第八章新型分离技术PPT课件

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1.1 膜的定义
膜的广义定义：膜是两相之间的一个不连续区 间，它以特定的形式控制着物质的传递。
这一广义定义不包括膜的材料、结构等信息， 属于宏观层次的“黑箱”定义，而膜分离的研究开 发往往需要在微观层次上进行。
膜一般很薄，厚度从几微米至几百微米。膜可 为固体、液体或气体，常用的膜为多孔或非多孔的 固相聚合的膜和近年来发明的液膜。从生产和应用， 固体膜都占99%以上。
混合气体在压差作用下通过分离膜，利用混合气中的 各组分分子在膜中的透过速率不同而达到分离的目的。
原料气
残留物
渗透物
气体膜分离过程示意图
特点：能耗低、操作简单、装置紧凑并可按处理量改变等。 应用：合成氨弛放气中回收氢气，天然气中分离CO2、空气、有机 蒸气或天然气的脱湿、燃烧废气中CO2的回收和燃烧废气脱硫等。 18
近年来膜技术发展迅速，广泛应用于化工、 生物、食品、饮料加工，污水处理，冶金技术， 气体和液体燃料的生产等。
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自20世纪50年代膜分离技术发展以来，已 有工业应用的膜技术主要是微滤、超滤、反渗 透、电渗析、渗析、气体膜分离和渗透汽化。 前四种膜分离技术在应用技术上都相对较成熟， 称为第一代膜技术；20世纪70年代末实现工业 应用的气体分离膜技术为第二代膜技术；80年 代开始应用的渗透汽化为第三代膜技术。其他 膜分离过程大多处于实验室研究和中试开发过 程。
在一半透膜两侧的两种溶液 渗 析 液 中的小分子溶质或溶剂通过膜进 行交换，而大分子被截留在各自 的一侧的现象，称为渗析。
人工肾是渗析过程最成功的 范例。自1943年Kolff 用醋酸纤 维素膜制成的人工肾对血液进行 透析治疗尿毒症获得成功后，渗 析技术在血液过滤、血液灌流和 血浆分离等多种治疗方法上得到 应用。
（2）一般无需从外界加入其他物质，从而节约资源 和保护环境；
（3）可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行， 大大提高了过程效率；
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（4）通常在温和条件下进行，因而特别适用于热 敏性物质的分离、分级浓缩与富集；
（5）适用广泛（有机物或无机物的分离、特殊溶 液体系如共沸物的分离） ；
（6）膜的性能可以灵活调节； （7）膜组件简单，可实现连续操作，易与其他分 离过程或反应过程耦合，易自控和维修，易于放大。
第六章 新型分离技术
第一节 概述
分离技术在其他科学技术的带动以及社 会发展的需求刺激下，近年来获得了很大的 进步，新的技术不断涌现，并不断发展和完 善。
本章主要介绍膜分离和超临界流体萃取 等新型分离技术。
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第二节 膜分离
膜（Membrane）分离是一种新兴的多种学 科交叉的高效分离技术。与传统的分离技术相比， 具有分离效率高、能耗低（无相变），可实现连 续分离，易与其他技术相结合，易于放大，膜性 能可调节，无污染等优点。
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1.2 膜分离特点
膜的分离作用是借助膜在分离过程中的选择 渗透作用，使混合物分离，宏观上相似于“过 滤”。
物质选择性透过膜的能力可分为两类，一类 是借助外界能量，物质发生由低区位向高区位的 流动；另一类是以化学位差为推动力，物质发生 由高位向低位的流动。
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膜分离过程共同的特点：
（1）膜分离过程中被分离的物质大都不发生相的变 化，能耗通常较低；
（1）微孔膜（Microporous Membranes） 由纤维素酯等高分子材料在一定条件下制成的
高度均匀的多孔薄膜，属筛网过滤介质，可制成指 定孔径。对于液体，微孔应小于100,000Å；对于气 体分离，微孔为50～100Å，具体取决于气体运动的 平均自由程。
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（2）非多孔型膜（Nonporous Membranes） 也称致密膜，孔径率小于10％，孔径5～
半透膜
p>
半透膜
稀溶液
浓溶液
渗透
稀溶液
浓溶液
平衡
稀溶液
浓溶液
反渗透
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（3）超滤
原理：溶液在压力差的作用下，溶剂和小于膜孔径的溶 质由膜透过，而大于膜孔径的溶质则被截留，从而达到溶液 的净化、分离和浓缩。
超滤应用非常广泛，从家用净水器到现代化工业生产。
A+B 溶液
A 溶液
B 溶液
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（4）气体分离
A
溶质 x1 x2
原液
水或溶剂 水
B
渗出液
溶
剂
+
扩
散
分
子
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（2）反渗透
渗透现象：即纯溶剂通过半透膜由纯溶剂一侧向溶液一侧 的自发流动过程。 渗透压：渗透过程达平衡时半透膜两侧形成的压差 。 反渗透：在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差大于溶液的 渗透压(p>)，溶剂从溶液一侧向纯溶剂一侧液流动。
半透膜
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（4）离子交换膜 由碳氢链构成的基膜和固定的离子官能团
组成。若固定离子是酸性的，则为阳离子交换 膜；若为碱性的，则为阴离子交换膜。 （5）复合膜
用坚韧的材料制备支撑基体，然后在多孔 支撑层上以各种方法制备超薄脱盐层，具有高 的溶质分离率和透过速度。
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1.5 常见的膜分离过程
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（1）渗析
聚砜(PS)、聚醚砜 (PES)微滤 具有良好的化学稳定性和热稳定性，
膜
耐辐射，机械强度较高。
聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四 氟乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺 酸
化学稳定性好，耐高温。如PTFE膜，
--40～260oC，可耐强酸，强碱和各
种有机溶剂。具疏水性，可用于过滤
蒸气及腐蚀性液体。
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1.4 几种典型膜的结构和性能
7来自百度文库
1.3 膜材料
材料
特点
纤维素
二醋酸纤维素 (CDA)、三醋 成孔性、亲水性好、价廉易得，使用
酸纤维素 (CTA)、硝化纤维素 温度范围较广，可耐稀酸，不适用于
(CN)，混合纤维素(CN-CA)、 酮类，酯类、强酸和碱类等液体的过
乙基纤维素(EC)等。
滤。
聚酰胺
聚砜
含氟材 料
尼龙-6(NY-6)、尼龙-66(NY- 具亲水性能，较耐碱而不耐酸，在酮、 66)、芳香聚酰胺(PI)、芳香聚 酚、醚及高相对分子质量醇类中，不 酰胺酰肼(PPP)、聚苯砜对苯 易被浸蚀，孔径型号也较多。 二甲酰(PSA)
10Å，由金属、无机物或高分子材料制成。孔结 构无法在显微镜下分辨，用气、液的渗透或气 体吸附法等间接描述。其渗透阻力与膜厚度成 正比，因此，该类膜很薄（50～50000Å），也 称为超薄膜。
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（3）非对称膜 由于组分的通量与膜厚成反比，因此要达到
高的渗透通量，必须使膜尽可能薄。非对称膜由 一层很薄的致密表面（活性层）和一个置于其下 的多孔支撑层构成，活性层对传质过程起关键作 用，决定了膜的分离性能。