化工原理新型分離技術(shù)膜分離

膜分離技術(shù)及其應(yīng)用當(dāng)前第1頁\共有44頁\編于星期三\0點膜分離發(fā)展過程和趨勢可用？高增長低增長透析微濾超濾反滲透電滲析控制釋放氣體分離滲透汽化雙極膜液膜膜反應(yīng)器閘膜活化傳遞當(dāng)前第2頁\共有44頁\編于星期三\0點膜料液水小分子大分子滲透液定義：

具有選擇性分離的功能薄膜材料。

“21世紀(jì)的多數(shù)工業(yè)中，膜技術(shù)扮演著戰(zhàn)略的角色”“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了21世紀(jì)的未來”膜的簡介當(dāng)前第3頁\共有44頁\編于星期三\0點膜的簡介特征：具有選擇性分離的功能薄膜材料，以及以其為核心的裝置、過程、工藝的集成與應(yīng)用。特點：無相變、低能耗高效率、污染小工藝簡單、操作方便便于與其它技術(shù)集成濃縮液進料液滲透液當(dāng)前第4頁\共有44頁\編于星期三\0點

膜的發(fā)展歷史1748年AbbleNelkt發(fā)現(xiàn)水能自然地擴散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，首次揭示了膜分離現(xiàn)象；1827年Dutrochet引入名詞滲透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超濾概念；1864年Traube成功研制了人類歷史上第一張人造膜（亞鐵氰化銅膜）1918年Zsigmondy提出了商品微濾膜的制備方法，并將其應(yīng)用于微生物、微粒等方面的分離和富集；1950年W.Juda成功研制了第一張具有實用價值的離子交換膜；1960年Loeb和Sourirajan研制出第一張不對稱的醋酸纖維素反滲透膜，導(dǎo)致了膜分離技術(shù)進入了實用和裝置的研制階段；1967年以后在美國、丹麥、日本等國出現(xiàn)了多家膜及其組件的生產(chǎn)廠家，逐漸開始了膜分離技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前第5頁\共有44頁\編于星期三\0點我國1958年開始研究離子交換膜和電滲析，1966年開始研究RO、UF、MF、液膜、氣體分離等膜分離過程應(yīng)用與開發(fā)研究。80年代后期又陸續(xù)開展了滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾和膜反應(yīng)等新膜過程的研究，并著手進行膜技術(shù)的推廣應(yīng)用工作。國內(nèi)主要的膜研究和推廣單位：1）氣體分離：大連化學(xué)物理研究所（天邦膜公司）2）液體分離：杭州水處理技術(shù)中心（西斗門公司）天津紡織工學(xué)院（膜天公司）3）無機膜：南京工業(yè)大學(xué)（久吾高科）中國科技大學(xué)

膜的發(fā)展歷史當(dāng)前第6頁\共有44頁\編于星期三\0點膜的發(fā)展歷史當(dāng)前第7頁\共有44頁\編于星期三\0點膜的分類當(dāng)前第8頁\共有44頁\編于星期三\0點

膜材料材料特點纖維素二醋酸纖維素(CDA)、三醋酸纖維素(CTA)、硝化纖維素(CN)，混合纖維素(CN-CA)、乙基纖維素(EC)等。成孔性、親水性好、價廉易得，使用溫度范圍較廣，可耐稀酸，不適用于酮類，酯類、強酸和堿類等液體的過濾。聚酰胺尼龍-6(NY-6)、尼龍-66(NY-66)、芳香聚酰胺(PI)、芳香聚酰胺酰肼(PPP)、聚苯砜對苯二甲酰(PSA)具親水性能，較耐堿而不耐酸，在酮、酚、醚及高相對分子質(zhì)量醇類中，不易被浸蝕，孔徑型號也較多。聚砜聚砜(PS)、聚醚砜(PES)微濾膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，耐輻射，機械強度較高。含氟材料聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四氟乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺酸化學(xué)穩(wěn)定性好，耐高溫。如PTFE膜，－40～260oC，可耐強酸，強堿和各種有機溶劑。具疏水性，可用于過濾蒸氣及腐蝕性液體。當(dāng)前第9頁\共有44頁\編于星期三\0點膜元件

當(dāng)前第10頁\共有44頁\編于星期三\0點膜元件當(dāng)前第11頁\共有44頁\編于星期三\0點1-軸芯2

-O型環(huán)3

-

墊圈4

-

固定材5

-

網(wǎng)6

-

護罩7

-

外層材8

-

膜9

-

內(nèi)層材10

-

固定材一、板框式

膜組件當(dāng)前第12頁\共有44頁\編于星期三\0點二、圓管式圓管式膜組件的機構(gòu)主要將膜和支撐體均制成管狀。當(dāng)前第13頁\共有44頁\編于星期三\0點螺旋卷式膜組件是將做好的平板膜密封成膜袋，在兩膜袋間襯以網(wǎng)狀間隔材料并緊密地卷繞在多孔中心管上制成。1-密封圈(原溶液)；2-滲透物收集管；3、4-濃縮物；5、9-進料-分隔板；6、8-膜；7-滲透物-分隔板；10-膜的粘合；11-外殼；12-滲透槽三、螺旋式膜組件當(dāng)前第14頁\共有44頁\編于星期三\0點將幾十萬根或更多的中空纖維束的一端封死，另一端固定在管板上，再裝入圓筒型耐壓容器內(nèi)制成。特點是自承式。四、中空纖緯式膜組件當(dāng)前第15頁\共有44頁\編于星期三\0點各種膜組件的優(yōu)缺點比較

組件優(yōu)點缺點板框式保留體積小，操作費用低的壓力降，液流穩(wěn)定，比較成熟投資費用大，大的固含量會堵塞進料液通道，拆卸比清潔管道更費時間螺旋卷式設(shè)備投資低，操作費用也低，單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易料液需經(jīng)預(yù)處理，壓力降大，易污染，難清洗，液流不易控制管式易清洗，單根管子容易調(diào)換，對液流易控制，無機組件可在高溫下用有機溶劑進行操作并可用化學(xué)試劑來消毒高的設(shè)備投資和操作費用，保留體積大，單位體積中所含有過濾面積較小，壓力降大中空纖維式保留體積小，單位體積中所含過濾面積大，可以逆流操作，壓力較低，設(shè)備投資低料液需要預(yù)處理，單根纖維管損壞時，需調(diào)換整個組件，不夠成熟當(dāng)前第16頁\共有44頁\編于星期三\0點膜分離技術(shù)

膜分離一般是指利用膜對流體混合物中不同組分的選擇性滲透的特點來分離流體混合物的操作過程。(1)分散得很細(xì)的固體，特別是與液體密度相近，膠狀的可壓縮的固體微粒；(2)低分子量的不揮發(fā)的有機物、藥物與溶解的鹽類；(3)對溫度、酸堿度等物理化學(xué)條件特別敏感的生物物質(zhì)。

涉及氣體分離、水溶液分離、生化產(chǎn)品的分離與純化等操作的食品和飲料加工過程、工業(yè)污水處理、大規(guī)?？諝夥蛛x、濕法冶金、氣體和液體燃料的生產(chǎn)及石油化工制品的生產(chǎn)等。當(dāng)前第17頁\共有44頁\編于星期三\0點常用膜分離技術(shù)的基本特征當(dāng)前第18頁\共有44頁\編于星期三\0點原理當(dāng)前第19頁\共有44頁\編于星期三\0點

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理動漫當(dāng)前第20頁\共有44頁\編于星期三\0點當(dāng)前第21頁\共有44頁\編于星期三\0點當(dāng)前第22頁\共有44頁\編于星期三\0點膜過程的一些術(shù)語通量：在一定操作條件下，單位時間通過單位面積膜的體積流量。單位L/m2.h選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。1）液體分離的選擇性常用截留率表示：

R＝1－Cp/Cf2）氣體分離或有機溶劑混合物的分離常用分離因子表示選擇性：A/B＝(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示滲透側(cè)各組分的濃度，x表示原料側(cè)的濃度。當(dāng)A/B等于1，表示無法實現(xiàn)分離目的，大于1表示A組分通過膜的速度大于B組分。當(dāng)前第23頁\共有44頁\編于星期三\0點通量衰減系數(shù)m：由于過程的濃差極化、膜的壓密、膜污染等的影響，使得通量隨時間的變化膜過程的一些術(shù)語當(dāng)前第24頁\共有44頁\編于星期三\0點膜過程的一些術(shù)語推動力：

1）對多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質(zhì)推動力是膜兩側(cè)的壓力差。

膜壓降：P1-P2，是由于流體流動引起的。

2）對致密膜而言，推動力為膜兩側(cè)的化學(xué)勢之差。P1P2P3P＝（P1＋P2）/2－P3當(dāng)前第25頁\共有44頁\編于星期三\0點膜過程的一些術(shù)語濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質(zhì)被截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產(chǎn)生濃度梯度，這一現(xiàn)象稱為“濃差極化”。

123CfCm

Cp

濃差膜層滲透側(cè)極化層極化層當(dāng)前第26頁\共有44頁\編于星期三\0點傳遞阻力：1）膜阻Rm:與膜本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包含膜層到支撐層的傳遞阻力；2）濃差極化阻力Rc：由于被截留組分在膜面濃度的增大而引起的；3）推動力的損失：進料側(cè)和滲透側(cè)的壓力損失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分對膜產(chǎn)生吸附、堵塞、以及沉積等現(xiàn)象而引起的。膜過程的一些術(shù)語當(dāng)前第27頁\共有44頁\編于星期三\0點Rm膜管本身阻力Ri膜孔內(nèi)污染阻力Rg凝膠層阻力Rc濃差極化阻力膜污染膜污染阻力的概念模型

當(dāng)前第28頁\共有44頁\編于星期三\0點膜過程的一些術(shù)語膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞，這與膜孔結(jié)構(gòu)、膜表面的粗糙度、溶質(zhì)的尺寸和形狀等有關(guān)。化學(xué)污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質(zhì)的荷電性、親水性、溶解度等有關(guān)。

當(dāng)前第29頁\共有44頁\編于星期三\0點膜的用途濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。從20世紀(jì)初到20世紀(jì)90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護、化工與石油化工、電子、冶金、國防……等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年30％的速度遞增著。當(dāng)前第30頁\共有44頁\編于星期三\0點膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒當(dāng)前第31頁\共有44頁\編于星期三\0點膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒

紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學(xué)工業(yè)有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水當(dāng)前第32頁\共有44頁\編于星期三\0點膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開發(fā)膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率15－80倍滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60％生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40－80%

650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纖維素發(fā)酵蒸餾蒸餾脫水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本當(dāng)前第33頁\共有44頁\編于星期三\0點膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置當(dāng)前第34頁\共有44頁\編于星期三\0點膜法自來水廠巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水當(dāng)前第35頁\共有44頁\編于星期三\0點在環(huán)保工業(yè)中的應(yīng)用在含油廢水處理中的應(yīng)用油田回注水、金屬表面切削液、冷軋乳化液、清洗液廢水等在化工及石化廢水處理中的應(yīng)用

主要用于回收化工廢水中的貴重金屬及其氧化物等。在其它工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

造紙工業(yè)的黑水和白水處理、紡織廢水中PVA回收等。當(dāng)前第36頁\共有44頁\編于星期三\0點上海寶鋼集團公司冷軋線設(shè)備處理能力為：6萬m3/年，油截留率大于99.9％，水回用率大于90％，回收油120噸/年當(dāng)前第37頁\共有44頁\編于星期三\0點設(shè)備折舊費用（元）3.3918能耗費用

（元）1.559人工費用

（元）0.691.4維修

（元）0.271.0清洗劑費用（元）0.224.0油回收費（元）－2.25－2.25水回收費（元）－0.90(水質(zhì)不穩(wěn)定)項目國產(chǎn)陶瓷膜（元/m3)進口有機膜（元/m3)總費用

（元）2.9731.15說明1：年處理10萬噸冷軋乳化液廢水設(shè)備，采用國產(chǎn)陶瓷膜300萬元人民幣（武鋼），進口有機膜設(shè)備200萬美元（寶鋼，1988年），成本僅是其1/10。

2：有關(guān)數(shù)據(jù)來源于上海寶鋼集團設(shè)計院。鋼鐵冷軋乳化液廢水處理回用技術(shù)當(dāng)前第38頁\共有44頁\編于星期三\0點在生化與制藥工業(yè)中的應(yīng)用在發(fā)酵液除菌中的應(yīng)用乳酸、核酸、青霉素G等提取在中成藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

主要用于替代醇沉工藝，除去煎煮液中的雜質(zhì)，研究處于起步階段等。在血漿分離中的應(yīng)用

已被證實是可行的方法，但國內(nèi)尚未開展研究。當(dāng)前第39頁\共有44頁\編于星期三\0點

膜技術(shù)用于中藥精制傳統(tǒng)