膜技術(shù)五種經(jīng)典的膜分離過程

關(guān)于膜技術(shù)五種經(jīng)典的膜分離過程2微濾是指大于0.1um的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動型膜過程；超濾是指小于0.1um大于2nm的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動型膜過程；反滲透是指高壓下溶劑逆著其滲透壓而選擇性透過的膜過程；納濾是指小于2nm的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動型膜過程。壓力驅(qū)動膜過程回顧第2頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3第3頁,共43頁，2024年2月25日，星期天4第4頁,共43頁，2024年2月25日，星期天5?

微濾又稱微孔過濾，利用膜的"篩分"作用進(jìn)行分離的膜過程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離，其作用相當(dāng)于過濾，由于微孔濾膜孔徑相對較大，空隙率高，因而阻力小、過濾速度快，實際操作壓力也較低（1-2atm）。?

微濾主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞微米的細(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。?

盡管普遍認(rèn)為微濾的分離機理是類似于"篩分"，但這種"篩分"過程中，微濾膜的結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，膜的結(jié)構(gòu)不同，截留機理也有較大差異。1基本原理及操作模式-微濾第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天6第6頁,共43頁，2024年2月25日，星期天7第7頁,共43頁，2024年2月25日，星期天8第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天9第9頁,共43頁，2024年2月25日，星期天10第10頁,共43頁，2024年2月25日，星期天11第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天122.基本原理及操作模式-超濾原理：超濾同微濾類似，也是利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離，不過其過濾精度更高，因而膜孔更小，實際的操作壓力也比微濾略高，一般為0.1－0.5Mpa。對象：超濾主要用于從液相物質(zhì)中分離大分子化合物（蛋白質(zhì)，核酸聚合物，淀粉，天然膠，酶等）、膠體分散液（黏土，顏料，礦物料，乳液粒子，微生物）以及乳液（潤滑脂，洗滌劑，油水乳液）。采用先與適合的大分子結(jié)合的方法也可以從水溶液中分離金屬離子、可溶型溶質(zhì)和高分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、酶、病毒），以達(dá)到凈化、濃縮的目的。超濾膜一般為非對稱膜，由一層極?。ㄍǔ?.1－1um）具有一定孔徑的表皮層和一層較厚（通常為125um）具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者起篩分作用，后者其支撐作用。第12頁,共43頁，2024年2月25日，星期天13分離機理?一般認(rèn)為超濾過程的分離機理為篩孔分離過程，但膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素，即超濾過程中溶質(zhì)的截留包括在膜表面上的機械截留（篩分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附三種方式。

?超濾的操作模式和微濾類似，基本上是死端過濾和錯流過濾兩種，但由于超濾的功能與微濾有所不同，微濾多數(shù)是除雜，產(chǎn)物是過濾液；而超濾著重是分離，產(chǎn)物既可是滲透液，也可是截留液或者二者兼而有之，因此在這兩種基本模式的基礎(chǔ)上又發(fā)展了多種模式。第13頁,共43頁，2024年2月25日，星期天143.基本原理及操作模式-納濾?

納濾(Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右。與其他壓力驅(qū)動型膜分離過程相比，出現(xiàn)較晚。它的出現(xiàn)可追溯到70年代J.E.Cadotte的ＮＳ-300膜的研究，之后，納濾膜大多從反滲透膜衍化而來，但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”。?

與超濾或反滲透相比，納濾過程對單價離子和分子量低于200的有機物截留較差，而對二價或多價離子及分子量介于200～500之間的有機物有較高脫除率，基于這一特性，納濾過程主要應(yīng)用于水的軟化、凈化以及相對分子質(zhì)量在百級的物質(zhì)的分離、分級和濃縮（如染料、抗生素、多肽、多醣等化工和生物工程產(chǎn)物的分級和濃縮）、脫色和去異味等。第14頁,共43頁，2024年2月25日，星期天15分離原理?

與超濾膜相比，納濾膜有一定的荷電容量，對不同價態(tài)的離子存在Donnan效應(yīng)；與反滲透膜相比，納濾膜又不是完全無孔的，因此其分離機理在存在共性的同時，也存在差別。其對大分子的分離機理與超濾相似，但對無機鹽的分離行為不僅由化學(xué)勢梯度控制（溶解擴散原理），也受電勢梯度的影響，即納濾膜的分離行為與其荷電特性、溶質(zhì)荷電狀態(tài)以及二者的相互作用均有關(guān)系，在現(xiàn)存的文獻(xiàn)報導(dǎo)中，關(guān)于納濾膜的分離機理模型有空間位阻－孔道模型、溶解擴散模型、空間電荷模型、固定電荷模型、靜電排斥和立體位阻模型、Donnan平衡模型等等。第15頁,共43頁，2024年2月25日，星期天164.基本原理及操作模式-反滲透?

反滲透是最精細(xì)的過程，因此又稱“高濾”（hyperfiltration），它是利用反滲透膜選擇性地只能透過溶劑而截留離子物質(zhì)的性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現(xiàn)對液體混合物進(jìn)行分離的膜過程,反滲透過程的操作壓差一般為1.0-10.0Mpa，截留組分為（1-10）*10-10m小分子溶質(zhì)；

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水處理是反滲透用的最多的場合，包括水的脫鹽、軟化、除菌除雜等，此外其應(yīng)用也擴展到化工、食品、制藥、造紙工業(yè)中某些有機物和無機物的分離等。第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天17滲透過程:稀溶液rh

滲透膜濃溶液溶液會升高至此點,以達(dá)到壓力平衡正常的滲透的過程是水由較稀溶液通過滲透膜流向較濃溶液滲透第17頁,共43頁，2024年2月25日，星期天18稀溶液反滲透膜濃溶液外來壓力-反滲透過程是利用外來壓力將水分子從較濃溶液經(jīng)過反滲透膜壓迫流向較稀溶液.-由此可利用反滲透原理,達(dá)到分離溶液內(nèi)成分的目的.例如:將水和溶解物質(zhì)的分離.反滲透第18頁,共43頁，2024年2月25日，星期天19分離機理?

反滲透的分離機理與其他壓力驅(qū)動膜過程有所不同，分離行為除與孔的大小有關(guān)外，極大程度地取決于透過組分在膜中的溶解、吸附和擴散，因此與膜的化學(xué)、物理性質(zhì)以及透過組分與膜之間的相互作用有密切關(guān)系，因此該過程的理論模型研究較多，至少可以歸納以下幾個方面：?

現(xiàn)象學(xué)（非可逆熱力學(xué)）模型：如Kedem-Katchasky模型、Spiegler-Kedem模型和帶電離子遷移模型等；?

溶解－擴散模型和不完全溶解－擴散模型；?

優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動模型；?

摩擦模型；?

孔道擴散模型等。第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天20反滲透示意圖

濃水給水H2OH2OH2OH2OMgClFe++HCO3CaSO4Na+++++

膜H2OH2OH2OH2OH2OH2O

產(chǎn)水第20頁,共43頁，2024年2月25日，星期天21操作模式：反滲透的操作模式與上述其他膜分離過程類似，但由于反滲透膜多為卷式或中空行為結(jié)構(gòu)，通常以單元組件（膜胞）形式，因此實際應(yīng)用時為了達(dá)到設(shè)計所要求的處理能力和分離效果，需進(jìn)行多個膜胞的串聯(lián)或并聯(lián)，為此引出了“段”和“級”的概念。所謂“段”，指膜組件的濃縮液不經(jīng)過泵而流到下一組件進(jìn)行處理，流經(jīng)n組膜組件稱為n段；所謂“級”，指膜組件的透過液（產(chǎn)品水）再經(jīng)過泵到下一組件進(jìn)行處理，透過液經(jīng)n次膜組件處理稱為n級。按照"級"和"段"的概念，反滲透的操作模式有多種。第21頁,共43頁，2024年2月25日，星期天22一級一段連續(xù)式一級一段連續(xù)式：經(jīng)過膜組件的透過水和濃縮液被連續(xù)引出系統(tǒng)，該方式水的回收率不高，實際工業(yè)中較少采用。

第22頁,共43頁，2024年2月25日，星期天23一級一段循環(huán)式

一級一段循環(huán)式：經(jīng)過膜組件的濃縮液部分返回進(jìn)料槽與原有的料液混合再通過組件進(jìn)行分離，由于濃縮液中溶質(zhì)濃度比進(jìn)料液高，透過水的水質(zhì)有所下降第23頁,共43頁，2024年2月25日，星期天24一級多段連續(xù)式一級多段連續(xù)式:適合大處理量的場合，能得到高的水回收率。圖中是最簡單的一級多段連續(xù)式，它把第一段的濃縮液作為第二段的進(jìn)料液，再把第二段的濃縮液作為下一段的進(jìn)料液，而各段的透過水連續(xù)排出，這種方式濃縮液的量少，濃縮液中溶質(zhì)濃度較高。第24頁,共43頁，2024年2月25日，星期天25一級多段循環(huán)式?

一級多段循環(huán)式:這種方式能獲得高濃度的濃縮液。它把第二段的透過液重新返回第一段作進(jìn)料液，再進(jìn)行分離。這是因為第二段的進(jìn)料液濃度較第一段高，因而第二段的透過水質(zhì)較第一段差，濃縮液經(jīng)多段分離后，濃度得到很大提高，因此該模式適用于以濃縮為重要目的的分離。

第25頁,共43頁，2024年2月25日，星期天26并聯(lián)、串聯(lián)方式連接為了達(dá)到給定的回收率，同時保證水在系統(tǒng)內(nèi)的每個組件處于相同的流動狀態(tài)以減少濃差極化而把膜組件排列成錐形的多段結(jié)構(gòu)，其中斷內(nèi)組件以并聯(lián)方式連接，段間組件以串聯(lián)方式連接。第26頁,共43頁，2024年2月25日，星期天27多級多段循環(huán)式多級多段循環(huán)式流程如圖所示，它是將第一級的透過水作為下一級的進(jìn)料液再次進(jìn)行反滲透分離，如此延續(xù)，將最后一級的透過水引出系統(tǒng)；而濃縮液后一級向前一級返回與前一級的進(jìn)料液進(jìn)行混合后再進(jìn)行分離，這種方式即提高了水的回收率，又提高了透過水的水質(zhì)，但泵的能耗加大，對某些過程如海水淡化由于前一級操作壓力很高，因此在技術(shù)上有很高的要求。不過如果采用多級循環(huán)式操作，可以降低操作壓力，同時對膜的脫鹽性能要求也較低，有較高的實用價值。第27頁,共43頁，2024年2月25日，星期天28重點微濾、超濾、納濾、反滲透定義微濾、超濾、納濾、反滲透原理微濾、超濾的主要操作方式（錯流和死端操作）四種膜的應(yīng)用范疇（截留分子量）能舉出應(yīng)用示例第28頁,共43頁，2024年2月25日，星期天29思考題：試比較四種壓力驅(qū)動型膜過程的特點及應(yīng)用范疇。某廠家排出的工業(yè)廢水，其主要成分為：雜質(zhì)、懸浮物、顆粒、大分子物質(zhì)（分子量大于一萬）、一定量的電解質(zhì)。要使該廢水達(dá)標(biāo)排放，至少需使用那些膜過程？乳清是奶酪生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，其中含有6%的固態(tài)溶解物，其中主要組分為乳糖、蛋白和鹽，試設(shè)計一套組合流程，以便回收不同的組分。在膜分離過程的工藝設(shè)計中，有“級”、“段”的概念，請解釋并繪制出一級四段連續(xù)式工藝設(shè)計圖。第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天30電位差——離子交換膜與電滲析第30頁,共43頁，2024年2月25日，星期天31第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天32電滲析的基本過程第32頁,共43頁，2024年2月25日，星期天33電滲析器的級與段一級一段一級兩段兩級一段兩級兩段一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段第33頁,共43頁，2024年2月25日，星期天34第34頁,共43頁，2024年2月25日，星期天35第35頁,共43頁，2024年2月25日，星期天36第36頁,共43頁，2024年2月25日，星期天37第37頁,共43頁，2024年2月25日，星期天