膜分离技术概论和材料制备过程讲解
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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。
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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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）
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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PPT
优化膜结构
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
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纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
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3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
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纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
膜分离技术(精细化学品分离提纯技术)
187.5 127.0 54.2 5.8
分离系数
106 36 7.2 3.2
可见：要实现有效分离，必须选择一个能优先溶解一种溶 质而排斥所有其他溶质的膜溶剂。
2.滴内化学反应型 （膜相中不含流动载体）
定义：若在溶质的接受相内添加与溶质能发生化学反应的 试剂，通过化学反应来促进溶质迁移的方 法叫滴内化学 反应型液膜法
8.2 渗析技术
渗析又叫透析。它是通过半透膜实现分离的。
半透膜：只允许某些分子透过（如水），而不允许另一些物 质（如生物大分子）透过的透气性薄膜。如：膀胱，肠膜。
渗析原理：渗析是使用具有一定孔径的半透膜，将待渗析的 样品与水（或低盐缓冲溶液）隔开。样品中的盐和分子直 径小于膜孔径的较小分子可以透过膜进入水一侧，而另一 侧的水也会透过膜进入样品液一侧。经过一段时间达到渗 透平衡后， 样品中盐的浓度和能透过膜的小分子的浓度 下降。此时可将水换成新鲜水，再进行第二次透析。经过 多次操作，样品中的盐和小分子物质基本上被除尽，而只 留下分子直径比膜孔径大无法穿过膜的物质在样品液中， 从而达到了分离的目的。
• 膜萃取（是膜技术与萃取过程相结合的新型膜分离技术，又称固定
膜界面萃取。膜萃取过程中，萃取剂与料液分别在膜两侧流动，传质 过程是在分隔两液相的微孔膜表面进行的，没有相分散行为发生。）
• 膜分相（利用多孔固体膜表面与乳浊液中两相的物化作用不同，其
中一相优先吸附在膜表面上，形成纯的液相层，在膜两侧极小压差作 用下，此相优先通过分相膜的孔，从而达到两相分离的目的。）
8.4 其他膜分离过程
• 膜蒸馏（在疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接即暖层，而
在膜的另一侧则与低温冷壁相邻即冷层。正是借助这种相当于暖层与 冷层之间温度差的蒸气压差，促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔， 再经扩散到冷侧的冷壁表面被凝缩下来，而液相水溶液由于多孔膜的 疏水作用无法透过膜被留在暖侧，从而达到与气相水分离的目的。）
医用膜分离制氧机的原理
医用膜分离制氧机的原理医用膜分离制氧机是一种利用膜分离技术制备纯氧的设备。
它的原理是通过膜分离技术将空气中的氧气和氮气分离，从而制备出高纯度的氧气，为医疗用途提供氧气来源。
膜分离制氧机的原理及其制备过程是非常复杂和精密的，下面我们来详细介绍一下膜分离制氧机的原理和工作过程。
1.膜分离技术的原理膜分离技术是一种通过半透膜对不同大小、不同性质的气体分子进行分离的技术。
它是利用气体在不同材料的薄膜中的渗透速率及渗透率的差异，通过控制渗透压差，使气体分子在薄膜上渗透，从而实现气体分离的技术。
膜分离技术已经在许多领域得到了广泛应用，包括医疗、工业、环保等领域。
2.膜分离制氧机的原理医用膜分离制氧机是一种利用膜分离技术制备纯氧的设备。
它主要由空气压缩系统、分子筛吸附系统、膜分离系统和氧气储存系统组成。
工作原理是利用空气压缩系统将空气进行压缩，然后通过分子筛吸附系统将其中的水、二氧化碳等杂质去除，最后通过膜分离系统将氮气和其它杂质分离出来，从而得到高纯度的氧气。
3.膜分离制氧机的工作过程膜分离制氧机的工作过程分为压缩、吸附和分离三个阶段。
首先，空气通过空气压缩系统被压缩，这样可以增加气体的压力，为后续处理提供条件。
然后，压缩后的空气通过分子筛吸附系统，去除其中的水、二氧化碳等杂质，这样可以减少对膜分离系统的损坏，并提高氧气的纯度。
最后，去除杂质后的气体进入膜分离系统，通过半透膜的渗透作用，将氮气和其它杂质分离出来，从而得到高纯度的氧气。
4.膜分离制氧机的优势膜分离制氧机具有操作简单、能耗低、氧气纯度高等优点。
相对于传统的液态制氧和压缩式制氧设备，膜分离制氧机具有更高的制氧效率和更低的维护成本。
同时，膜分离制氧机可以根据需要调整氧气产量，可以满足不同医疗场所对氧气的需求。
总之，医用膜分离制氧机是一种利用膜分离技术制备纯氧的设备。
它通过对空气进行压缩、吸附和分离等工艺，将其中的氮气和其它杂质分离出来，从而得到高纯度的氧气。
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反渗透膜装置
膜器 膜分离装置
管式膜
平板膜、卷式膜支撑材料
管式膜过滤设备
小型实验室平板超滤膜装置
1.3 膜分离的基本原理
分离膜具有选择透过特性，所以它可以使混 合物质有的通过、有的留下。但是，不同的 膜分离过程，它们使物质留下、通过的原理 有的类似，有的完全不一样。
总的说来，分离膜之所以能使混在一起的物 质分开，不外乎两种手段。
膜必定有两个界面，并由这两个界面分别 与被其分隔于两侧的流体相物质相接触。
膜的定义
膜不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那 些具有一定特殊性能(例如，半透、电学、 光学、识别及反应等特性)的膜。对分离膜 来说，可将它看作是两相之间的一个半渗透 的隔层，该隔层按一定的方式截留分子。因 此，两相间的膜必须起到隔层的作用，以阻 止两相的直接接触。该隔层可以是固体、液 体，甚至是气体的，半渗透性质主要是为了 保证分离效果。
当代工业的三大支柱是材料、能源 和信息。这三大产业的发展都离不开新 的分离技术。人类生活水平的进一步提 高也有赖于新的分离技术。在21世纪，
分离技术必将日新月异，再创辉煌。
1.2 分离和膜分离
将自然界的混合物分开可以采取各种方法。 例如:
蒸馏 吸附方法 变压吸附方法 混合物之所以能被分离，是由于它们之间
满足人类对生活改善日新月异的需求。例如：
从简单的蒸馏发展到减压蒸馏、多级闪蒸、
压汽蒸馏；从简单的吸附发展到变压吸附、
气相色谱、高压液相色谱；从筛网发展到精 密过滤、膜分离等。
膜分离
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代 后迅速崛起的一门分离新技术。顾名思义，膜 分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性 能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、 提纯、浓缩的一种分离新方法。这种薄膜必须 具有使有的物质可以通过、有的物质不能通过 的特性。膜可以是固相、液相或气相。目前使 用的分离膜绝大多数是固相膜。
物质通过分离膜的溶解速度完全取决于被分离 物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速度除 化学性质外还与物质的分子量有关。混合物质 透过的总速度相差愈大，则分离效率愈高，反 之，若总速度相等，则无分离效率可言。
物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的 速度，首先是从膜表面接触的混合物中进入膜 内的速度(称溶解速度)，其次是进入膜内后从 膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之 和为总速度。总速度愈大，透过膜所需的时间 愈短；总速度愈小，透过时间愈久。
的物理或化学性质有所差异。我们就是利用这 些差异将其分开的。性质完全相同的物质称为 元素和化合物，元素和化合物是不能被分离的。 性质愈相近，分离就愈困难，反之亦然。
例如水与油比较容易分开，水与酒精就 不易分开。这是因为水与酒精都具有较 强的极性(分子上都具有羟基)，而油的分 子上只有无极性的C-C键和C-H键。
膜分离技术概论
主要章节和学时: 32学时 第1章 导 论 第2章 膜材料和膜制备 第3章 反渗透 第4章 超滤和纳滤 第5章 微滤 第6章 气体膜分离 第7章 其它膜过程 第8章 膜分离过程强化 第9章 21世纪膜分离技术的发展
第1章 导 论
1.1 分离技术在人类生产和生活中的重要作用 1.2 分离和膜分离 1.3 膜分离的基本原理 1.4 膜分离技术的特点 1.5 膜分离技术的发展史 1.6 膜分离的应用及市场 1.7 发展中的膜科学
(1)根据它们物理性质的不同 (2)根据混合物的不同化学性质
(1)根据它们物理性质的不同
主要是质量、体积大小和几何形态差异， 用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过程 就是根据这一原理将水溶液中孔径大于 50nm的固体杂质去掉的。
图 1—1 各种膜的截留区段
(2)根据混合物的不同化学性质
主要是溶解和扩散
膜的定义
自然界中存在着这样的物质体系，即在一 种流体相(fluid phase)内或两种流体相之间， 有一薄层凝聚相(condensed phase)物质把流 体相分隔成两部分。这一薄层物质就是所谓的 “薄膜”[或简称膜(membrane)]。
膜可以是固态的或液态的。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ膜分隔开的 流体相物质可以是液态的或气态的。膜本身可 以是均匀的一相，也可以是由两相以上的凝聚 态物质所构成的复合体。
表1-1 主要膜分离过程的推动力
推动力
膜过程
压力差 电位差 浓度差 浓度差(分压差) 浓度差加化学反应
反渗透、超滤、微滤、气体分离 电渗析 透析、控制释放 渗透气化 液膜、膜传感器
膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相 之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为 互不相通的两部分，并能使这两部分之间产 生传质作用。 膜的厚度在0.5mm以下，否则，就不称为膜。 膜的特性： 不管膜多薄, 它必须有两个界面。这两个界 面分别与两侧的流体相接触。 膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种 或几种物质透过，而不允许其它物质透过。
如果所有物质不按比例均可通过， 那就失去了分离的意义了。膜截留分 子的方式有多种，例如，
按分子孔径大小截留， 按不同渗透系数截留， 按电荷截留，
按不同的溶解度截留，等等。
物质透过分离膜的能力可以分为两类：
一种借助外界能量，物质发生由低位向高位 的流动；
另一种是以化学位差为推动力，物质发生由 高位向低位的流动。
1.1 分离技术在人类生产和生 活中的重要作用
地球上的物质，绝大多数是与其他物质混 在一起的(称为混合物)。天然存在的单纯物质 少之又少。生产实践证明，将地球上的各种各 样混合物进行分离和提纯是提高生产和改善生 活水平的一种重要途径。 冶炼术的发明 放射性铀的同位素分离成功 水和空气中微量杂质除去的分离技术 深冷分离技术 蒸馏、吸附、萃取等分离技术
又如氮与氢较易分离，而氮与氧则较难分开， 这是因为氮的相对分子质量为28，氢的相对 分子质量为2，二者相差悬殊，而氧的相对 分子质量为32，与氮很接近的缘故。
分离技术的发展与人类的生产实践密切 相关。伴随着生产力的发展、科学技术的进
步，分离的方法也从简到繁、技术从低级到 高级、工艺从一种方法到多种联用……，不 断地改进、创新，提高质量，降低成本，以