《膜分离技术》课件.ppt

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1、第四章 膜分离技术,2,第一节 概述第二节 膜分类和定义第三节 膜与膜组件的技术原理第四节 膜分离技术特点及应用,第四章 膜分离技术,3,第一节 概 述,4,铝膜,纳米管膜,聚酰胺转相膜,5,膜分离技术发展简史,高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这

2、种过滤应称为微孔过滤。,6,真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。,7,自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜、微孔过滤膜和反渗透膜。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类

3、型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进步提高。,8,具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。,9,4.1.2 膜分离技术的地位和影响,美国官方文件曾说18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技术

4、，能像膜技术这么广泛地被应用”日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”-Norman N.Li，美国科学院院士，著名华裔科学家膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色,10,4.1.3 膜分离技术的优点,适用范围广；膜分离过程为物理过程，不需加入化学药剂；膜分离技术分离装置简单，占地面积小，系统集成容易；膜分离过程系统简单、操作容易，且易控制，便于维修，有利于生产自动化的推广与普及。,11,4.1.4 膜与膜分离技术的概念？,膜分离法实际上是一般过滤法的发展和延续。一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相

5、的不同将固体从液体或气体中分离出来；膜分离的对象往往是分子水平的物质，如原子，分子，离子等，属于小尺度精细分离，该法关键在于过程中使用的过滤介质：膜。膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用（传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程.）。膜分离技术：生产中对膜的应用。,12,第二节 膜分类和定义,13,4.2.1 膜的特性？,必须有两个界面：膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递；膜传质有选择性：它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可

6、以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。,14,4.2.2 膜分离过程原理？,以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,15,4.2.3 膜的分类,1.按膜的材料分类,16,2.按膜的孔径、传质动力和传递机理,17,3.按动力本质,以静压力差为推动力的过程微滤（microfiltration,MF)超滤（ultrafiltration,UF）反渗透（reverse osmosis,RO)纳滤（nanofiltration,NF),18,膜蒸馏（membrane

7、 distillation,MD)渗透蒸发（pervaporation,PV）,以蒸汽分压为推动力的过程,19,以浓度差为推动力的过程渗析（dialysis,D),以电位差为推动力的过程电渗析（electrodialysis,ED),20,平板膜管式膜和中空纤维膜,4.按膜的形态分类,21,5.按膜的结构分,对称膜(Symmetric Membrane)非对称膜(Asymmetric Membrane)复合膜(Composite Membrane),22,第三节 膜与膜组件的技术原理,23,4.3.1 膜的结构特征,孔道结构,具有多样性不同的膜具有不同的孔结构同一张膜也会具有不同的孔结构,对称

8、膜,不对称膜,24,又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同。一般对称膜的厚度在10200 m之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。缺点：传质阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困难。,对称膜,25,非对称膜的横断面具有不对称结构。一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度为0.10.5 m的致密皮层和50150 m的多孔支撑层（惰性层）构成，其支撑层结构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的形变。,不对称膜,26,非对称膜的多孔支撑层上覆盖一层不同材料的致密皮层构成复合膜。优选不同的膜材料制备致密皮层与多孔支撑层，使每一层独立的发挥最大作用

9、。,27,表皮层,过渡层,多孔层支撑层,28,用于表征孔道特征的参数？,超滤膜和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观测到。膜的孔径:膜内孔的直径,有最大孔径和平均孔径之分孔径分布:某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数孔密度:单位膜面积上孔的数目孔隙率:所有孔体积占整个膜体积的百分数,29,4.3.2 膜过滤的基础理论-表征膜性能的参数,4.3.2.1 表征膜的性能,透过性能透过速率,对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以Jw表示。在一定条件下(一般为0.1 MPa，温度20C)，单位时间单位膜面积的水的通过量(m3/m-2.h-1)。,30,水通量(Jw),W透水量，A膜的有效

10、面积，t时间,透过速率(J),J透过速率，m3/(m2h)或kg/(m2h)V透过组分的体积或质量，m3或kgA膜有效面积，m2t操作时间，h。,31,分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。,(2)分离性能截留率、截留分子量,32,浓度极化,在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。,超滤液,边界层,截留液,进样液,33,截留率,截留率反映膜对溶质的截留程度。,Cb主体溶质浓度Cf透过液溶质浓度,Cm膜表面溶质浓度Cf透过液溶质浓度,如R

11、=1，则cf=0，即溶质完全被截留；如 R=0，则 cf=cb，即溶质可自由透过膜。100%截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0%截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。通常截留率在0%100%之间。,34,在超滤和纳滤中，通常用截留分子量表示其分离性能。截留分子量是指截留率为90%或95%时所对应的溶质的分子量截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。用已知相对分子质量的各种物质试验，测其截留率，得到截留率与相对分子质量之间的关系截断曲线。,截分子量,35,孔径分布:某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数,B、曲线陡直，孔径分布

12、小，膜有较好的分子量切割作用；(好的膜）A、相反，孔径分布较宽，膜的分子量切割作用较差。,36,膜的评价：MWCO只表征膜特征的一个参数，不能作为唯一指标。膜的优劣应从孔径分布、透过通量、耐污染能力、稳定性、温度、pH、机械强度等多方面考察。,37,4.3.3 膜污染,（1）定义：膜在使用中，虽然操作条件保持不变，但通量仍逐渐降低的现象称为膜污染。,38,（2）原因 附着层：滤饼：料液中悬浮物在膜面的堆积。凝胶：溶解性有机物浓缩后粘附于膜面。水垢：溶解性无机物生成的水垢软附于膜面。吸附层胶体物质或微生物素的吸附。堵塞、料液中溶质等浓缩结晶或沉淀，致使膜孔产生不同程度的堵塞。微细粒子或小分子溶质

13、吸附、积累在膜表面或在膜孔中结晶沉积所致。,39,（3）减轻膜污染的方法料液的有效预处理：510m的过滤器除去胶体、固悬物、铁锈等 絮凝、PH值除去一些污染物操作条件改变：适当升温，降低膜两侧压差，降低料液浓度。（压差大，使一些结晶、沉淀易进入膜，）,40,（4）膜污染处理(代表性方法)经清洗后，如纯水的水通量达到或接近原来水平，则认为污染已消除。物理方法清洗：泡沫球擦洗、电子振动、超声化学清洗：溶解、切断离子结合作用、氧化等。酸碱。,OVER,41,4.3.4 膜组件的选择,膜组件(Membrane Module),将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。板式管

14、式螺旋卷式中空纤维式,42,板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置,膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。,平板式膜组件,43,管式膜组件,管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是

15、外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。,44,螺卷式膜组件,45,中空纤维膜组件,将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人,沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。,46,第四节 膜分离技术特点及应用,47,4.4.1 透析(DS),分离原理：浓差扩散,优点：方法和设备简单，价格低廉实验室最常用的样品脱盐方法缺点：透析的速度缓慢溶质稀释,48,4.4.2 微滤(micro filtration,MF),分离原理：压力筛分，

16、同一般过滤有很大重叠。,技术操作：均质多孔膜孔径为0.0510 m,能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子操作压力为0.050.5 Mpa/（0.10.3 Mpa）用于悬浮粒的过滤，菌体的分离和浓缩。,49,优点：孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的7080。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。缺点：颗粒容量较小，易被

17、堵塞；使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。,50,51,52,4.4.3 超滤(ultra filtration，UF),分离原理：压力筛分，一般采用切向流体，以减少固相沉积。,技术操作：均为不对称膜孔径为220 nm，能截留小胶体粒子、大分子物质操作压力为0.11 MPa（0.31 MPa）主要用于处理不含固形成分的料液,达到溶液的净化、分离及浓缩目的。是目前应用最广的膜分离过程之一,53,实验室用超滤装置,54,55,超滤水处理装置,56,4.4.4 纳滤（nanofiltration,NF),分离原理：压力筛分技术操作：非对称膜孔径为25 nm，截留粒径在0.11 nm，能截留

18、部分离子及有机物，主要用于截留分子量为3001000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过,57,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,58,4.4.5 反渗透(reverse osmosis，RO),当把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧时，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象称为渗透。当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方向流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的渗透压。若在溶液侧施加一个大于渗透压的压差时，则溶剂将从溶液侧向溶剂侧反向流动，此过程称为反渗透，

19、这样，可利用反渗透过程从溶液中获得纯溶剂。,59,分离原理：压力筛分渗透压技术操作：反渗透膜多为不对称膜或复合膜致密皮层孔径小于0.5 nm，几乎无孔，截留粒径为0.11 nm，可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过（水或有机溶剂)操作压力较高为210 MPa。适用于1nm以下小分子的浓缩,60,例：膜法海水淡化,反渗透淡化厂的能耗及产水成本,几种分离方法能耗比较,61,嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置,62,63,果汁厂陶瓷膜工程,64,65,洋姜提取膜工艺,陶瓷膜分离、纳滤、反渗透集成新工艺的处理量达12000吨/年,66,反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。,反渗透与超滤、微滤的比较,67,微滤,超滤,纳滤,反渗透,悬浮颗粒、细菌,大分子有机物,糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐,单价盐、矿物质,水分子,总结,68,69,70,胃蛋白酶：Protein mass marker；3000 Da；总大豆分离蛋白,