新型膜分離技術(shù)【高級(jí)課件】

1、第 十 四 章,新型膜分離技術(shù),嚴(yán)選內(nèi)容,膜蒸餾與膜接觸器 Membrane Distillation & Membrane Contactors,嚴(yán)選內(nèi)容,1. 膜蒸餾概述,膜蒸餾（Membrane Distillation）是20世紀(jì)60年代中期由M E Findly提出，80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型膜分離技術(shù)。其原理是以微孔疏水膜將兩種不同溫度的水溶液分開，由膜兩側(cè)溫度差造成二側(cè)蒸氣壓差，使易揮發(fā)組分的蒸氣分子通過膜孔從高溫側(cè)向低溫側(cè)擴(kuò)散，并冷凝；其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合物分離或提純的目的。 膜蒸餾（MD）是膜技術(shù)與蒸發(fā)過程相結(jié)合的膜分離過程。屬熱驅(qū)動(dòng)膜過程。 實(shí)現(xiàn)MD需

2、要有兩個(gè)條件：所用膜必須是疏水微孔膜（對(duì)分離水溶液而言）；膜兩側(cè)要有一定的溫度差存在，以提供傳質(zhì)所需的推動(dòng)力。,3,嚴(yán)選內(nèi)容,膜 蒸 餾 示 意 圖,整個(gè)傳遞過程包括三個(gè)步驟： 1）高溫側(cè)蒸發(fā)； 2）蒸氣分子通過疏水膜孔進(jìn)行傳遞； 3）低溫低冷凝。,4,嚴(yán)選內(nèi)容,3. 膜蒸餾的特點(diǎn),該過程幾乎是在常壓下進(jìn)行的，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，在技術(shù)力量比較薄弱的地區(qū)也有實(shí)現(xiàn)的可能性； 在該過程和運(yùn)行中，無(wú)需把溶液加熱到沸點(diǎn)，只要使膜兩側(cè)維持適當(dāng)?shù)臏夭罹涂梢?。這就有可能利用太陽(yáng)能、地?zé)峒皽厝攘畠r(jià)的天然能源以及工廠的余熱等； 在非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的膜蒸餾過程中，只有水蒸氣能透過膜孔，所以膜蒸餾液十分純凈，可

3、望成為大規(guī)模、低成本制備超純水的有效手段； 該過程可以用來(lái)處理極高濃度的水溶液； 膜蒸餾組件很容易設(shè)計(jì)成潛熱回收的形式，并具有以高效率的小型組件構(gòu)成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性。,5,嚴(yán)選內(nèi)容,膜蒸餾的弱點(diǎn)： 膜蒸餾是一個(gè)有相變的膜過程，汽化潛熱降低了熱能的利用率，所以在組件的設(shè)計(jì)上必須考慮到潛熱的回收。與其他膜過程相比，膜蒸餾在有廉價(jià)能源可利用的情況下才更有實(shí)用意義； 膜蒸餾與制備純水的其他膜過程相比通量較小，所以目前尚未實(shí)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如何提高膜蒸餾的通量也就成了一個(gè)重要的研究課題； 膜蒸餾采用疏水性微孔膜，與親水膜相比在膜材料和制備工藝的選擇方面都十分有限。,6,嚴(yán)選內(nèi)容,4. 膜蒸餾用

4、膜材料,膜蒸餾所用膜材料應(yīng)滿足疏水性和多孔性兩個(gè)要求，以保證水不會(huì)滲入到微孔內(nèi)和具有較高的通量。另外，足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及低的熱導(dǎo)率也是膜蒸餾用膜材料所必需的。 近年來(lái)，膜蒸餾過程的膜材料的研究開發(fā)集中于三種膜材料，即： 聚四氟乙烯（PTFE） 聚偏氟乙烯（PVDF） 聚丙烯（PP）,7,嚴(yán)選內(nèi)容,5. 膜蒸餾的應(yīng)用,海水或苦咸水的淡化 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中水的分離 甘蔗榨汁液的濃縮 人參露和洗參水的分離濃縮 分離提純天然鹽水中的食鹽和芒硝 超純水的制備 廢水的處理 共沸混合物及有機(jī)溶液的分離 化學(xué)物質(zhì)的濃縮和回收,8,嚴(yán)選內(nèi)容,滲透蒸餾的概念及原理,上世紀(jì)80年代提出了滲透

5、蒸餾(osmotic distillation)的過程，這是一種與膜蒸餾十分類似過的程。使用的也是疏水性微孔膜，膜兩側(cè)也是不潤(rùn)濕膜孔的水溶液，且也是利用膜兩側(cè)的蒸汽壓差將料液側(cè)水蒸汽傳遞到膜的另一側(cè)。但不同的是，膜蒸餾兩側(cè)有壓差是由膜兩側(cè)的溫度差產(chǎn)生的，而滲透蒸餾兩側(cè)的壓差是由臘兩側(cè)溶液的滲透壓產(chǎn)生的（也稱為等溫膜蒸餾）。 應(yīng)用：膜的一側(cè)是含鹽量很低的稀溶液，另一側(cè)為電解質(zhì)濃溶液，這樣即可對(duì)低鹽溶液進(jìn)行脫水濃縮。該方法特別適用于新鮮牛奶、水果汁等熱敏物質(zhì)的脫水濃縮。,9,嚴(yán)選內(nèi)容,膜接觸器（Membrane Contactors）,除蒸餾過程可以用膜外，傳統(tǒng)的吸收（及解吸）過程、萃取過程也可以

6、通過膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里膜僅提供傳質(zhì)的相界面，以實(shí)現(xiàn)氣-液或液-液之間的傳質(zhì)，因此統(tǒng)稱為膜接觸器。 根據(jù)相間傳質(zhì)體系的不同，膜接觸器可分為： 氣液（G-L）膜接觸器。類似于吸收； 液氣（L-G）膜接觸器。類似于解吸； 液液（L-L）膜接觸器。類似于萃取與反萃取。,10,嚴(yán)選內(nèi)容,11,嚴(yán)選內(nèi)容,Liquid-gas contactor: to remove dissolved gases from liquids,Gas-liquid contactor: to separate olefin/paraffin mixtures,12,嚴(yán)選內(nèi)容,Liquid-liquid contactor wi

7、th two immiscible liquids: to remove dissolved VOCs from water,Liquid-liquid contactor with two miscible liquids (membrane distillation): to remove pure water from a salt solution,13,嚴(yán)選內(nèi)容,Flow schematic of the membrane contactor process developed by British Petroleum to separate ethylene/ethane mixt

8、ures by absorption into silver nitrate solution,14,嚴(yán)選內(nèi)容,膜 反 應(yīng) 器 Membrane Reactors,嚴(yán)選內(nèi)容,1. 膜反應(yīng)器（MR）概述,膜反應(yīng)器（ Membrane Reactors）是膜和化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或設(shè)備。也可這樣定義：依靠膜的功能、特點(diǎn)改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率的設(shè)備或系統(tǒng)。 膜反應(yīng)器中膜的功能： 分離功能 即膜有選擇性透過不同物質(zhì)的能力； 載體功能 指膜可以作為催化劑或生物催化劑的載體，用于制備具有催化活性的功能膜； 分隔功能和復(fù)合功能 分隔功能是指膜具有兩個(gè)表面，并可將系統(tǒng)分隔為獨(dú)立的依靠膜相關(guān)聯(lián)的兩

9、部分；復(fù)合功能是指利用復(fù)合技術(shù)制備出具有不同功能的功能型復(fù)合層膜系統(tǒng)。,16,嚴(yán)選內(nèi)容,3.膜反應(yīng)器的類型,膜催化反應(yīng)器(membrane catalytic reactor)將膜分離與催化反應(yīng)結(jié)合，可突破化學(xué)平衡的限制，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。 膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactor MBR)將膜分離與生物反應(yīng)結(jié)合，可控制產(chǎn)物抑制作用，回收生物催化劑，提高生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。它按生物催化劑類型又可分：酶膜生物反應(yīng)器、膜發(fā)酵器和膜組織培養(yǎng)。,17,嚴(yán)選內(nèi)容,半乳糖醛酸,膠質(zhì),Examples of the three types of membrane reactor（1）,果膠酶,18,嚴(yán)

10、選內(nèi)容,19,嚴(yán)選內(nèi)容,4. 膜反應(yīng)器所用膜材料,無(wú)機(jī)催化膜反應(yīng)器中的鈀膜反應(yīng)器，用真空蒸鍍法或飛濺涂膜法使鈀超薄覆蓋于無(wú)機(jī)陶瓷多孔膜的表面上，形成Pd-多孔陶瓷復(fù)合膜。 有機(jī)催化膜反應(yīng)器中酶膜反應(yīng)器的膜材料常用聚砜、芳香聚酰胺；膜生物反應(yīng)器常用聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯等。,20,嚴(yán)選內(nèi)容,5. 膜反應(yīng)器的應(yīng)用,鈀膜反應(yīng)器的應(yīng)用：由天然氣或CO制造氫；環(huán)已烷的脫氫；低級(jí)石蠟族烷烴的芳構(gòu)化。 酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用：蔗糖的水解；生物大分子水解；低聚肽合成；手性化合物的生產(chǎn)研究；輔酶的再生；酶法生產(chǎn)L-氨基酸。 膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用：細(xì)胞循環(huán)發(fā)酵；動(dòng)/植物細(xì)胞培養(yǎng)；城市污水和工業(yè)廢水的處理。,21

11、,嚴(yán)選內(nèi)容,浙江大學(xué)凱華公司MBR工程1,22,嚴(yán)選內(nèi)容,浙江大學(xué)凱華公司MBR工程2,浙江大學(xué)凱華公司MBR工程3,MBR實(shí)際上是一種膜分離與活性污泥法組合的新型污水處理技術(shù).,23,嚴(yán)選內(nèi)容,膜控制釋放 Control Release,嚴(yán)選內(nèi)容,1. 膜控制釋放概述,控制釋放就是將藥物或其他生物活性物質(zhì)和基材（通常為高分子材料）結(jié)合在一起，使藥物通過擴(kuò)散等方式在一定的時(shí)間內(nèi)，以某一速率釋放到環(huán)境中的技術(shù)。 藥物的釋放速率取決于基材和藥物性質(zhì)以及它們之間的結(jié)合方式、環(huán)境條件等。 膜控制釋放是一類新興的交叉學(xué)科，它涉及化學(xué)、化工、材料學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等諸多學(xué)科，已在醫(yī)學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、船

12、舶涂料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。,25,嚴(yán)選內(nèi)容,2. 膜控制釋放的特點(diǎn),藥物的控制釋放與常規(guī)釋放相比有以下優(yōu)點(diǎn)： 釋放到環(huán)境中的藥物濃度比較穩(wěn)定； 能最有效地利用藥物； 可使藥物的釋放部位盡可能接近病源，提高了藥效，減小可能的副作用； 減少了用藥次數(shù)，極大地方便了用藥者。,26,嚴(yán)選內(nèi)容,2.1 擴(kuò)散控制釋放系統(tǒng),擴(kuò)散控制藥物釋放體系有貯存器(reservoir)型和混合藥膜(monolithic)兩種 貯存器型：藥物被聚合物基材包埋，藥物由聚合物膜中的孔道或網(wǎng)絡(luò)間的空隙擴(kuò)散釋放出來(lái)。 混合藥膜型：藥物是以溶解或分散的形式和聚合物基材結(jié)合在一起的。,27,嚴(yán)選內(nèi)容,Reservoir device

13、 貯存器型,Monolithic device 混合藥膜型,28,嚴(yán)選內(nèi)容,2.2 化學(xué)控制釋放系統(tǒng),化學(xué)控制藥物釋放體系是目前最使人感興趣的膜控制釋放體系。其中，聚合物基材可在釋放環(huán)境中降解，當(dāng)藥物釋放完畢后，基材可完全降解以致消失，不需要手術(shù)將基材從體內(nèi)取出。 藥物的釋放速率是以聚合物基材的降解反應(yīng)速率來(lái)控制的。 該體系可分為： 混合藥膜降解體系 降解大分子藥物體系,29,嚴(yán)選內(nèi)容,Principle of the three-chamber RoseNelson osmotic pump,30,嚴(yán)選內(nèi)容,用于溶劑滲透控制釋放體系的聚合物：其半透膜應(yīng)有一定的滲透性、強(qiáng)度和剛度。主要有： 纖維素及其衍生物 甲基丙烯酸羥乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物 EVA共聚物 交聯(lián)PVA,31,嚴(yán)選內(nèi)容,3. 膜控制釋放技術(shù)的應(yīng)用,在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用 膜控制釋放在醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用得最多，現(xiàn)已廣泛用于臨床，解決一些疑難雜癥。按給藥部位和方式不同，分為口服型、透皮吸收型、植入型、宮腔給藥等。 在農(nóng)藥工業(yè)中的應(yīng)用 體現(xiàn)多種優(yōu)點(diǎn)，如可防止農(nóng)藥揮發(fā)、分解、流失，延長(zhǎng)藥效，提高防治效果；減少施藥次數(shù)和施藥量；將農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染的程度降低到最大限度。具體方式有微膠囊；塑料壓層；吸收混合；種子包衣法；高分子載體。,32,嚴(yán)選內(nèi)容,在化肥工業(yè)中的應(yīng)用 化肥的控制釋放是提高肥料利用率，減少環(huán)境污染