第五章-分離方法的選擇和發(fā)展

§5.1膜分離第五章分離方法的選擇和發(fā)展1§5.1膜分離膜分離技術(shù)由于具有常溫下操作、無相態(tài)變化、高效節(jié)能、在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生污染等特點(diǎn)，因此在飲用水凈化、工業(yè)用水處理，食品、飲料用水凈化、除菌，生物活性物質(zhì)回收、精制等方面得到廣泛應(yīng)用，并迅速推廣到紡織、化工、電力、食品、冶金、石油、機(jī)械、生物、制藥、發(fā)酵等各個(gè)領(lǐng)域。分離膜因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在環(huán)境保護(hù)和水資源再生方面異軍突起，在環(huán)境工程，特別是廢水處理方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

膜分離技術(shù)是近30年發(fā)展很快的一門新型的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)。2§5.1膜分離膜分離技術(shù)是指在分子水平上，不同粒徑的混合物在通過半滲透膜時(shí)，實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)。半透膜又稱分離膜，分離膜的特點(diǎn)是膜壁遍布微小孔洞，根據(jù)孔徑的大小可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜等。膜：兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，簡(jiǎn)單地說，膜是分隔開兩種流體的一個(gè)薄的阻擋層。3反滲透納濾超濾微濾普通過濾含水鹽溶液

炭黑顏料

人發(fā)合成色素白蛋白海沙

煙草灰酵母菌金屬離子病毒細(xì)菌活性灰內(nèi)毒素/熱精

靛藍(lán)紅血球花粉粒糖明膠膠乳/乳濁液原子半徑石棉谷物-面粉離子分子大分子小微粒大顆粒4§5.1

膜分離膜分離技術(shù)適用場(chǎng)合：

（1）

化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)相似的化合物的混合物。（2）結(jié)構(gòu)的或取代基位置相似的異構(gòu)物混合物。（3）含有熱敏性組分的混合物。5膜分離的原理大多為對(duì)不同的微粒的選擇透過，故分離效率通常都很高。相對(duì)于蒸餾等分離過程，膜分離的分離系數(shù)要大得多。膜分離過程的特點(diǎn)分離效率高膜分離過程中，被分離的物質(zhì)大都不發(fā)生相變，與蒸發(fā)，蒸餾相比，操作所需能耗很小。能耗低膜分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動(dòng)部件，且操作溫度和壓力不高。操作的可靠性主要取決于膜的性能。膜分離過程的操作十分簡(jiǎn)便，從啟動(dòng)到得到產(chǎn)品所需時(shí)間較短，故可以頻繁地啟停?？煽啃阅し蛛x設(shè)備的性能不受處理量大小的影響，即單位生產(chǎn)能力與分離效率，設(shè)備單價(jià)及操作費(fèi)用關(guān)系不大。規(guī)?？扇我庾兓?/p>

6微孔膜過濾（MF）是世界上開發(fā)應(yīng)用最早的膜過濾技術(shù)。一、微濾MF膜品種擴(kuò)大到聚酰胺聚偏二氟乙烯（PVDF）聚丙烯腈（PAN）聚碳酸酯或磷脂酰膽堿（PC）聚醚砜（PES）聚苯乙烯（PS）聚丙烯（PP）聚乙烯（PE）聚四氟乙烯（PTFE）……7應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的微生物檢測(cè)制藥醫(yī)療飲料生物工程超純水飲用水石化環(huán)保廢水處理分析檢測(cè)一、微濾MF

應(yīng)用：主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞米級(jí)的細(xì)小懸浮物、微生物、微粒、細(xì)菌、酵母、紅血球、污染物等以達(dá)到凈化，分離和濃縮的目的。8二、超濾UF

超濾(UF)是一種應(yīng)用最廣泛的膜分離技術(shù)，屬分子級(jí)、幾乎能截留溶液中細(xì)菌、熱源、病毒以及膠體蛋白質(zhì)、大分子有機(jī)物。對(duì)深度降濁、澄清、除菌和有機(jī)大分子物質(zhì)的分離

、

濃縮、分級(jí)、提純等具有非常卓越的效果。在水處理領(lǐng)域，可用來去除水中的膠體、微粒、細(xì)菌

、病毒

、熱源及大分子有機(jī)物，使水得到凈化

。9納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜品種。三、納濾NF納濾過程的應(yīng)用：主要用于飲用水和工業(yè)用水的純化，廢水凈化處理，工藝流體中有價(jià)值成分的濃縮等方面。其操作壓力差為0.5~2.0MPa（或0.345~1.035MPa），截留分子量界限為200~1000（或200~500），分子大小約為1nm的溶解組分的分離。10

反滲透是60年代發(fā)展起來的一項(xiàng)高新膜分離技術(shù)，它的孔徑很小，大都≤10×10–10（10A），它能去除濾液中的離子范圍和分子量很小的有機(jī)物，如細(xì)菌、病毒、熱源等。它已廣泛應(yīng)用于各種液體的提純與濃縮，其中最普通的應(yīng)用實(shí)例是在水處理工藝中，用反滲透技術(shù)將原水中的無機(jī)離子、細(xì)菌、病毒、有機(jī)物質(zhì)及膠體等雜質(zhì)去除，以獲得高質(zhì)量的純凈水。四、反滲透RO目前，用于反滲透過程的半透膜主要的二種形式：一種是醋酸纖維，一種是復(fù)合膜。11反滲透膜元件：四、反滲透RO12常見的膜分離過程過程膜主要功能推動(dòng)力微濾(MF)Microfiltration

對(duì)稱細(xì)孔高分子膜孔徑0.03~10nm濾除

50nm的顆粒壓差~0.1MPa

超濾(UF)Ultrafiltration

非對(duì)稱多孔膜孔徑1~20nm濾除5~100nm的顆粒壓差~0.1MPa

反滲透(RO)ReverseOsmosis非對(duì)稱性或復(fù)合膜孔徑0.1~1nm水溶液中溶解鹽類的脫除壓差1~10MPa

滲析(透析)（D）Dialysis非對(duì)稱離子交換膜孔徑1~10nm水溶液中無機(jī)酸、鹽的脫除濃度差電滲析(ED)Electrodialysis陰、陽離子交換膜孔徑1~10nm水溶液中酸、堿、鹽的脫除電位差氣體分離(GP)GasPermeation均質(zhì)膜和非對(duì)稱膜濾除

50nm的顆粒壓差1~10Mpa濃度差滲透汽化(PV)Pervaporation復(fù)合膜水、有機(jī)物的分離滲透邊的分壓下降液膜(L)LiquidMembrane液體保存在多孔膜中鹽、生理活性物質(zhì)的分離濃度差13膜的分類（Classificationofmembrane）膜生物膜合成膜無機(jī)膜固體膜液膜有機(jī)膜不對(duì)稱膜多孔膜無孔膜不對(duì)稱膜對(duì)稱膜轉(zhuǎn)相膜復(fù)合膜按來源分類按制造方法分類按形態(tài)/結(jié)構(gòu)分類按材料分類14膜的結(jié)構(gòu)（斷面電鏡照片）納米管膜15限制膜分離過程廣泛使用的一個(gè)重要因素。膜污染使膜的透過速率不斷降低，且使低分子量溶質(zhì)（鹽）的截留率增加，而最終使流動(dòng)通道堵塞。所以制造不易發(fā)生膜污染的分離膜是非常重要的。膜污染（Membranefouling）

膜被壓實(shí)，從而使膜的通道減少。反滲透過程中，由于操作壓差較大，故這一因素的影響較為明顯。膜被壓實(shí)本不是真正意義上的膜污染，但因其與膜污染有同樣的效果，故也歸于此；膜孔的有效直徑因被某些溶質(zhì)阻塞而減小，或部分孔道被完全堵塞；膜表面附著一層凝膠層。形成原因16膜污染（Membranefouling）

解決方法選好膜的種類，考慮包括親水性、荷電性、膜孔結(jié)構(gòu)；必要時(shí)可對(duì)膜表面進(jìn)行改性；選擇適宜的膜組件，以保持較好的流動(dòng)狀態(tài)（流速適當(dāng)大）；對(duì)料液進(jìn)行必要的預(yù)處理，例如預(yù)過濾，預(yù)滅菌及調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膒H值等；適時(shí)清洗，可以進(jìn)行反沖（backflush）和化學(xué)清洗（無機(jī)酸、有機(jī)酸，螯合劑）。但應(yīng)注意頻繁的清洗會(huì)影響膜的壽命；外加場(chǎng)控制，如電場(chǎng)、離心力場(chǎng)和超聲場(chǎng)。1718192021氯堿離子膜氯堿離子膜，既全氟離子膜，是交換膜燃料電池和氯堿工業(yè)中最核心的技術(shù)材料。在2010年6月30日前，全世界只有美國杜邦和日本旭化成等極少數(shù)公司擁有此項(xiàng)技術(shù)，并對(duì)其他國家進(jìn)行技術(shù)封鎖，在世界形成壟斷,價(jià)格昂貴。在歷經(jīng)8年科研攻關(guān)，于2010年6月30日，山東東岳集團(tuán)100%國產(chǎn)化的全氟離子膜，在萬噸級(jí)氯堿裝置上一次通電成功，打破了美國、日本長期對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷。標(biāo)志著我國成為全球第三個(gè)擁有氯堿離子膜核心技術(shù)和生產(chǎn)能力的國家；而同時(shí)，我國自主研發(fā)的交換膜燃料電池用氯堿離子膜也在東岳集團(tuán)問世，是我國成為第二個(gè)可以自主研發(fā)生產(chǎn)交換膜燃料電池用氯堿離子膜的國家。

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§5.2超臨界流體萃取

一、超臨界萃取原理