第九章 膜分离2008
-膜分离技术读书报告
膜分离技术目录1、膜分离技术的概念2、膜分离优点3、膜结构4、膜的分类5、膜技术的基本原理6、膜组件的基本类型7、膜分离技术的应用7．1、澄清纯化技术——超/微滤膜系统7.2、浓缩提纯技术——纳滤膜系统7.3、部分行业应用7.3.1、制药行业7.3.2、食品行业7.3.3、染料化工和助剂7.3.4、淀粉糖品7.3.5、环保及水处理领域7.3.6、生物技术8、新型膜分离技术8．1、膜蒸馏技术8.2渗透蒸馏8.3膜接触器（Membrane Contactors）参考文献1、膜分离技术的概念膜分离技术(membrane separation technique)是指利用具有选择透过性的天然或合成的薄膜作为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差，浓度差。
电位差，温度差等）作用下，原料液体混合物或气体混合物中的某个或某些组分选择性的透过膜，使混合物达到分离、分级、提纯、富集、和浓缩的技术。
2、膜分离优点膜分离技术的优点可以概括为;①.通常无相变，能耗低;②.可在室温或低温条件下操作，适于热敏性的物质分离浓缩；③.分离过过程一般不需要添加任何其他化学物质，化学强度与机械的损害小，避免过多的失活，同时有利于节约资源和环境保护；④.膜性能可控，通过选择合适的膜性能和操作参数就可得到较高的回收率；⑤.设备易于放大，处理规模和能力可在很大范围内变化；⑥.膜组件结构紧凑，操作方便，可频繁启停，易自控和维修；⑦.系统可密闭循环，实现连续分离，防止外来污染；⑧.易于和其他分离过程相结合，实现构成耦合和集成，大大提高效率。
3、膜结构膜从形态上看分为均质膜（也称对称膜）和不对称膜两大类。
均质膜的膜孔及其传递特性是均匀一致的，其可分为致密均质膜和多孔均质膜。
均质膜厚度和膜孔大小是影响膜通透量的主要因素，一般都制备成较大的孔的膜以减少阻力。
均质膜主要用于微滤、透析、和电渗析。
不对称的膜是由薄的皮层（厚度一般0.1-1μm）和一定厚度的大孔支撑层（厚度约100-200μm）构成，不对称膜的传质阻力主要在于皮层，较薄的皮层可以减少膜的阻力，同时较为致密的皮层，使膜具有较高的截留性，因此这种膜有利于同时满足高选择性和高渗透通量的要求。
《分离工程》9.膜分离-09
讨论： 盐水溶液
1.设纯水的化学位： 0T , P （
1)
溶液中水的化学位： T , P ) 0T , P ) RT ln a （ （ 一般活度a 1，即RT ln a 0 T , P ) 0T , P （ 0T , P )） （ （ ) （
2 2 2
定义：将膜、固定膜的支撑材料、间隔物 或管式外壳等组成的一个单元称为膜组 件。 分类：工业上应用的膜组件主要有中空纤 维式、管式、螺旋式、板框式等四种类 型。
一、板框式膜组件
膜被放置在垫有滤纸的多孔支撑板上，两块 多孔的支撑板叠压在一起形成料液流道空间， 组成一个膜单元；料液在进料侧空间的膜表 面上流动，通过膜的渗透液则经板间隙孔中 流出。
然而，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，Du Pont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。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板 式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择
渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分 离技术。 膜分离过程的共同优点是成本低、能耗少、效率 高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质相似 组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分 等混合物的分离，因而在某些应用中能代替蒸馏、萃 取、蒸发、吸附等化工单元操作。 实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到 较好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常 有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起 来使用，使技术投资更为经济。
第九章 膜分离过程ppt课件
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第三节 膜的应用
微孔过滤的应用 在实验室中，微孔滤膜是检验有形微细杂
质的重要工具，主要用于微生物检测、微粒子 检测。在工业上主要用于灭菌液体的生产，反 渗透和超滤的我＝前处理，电子工业中超纯水 制造和空气过滤。例如采用聚碳酸酯核孔滤膜 来过滤除去啤酒中的酵母核细菌，使处理后的 啤酒不需加热就可以在室温下长期保存。
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4
第 一 节 膜和膜分离过程的分类与特性
3 复合膜 选择性膜层沉积于具有微孔的支撑 层上。只是两层材料不同，而非对称膜则是 同一材料。其性能不仅取决于有选择性的表 面薄层，而且受微孔支撑结构、孔径、孔分 布和多孔率的影响。
4 荷电膜 即离子交换膜，是一种对称膜，含 有高浓度的溶胀胶载着固定的正电荷或负电 荷，带有正电荷的膜为阴离子交换膜，从周 围流体中吸引阴离子。带有负电荷的膜称为 阳离子交换膜。
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第三节 膜的应用
五 纳米过滤（NF）
3
第 一 节 膜和膜分离过程的分类与特性
一 膜的分类
根据各种物理结构和化学性质，可将膜分为 下列几种：
1 对称膜 结构与方向无关的膜，根据制造方法 不同，这些膜或者具有不规则的孔结构，或所 有的孔具有确定的直径。
2 非对称膜 非对称膜有一个很薄的，但比较致 密的分离层和多孔支撑层。分离层为活性膜， 孔径的大小和表皮的性质决定了分离特性，厚 度决定传递速度，该层必需朝向待浓缩的原溶 液。多孔支持层只起支撑作用。
然后将多层膜片浸泡在沉淀液（冰水）中，由于溶剂
和沉淀液发生交换而形成凝胶。凝胶形成后通常在热
水中退火，从而改善了分离能力，并且提高了机械强
度，但渗透能力却有所下降。
第9章膜化学分离工程案例
9.1 膜分离概述
5、工业上常用的膜分离设备
板框式膜具
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9.1 膜分离概述
卷式膜具
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9.1 膜分离 膜分离概述
中空纤维膜具
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9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透
以压力为推动力将膜 分离过程分为微滤、超滤、 纳滤和反渗透，四者组成 了一个可分离固态微粒到 离子的四级分离过程。 分离原理：在膜两侧施加 压力，使部分溶剂及小于 膜孔径的组分透过膜，而 微粒、大分子、盐等被膜 截留下来，从而达到分离 的目的。
一、膜技术的应用 1、水处理中的应用 • 膜分离是饮用水净化和纯化的最佳手段。使用膜分 离可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属和有机 物。 • 城市废水的处理。使用膜生物反应器进行城市污水 处理，可以生产出不同用途的再生水（工业冷却水、 绿化用水和城市杂用水），是解决水资源匮乏的重 要方法。 • 工业废水的处理。工业废水处理既回收了资源又保 护了环境。
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9.2 微虑、超虑、纳虑和反渗透
a、反渗透的原理 渗透是由于化学位梯度的存在而引起的自发扩散 现象。 在一定的温度压力下，纯水的化学位大于溶液中 水的化学位，因此引起纯水向溶液方向渗透，并不断 增加溶液侧的压力。当溶液中水的化学位与纯水的化 学位相等时渗透达到平衡，此时，两侧的压力差称为 渗透压。
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膜技术的应用和展望
3、在医疗领域中的应用 • 以膜技术为核心的人工肾、人工肺； • 以膜技术为核心的血液透析和腹水透析的透析器 • 带有膜过滤器的注射器； • 用膜分离技术进行环境检测和生化分析样品的预 处理。
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膜技术的应用和展望 二、
23 OVER
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我们需要的是 不断地努力……
本课程学习到此结束了！
第九章膜分离过程ppt课件
聚砜类
聚酰(亚)胺类 非纤维素酯 类 聚酯、烯烃类 含氟(硅)类 其他
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等
聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等
聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷 等
壳聚糖，聚电解质等
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功能膜的分类
2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不 同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反 渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、 渗透蒸发膜等。 3. 按膜断面的物理形态分类 可将其分为对称膜，不对称膜、复合 膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。
_ n 2 2
H O H H O HH H O H O H
C H O H 2
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膜材料特征
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。
C6H7O2 + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O
膜材料特征
（2）主要的非纤维素酯类膜材料
（i）聚砜类 O S 聚砜结构中的特征基团为 O 为了引入亲 水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用 氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰 胺、二甲基乙酰胺、N—甲基吡咯烷酮、二甲 基亚砜等。
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膜材料特征
聚砜类树脂具有良好的化学、 热学和水解稳定性，强度也很高， pH值适应范围为1～13，最高使用 温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都 十分优良。 这类树脂中，目前的代表品种有：
1. 分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性 能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的 是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
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膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
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膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
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膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
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膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
分离科学---第九章 膜分离
第九章 膜分离
溶胶-凝胶法 悬浮胶体凝胶和聚合凝胶两种途径。 能发生水解-聚合的前驱物，控制水解和
聚合的过程得到相应的结构。
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第九章 膜分离
膜的性质： (1)孔径大小与分布 (2)孔隙率 (3)表面积
14第九章 膜分离 Nhomakorabea膜的性能指标： (1)分离效率R (2)渗透通量J (3)通量衰减系数m
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小分子溶质的运动起到阻碍作用。
第九章 膜分离
分离膜和膜组件 (1)材质相态： 固体膜 液体膜 气膜
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第九章 膜分离
(2)来源： 天然 合成（无机，有机高分子） (3)膜体结构： 固膜分为致密膜和多孔膜 液膜结构完全不同。
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第九章 膜分离
(4)膜断面的物理形态： 对称膜 不对称膜（极薄表面活性层加上下部的多孔 支持层） 复合膜（不同材料膜分别制成表面活性层和 支持层）
该法制得的膜孔径为0.1-10m，孔隙率一 般较低，只有10-20%。
可采用该方法制备的膜有各种聚合物材料、 金属、陶瓷、石墨、玻璃。
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第九章 膜分离
拉伸法
在相对低的熔融温度和高应力下挤出薄膜
或纤维，聚合物分子会沿拉伸方向排列成微
区，成核，形成垂直于拉伸方向的链折叠微
晶片，冷却后在略低于熔点温度下进行第二
有关。
测定截留分子量三类标准物质：球形蛋白、带支链的多
糖（葡聚糖）、线性分子聚乙二醇等。
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第九章 膜分离
影响截留分子量的因素：
1. 溶质的形状和大小 2. 溶质与膜材料之间的相互作用 3. 浓差极化 4. 批间偏差 5. 膜孔的结构和测试条件（压力、温度、错流速度、
浓度、膜的预处理方法等）
第九章 膜分离技术
水通量：也叫透水率，单位时间内通过单位膜面 积的水体积流量。
水通量大小取决于膜的物理特性和系统的条件。
3、截留率和截断分子量
截留率：指对一定相对分子质量的物质，膜能截 留的程度。定义为：
δ = 1 - cP/cB
式中cP、cB分别为透过液中和主体液中物质浓度 如δ＝1，则cP＝0，表示溶质全部被截留 如δ＝0，则cP＝cB，表示溶质能自由透过膜
一、膜的分类
物理结构和化学性质 孔径大小
根据膜的
材料
膜的种类
（1）对称膜：膜的结构与方向无关
（2）非对称膜：此膜的断面不对称，由分离层与 支撑层两层组成。优点：高传质速率和良好的机械 强度。另外，被脱除物主要附在表面，易于清除。
膜的种类
（3）复合膜：由选择性膜层和微孔支撑层组 成，两层由不同材料组成。膜的性能取决于 这两层。 （4）荷电膜：即离子交换膜，属于对称膜。 阴离子交换膜：带正电荷；阳离子交换膜： 带负电荷。
主动传递
推动力是由膜内某化学反应提供。
主要存在于生命膜。
2、膜分离过程的机理
（1）膜过程中的物质传递（非对称膜为例）
① 主流体系区间(Ⅰ) ② 边界层区间(Ⅰ) ③ 表面区间(Ⅰ) ④ 表皮层区间 ⑤ 多孔支撑区间 ⑥ 表面区间(Ⅱ) ⑦ 边界层区间(Ⅱ) ⑧ 主流体区间(Ⅱ)
孔道特征
孔径测定可用泡压法、压汞法、电子显微镜观测法等 泡压法计算（最大）孔径的公式：
d ＝ 4γcosθ／p
式中：d — 孔径
γ — 液体的表面张力
θ — 液体与膜面的接触角度
p — 泡点压力
膜分离
★膜分离的特点 ①操作在常温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高； ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位
膜分离过程 (membrane separation)
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
透析法的应用
膜分离过程 (membrane separation)
膜的制造
2.2 膜的制造
要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性
膜分离过程的类型
有关微米的一组数据
1μ m= 10-3mm
人发直径 70-80 μ m 裸眼可见最小颗粒40 μ m 金属颗粒 50 μ m 酵母菌 3μ m 假单胞菌 0.3μ m 小RNA 病毒 0.03 μ m
膜分离过程 (membrane separation)
－
－ －
盐水
+ + + + + + + + + + + + + + + +
+
阳极
纯蛋白质溶液
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
电渗淅器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗淅器主要组成部 分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻 挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。
第九章 膜分离2008
5.离子交换膜 由离子交换树脂制成，主要用于电渗 离子交换膜 由离子交换树脂制成，
析、有阳离子交换膜和阴离子交换膜两类，工业上使 阳离子交换膜和阴离子交换膜两类， 两类 均质膜， 左右。 用的都是均质膜 左右 用的都是均质膜，厚200µm左右。
9.1.1 膜
二、膜性能的评价
理化稳定性 1. 理化稳定性 膜强度 允许使用压力 温度 PH值 值 对有机溶剂和化学药品的耐受性等
9.1.1 膜
几种主要膜分离过程
名称 简图 推动力 传递机理 传递机理 透过物 截流物 膜类型 均匀膜、 均匀膜、 复合膜 非对称性膜
7.渗透气化 渗
分压差
选择传递 差异） （物质差异）
溶质或溶 剂（易渗组 分的蒸汽
溶质或溶 剂（难渗组 分的蒸汽
8.液膜（促 液膜（ 液膜 进传递） 进传递）
化学反 应和浓 度差
非对称性膜或 非对称性膜或复合膜
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理
——在压力作用下使 的过程。 反渗透——在压力作用下使渗透现象逆转的过程。 的压力， 在溶液上施加大于渗透压的压力，溶液中的水向纯水传 如上图 递。如上图
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理 反渗透过程的操作压力
在膜两侧施加的压差必须大于两侧溶液的渗透压差。 在膜两侧施加的压差必须大于两侧溶液的渗透压差。 渗透压差 一般反渗透过程的操作压力为： 一般反渗透过程的操作压力为：2~10MPa。 。
其它课程-膜分离概述
膜分离概述膜分离概述王华芳080144215 09化工1班摘要膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。
膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，因此在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。
分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。
关键词膜分离技术微膜超膜纳膜反渗透膜广泛应用前景膜分离简史膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。
我国膜科学技术的发展开始于1958年研究离子交换膜。
60年代进入开创阶段。
1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。
70年代进入开发阶段。
这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。
80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。
随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。
她们的成立为规范膜的行业标准、促进有关于膜行业的发展起着举足轻重的作用。
半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程应用在工业上。
由于膜分离技术本身具有的优越性能，所以膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。
在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界视膜过程为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。
膜分离讲义
第九章膜分离第一节概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。
近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件,以及膜与分离物质间的作用有关。
根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表9-1所示。
①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。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
第二节电渗析一、电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，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，阳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。
电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。
当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。
阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。
但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。
从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。
原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。
（1）反离子的迁移因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离干交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。
膜 分 离
第九章膜分离第一节概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。
近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件,以及膜与分离物质间的作用有关。
根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表9-1所示。
①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。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
第二节电渗析一、电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，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，阳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。
电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。
当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。
阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。
但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。
从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。
原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。
（1）反离子的迁移因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离干交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。
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本课程主要讨论固膜分离技术！ 本课程主要讨论固膜分离技术！ 固膜分离技术
9.1.1 膜
• 固膜分离技术——是指对于含有两个或两个以上组分的 是指对于含有两个或两个以上组分的 固膜分离技术 流体（真溶液、乳浊液、悬浮液等） 流体（真溶液、乳浊液、悬浮液等）在容器中通过一固
选择性渗透 体膜， 体膜，借该膜的选择性渗透以及膜两侧的能量差
9.1.1 膜
几种主要膜分离过程
名称 简图 推动力 传递机理 传递机理 透过物 截流物 膜类型
1.微孔过滤 微孔过滤 微孔 （0.02~10µm ）
压力差 ~100kPa
颗粒大小、 大小、 形状
水 、溶 剂 溶解物
悬浮物 颗粒、纤维
多孔膜
2.超滤 （0.001~0.02 µm） ）
压力差 100~ 100 1000kPa
9.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透 微滤、超滤、
9.2.1 反渗透与纳滤 9渗透 微滤、超滤、
固体颗粒
膜截留固体颗粒 微粒) 固体颗粒(微粒 微滤膜截留固体颗粒 微粒 >0.05 µm , 膜孔径0.05-10µm. 膜孔径
膜截留大分子 大分子或 微粒). 超滤膜截留大分子或<0.2 µm (微粒 微粒 小分子 或离子 膜截留分子量为几百至几千的分子 纳滤膜截留分子量为几百至几千的分子 (纳米范围). 1~5nm 纳米范围 纳米范围 膜截留小分子或溶液中的盐( 小分子或溶液中的盐 反渗透膜截留小分子或溶液中的盐 离子)， ， 0. 1~1 nm
9.1.1 膜
★按膜结构与作用特点分： 按膜结构与作用特点分： 结构与作用特点分 4.复合膜 由在非对称性超滤膜表面加一层 复合膜 由在非对称性超滤膜表面加一层0.25~15µm
厚的致密活性层构成， 厚的致密活性层构成，膜的分离作用主要取决于这层 致密活性层构成 致密活性层。优点是活性层可以用各种材料， 致密活性层。优点是活性层可以用各种材料，因而有 广阔的选择余地，广泛应用于反渗透、 广阔的选择余地，广泛应用于反渗透、气体膜分离和 渗透气化等。 渗透气化等。
电化学势 化学势
电解质离子 的选择传递
电解质 离子
非电解质 大分子物质 大分子物质
离子交 换膜
6.气体分离 气体分离
压力差 1000~ 1000 10000kPa 度差（ 浓度差（分 压差）
气体和蒸汽 的扩散渗透
渗透性 的气体 或蒸汽
难渗透性的 难渗透性的 气体或蒸汽
均匀膜、 均匀膜、 复合膜 非对称性 膜
9.1.1 膜
★按膜结构与作用特点分： 按膜结构与作用特点分： 结构与作用特点分 3.非对称膜 膜的断面不对称，由表面活性层与 非对称膜 膜的断面不对称， 支撑层组成，表面活性层很薄，0.1~1.5µm， 支撑层组成，表面活性层很薄， ， 分离作用主要取决于这一层，致密无孔或孔径 分离作用主要取决于这一层，致密无孔或孔径 小于1nm的用于反渗透、气体分离等；孔径 的用于反渗透、 小于 的用于反渗透 气体分离等； 1~20nm的膜为超滤膜。支持层厚 的膜为 支持层厚50~250µm 的膜 起支持作用。 起支持作用。
9.1.1 膜
几种主要膜分离过程
名称 简图 推动力 传递机理 传递机理 透过物 截流物 膜类型 均匀膜、 均匀膜、 复合膜 非对称性膜
7.渗透气化 渗
分压差
选择传递 差异） （物质差异）
溶质或溶 剂（易渗组 分的蒸汽
溶质或溶 剂（难渗组 分的蒸汽
8.液膜（促 液膜（ 液膜 进传递） 进传递）
化学反 应和浓 度差
和核孔膜。前者呈海绵状， 和核孔膜。前者呈海绵状，膜孔大小有一较宽的分布 范围，孔道曲折，膜厚 范围，孔道曲折，膜厚50~250µm，应用较普遍；核孔 ，应用较普遍； 的致密膜经特殊处理制得， 膜用10~15µm的致密膜经特殊处理制得，圆柱形直孔， 的致密膜经特殊处理制得 圆柱形直孔， 膜用 孔径均匀，开孔率小。 孔径均匀，开孔率小。
第九章
膜分离
9.1 膜分离概述 9.2 微滤、超滤、纳滤和反渗透 微滤、超滤、 9.5 电渗透
9.1 膜分离概述
9.1.1 膜(Membrane) 9.1.2 膜组件 膜组件(Membrane Module)
9.1.1 膜
膜分离
借助于膜的选择渗透作用， 借助于膜的选择渗透作用，对混合物 渗透作用 中溶质和溶剂进行分离、分级、 中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富 集的方法。 集的方法。
2.膜的分离透过特性 膜的分离透过特性 膜的
①分离效率
对于某些混合物的分离，可以用分离因子 对于某些混合物的分离，可以用分离因子 或分离系数表示 或分离系数表示 ：
yA 分离因子： 分离因子： α = 1− yA yA 分离系数： 分离系数： β = xA
xA 1 − xA
9.1.1 膜
2.膜的分离透过特性 膜的分离透过特性 膜的 ②渗透通量 用单位时间内通过单位膜面积的透过物 量表示： J , kg m 2 ⋅ h 量表示
非对称膜、 反渗透膜——非对称膜、复合膜。
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理
在左右半池分别放置纯水和盐水溶液， 在左右半池分别放置纯水和盐水溶液，中间被只能透 纯水的半透膜隔开 隔开。 过纯水的半透膜隔开。 (a)图：在一定温度和压力下，设纯水的化学位 图 在一定温度和压力下， 则盐溶液中水的化学位： 为 µ (0T , p ) ，则盐溶液中水的化学位：
9.1.1 膜
一、膜的种类及结构
★按膜的形态分: 按膜的形态分 形态 平板膜 固态膜 管式膜 中空纤维膜： 中空纤维膜：内压式 外压式 液态膜
9.1.1 膜
一、膜的种类及结构
★按膜的材料分 : 按膜的材料分 材料 无机物 醋酸纤维素酯 高分子聚合物 聚砜， 聚砜，聚酰胺 聚四氟乙烯 聚丙稀碃， 聚丙稀碃，聚碳酸酯
5.离子交换膜 由离子交换树脂制成，主要用于电渗 离子交换膜 由离子交换树脂制成，
析、有阳离子交换膜和阴离子交换膜两类，工业上使 阳离子交换膜和阴离子交换膜两类， 两类 均质膜， 左右。 用的都是均质膜 左右 用的都是均质膜，厚200µm左右。
9.1.1 膜
二、膜性能的评价
理化稳定性 1. 理化稳定性 膜强度 允许使用压力 温度 PH值 值 对有机溶剂和化学药品的耐受性等
1
µ (T , P ) = µ (0T , P ) + RT ln a
1 1
a <1 RT ln a < 0
µ (T , P ) < µ (0T , P )
1 1
溶液中水的活度< ， 溶液中水的活度<1，纯 的活度 的活度为1。 水的活度为 。
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理
(b)图：由于纯水的化学位高于溶液中水的化学位，引 图 由于纯水的化学位高于溶液中水的化学位， 纯水的化学位高于溶液中水的化学位 纯水向溶液方向渗透 并不断增加溶液侧的压力， 渗透， 起纯水向溶液方向渗透，并不断增加溶液侧的压力， 这时溶液中水的化学位也随之增加。 这时溶液中水的化学位也随之增加。 当溶液中水的化学位与纯水的化学位相 溶液中水的化学位与纯水的化学位相 渗透达到动平衡状态 动平衡状态,此时膜两 等时，渗透达到动平衡状态 此时膜两 侧的压力差称之为渗透压 渗透压。 侧的压力差称之为渗透压。
非对称性膜或 非对称性膜或复合膜
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理
——在压力作用下使 的过程。 反渗透——在压力作用下使渗透现象逆转的过程。 的压力， 在溶液上施加大于渗透压的压力，溶液中的水向纯水传 如上图 递。如上图
9.2.1 反渗透和纳滤
一、基本原理 反渗透过程的操作压力
在膜两侧施加的压差必须大于两侧溶液的渗透压差。 在膜两侧施加的压差必须大于两侧溶液的渗透压差。 渗透压差 一般反渗透过程的操作压力为： 一般反渗透过程的操作压力为：2~10MPa。 。
（例如静压差、浓度差、电位差）将某种成分或一组分 例如静压差、浓度差、电位差） 子大小相近的成分和液体中其它组分（溶剂）分离， 子大小相近的成分和液体中其它组分（溶剂）分离，以 达到浓缩溶质或净化溶剂的技术。 达到浓缩溶质或净化溶剂的技术。 具体对于气体系统有压力扩散、质量扩散； 具体对于气体系统有压力扩散、质量扩散； 气体系统有压力扩散 对于液体系统 反渗透、超过滤、渗析、电渗析等 液体系统有 对于液体系统有反渗透、超过滤、渗析、电渗析等。
9.1.1 膜
2.膜的分离透过特性 膜的分离透过特性 膜的分离透过
①分离效率
对于不同的膜分离过程和分离对象可以用不同的 表示方法。对于溶液脱盐或脱除微粒、 表示方法。对于溶液脱盐或脱除微粒、高分子物 质等情况，用截留率R表示 质等情况，用截留率 表示
c1 − c 2 R= × 100 % c1
9.1.1 膜
J θ ——时间θ 的渗透通量， J , kg m 2 ⋅ h 时间 的渗透通量，
m ——衰减系数。 衰减系数。 衰减系数
9.1.2 膜组件
目前各种膜分离过程应用以下几种类型的膜分离设备： 目前各种膜分离过程应用以下几种类型的膜分离设备： 一、板框式(Plate-and-Frame)膜组件 板框式 膜组件
溶 质 、盐 （ 悬 非对称性膜 水、溶剂 浮物大分子、 浮物大分子、 或复合膜 离子） 离子）
4.渗析
浓度差
溶质的扩 散传递
低分子 量物离 子
溶剂分子量 ＞1000
非对称性膜 离子交换 离子交换膜
9.1.1 膜
几种主要膜分离过程
名称 简图 推动力 传递机理 传递机理 透过物 截流物 膜类型
5.电渗析 电渗析
图9-2（a） （ ）
膜组件（ 二、管式(Tubular)膜组件（P392，图9-2 ） 管式 膜组件 ，
9.1.2 膜组件