第四章新型节能设备方法课件.ppt
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1、第四章 新型节能设备方法,热管换热器热泵膜分离蓄热器变压吸附,4.3 膜分离,4.3.1 膜分离概念,膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层,允许某些组份透过而保留混和物中其他组份,从而达到分离目的的技术总称。,概述膜分离过程,(1)膜分离技术发展的历史 膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术,所以可称为前沿技术,是世界各国研究的热点。如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点,截止现在,其发展致可分为三个阶段:50年代为奠定基础阶段;60年代和70年代为发展阶段,80年代至今为发展深化阶段。目前,研制和开发出的分离膜及
2、应用技术有很多种,如微虑、超虑、反渗透、渗透蒸发等,(2)膜分离技术在分离工程中的重要作用,膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变,对能量要求低,因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异;膜分离的条件一般都较温和,对于热敏性物质复杂的分离过程很重要,这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式。此外它操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段,在生化分离工程中具有重要作用。,(3)膜在分离过程中具有如下功能,物质的识别与透过;界面;反应场。物质的识别与透过是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素;作为界面,膜将透过液和保留液(料液)分为互
3、不混合的两相;作为反应场,膜表面从孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团,通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度。生物分离过程中采用的膜分离法主要是利用物质之间透过性的差别,而膜材料上固定特殊活性基团,使溶质与膜材料发生某种相互作用来提高膜分离性能的功能膜研究也很多,代表了膜分离技术的发展方向。,4.3.2 膜的定义和分类,1、膜(分离膜)的定义 分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。它可以是固态、液态或气态的,目前使用的分离膜绝大多数是固膜。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上,膜厚度要远小于其比表面积。2、膜的分类 按膜结构分:有对
4、称膜和不对称膜按膜材料分:有机膜:纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚四氟 乙烯膜、聚乙烯膜等 无机膜:玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等 按分离机理分:多孔膜、无孔膜和载体膜按几何形状分:平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜,膜结构,1.孔道结构2.膜的孔道特性3.水通量,膜结构,1.孔道结构 膜的孔道结构因膜材料和制造方法而异。膜的孔道结构对膜的透过通量、耐污染能力等操作性能具有重要影响。早期的膜多为对称膜(symmetric membrane),即膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀。对称膜的传质阻力大,透过通量低,并且容易污染,清洗困难。60年代开发的不对称膜解决了上述对称膜的弊端,从而开创了膜分离技术发
5、展的新篇章。不对称膜(asymmetric membrane)主要由起膜分离作用的表面活性层(0.20.5)和起支撑强化作用的惰性层(50100m)构成。惰性层孔径很大,对透过流体无阻力,由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄,孔径微细,因此透过通量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。日前的超滤和反渗透膜多为不对称膜。高分子微滤膜以对称膜为主。新型无机陶瓷微滤膜多为不对称膜。,膜结构,对称膜,不对称膜,膜结构,2.膜的孔道特性 膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观察测定。,Millipore公司PTGC超滤膜的孔径分布,膜结构,3.水通量
6、 水通量是在一定的条件下(一般压力为0.1MPa,温度为20度)通过测量透过一定量纯水所需的时间来测定。,4.3.3 膜分离技术优点,处理效率高,设备易于放大;可在室温或低温下操作,适宜于热敏感 物质分离浓缩;化学与机械强度最小,减少失活;无相转变,省能;有相当好选择性,可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的;选择合适膜与操作参数,可得到较高回收率;系统可密闭循环,防止外来污染;不外加化学物,透过液(酸、碱或盐溶液)可循环使用,降低了成本,并减少对环境的污染。,存在的问题,在操作中膜面会发生污染,使膜性能降低,故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;从目前获得的膜性能来看,其耐药性、耐热性、耐溶
7、剂能力都是有限的,故使用范围受限;单独采用膜分离技术效果有限,因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。,4.3.4 各种膜分离技术分离范围,膜 过 程 分离机理 分离对象 孔径(nm)粒子过滤 体积大小 固体粒子 10000微 滤 体积大小 0.0510m的固体粒子 5010000超 滤 体积大小10001000000 道尔顿 250 的大分子,胶体纳 滤 溶解扩散 离子、分子量100的有机物 2反 渗 透 溶解扩散 离子、分子量100的有机物 0.5渗透蒸发 溶解扩散 离子、分子量100的有机物 0.5,4.3.5 各种膜分离法的原理和应用范围,(1)微滤分离原理,利用筛分原理,分
8、离、截留直径为 0.05 m 到 10 m 大小的粒子,即微滤膜的孔径为 0.05 m 到 10 m。采用压力为 0.05 0.5 MPa。,水分子,离子,大分子,颗粒与胶体,图示,(2)超 滤 分 离 原 理,超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理,但在有些情况下受到粒子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从1000 到1000000 道尔顿的可溶性大分子物质,对应孔径为 20 500 埃(0.002m 到 0.05m)。采用压力为0.11MPa。,(3)反 渗 透 分 离 原 理,在高于溶液渗透压的压力作用下,只有溶液中的水透过膜,而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留
9、住。理想的反渗透膜应被认为是无孔的,它分离的基本原理是溶解扩散(也有毛细孔流学说)。“膜孔径”为 1 到 10埃。采用压力为 110 Pa.,反渗透制淡水原理,渗透和反渗透,半透膜,开始时两边液面相同,由于浓度差存在,半透膜又不允许溶质通过,所以水透过膜,使浓水一边液面升高,产生渗透压,在浓水边加压,当压力超过渗透压时,则水透过半透膜,即反渗透,实现净化过程。,中空纤维反渗透组件简图,进水,浓水,透过水,多孔进水管,浓水出口,淡水出口,密封,中空纤维膜外径50200内径2542,密封,耐压容器,反渗透的应用和特点,应用:反渗透是一项高新膜分离技术,其孔径很小,大都1010 10(10A),它能
10、去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物,如细菌、病毒等。它已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水的生产,还应用于生物、医学工程。特点:常温条件下,可以对溶质和水进行分离或浓缩,因而能耗低;杂质去除范围广,可去除无机盐和各类有机物杂质;较高的水回用率;分离装置简单,容易操作和维修。,(4)扩散渗析(diffusion dialysis),1、渗析:把水溶液中溶质透过半透膜而溶质被截留的现象称为渗析。半透膜:起渗析作用的薄膜,对溶质具有选择性。半透膜的发展:动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸;离子交换膜:阳离子交换膜、阴离子交换膜 2、扩散渗析的原理 利用离子交换膜的选择透过性
11、,以浓度差为推动力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。,离子交换膜,离子交换膜作用机理示意图,扩散渗析法回收酸的原理,为原液室,为回收室,向室自下而上引入料液(H2SO4和FeSO4的混合液),另向室自上而下引入水流。由于室中的酸及盐的浓度较大,其中的Fe2、H、SO42-均有向室扩散的趋势,因阴离子交换膜对离子具有选择透过性,只允许阴离子SO42-通过而不让阳离子透过,所以Fe2受到阴膜的阻挡而不能进入室,而H则因性质特殊,其水合离子半径小,迁移速度快,也能跟随SO42-一起进入室,以保持溶液的电中性。这样,室中的H2SO4就不断扩散进入(2)室,而FeSO4被阻挡在室中,从而实现了酸与盐的分离。
12、,优缺点:优点:能耗小,设备结构简单,操作方便,不需要对膜进行酸碱再生,分离过程中不需要加入其它化学药剂。缺点:渗析速度慢,分离效率低。应用:在生物医学上的应用最为广泛,主要的用途是血液渗析法(又称为人工肾),此外还有人工肺。在工业方面的应用从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液中回收硝酸等;从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH,(5)电渗析的基本原理,电渗析是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过,阴膜只允许阴离子通过),而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。,
13、电渗析过程原理图,阴极,阳极反应:阴极反应:,电渗析在废水处理中的应用,目前,电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有:造纸工业废水处理,利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液,从中回收化学药品,已得到工业应用。从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。电镀废水和废液处理,含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理,其中应用最成熟的是含镍废水处理。从放射性废水中分离放射性元素,然后将其浓缩液掩埋。,(6)渗 透 汽 化 分 离 原 理,它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的
14、亲合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份,及各组份在膜中扩散速度不同来达到分离的目的,因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制,可连续分离、浓缩,直至得到纯有机物。,渗透气化的原理示于左图。疏水膜的一侧通入料液,另一侧(透过侧)抽真空或通入惰性气体,使膜两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下,料液中的溶质溶于膜内,扩散通过膜,在透过侧发生气化,气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。因此,渗透气化法根据溶质间透过膜的速度不同,使混合物得到分离。膜与溶质的相互作用决定溶质的渗透速度。,渗透气化法利用溶质之间膜透过性的差别,特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。例如,利用渗透气化法浓缩乙醇
15、,由于膜的选择性透过乙醇的特性、可消除共沸现象,得到高浓度乙醇。因此,渗透气化又称膜蒸馏。渗透气化膜主要为多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜和含氟多孔膜等。由于膜材料的进步,80年代以后渗透气化技术实现了产业化,在乙醇、丁醇等挥发性发酵产物的发酵分离耦合过程中的应用开发研究非常活跃。,4.3.6 膜 组 件,由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)以及收纳这些部件的容器构成的一个单元(unit)称为膜组件(membrane module)或膜装置。膜组件的结构根据膜的形式而异,目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四种,其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同,又分为
16、内压式和外压式。下图为主要膜组件的结构示意图。,4.3.6 膜 组 件,1.管式膜组件管式膜组件是将膜固定在内径1025mm,长约3m的园管状多孔支撑体上构成的,l020根管式膜并联,或用管线串联,收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的内径较大,结构简单,适合于处理悬浮物含量较高的料液,分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积(即比表面积)在各种膜组件中最小,这是它的主要缺点。,2.平板膜组件平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似,由多枚圆形或长方形平板膜以1mm左有的间隔重叠加工而成,膜间衬设多孔薄膜,供料液或滤波流动。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。,
17、3.螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件 是将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路),两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为料液流路),卷绕在空心管上,空心管用于滤液的回收。螺旋卷式膜组件的比表面积大,结构简单,价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。,反渗透膜与装置,超滤膜装置,4.中空纤维(毛细管)式膜组件中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成。严格地讲,内径为4080um的膜称中空纤维膜,而内径为0.252.5mm的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同,故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。毛细管膜的耐压能力
18、在1.0 MPa以下,主要用于超滤和微滤;中空纤维膜的耐压能力较高,常用于反渗透。由于中空纤维膜组件由许多极细的中空纤维构成,采用外压式操作(料液走壳方)时,流动容易形成沟流效应(channelling),凝胶吸附层的控制比较困难;采用内压式操作(料液走腔内)时,为防止堵塞,需对料液进行预处理,除去其中的微粒。,中空纤维超滤膜组件,膜断面图,外压式膜组件结构,内压式膜组件结构,膜分离技术的特点 回顾,(a)膜分离过程不发生相变,因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低;(b)膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;(c
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