第八章膜分离1

1）天然高分子
主要是纤维素的衍生物。如醋酸纤维素、硝酸 纤维素和再生纤维素等。
其中醋酸纤维素截盐能力强，常用做反渗透膜， 也可用作微滤膜和超滤膜。适用温度和pH有限。
2）合成高分子
大部分为合成高分子膜，种类多。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。其中聚砜是最常用之一，主要用于制造超滤 膜。可耐高温（70～80℃），适用pH范围广 （pH1～13），耐氯能力强， 可调节孔径范围宽 （1～20nm）。但耐压能力较低。聚酰胺膜耐压能 力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命 长，常用于反渗透。
基于空气压力克服表面张力将水从膜毛细管中 推出的动量平衡，可得到计算最大孔径的公式。
dmax
4cos
pb
dmax——最大孔径； σ——水的表面张力；
θ——wenku.baidu.com与膜面的接触角度；
рb——泡点压力。
因为亲水膜可被水完全润湿，故亲水膜的
θ≈0， cosθ≈1，所以
d max
4
pb
σ——水的表面张力；
рb——泡点压力。
7.1.2 分离膜和膜组件
分离膜
对膜材料要求: 1. 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小； 2. 膜材料惰性，不吸附溶质，从而使膜不易污染， 膜孔不易堵塞； 3. 适用的pH和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸 碱清洗剂，稳定性高，使用寿命长； 4. 容易通过清洗恢复透过性能； 5. 满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞 的截留，对大分子的通透性或截留作用。
3）无机材料
主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。
陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要 利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结 而成。陶瓷材料的特点是机械强度高，耐高温、 耐化学试剂和耐有机溶剂。缺点是不易加工，造 价较高。
膜的结构特性
孔道结构
膜的孔道结构因膜材料和制造方法而异。对膜的透过 通量、耐污染能力等操作性能具有重要影响。
原理和适用范围
7.2微 滤、超滤和纳滤
MF、UF、NF和RO的共同特点是以静压差为推动力而 达到分离目的。它们的区别是分离精度不同，因而 压差也不同。
(d) 管式膜组件
各种膜组件性能的比较
7.1.3 膜分离过程
• 膜分离（membrane separation）
是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质 的分离纯化，是人类最早进行的分离技术之一。
膜还没有一个完整精确的定义，一种通用的广义上的 定义是膜是两相之间的不连续区间。
• 膜在分离过程中具有如下功能：
早期多为对称膜，即截留面的膜厚方向上孔道结构均 匀。传质阻力大，透过通量低，容易污染，清洗困难。
对称膜的弯曲孔道结构示意图
60年代，开发了不对称膜。解决了上述弊端，开 创了膜分离技术发展的新篇章。
不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层（ 0.2~0.5μm）和起支撑强化作用的惰性层（50~100μm ）构成。惰性层孔径很大，对透过流体无阻力。活性 分离层很薄，孔径微细，因此透过通量大，膜孔不易 堵塞、容易清洗。目前超滤和反渗透膜多为不对称膜 。
能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
膜法海水淡化
1000吨/日反渗透海水淡化装置
膜法自来水厂
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
膜的用途
• 浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此 需要除去溶剂；（截留物为产物）
第八章膜分离1
•
膜分离技术的概念
膜分离技术是指以膜两侧的能量差 为推动力，依靠膜的选择性，将液体中 的组分进行分离的方法。膜分离法的核 心是膜本身，膜必须是半透膜，即能透 过一种物质,而阻碍另一种物质。
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
膜
传统工业
不对称膜的截面结构示意图
不对称膜的截面结构示意图
膜的孔道特性 膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。
可由电子显微镜直接观察测定。
也可通过泡点法(bubble point method)测量： 在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通 入空气，当压力升高到有稳定气泡冒出时称为泡 点，此时的压力称为泡点压力。
1. 物质的识别与透过。是使混合物中各组分之 间实现分离的内在因素；
2. 相界面。膜将透过液和保留液（料液）分为 互不混合的两相；
3. 反应场。膜表面及孔内表面含有与特定溶质 具有相互作用能力的官能团，通过物理作用、 化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和 分离速度。
主要的膜分离法：
微滤（Microfiltration, MF） 超滤（Ultrafiltration, UF） 反渗透（Reverse osmosis, RO） 透析（Dialysis, DS） 电渗析（Electrodialysis, ED） 渗透气化（Pervaporation, PV）
• 纯化：除去杂质； • 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； • 反应促进：把化学反应或生化反应的产物
连续取出，能提高反应速率或提高产品质 量。
膜分离的特点
1.分离效率高：主要体现在分离颗粒小，分离 系数高。 2.多数膜分离过程的能耗较低：大多数的膜分 离过程不会发生相变，而相变化的潜热很大。 3.多数膜分离过程的工作温度在室温附近：适 合热敏性物质的处理。 4.膜分离设备本身无运动部件，可靠度高。 5.膜分离过程的规模和处理能力可在大范围内 变化。 6.膜分离的分离效率高，设备体积通常较小。
水通量 水通量：纯水的透过通量。
在一定条件下（一般压力为0.1Mpa，温度 为20℃）通过测量透过一定纯水所需的时 间来测定。
影响因素：随截留分子量或膜孔径增大而增大。
膜材料种类也对水通量有显著影响。 不同厂商的不同制造工艺也有很大影响。
膜组件（膜分离单元）
管路 流量计
阀门
膜组件 压力表
泵
膜组件
在工业规模生产中，膜过滤装置由膜组 件构成，而膜组件是由膜、固定膜的支撑 体、间隔物以及接纳这些部件的容器构成 的一个单元。对流体提供压力与流量则必 须用泵来完成。
膜组件大致可分为四种型式：管式、中空 纤维式、平板式和卷式。
(a) 螺旋卷式膜组件
膜组件结构示意图
(b) 中空纤维膜组件
(c) 平板膜组件