9.4-9.5膜分离设备讲解

膜分离的特点
分离效率高，容易控制 膜分离过程不发生相变化，能耗低。 截留能力强（按分子量分离） 常温下操作，适于处理热敏性物料 膜分离的推动力有多种，如压力差、浓度差、电位差等 不仅适用于有机物，无机物和病毒、细菌分离，还适用于
一些共沸物或近沸物的分离。设备简单、体积小，能量消
耗较少。
3．膜性能
二、膜分离过程
膜
浓差极化现象
当待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜 面的液体处于层流状态，水及小分子溶质 透过膜，大分子溶质则被膜阻留。被阻留 分子从膜面返回液体主流的速度，受分子 通过层流区的扩散速度所控制，当这一速 度低于被阻留分子在膜面聚集的速度，就 逐渐在膜面上，形成一高浓度的被阻留的 溶质分子层。随着浓差极化愈来愈严重， 膜的滤出速度也愈来愈低 。
（3）无机材料
主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。 目前实用化的无机膜主要有孔径0.lμm以上的微 滤膜和截留分子量lOkD（一万）以上的超滤膜， 其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。
无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化 学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价 较高。
4．膜分离设备的原理
（1）超滤设备的工作原理 在超滤中，如果颗粒小到亚微细粒的程度， 半透膜孔的大小也要趋近于能阻止溶液中大分子 的通过，这种利用半透膜的微孔过滤以截留溶液 中大溶质分子的操作称为超滤，而这样的半透膜 则被称之为超滤膜，超滤的驱动力是压差， 通 常高达1.0MPa，在溶液侧加压，使溶剂和小分子 透过膜而得到分离。
2．膜分离的应用范围
根据膜分离技术过程推动力的不同，大体上可分为 两类：
以压力为推动力的超滤和反渗透，
以电力为推动力的电渗析，电渗析使用的是被称 为离子交换膜的特殊半透膜。
膜分离技术目前已经被广泛地应用于海水、苦咸 水淡化，超纯水制备，废水处理过程以及食品工 业中的牛奶、乳清蛋白、茶叶的浓缩和其他食品 的精制、提纯与浓缩。此外，在染料工业、化学 工程和生物工程、航天技术上亦被得到广泛的应 用。比如反渗透和超滤在医疗行业方面用于血过 滤、人工血液的制造、人参蜂王浆处理、中草药 制剂的精制、病菌、酶、病毒、核酸、蛋白质等 生理活性物质的浓缩、分离、精制以及激素的精 制等。
“筛分”理论是把膜表面看成具有无数微孔，利用这些不 同孔径的孔眼像筛子一样截留住分子直径相应大于它们的溶 质和颗粒，从而达到了分离的目的。
超滤机理：
（ 1 ）毛细流动模型溶质的脱除靠流过过滤或筛滤作用，半 透膜阻止了大分子的通过，按这一模型建立的流动是毛细孔 中的层流流动； （ 2 ）溶解扩散模型假定扩散质的分子，先溶解于膜的结构 材料中，后经载体的扩散而传递。因为分子不同，溶解度和 扩散度不同。
膜是反渗透和超滤的主要材料，也是电渗析的 主要材料，是膜分离技术的中心，膜分离技术的 提高，关键取决于膜性能的改进。 （1）膜性能的要求
指膜的物理和化学性能以及膜的分离透过性。
（2）膜材料 膜的材料及其材质在很大程度上决定 了膜的功能。
对膜材料的要求
– 有效膜厚度小，开孔率高，过滤阻力小；
– 惰性，不吸附溶质，不易污染，不易堵塞；
膜分离技术的核心是膜，膜的选择性是分离 的关键，膜分离方法有： （1）超滤（ultrafiltration），UF法；
（2）反渗透（reverse-osmosis），RO法；
（3）电渗析（electrodialysis），ED法；
（4）微孔过滤（microfiltration），MF法。
膜分离过程的类型
（2）反渗透的工作原理 在半透膜两侧的溶剂和由溶质与溶剂组成的溶液。 在没有外力的作用下，左侧溶剂分子会自动穿过半 透膜流向右侧溶液。因溶剂的流动，在高浓度溶液 区域形成一个渗透压头，达到渗透的平衡。 如果在溶液的一侧（膜的右侧）加上一个大于渗 透压的压力，则高浓度溶液区域的溶剂（水）会穿 过半透膜流向低浓度溶液（或溶剂）的一侧，这种 现象称之为反渗透。 反渗透的动力是压力。
9.4很小的粒子进行过滤分离的操作。
膜分离是近20年来在迅速崛起的高新技 术，利用天然或人工合成的高分子半透 膜分离的方法利，用膜两侧的压力差或 电位差为动力，使流体中的某些分子或 离子透过半透膜或被半透膜截留下来， 以获得或去除流体中某些成分的一种分 离技术。 如果通过半透膜的不只是溶剂，而是有 条件选择性地让某些溶质组分通过，因 而溶液中不同溶质组分得到分离，该过 程称为膜分离。
（2）
合成高分子材料
主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚 烯类和含氟聚合物等，其中聚砜是最常用的膜材料 之一，主要用于制造超滤膜。 聚砜膜的特点是耐高温 (一般为70～ 80℃，有些 可高达125℃)，适用pH范围广(pHl～13)，耐氯能力 强，可调节孔径范围宽(1～2Onm)。但聚砜膜耐压能 力较低，一般平板膜的操作压力极限为 0.5～1.OMPa。 聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和 pH 都有很好的 稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。
按膜内平均孔径、推动力和传递机制进行分类
•
过程
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微滤 超滤 反渗透 气体透过 透析 电渗析
• 渗透蒸发
孔径 0.02-10um 0.001-0.02 um 无孔 无孔 1-3nm 相对分子质量 小于200 无孔
推动力 压力差 压力差 压力差 压力差 浓度差 电位差 分压差
机制 筛分 筛分 溶液-扩散 溶液-扩散 筛分+扩散 离子迁移 溶液-扩散
一、膜分离设备的原理和特点 1．膜分离的原理
反渗透和超滤是以压力差为推动力的膜分离技 术。水溶液与具有微孔的薄膜互相接触，由于 膜的化学性质使它对水溶液中的溶质具有排斥 作用，结果，靠近膜表面的浓度梯度急剧下降， 在溶液-膜的界面上形成一层被吸附的纯水层。 反渗透就是在压力存在下使水不断通过膜上的 毛细孔渗出，溶质则被膜截留。
– 耐高温、耐酸碱，稳定性高，使用寿命长； – 通过清洗易恢复透过性能； – 满足实现分离目的的各种要求。
（ 1）
天然高分子材料
纤维素衍生物——醋酸纤维、硝酸纤维和再 生纤维素等。
醋酸纤维膜（ CA 膜） 的截盐能力强， 价格 便宜，性能也好，常用作反渗透膜，也可用作微 滤膜和超滤膜。醋酸纤维膜使用最高温度和pH范 围有限，一般使用温度低于45一5O℃，pH3一8在 强酸和弱碱作用下会水解。抗污染性差，； 再生纤维素可制造透析膜和微滤膜。