膜分离技术

3）
存在的问题
• ①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; • ②从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热 性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限; • ③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。
5、膜分离技术的应用
电渗析过程原理图
电渗析过程脱除溶液中离子的 基本条件
（1）直流电场使溶液中阴阳离子做定向运 动，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。 （2）离子交换膜的选择性透过，使溶液中 的离子作反离子迁移。
离子交换膜功能示意图
离子交换膜为什么具有选择透过性呢？
离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团 的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上 离子基团的作用。
膜分离技术
目 录
• 一、膜技术回顾
• 二、膜的定义、分类和作用
• 三、膜分离概述 • 四、常用的膜分离技术简介
一、膜技术回顾
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。 • 现代高分子膜分离技术研究，其发展致可分为 三个阶段：①50年代为奠定基础阶段；②60年 代和70年代为发展阶段，③ 80年代至今为发展 深化阶段。
续表：
1911 Donnan Zsigmondy Bachman Fofirol..etc Mangold， Michaels.M obain..etc Teorell， Meyer， Sievers William Kolff Juda， Mcrae LoebSourirajan N.N.Li Cadotte Donnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分 布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象 微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材 料为赛璐玢和再生纤维） 用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反 渗透现象 进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础 初次成功使用了人工肾 合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等 分离工程 相转化法制出了非对称反渗透膜
非对称膜进行分离的示意图
2、膜的分类
– 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
陶瓷膜
主要成分：氧化铝、氧化钛、氧化锆等
陶瓷膜分离设备
离子选择透过性作用。
2）实际应用 的电渗析器
3）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： • ⑴ 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。 • ⑵ 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。
• ⑶ 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。
膜与生 物技术
纤维 工业 废水
造纸 工业 废水
其 他 废 水
四、常用的膜分离技术
1、扩散渗析（diffusion dialysis）
2、电渗析(electrodialysis) 3、反渗透（reverse osmosis)
4、超滤(ultLeabharlann Baiduafiltration)
5、液膜分离
1、扩散渗析（diffusion dialysis）
膜上孔隙的作用是：在膜的高分子键之间有一足够大的孔 隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。
膜上离子基团的作用是：在膜的高分子链上，连接着一些 可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基 因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶 液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在 于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通 道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离 子。 注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起
• ⑷ 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。 • ⑸ 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。
膜萃取膜 膜蒸馏膜 膜吸收膜
金属及其氧化物
无机分离膜
材料
多孔玻璃 陶瓷
分离膜的应用技术
直接应用 应用技术 膜分离技术联合应用 膜技术和其他技术联合应用
膜分离技术和化学反应联合应用
二、膜的定义、分类和作用
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。
Permea/Air Prod.，Ube Ind.， Hoechst/Celanese GFT GmbH
制药工业、乳品 工业等
医疗、燃烧过程 等 无水乙醇生产
气体分离
渗透汽化
1980
1990
研制开发的分离膜
高 分 子 分 离 膜 离子交换膜 微滤、超滤、反渗透和纳米过滤膜 气体分离膜 液膜 新分离膜 渗透蒸发膜
2、电渗析（electrodialysis，简称ED）
1）．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。
1）渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶剂被截留
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，以浓度差为推动 力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。

扩散渗析法回收酸的原理
2、膜的分类
•按膜的物态分：固膜、液膜和气膜
固膜：目前在大规模的工业中应用。 液膜：已有中试规模的应用，主要用在 废水处理中。
气膜：尚处于实验室研究中。
2、膜的分类
按膜结构分：有对称膜和非对称膜
多孔膜
无孔膜
（a ）
致密皮层 多孔支撑层 有机转化膜 致密皮层
（b）
复合膜
不同类型膜横断面示意图 （a）对称膜; （b）非对称膜
发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现 渗析（Dialysis）现象
1861～ 1966
Van‘t Hoff， 1860～ 渗透压定律 1977 Tranbe，Preffer 1906 Kahlenbery 观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜 引入名词渗透气化（Pervaporation）
1917
Kober
2、膜分离技术的特点 a b c
• 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； • 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；
• 装置简单，操作简单，控制、维修容易，分离效率高。 与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围 广、处理效率高等特点；
1922
1920
1930 1944
1950
1960 1968 1980
发明了液膜
制出了界面反应聚合复合膜
膜工业的发展史
分离过程 微滤 电渗析 反渗透 渗析 超滤 年代 1925 1960 1965 1965 1970 目前主要厂商 应用 Millipore Corp，Pall corp.，Asahi 微电子、医学、 Chemical 食品、化工等 Oonics Ins.，Tokuyama Soda， Asahi Glass 苦咸水脱盐、水 分解、氯碱工业
膜科学的发展史
年代
1748 1827 1831 1855
科学家
Abbe Nollet Dutrochet J.V.Mitchell Fick Graham
主要内容
水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生 渗透现象 名词渗透作用（Osmosis）的引入 气体透过橡胶膜的研究
发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散； 制备了早期的人工半渗透膜
乳品 加工 海水与苦 咸水淡化 电厂锅炉 供水脱盐 酒类 生产 果汁 加工 酶制剂 医疗、卫 生产 生用水
药品生产
医疗应用
食品工业 水的脱盐 和净化 环境工程 脱 气 膜
医疗、卫生方面
中药提炼 制取富氧空气 无水乙醇生产
超纯水制备
城市家庭饮 用水的净化 电泳漆 废水 电 镀 废 水
应用
石油、化 工方面 其他方面 交通、 运输方 面 国防上 的应用
毛细管式膜
三、膜分离概述
• 1.膜分离的概念 • 2.膜分离技术的特点 • 3.膜分离技术的分类 • 4.膜分离技术的重要作用
• 5.膜分离技术的应用
1．膜分离的概念
用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄 膜（分离膜），在外力推动下对双组分或多组分 溶质和溶剂进行分离、提纯、浓缩的方法，统称
为膜分离法。
由于膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有 些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在 水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用 处理。
缺点
3．膜分离技术的分类
现已应用的膜过程 反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、 电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、 液膜、膜蒸馏等。
几种膜分离技术的区分
Film Tech./DOW， 海水脱盐、饮用 Hydronautics/Nitto，Torray，Ddu 水生产、食品工 Pont 业、造纸工业等 Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical 血液渗析、工业 废液等
Amicon Corp.，Koch Eng.Inc.， Nittl Denko
残液 / 渗析液 H2O
H+ H+ SO42SO42Fe2+
A
H+ H+ SO42（2 ）
（1）
废酸液
回收液 / 扩散液
扩散渗析回收酸原理示意图
(1) — 原液室；(2) — 回收液室；A — 阴离子交换膜
⑴为原液室，⑵为回收室， 向⑴室自下而上引入料液 (H2SO4和FeSO4的混合液)， 另向⑵室自上而下引入水流。 由于⑴室中的酸及盐的浓度 较大，其中的Fe2＋、H＋、 SO42-均有向⑵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⑵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⑵室，以保持溶液 的电中性。这样，⑴室中的 H2SO4就不断扩散进入(2)室， 而FeSO4被阻挡在⑴室中，从 而实现了酸与盐的分离。
渗析
液膜
溶剂 化学反应和 反应促进和扩 电解质离子 浓度差 散 （非电解质）
液膜
4、膜分离技术在分离工程中的重要作用
1）
• 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。
2）
• 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。 • 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。
废水处理中几种常用膜分离技术的特点
膜过程
电渗析 反渗透
推动力
电位差 压力差 2-10MPa
传质机理
透过物
截留物
膜类型
离子选择性透 非电解质大分 离子交换 溶解性无机物 过 子 膜 溶剂的扩散 水或溶剂 溶质、盐 非对称膜
超过滤
压力差 筛滤及表面作 水、盐及低分 胶体大分子、 非对称膜 用 子有机物 不溶有机物 0.1-10MPa 浓度差 溶质的扩散 低分子物质、 离子 溶剂 非对称膜
膜分离可用于液相和气相。对液相分离，
可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体
系以及含有其他微粒的水溶液体系等。
膜分离过程的推动力有两类： ①借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动； ②以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。 一些主要的膜分离过程的推动力 推 动 力 压力差 电位差 浓度差 浓度差（分压差） 浓度差加化学反应 膜 过 程 反渗透，超滤，微滤，气体分离 电渗析 扩散渗析、控制释放 渗透气化 液膜，膜传感器