòu)非對稱孔結(jié)構(gòu)非對稱孔結(jié)構(gòu)對稱孔結(jié)構(gòu)對稱孔結(jié)構(gòu)膜材料膜材料纖維素、聚酰胺等纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、纖維素、PVC等等操作壓力操作壓力 /Pa010501060107分離的物質(zhì)分離的物質(zhì)分子量小于分子量小于1000的小分子物的小分子物質(zhì)質(zhì)分子量介于分子量介于103106的大分子和細(xì)小膠體的大分子和細(xì)小膠體微粒微粒0.0210m的顆粒的顆粒分離機(jī)理分離機(jī)理非簡單篩分，膜的物化性能非簡單篩分，膜的物化性能對

39、分離起主要作用對分離起主要作用篩分，膜的物化性能篩分，膜的物化性能對分離起一定作用對分離起一定作用篩分，膜的物理結(jié)篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對分離起決定作構(gòu)對分離起決定作用用537.4 以氣體分壓差為推動力的以氣體分壓差為推動力的膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)p 氣體膜分離氣體膜分離p 滲透汽化滲透汽化54氣體膜分離氣體膜分離（Gas Membrane Separation） 1、定義：、定義： 利用特殊制備的膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓力差利用特殊制備的膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓力差的驅(qū)動下，氣體分子透過膜的現(xiàn)象，由于的驅(qū)動下，氣體分子透過膜的現(xiàn)象，由于不同氣體分不同氣體分子在透過膜的速率不同子在透過膜的速率不

40、同，滲透速率快的氣體在滲透測，滲透速率快的氣體在滲透測富集，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。富集，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。氣體分離膜有兩種類型：氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜和多孔膜非多孔均質(zhì)膜和多孔膜55 （1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理 氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分四步進(jìn)行：氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分四步進(jìn)行：氣體與膜上游接觸；氣體與膜上游接觸；分子吸附溶解在膜中；分子吸附溶解在膜中；溶解的分子由于濃度梯度進(jìn)行活性擴(kuò)散；溶解的分子由于濃度梯度進(jìn)行活性擴(kuò)散；分子在膜的另一側(cè)解析。分子在膜的另一側(cè)解析。 一般來說，氣體在膜表面的溶解與解析過程可一般來說，氣體在膜表面的

41、溶解與解析過程可以很快達(dá)到平衡，而氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散較慢，以很快達(dá)到平衡，而氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散較慢，成為氣體通過膜的控制步驟。成為氣體通過膜的控制步驟。56 （2）多孔膜的透過擴(kuò)散機(jī)理）多孔膜的透過擴(kuò)散機(jī)理 用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細(xì)孔時產(chǎn)生的速度差來進(jìn)行的。流過膜中細(xì)孔時產(chǎn)生的速度差來進(jìn)行的。氣體在多孔介質(zhì)微孔中的擴(kuò)散機(jī)理：氣體在多孔介質(zhì)微孔中的擴(kuò)散機(jī)理：分子擴(kuò)散：膜微孔直徑比氣體分子的平均自由程大許多；分子擴(kuò)散：膜微孔直徑比氣體分子的平均自由程大許多；鈕特遜擴(kuò)散：膜微孔直徑比氣體分子的平均自由程小許多；鈕特遜擴(kuò)散：膜微孔直徑比氣體分子

42、的平均自由程小許多；表面擴(kuò)散：表面濃度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散。表面擴(kuò)散：表面濃度梯度導(dǎo)致的擴(kuò)散。57 對混合氣體通過多孔膜的分離過程，為了獲得對混合氣體通過多孔膜的分離過程，為了獲得良好的分離效果，應(yīng)該盡可能滿足下列條件：良好的分離效果，應(yīng)該盡可能滿足下列條件： 多孔膜的微孔直徑必須小于混合氣體中各組分的平均分多孔膜的微孔直徑必須小于混合氣體中各組分的平均分子自由程；子自由程； 混合氣體的溫度應(yīng)足夠高，壓力盡可能低混合氣體的溫度應(yīng)足夠高，壓力盡可能低（氣體盡可能（氣體盡可能以鈕特遜擴(kuò)散通過分離膜）以鈕特遜擴(kuò)散通過分離膜）。58水果保鮮系統(tǒng)水果保鮮系統(tǒng) 一般說來，水果在收獲后，仍會繼續(xù)呼吸作用，一般說來

43、，水果在收獲后，仍會繼續(xù)呼吸作用，果品將逐漸劣化以至腐爛，為抑制果品的呼吸，可適果品將逐漸劣化以至腐爛，為抑制果品的呼吸，可適當(dāng)降低其保藏容器中的氧氣濃度，增加二氧化碳濃度。當(dāng)降低其保藏容器中的氧氣濃度，增加二氧化碳濃度。目前廣泛采用由目前廣泛采用由硅氧烷膜硅氧烷膜使氧氣與二氧化碳等進(jìn)行交使氧氣與二氧化碳等進(jìn)行交換分離的方法。換分離的方法。外界氣氛外界氣氛%O2 21CO2 0N2 79倉庫氣氛倉庫氣氛% 3 O2 5 CO292 N2 硅氧烷膜硅氧烷膜59鈀膜制氫鈀膜制氫1）原料氣側(cè)，氫分子在鈀表面進(jìn)行化學(xué)吸附；）原料氣側(cè)，氫分子在鈀表面進(jìn)行化學(xué)吸附；2）被吸附的氫分子解離為氫質(zhì)子和電子，溶

44、解）被吸附的氫分子解離為氫質(zhì)子和電子，溶解 于鈀表面；于鈀表面；3）溶解的氫質(zhì)子和電子在鈀內(nèi)沿濃度梯度擴(kuò)散；）溶解的氫質(zhì)子和電子在鈀內(nèi)沿濃度梯度擴(kuò)散；4）純氫側(cè)，氫原子和電子在鈀表面重新結(jié)合為氫原子；）純氫側(cè)，氫原子和電子在鈀表面重新結(jié)合為氫原子；5）氫原子再結(jié)合為氫分子；）氫原子再結(jié)合為氫分子；6）氫分子在鈀表面脫附。）氫分子在鈀表面脫附。H2HHH+H+eeCH+CeH+eH+eHHH260滲透汽化（滲透汽化（Pervaporation） 1、定義：、定義： 利用復(fù)合膜對待分離混合物中某組分有優(yōu)先選擇性透過的特點(diǎn)，在膜下游側(cè)負(fù)壓為推動力下，使料液側(cè)優(yōu)先滲透組分溶解滲透擴(kuò)散 汽化通過膜，從而

45、達(dá)到混合物分離的一種新型分離技術(shù)。（用于具有一定揮發(fā)性的有機(jī)溶液體系） 61t膜上游膜上游側(cè)液相側(cè)液相膜下游膜下游側(cè)氣相側(cè)氣相C1C2p1A=pAoxAp2A=p2yA滲透汽化膜分離過程的基本原理滲透汽化膜分離過程的基本原理（溶解擴(kuò)散機(jī)理）（溶解擴(kuò)散機(jī)理）62F95%乙醇乙醇乙醇乙醇親水膜親水膜水水乙醇水分離乙醇水分離真空泵真空泵水汽水汽63 1、定義：、定義： 以半透膜為分離介質(zhì)，以膜兩側(cè)溶質(zhì)濃度梯度為推動力，使混合物溶液中各種溶質(zhì)得以分離的過程。 7.5 以濃度梯度為推動力的以濃度梯度為推動力的膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)滲析（滲析（Dialysis）64 利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能