膜分离过程及设备
第七章 膜分离过程 第八章 液膜分离
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类 (1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表 皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液； 多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层) 表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选 择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作 为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
(4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对 有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过 液浓度反而升高。 膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附 能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在 压力下通过毛细管。 例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后 者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。
三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。 优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量 消耗低。操作压力低，泵与管对材料要求不高等。 反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2· h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔 径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定性。 材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。 高分子物质极易粘附和沉积，造成严重的浓差极化和堵塞。 原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。 问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和 其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到一定程度。
水处理技术中的膜分离过程
水处理技术中的膜分离过程一、引言近年来，水的污染问题越来越引起人们的关注。
进行水处理是防止水污染的重要方法之一。
目前，为了去除水中的有害物质，膜分离技术已经被广泛应用。
本文将从介绍膜分离技术的基本原理及其类型，到讨论应用于水处理中的膜分离技术的发展与应用，最后总结水处理技术中膜分离过程的应用价值等方面进行探讨。
二、膜分离技术概述膜分离技术是指利用膜作为介质，通过物理，化学或生物作用进行分离，纯化或净化物质的技术。
该技术的最大优点是能够高效地去除水中的有害物质。
目前，膜分离技术可分为有机膜和无机膜两类。
有机膜可以分为微滤、超滤、逆渗透和气体传递膜等几种类型。
而无机膜包括陶瓷膜和金属膜两种类型。
三、水处理中的膜分离技术（一）微滤微滤是指通过孔径为0.1-10μm的多孔膜进行分离的技术。
该技术可以去除水中的悬浮颗粒、浑浊物、细菌等大颗粒物。
在饮用水制作过程中，使用微滤膜可以去除水中的浑浊物和细菌，生产出清澈无菌的饮用水。
（二）超滤超滤是指通过孔径为0.001-0.1μm的膜进行分离的技术。
该技术可以去除水中的大分子物质、胶体、细胞等。
在饮用水制作过程中，使用超滤膜可以去除水中的有机物质和微生物。
（三）逆渗透逆渗透是指通过孔径为10-100nm的半透膜进行分离的技术。
该技术可以去除水中的重金属、离子、有机物质等。
在饮用水制作过程中，使用逆渗透膜可以去除水中的大部分离子和有机物质，以达到降低水中总溶解固体量的目的。
（四）气体传递膜气体传递膜是指以气体为处理对象的膜分离技术。
该技术可以将气体通过膜分离出来，如从废气中去除二氧化碳等。
此外，气体传递膜还可应用于废气处理、气体分离等领域。
（五）陶瓷膜陶瓷膜是由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料制成的膜。
该技术可以去除水中的溶解性盐类、大分子物质等，应用于纯水制造、污水处理、饮用水制作等领域。
（六）金属膜金属膜是指以不同的金属为材料制成的膜。
该技术可以在坚固的膜上形成纳米孔隙，从而实现对水中微量有害物质的去除。
膜分离技术工艺流程
膜分离技术工艺流程膜分离技术是一种利用半透膜对物质进行分离的方法，广泛应用于水处理、食品加工、制药等领域。
膜分离技术工艺流程是指在膜分离过程中所涉及的一系列操作步骤，下面将详细介绍膜分离技术的工艺流程。
1. 前处理膜分离技术的前处理是为了避免膜污染和膜堵塞，通常包括预处理和中间处理两个阶段。
预处理主要是对原始液进行粗处理，如过滤、沉淀、调节pH值等，以去除悬浮固体、胶体颗粒和大分子物质。
中间处理主要是对预处理后的液体进行细处理，如活性炭吸附、氧化、消毒等，以去除溶解性有机物、微生物和残留氧化剂等。
2. 膜分离膜分离是整个工艺流程的核心步骤，通过半透膜的选择性渗透作用，将原始液中的溶质和溶剂分离。
根据分离机理的不同，膜分离可以分为压力驱动型和浓度驱动型两种。
压力驱动型膜分离主要包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等技术，可以用于分离悬浮物、胶体、溶解性大分子和溶质等。
浓度驱动型膜分离则是利用溶剂的浓度差异来实现物质的分离，如蒸发浓缩、气体分离等。
3. 后处理膜分离后处理主要是对膜分离过程中产生的浓缩物和稀释物进行处理。
浓缩物通常需要进一步处理以达到满足特定要求的浓度或纯度，如结晶、干燥、沉淀等。
而稀释物则需要进行废液处理，以避免对环境造成污染。
后处理过程中还可能包括对膜进行清洗和维护，以保证膜的使用寿命和分离效果。
4. 控制参数在膜分离技术工艺流程中，需要对一些关键参数进行控制，以确保膜分离的效果和稳定性。
例如，控制进料流量和压力可以影响渗透通量和分离效果；控制膜的温度可以改变物质的渗透速率和选择性；控制清洗液的pH值和浓度可以去除污染物和恢复膜性能。
这些参数的控制需要根据具体的应用和膜的特性进行优化。
5. 能耗评估膜分离技术工艺流程的能耗评估是指对整个工艺流程中能源消耗进行评估和优化。
膜分离过程中主要的能耗包括泵送能耗、压缩能耗、加热能耗和冷却能耗等。
通过对能耗的评估和优化，可以降低生产成本，提高能源利用效率，减少对环境的影响。
膜分离法
工程实例
纳滤（NF） 膜与反渗透 （RO）膜联 用的应用实例。 该装置将二次 处理（生物处 理水）后的下 水用NF、RO 膜再次处理， 处理后的水用 于展览馆大型 水槽内的热带 鱼饲养。
处理前后的水质分析结果
§2 超 滤
超滤是依靠压力推动力和膜进行工作，该膜具 有对液状溶液或者液状混合物中一些组分的渗透 性，而对另一些组分无渗透性。
膜分离技术是物质分离技术中的一个操作单元。
废弃物形态及膜分离技术的适用性
可看出膜分 离技术处理 的对象是流 体，故主要 适用于废水、 废液、废气 的处理。
2 适用于废水排放用途的膜分离技术
排放水处理以 往采用沉淀法、活 性污泥法等，现在 膜法或与上述方法 配合使用，或者完 全代替使用。使用 膜法时，除得到膜 透过液外，对于浓 缩液有时可通过萃 取方法提取有用物 质，而多数情况则 是固化后燃烧处理。
（6）
(7)
当cf很小可以忽略不计时,上式简化为
式中D/δ可用km代替,称为传质系数,则得
浓度极化所形成的胶凝层
当J随着△P的增长而增长 时，浓度cm也就随之增长，但 大分子的浓度增加到某一值cg
后就会发生淀沉，在膜的表面
出现—层凝胶物。凝胶层浓度 cg从此也就固定下来。因此， 在传质系数km为常数的水流条 件下，水的通量J也就不变， 不再因压差△P增加而增长。
• 其他：气体分离（GS）、渗透蒸发（PVAP）、 液膜（LM）、集成膜技术（IMT）等
电渗析、超滤、反渗透是目前给水与废水处理常用的三种膜分离方法。
滤膜孔径及操作压力
大致说来，超滤用于去除大小大于10倍溶剂分子的颗粒，颗粒相对分子质量小于1000。 对溶剂水而言，即颗粒应约大于2.5nm(水分子为0.28nrn)。 超滤膜的孔径一般为1.5~10nm。超滤系统一般在小于0.5MPa下操作。 反渗透用于占除大小与溶剂同一数量级的颗粒．相对分子质量在10~1000范围内。 对水溶液而言，颗粒的大小约为零点几个纳米。反渗透用半透膜作为滤膜，必须在克 服膜两边渗透压的条件下操作，典型的操作压力为5MPa。 当颗粒物大于约50 nm后，即属于一般的过滤。
膜分离的过程
膜分离的过程
什么是膜分离过程？
膜分离过程是指应用膜作为一种分离材料来处理物质的过程。
它可以帮助在流体中分离出不同的溶质，产生不同的浓度溶液，它的应用涵盖了污水处理、啤酒制造、水质净化等。
膜分离技术的基本原理是：在流体中，膜会有效地过滤细微悬浮物，它们的大小会被膜特定的孔径限制，只有尺寸较小的悬浮物（如颗粒、离子、生物活性物质等）才能通过膜，而大尺寸物质（细菌、反应产物、色素等）则被留在膜的外侧。
因此，可以通过选择膜的孔径，有效地分离出不同粒径的悬浮物，从而实现净化的目的。
膜分离过程包括四个主要步骤：第一步是膜的选择，根据要净化的物质，选择合适的膜材料、孔径大小、孔隙率等；第二步是膜层的渗透，使溶液渗透到膜内，从而实现分离；第三步是洗涤步骤，在洗涤过程中，将被留在膜内侧的粒子、有机物流失掉；第四步则是从膜内收集物质，得到清洗物质。
膜分离过程的优势在于它具有高效率、低成本、无污染等特性，它不仅能节省能源消耗，更可有效地回收有用的资源，是目前大多数分离处理过程的理想选择。
- 1 -。
生物分离工程之膜分离过程
MWCO与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
MWCO（球状蛋白质） 近似孔径（nm)
1000
2
10 000
5
100 000
12
1000 000
29
26
2. 水通量
与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范围广4-11
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
• 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 • 微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， • 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 • 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 • 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 • 电渗析：离子交换树脂 • 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙
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3. 反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子 物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。
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反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透
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膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
第七章-膜分离技术
二、超滤的浓差极化 溶质会在膜表面积聚
超滤分离原理示意图
并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度。
减轻浓差极化的措施： ① 错流设计，以利清除极化层； ② 流体流速提高，增加流体的湍动程度； ③ 采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁。 三、超滤膜 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、
四、微滤的应用
｛ 1.微滤膜的特点
⑴孔径的均一性 ⑵空隙率高
⑶材薄
｛ ｛｛ 2.微滤的应用
⑴实验室中的应用 ⑵工业上的应用
微生物检测 微粒子检测
制药工业 电子工业
其他领域
二、电渗析的流程 各种电渗析器的组合方式示意图
直流式电渗析除盐流程
循环式电渗析除盐流程
部分循环式电渗析除盐流程
三、电渗析技术的应用 （１）咸水脱盐制淡水
电渗析脱盐生产淡水的工艺流程 1-渗析槽；2-冷凝器；3-浓缩罐；4-结晶罐；5-涡轮机；6-锅炉；7-浓液槽
（2）重金属污水处理
电渗析处理电镀含镍污水工艺流程
极化的危害： ① Ca2+、Mg2+等离子时将形成沉淀； ②膜电阻增大，降低分离效率。
4．离子交换膜 可分为三类： （1）均相离子交换膜； （2）非均相离子交换膜 ； （3）半均相离子交换膜。 对离子交换膜的要求是： ① 有良好的选择透过性； ② 膜电阻应低，膜电阻应小于溶液电阻； ③ 有良好的化学稳定性和机械强度；有适当的孔隙度。
②对溶剂渗透通量的增加提出了限制； ③膜表面上形成沉淀，会堵塞膜孔； ④会导致膜分离性能的改变； ⑤出现膜污染。
各种组件的比较
三、反渗透组件及其技术特征
膜分离氢气纯度
膜分离是一种利用特殊材料的薄膜选择性分离混合物的方法。
膜分离技术可以用于氢气的纯化，通过膜分离纯化氢气，可以得到较高纯度的氢气。
膜分离氢气的原理主要是基于膜的选择性渗透。
这种材料必须对氢气有很高的渗透性，同时对其他气体如氧气、氮气等有很好的隔离效果。
在氢气和空气的混合物中，氢气通过膜的速度要快于氧气和氮气，因此，通过一定的时间后，氢气会在膜的这一侧得到浓缩，而空气和氮气则会在另一侧被排出，从而实现了氢气的纯化。
具体来说，膜分离氢气的过程是这样的：首先，将氢气和空气的混合物输入到膜分离系统内，然后通过控制膜两侧的压力差，使得氢气得以快速通过膜并浓缩在膜的一侧，而空气和氮气则被阻挡在膜的另一侧。
随着分离过程的进行，被浓缩的氢气会达到一定的纯度要求。
这个过程不需要额外的催化剂，因此不会引入新的杂质。
关于膜分离设备的要求和使用条件，一般需要选择质量较好的膜材料，以确保在长时间使用中仍能保持较高的选择性。
此外，为了保证设备稳定运行，还需定期对设备进行检查和维护。
膜分离过程通常需要在恒定的温度和压力条件下进行，因此在使用过程中需要关注环境条件的变化。
当然，实际操作中还需要根据具体情况考虑其他因素，如气体纯度、压力、温度等的影响，以保证膜分离过程的顺利进行。
总体来说，膜分离是一种高效、环保的氢气纯化方法，可以满足大多数工业和实验室应用的需求。
如果您需要更高纯度的氢气或者有特殊的工艺要求，可以考虑采用其他的纯化方法，如电解水、变压吸附等。
这些方法各有优缺点，需要根据实际情况进行选择。
膜分离制氧
膜分离制氧是一种用于从空气中分离纯氧气的技术。
这个过程通常涉及使用膜，膜可以选择性地允许氧气通过，同时阻止其他气体（如氮气）通过。
这种技术在医疗、工业和其他应用中广泛使用，以提供高纯度的氧气。
以下是膜分离制氧的基本工作原理和步骤：
空气供应：初始步骤涉及将大气空气引入系统。
通常，这可以通过使用空气压缩机将空气压缩到合适的压力来实现。
气体预处理：在进入膜分离系统之前，空气通常需要经过一些预处理步骤，以去除水蒸气、颗粒物和其他杂质，因为这些杂质可能会影响膜的性能。
膜分离：在膜分离系统中，空气通过膜，这些膜是选择性透气的，通常基于分子大小或分子极性的差异。
膜只允许氧气分子通过，而阻止氮气和其他杂质气体。
这使得氧气可以在膜的另一侧被收集，而不纯气体则被拒绝。
收集和储存：通过膜的另一侧，纯氧气被收集和储存在适当的容器或管道中。
这些容器可以用于供应医疗设备、工业过程或其他应用中需要高纯度氧气的地方。
膜分离制氧的优点包括操作相对简单、低能耗、无需化学物质，以及能够提供高纯度的氧气。
这在医疗设备、食品包装、金属切割和焊接、玻璃制造等各种应用中都有广泛的用途。
此外，它也比传统的分子筛技术更经济，因为它需要较少的能源和维护。
常用的膜分离过程.
二、超滤膜材料和制备
常用的超滤膜材料有醋酸纤维超滤膜、聚砜超滤膜、聚砜酰 胺超滤膜等。
非对称平板膜、管状膜采用溶液浇注法 中空纤维膜采用纺丝法
三、超滤膜设备
超滤膜装置一般由若干超滤组件构成。超滤过程的膜形式包 括管式、板框式、卷简式个字纤维式、薄层流道式以及平行叶片 式。各种膜组件的特征及优缺点见表。
七、微滤膜的应用现状及前景
超滤（UF）
超滤膜属于压力驱动型膜分离过程，它是利用孔径在1～100nm左右的膜， 通过筛分原理分离，选择性透过溶剂和某些小分子溶质的性质，对料液侧施加 压力(操作压差范围大约在0.9MPa～1.0MPa)，使大分子溶质或细微粒子从溶液 中分离出来的过程。超滤是一种机械分离方法，只有小于0.002μm粒子、水、 盐糖和芳香物等能够通过超滤膜，超滤膜空隙尺寸在15~1000埃，过滤粒子尺 寸范围0.002~0.2μm。采用的滤膜较反渗透膜粗，类似盐、糖的溶质能够通过滤 膜，蛋白质等大分子的溶质被隔在膜外，超滤的滤膜分子量吸收限制值在500 至几十万道尔顿，直径大于0.1μm的溶质，如蛋白质、果胶、脂肪及所有微生 物，尤其是酵母菌、霉菌，不能通过超滤膜。
在实际使用中，究竟采用哪种组件形式，要针对膜材料和被处理液的性 能而定。一般来说，当原水含有易产生凝胶的溶质或存在一定量悬浊物时， 采用管式和板式组件为宜。不过，不论采用哪种形式的组件，对待超滤的原 水最好都进行一定的前处理，特别是对一些水质较差、浊度较高的原水，均 需要采取严格的前处理措施。例如加入某些乳化剂以防止沉淀聚结；加入络 合剂把可能形成污染的物质络合起来，防止它们形成沉淀；调节溶液的pH值 使聚电解质处于比较稳定的状态等。
二、微滤分离原理
四、微滤膜制备方法
五、主要的微孔滤膜材料
第九章膜分离过程详解
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膜材料特征
醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、 碱存在下易发生水解。为了进一步提高 分离效率和透过速率，可采用各种不同 取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜; 也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混 合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、 醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。 纤维素醋类材料易受微生物侵蚀， pH值适应范围较窄，不耐高温和某些 有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤 维素酯类（合成高分子类）膜。
4
一 膜技术概况和类型
60年代初马丁在研究反渗透时发现具有 分离选择性的人造液膜，这种液膜是 覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。 1961年，米切利斯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，
膜材料特征
2. 非纤维素酯类膜材料
（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 ① 分子链中含有亲水性的极性基团； ② 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使 之有高的抗压密性和耐热性； ③ 化学稳定性好； ④ 具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、 聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。
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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。 1967年，研制了以尼龙—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 成功研制平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始 工业化。
70年代初，卡斯勒（Cussler）又成功研制含流动载体 的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。
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。
膜分离过程
从上述两式均可看出，透过通量与压差成正比，与滤液粘度 成反比。这是分析超滤和定孔径大小、高分子溶质不能透过 的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液(左侧) 与纯水或缓冲液(右侧)分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同， 在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质(例如无机 盐)透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。图5.3所 示的透析操作中，通常将右侧纯水或缓冲液称为透析液，所 用亲水膜称为透析膜。透析过程中透析膜内无流体流动，溶 质以扩散的形式移动，摩尔透过通量N为
电位差
压差、温 差
电荷、筛分
溶质与膜的亲 和作用
脱盐，氨基酸和有机酸 分离
有机溶剂与水的分离， 共沸物的分离
膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分 离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration， UF)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析(Dialysis，DS)、 电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化(Pervaporation， PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。
如图5.4所示，阳离子交换膜C和阴离子交换膜A各两张交错 排列，将分离器隔成5个小室
如图两端与膜垂直的方向 加电场，即构成电渗析装 置。以溶液脱盐为目的时， 料液置于脱盐室(1、3、5)， 另两室(2、4)内放入适当 的电解液。在电场的作用 下，电解质发生电泳，由 于离子交换膜的选择性透
过特性，脱盐室的溶液脱盐，而2、4室的盐浓度增大。电渗 析过程也可连续操作，此时料液连续流过脱盐室(1、3、5)， 而低浓度电解液连续流过2、4室。从脱盐室出口得到脱盐的 溶液，从2、4室出口得到浓缩的盐溶液。电渗析在工业上多 用于海水和苦水的淡化以及废水处理。作为生物分离技术， 电渗析可用于氨基酸和有机酸等生物小分子的分离纯化。
膜分离过程
(4)、蒸发过程结束，将 薄膜浸到冰水中，产生溶剂和 水(沉淀剂)之间的交换，而形 成凝胶，其过程可用三元相图
表示。薄膜从一相区(点A)，由
于吸水和失去溶剂而移入两相 区，高聚物相和水相，而在膜 中形成空隙。在B点，溶剂完 全为水所取代。
溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的反
渗透过程，但对有机物常不能适用。就这些方面说来，
优先吸附-毛细孔流动模型比较优越。
(三)优先吸附 毛细孔流动模型
Sourirajan认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔 的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上 始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。 在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。可想像如果 毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过 速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最 大程度的脱盐。根据这一想法，成功地选择了膜材料，合 成了一定孔径的膜，以满足应用于不同系统的需要。
5、价廉。
（二）、制造膜的材料
(1)、天然物质的衍生物
醋酸纤维(纤维素－2－醋酸酯、纤维素—2，5—醋酸 酯酝、纤维素－3—醋酸酯) 乙酸丁酸纤维 再生纤维素
硝酸纤维素
(2)、人造物质 聚酰胺(芳香族聚酰胺、共聚多酰胺、聚酰胺酰肼) 聚苯并咪唑、聚砜，聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚 脲、聚呋喃、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、聚醚、聚酰亚胺、 聚苯醚等。
(3）、耐氯能力强 一般在短期清洗时，对氯的耐受量可高 达200ppm，长期贮存膜时，耐受量达50ppm。
(4)、孔径范围宽 孔径范围(10一200)×l0－10m，截断分子 量范围1000—500000，符合于超滤膜的要求，但不能制成 反渗透膜或微过滤膜。
膜的分离过程
时间的延长而逐渐降低，膜外观厚度减少， 膜由半透明变为透明。
影响因素：操作压力和温度。
2.膜的水解作用 醋酸纤维素是有机酯类化合物，比较容
易水解，水解的结果是乙酰基脱掉。 实际操作中，可控制进液pH和进料温度。
3.膜的浓差极化 • 在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。如下图：
冲液中，用离心法除去杂质，收集上清液准备上柱。
操作步骤
• 先把DEAE-Sephadex A-50装入3×40厘米的柱中，用pH值为7.6、2.5微摩尔／升的缓冲液上柱，等 流出液的pH值为7.6时，然后将样品上柱，用pH值7.6、2.5微摩尔／升～50微摩尔／升的缓冲液进行 梯度洗脱(洗脱液浓度从2.5微摩尔／升开始逐渐加大至最终浓度达50微摩尔／升，这样便形成一个洗脱 梯度)，收集具有SOD的活性峰。
Millipore公司板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（工业用）
卷式膜分离器（工业用）
思考题
1. 何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？ 2. 膜在结构上可分为那几种？膜材料主要用什么？ 3.简述微滤、超滤膜、反渗透膜在膜材料、结构、性 能、分离机理及其应用等方面的异同点 3.膜分离的表征参数有那些？何谓膜截留分子量？ 4.何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少 浓差极化现象的措施？ 5.膜的清洗及保存方法有那几种？ 6.膜分离设备按膜组件形式可分为几种？相比较的优 缺点？
盐溶液 反渗透
2. 反渗透（reverse osmosis） • 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于 渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的 溶液进一步浓缩。 3. 超滤（ultrafiltration） • 按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分 子的膜分离操作； • 膜只阻挡大分子，大分子的渗透压不明显。
第四章膜分离过程原理(完整版)
4.2 以压力差为推动力的膜分离过程
• 微滤是指大于0.1μm的颗粒或可溶物 被截流的压力驱动型膜过程(MF)
• 超滤是指小于0.1μm大于2nm的颗粒 或可溶物被截流的压力驱动型膜过 程(UF)
• 反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透 压而选择性透过的膜过程(RO)
• 纳滤是指小于2nm的颗粒或可溶物被 截流的压力驱动型膜过程(nF)
• 超滤的操作模式基本上是死端过滤和错流过滤 两种。产物既可以是渗透液，也可以是截留液 或者二者都有。
微孔过滤
用于从气相或液相物质中截留分离微粒、 细菌、污染物等。 1 微过滤膜:孔径0.025 ~ 3m，特种纤维 素酯、高分子聚合物制成。
三醋酸酯纤维素 聚四氟乙烯 尼龙－66
亲水型
憎水型 通用型
式中，ci—溶质物质的量浓度，kmol/m3; n—溶液中的组分数。
对电解质水溶液，常引入渗透压系数来校 正偏离程度，对水溶液中溶质i组分， 其渗透压可用下式计算
在实际应用中，常用以下简化方程计算
• 4.2.1.2反渗透操作特性参数计算
基于Sourirajan的优先吸附—毛细孔流动机理，溶剂和溶 质通量可用Kimura-Sourirajan模型求算 溶剂通量
盐，氨基酸，糖 的浓缩，淡水 制造
脱盐，除变性剂
脱盐，氨基酸和 有机酸的分离
有机溶剂与水的 分离，共沸物 的分离（如乙 醇浓缩）
4.2.1.1渗透和渗透压 盐溶液 纯水
1885 年 , Van’t Hoff 渗透压定律：
·R·T·Ci 渗透是在膜两边渗透压 差—— 的作用下的溶 剂流动；而反渗透、超 滤是在一外加压力差 P > 的作用下, 溶剂逆 向流动。
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膜分离概述
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当 膜两侧存在某种推动力时，原料侧组分选择 性透过膜，以达到分离、提纯、富集的目的
膜分离的推动力可以是多种多样的，一般有 浓度差Δc，压力差Δp，电位差Δv等
膜分离过程的实质是小分子物质透过膜，而 大分子物质或固体粒子被阻挡。因此，膜必 须是半透膜。
渗透蒸发
▪ 分离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气相分
隔开,并在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗透组分的 蒸气压控制到接近零,液相中产生的化学位梯度作为传质 推动力的膜分离过程。
膜分离过程 (membrane separation)
膜渗分离透过蒸程发的原类型理示意图
水分子
醇分子
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)
膜分离过程透的析类型法的应用
蛋白质透析
透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力， 使不溶性物质得以分离的操作。
孔径分布范围在0.025~14μm之间，截留直径 为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养 基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
微滤 (Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随过滤时 间延长，膜面上截流沉积不 溶物，引起水流阻力增大， 透水速率下降，直至微孔全 被堵塞；
应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的
渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分离 器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透 过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而 滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。
气体渗透分离空气中的氮
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
分离方法
反渗透
低温多效
多级闪蒸
能耗(kWh/m3)
3.5
>7
>10
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
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
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子 交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或 富集电解质的膜分离操作。
超滤原理的示意图
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。
超滤原理的示意图
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力 相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶 质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使水分子透 过的推动力。
小分子有机物和无机离子的去 除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白
除
质溶液脱盐等
电渗析 离子交换膜
电位差
渗透蒸 致密膜或复合膜 浓度梯度 发
离子脱除、氨基酸分离 小分子有机物与水的分离
苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工 艺用水
醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱水，有机 液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等
②优先吸附－毛细管流动模型
由于膜表面对渗透物的优先吸附作 用，在膜的上游侧表面形成一层该 物质富集的吸附液体层。然后，在 压力作用下通过膜的毛细管，连续 进入产品溶液中。此模型能描述多 孔膜的反渗透过程。
③从不可逆热力学导出的模型
膜分离过程通常不只依赖于单一的推动力， 而且还有伴生效应（如浓差极化）。不可逆 热力学唯象理论统一关联了压力差、浓度差、 电位差对传质通量的关系，采用线性唯象方 程描述这种具有伴生效应的过程，并以配偶 唯象系数描述伴生效应的影响。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得 到应用
30年代 微孔过滤
40年代 渗析
50年代 电渗析
60年代 反渗透
70年代 超滤Biblioteka 80年代 气体分离90年代
渗透汽化
现代
EDI技术
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源 传统工业
膜
能源 生态环境
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支 持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表面 上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的表 面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为有 选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
膜
膜分离过程的核心是膜本身。
工业应用的膜应具有较大的透过速度和较 高的选择性，这是选择膜的两个最重要的 技术特性。
还应具备机械强度好、耐热、化学性能稳 定，不被细菌污染等条件。
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
主动传递主要发生在细胞膜中。
膜分离过程机理模型
溶解－扩散模型 优先吸附－毛细管流动模型 从不可逆热力学导出的模型
①溶解－扩散模型：
适用于液体膜、均质膜或非对称膜表皮层内的物质传 递。
在推动力作用下，渗透物质先溶解进入膜的上游侧， 然后扩散至膜的下游侧，扩散是控制步骤。例如气体 的渗透分离过程中，推动力是膜两侧渗透物质的分压 差。当溶解服从亨利定律（见相平衡关联）时，组分 的渗透率是组分在膜中的扩散系数和溶解度系数的乘 积。混合气体的分离依赖于各组分在膜中渗透率的差 异。溶解-扩散模型用于渗透蒸发（又称汽渗，上游 侧为溶液，下游侧抽真空或用惰性气体携带，使透过 物质汽化而分离）时，还须包括膜的汽液界面上各组 分的热力学平衡关系。
反渗透：
定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 是一种以压力差为推动 力，从溶液中分离出溶 剂的膜分离操作，孔径 范围在0. 1~1 nm之间。
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
（1~10MPa)
（＜１nm)
细粒子胶体去除可溶性中等 或大分子分离
溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌， 酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印 染废水处理，乳化液分离、浓缩等
小分子溶质脱除与浓缩
低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水 淡化，超纯水制备
透析
对称的或不对称 的膜
浓度梯度
在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
6.气体渗透：
气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择 性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化 的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用 下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶 解、扩散、脱溶、逸出。
第五节
膜分离过程及设备
膜分离技术
膜分离技术是20世纪60年代以后发展起来 的高新技术。
与传统的分离方法相比，具有设备简单、 节约能源、分离效率高、容易控制等优点
膜分离通常在常温下操作，不涉及相变化， 这对处理热敏性物料，显得十分重要
膜分离技术一般可除去1μm以下的固体粒 子。
膜分离技术应用
分离机理 分离对象
体积大小 固体粒子
体积大小
0.05~10μm的固体粒子
体积大小 1000~1000,000Da的大分子
溶解扩散
离子、分子量＜100的有机物
溶解扩散
离子、有机物
溶解扩散
离子、有机物
孔径/nm
＞10000
50~10000
2~50
＜２ ＜0.5 ＜0.5
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离也有很多缺点，比如膜面易发生污染，膜 分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清 洗方法；稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力 有限，故使用范围有限；单独的膜分离技术功能 有限，需与其他分离技术连用。
膜分离过程
膜分离过程的类型
各种膜分离范围
膜过程
粒子过滤 微滤 超滤
纳滤 反渗透 渗透蒸发
膜分离的孔径范围
膜分离过程的类型
膜分离过程的实质是物质透过或被截留 于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤 膜孔径大小而达到物质分离的目的，故 而可以按分离粒子大小进行分类。
膜分离过程的类型