第七章-膜蒸馏
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第七章 其他膜过程
7.1膜蒸馏
膜蒸馏的发展
膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的新型膜分离技术， 是以膜两侧不同温度溶液蒸汽压力差为推动力的分离 过程。 它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下， 料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分 离的目的。 与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、 操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械 性能要求不高等优点。
膜蒸馏操作方式
➢ 直接接触式 ➢ 气隙式 ➢ 减压式 ➢ 气流吹扫式
直接接触膜蒸馏
气隙式
减压式
气流吹扫式
操作模式
膜蒸馏特征
膜蒸馏的优点
➢ 操作温度低(与传统蒸发相比) ➢ 操作压力低(与反渗透相比) ➢ 理论分离效能高 ➢ 膜的机械性要求低 ➢ 减少了膜与处理液体之间的化学反应 ➢ 不易堵塞 ➢ 可以处理浓度极高的水溶液，唯一能从溶液中直接
渗透蒸发原理
渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透 过来分离液体混合物。由高分子膜将装置分为两 个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧 是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室 。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组 分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的 蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化 。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝 下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜 内渗透组分的浓度梯度。
除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应 用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领 域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有 毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分 离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱 除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工 业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、 同系物、同分异构体等的分离等。
渗透蒸发示意图
膜 液相室
气相室
冷凝器 真空泵
冷凝液
渗透蒸发分离示意图(真空气化)
渗透蒸发示意图
膜 惰性气体
液相室 气相室
冷凝器 惰性气体净化利用
冷凝液
渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫)
渗透蒸发膜的分离系数
渗透蒸发操作所采用的膜为致密的高分子膜。 描述渗透蒸发过程的两个基本参数是渗透通量J （g/m2.h）和分离系数α。 α的定义为：
膜蒸馏原理
❖ 1、膜为不被待处理溶液润湿的疏水微孔膜， 孔径在0.2~0.4微米。
❖ 2、膜的一侧与热的待处理溶液直接接触，另 一侧直接或间接的与冷的水溶液接触。
❖ 3、热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通 过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则 被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离。
❖ 4、两个必须条件：疏水膜和温度差。
分离出结晶产物的膜过程 ➢ 蒸汽空间减小
膜蒸馏的缺点
➢ 汽化潜热降低了热能的利用率 ➢ 膜通量较小，工业化程度低 ➢ 膜材料选择性有限
膜蒸馏的应用
渗透蒸发=等温膜蒸馏
渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点 渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技
术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气 分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到 分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段 较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次 分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。
用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚 乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PSt）、 聚四氟乙烯（PTFE）等非极性材料和聚乙烯醇 （PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷 （PDMS）等极性材料。非极性膜大多被用于分离 烃类有机物，如苯与环己烷、二甲苯异构体，甲苯 与庚烷以及甲苯与醇类等，但选择性一般较低。
制备渗透蒸发膜的材料
（1）渗透蒸发膜材料的选择 对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性
是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需 要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能 作为膜材料。如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该 有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤 维素（CA）都是较好的膜材料；而当以透过醇类物 质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS） 则是较理想的膜材料。 普遍认为，对于含水体系，在膜的化学结构中保持 一种亲水与憎水基团的适当比例是重要的。
渗透蒸发技术应用领域
渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术 已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的 单级分离度，节能且适应性强，易于调节。
目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产 中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇 相比，可大大降低运行费用，且不受汽—液平衡的 限制。
渗透蒸发技术应用领域
极性膜一般用于醇—水混合物的分离。其中聚 乙烯醇是最引人注目的一种分离醇—水混合物的膜 材料。聚乙烯醇对水有很强的亲和力，而对乙醇的 溶解度很小，因此有利于对水的选择吸附。该膜在 分离低浓度水—乙醇溶液时有很高的选择性。但当 水的浓度大于40％时，膜溶胀加剧，导致选择性大 幅度下降。
聚丙烯腈对水也显示出很高的选择性，但渗透 通量较小，所以通常被用作复合膜的多孔支撑层。 在工业发酵罐得到的是约5％的乙醇—水溶液，这时 采用优先透醇膜显然更为经济实用。最常用的透醇 膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其对醇的渗透速率与 选择性都比较低，选择性α一般在10以下。
（2）制备渗透蒸发膜的主要材料 用于制备渗透蒸发膜的材料包括天然高分子物
质和合成高分子物质。 天然高分子膜主要包括醋酸纤维素（CA）、羧
甲基纤维素（CMC）、胶原、壳聚糖等。这类膜的 特点是亲水性好，对水的分离系数高，渗透通量也 较大，对分离醇—水溶液很有效。但这类膜的机械 强度较低，往往被水溶液溶胀后失去机械性能。如 羧甲基纤维素是水溶性的，只能分离低浓度的水溶 液。采用加入交联剂可增强膜的机械性能，但同时 会降低膜性能。
YA /YB
XA / XB
（4—1）
式中，Y和X分别为渗透产物与原料的质分数；下 标A为优先渗透组分，B为后渗透组分。由以上定义 可知，α代表了高分子膜的渗透选择性。
影响膜性能的因素
渗透蒸发膜的性能是由膜的化学结构与物理结 构决定的。化学结构是指制备膜的高分子的种类与 分子链的空间构型；物理结构则是指膜的孔度、孔 分布、形状、结晶度、交联度、分子链的取向等， 取决于膜的制备过程。衡量渗透蒸发膜的实用性有 以下四个指标：① 膜的选择性（α值）；② 膜的渗 透通量（J值）；③ 膜的机械强度；④ 膜的稳定性 （包括耐热性、耐溶剂性及性能维持性等）。所以 在膜的开发中必须综合考虑这四个因素。
7.1膜蒸馏
膜蒸馏的发展
膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的新型膜分离技术， 是以膜两侧不同温度溶液蒸汽压力差为推动力的分离 过程。 它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下， 料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分 离的目的。 与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、 操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械 性能要求不高等优点。
膜蒸馏操作方式
➢ 直接接触式 ➢ 气隙式 ➢ 减压式 ➢ 气流吹扫式
直接接触膜蒸馏
气隙式
减压式
气流吹扫式
操作模式
膜蒸馏特征
膜蒸馏的优点
➢ 操作温度低(与传统蒸发相比) ➢ 操作压力低(与反渗透相比) ➢ 理论分离效能高 ➢ 膜的机械性要求低 ➢ 减少了膜与处理液体之间的化学反应 ➢ 不易堵塞 ➢ 可以处理浓度极高的水溶液，唯一能从溶液中直接
渗透蒸发原理
渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透 过来分离液体混合物。由高分子膜将装置分为两 个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧 是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室 。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组 分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的 蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化 。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝 下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜 内渗透组分的浓度梯度。
除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应 用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领 域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有 毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分 离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱 除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工 业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、 同系物、同分异构体等的分离等。
渗透蒸发示意图
膜 液相室
气相室
冷凝器 真空泵
冷凝液
渗透蒸发分离示意图(真空气化)
渗透蒸发示意图
膜 惰性气体
液相室 气相室
冷凝器 惰性气体净化利用
冷凝液
渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫)
渗透蒸发膜的分离系数
渗透蒸发操作所采用的膜为致密的高分子膜。 描述渗透蒸发过程的两个基本参数是渗透通量J （g/m2.h）和分离系数α。 α的定义为：
膜蒸馏原理
❖ 1、膜为不被待处理溶液润湿的疏水微孔膜， 孔径在0.2~0.4微米。
❖ 2、膜的一侧与热的待处理溶液直接接触，另 一侧直接或间接的与冷的水溶液接触。
❖ 3、热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通 过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则 被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离。
❖ 4、两个必须条件：疏水膜和温度差。
分离出结晶产物的膜过程 ➢ 蒸汽空间减小
膜蒸馏的缺点
➢ 汽化潜热降低了热能的利用率 ➢ 膜通量较小，工业化程度低 ➢ 膜材料选择性有限
膜蒸馏的应用
渗透蒸发=等温膜蒸馏
渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点 渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技
术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气 分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到 分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段 较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次 分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。
用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚 乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PSt）、 聚四氟乙烯（PTFE）等非极性材料和聚乙烯醇 （PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷 （PDMS）等极性材料。非极性膜大多被用于分离 烃类有机物，如苯与环己烷、二甲苯异构体，甲苯 与庚烷以及甲苯与醇类等，但选择性一般较低。
制备渗透蒸发膜的材料
（1）渗透蒸发膜材料的选择 对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性
是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需 要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能 作为膜材料。如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该 有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤 维素（CA）都是较好的膜材料；而当以透过醇类物 质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS） 则是较理想的膜材料。 普遍认为，对于含水体系，在膜的化学结构中保持 一种亲水与憎水基团的适当比例是重要的。
渗透蒸发技术应用领域
渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术 已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的 单级分离度，节能且适应性强，易于调节。
目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产 中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇 相比，可大大降低运行费用，且不受汽—液平衡的 限制。
渗透蒸发技术应用领域
极性膜一般用于醇—水混合物的分离。其中聚 乙烯醇是最引人注目的一种分离醇—水混合物的膜 材料。聚乙烯醇对水有很强的亲和力，而对乙醇的 溶解度很小，因此有利于对水的选择吸附。该膜在 分离低浓度水—乙醇溶液时有很高的选择性。但当 水的浓度大于40％时，膜溶胀加剧，导致选择性大 幅度下降。
聚丙烯腈对水也显示出很高的选择性，但渗透 通量较小，所以通常被用作复合膜的多孔支撑层。 在工业发酵罐得到的是约5％的乙醇—水溶液，这时 采用优先透醇膜显然更为经济实用。最常用的透醇 膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其对醇的渗透速率与 选择性都比较低，选择性α一般在10以下。
（2）制备渗透蒸发膜的主要材料 用于制备渗透蒸发膜的材料包括天然高分子物
质和合成高分子物质。 天然高分子膜主要包括醋酸纤维素（CA）、羧
甲基纤维素（CMC）、胶原、壳聚糖等。这类膜的 特点是亲水性好，对水的分离系数高，渗透通量也 较大，对分离醇—水溶液很有效。但这类膜的机械 强度较低，往往被水溶液溶胀后失去机械性能。如 羧甲基纤维素是水溶性的，只能分离低浓度的水溶 液。采用加入交联剂可增强膜的机械性能，但同时 会降低膜性能。
YA /YB
XA / XB
（4—1）
式中，Y和X分别为渗透产物与原料的质分数；下 标A为优先渗透组分，B为后渗透组分。由以上定义 可知，α代表了高分子膜的渗透选择性。
影响膜性能的因素
渗透蒸发膜的性能是由膜的化学结构与物理结 构决定的。化学结构是指制备膜的高分子的种类与 分子链的空间构型；物理结构则是指膜的孔度、孔 分布、形状、结晶度、交联度、分子链的取向等， 取决于膜的制备过程。衡量渗透蒸发膜的实用性有 以下四个指标：① 膜的选择性（α值）；② 膜的渗 透通量（J值）；③ 膜的机械强度；④ 膜的稳定性 （包括耐热性、耐溶剂性及性能维持性等）。所以 在膜的开发中必须综合考虑这四个因素。