第六章膜分离
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大学功能高分子材料经典课件——高聚物膜
高聚物膜
（纳米）
10000
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐 单价盐
水
膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜
膜材料的特性
基本要求： – 耐压：膜孔小，要保持高通量就必须施加较高
（美国，明尼苏达）
纳滤的应用
行业 制药工业
食品工业
处理对象
母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化
氨基酸的脱盐与纯化 乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收
染料工业 活性染料的脱盐与回收
行业 化工行业
纯水制备 废水处理
处理对象 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收
超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 印染厂废水脱色 造纸厂废水净化
粒子
体粒子
溶质分子按大小 压力差（0.1-1MPa M＝500～
筛分并精制
）
30万
水的分离与溶质 膜对水的选择透过 低分子、无
的浓缩
性及压力差（0.02 机离子
～0.1MPa）
反渗透
0.1 1.0
超滤
10
氢 无机离子 高分子 离 低分子 胶体 子 有机物 病毒
微滤
100
1000
细菌 悬浊物 微细油珠
超滤膜：用于分子量为500至100万之间的分级。
膜材料有醋酸纤维素，聚酰亚胺，聚丙烯腈，聚醋 酸乙烯，丙烯酸盐与氯乙烯 共聚物等。
反渗透膜：醋酸纤维素膜、芳香族聚酰胺、聚苯并味 唑、磺化聚苯撑氧、聚酰胺羧酸、聚乙烯亚胺、聚甲 苯二异氰酸脂、氰乙基化聚乙烯亚胺。
第六章气体膜分离ppt课件
四步过程： 气体与膜的接触 气体向分离膜的表面溶解(溶解过程) 溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散(扩散过程） 分子在膜的另一侧逸出。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
膜分离过程第六章UF.
3.MF在饮料工业中的应用 以澄清和生物稳定(除菌)为目的
传统方法： 深度吸附介质过滤（硅藻土和纤维素） 巴氏灭菌 巴氏灭菌—亦称“低温消毒法”，在62
度下加热30分钟，以杀死物质中的微生物， 一般用于消毒牛奶、啤酒和酿酒原汁等。 法国巴斯德首创，故得名。 MF分离对象：
啤酒 白酒 冷饮 瓶装水 果汁 矿 泉水
•6.8 UF膜的性能参数 水通量 在0.1-0.2MPa 压力25度纯水测定.
截留分子量
用标准物质测定 常用标准物质: 球蛋白 牛血清蛋白 细胞色素C 聚乙二醇 6.9 UF膜的结构
6.10 UF的应用 UF技术在工业生产、医药、环境保护和生 活等各个领域得到了广泛的应用，对象繁 多，目的各有不同。但UF应用可以归结为 三个方面：净化 浓缩 分离 6.10.1 净化 1.作为RO的预处理 ①海水淡化 海水中悬浮物、微粒、胶体物质、细菌、 海藻等杂物用常规的预处理方法难以完全 除去，采用超滤工艺可将细菌和海藻几乎 全部除掉： 海水→灭菌→ 絮凝→ 双介质过滤→ 活性 炭过滤→ 精密过滤→ 超滤
6.11 微滤 Micro filtration 6.11.1 概述
RO NF 与MF都属于压力推动力模型,其中 数MF应用最为广泛。
΢ ÂË ·´ Éø ͸ ³¬ ÂË µç Éø Îö Æø Ìå ·Ö Àë Ѫ Òº ͸ Îö Æä Ëû
微滤最大的应用是将液体（或气体）中大于
0.1μm的微粒分离出来。（被截留） 微滤膜的性能特点：
②果酒、啤酒中沉淀物的去除 类似白酒的处理（略）
在酒类的处理中，可以选择的膜材料有： 聚砜（PS） 聚丙烯氢（PAN） 截留分子量范围：10000-100000
③茶汁净化制备速溶茶 选用50000-100000截留分子量的超滤膜， 去除固体杂质→反渗透浓缩成浓缩茶汁→ 喷雾干燥成茶粉
第六章 膜分离2
Sh = 0.023 Re 0.8Sc 0.33 或 有 D 0.8 0.33 K m = Re Sc L K m ∝ U 0.8
• 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。
（3）压力的影响
J 水 无浓差极化
∆P − ∆π J = Rm + R s
贮槽
6.4.2透析过滤
水或缓冲液 浓液循环 背压阀 贮槽
UF
泵
透过液
• 在分批操作中，随着 大分子溶质浓度的逐 渐增高，过滤速率 将 逐渐下降，最后操作 将无法进行。 • 如需继续除去小分子 物质，可在超滤的同 时，补加水或缓冲液， 使保留液体积保持不 变，此即为透析过滤。
6.4.3连续操作
贮料槽 透过液
胞外小分子产品:
水 发酵液 CF或MF 菌体
透过液
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
胞内小分子产品:
发酵液
水
CF/MF
细胞液
发酵废液 水 MF 细胞碎片
透过液
匀浆
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
6.5.2大分子生物产品的回收
• 大分子生物产品包括酶、蛋白质、多糖、核酸 等，目前已广泛使用膜分离过程。 • 大分子产品的回收率通常可达90%，收率下降 的可能原因有： （1）泵的剪切作用使活性物质失活。 （2）膜的表面吸附作用。 （3）离子组成发生改变，有些对酶活起稳定作 用的离子被分离除去。 （4）膜的渗漏问题。
• 温度↑→ μ ↓，D ↑ → J ↑ • 温度选择原则： 不影响膜的稳定性； 不影响溶质的稳定性。
• 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。
（3）压力的影响
J 水 无浓差极化
∆P − ∆π J = Rm + R s
贮槽
6.4.2透析过滤
水或缓冲液 浓液循环 背压阀 贮槽
UF
泵
透过液
• 在分批操作中，随着 大分子溶质浓度的逐 渐增高，过滤速率 将 逐渐下降，最后操作 将无法进行。 • 如需继续除去小分子 物质，可在超滤的同 时，补加水或缓冲液， 使保留液体积保持不 变，此即为透析过滤。
6.4.3连续操作
贮料槽 透过液
胞外小分子产品:
水 发酵液 CF或MF 菌体
透过液
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
胞内小分子产品:
发酵液
水
CF/MF
细胞液
发酵废液 水 MF 细胞碎片
透过液
匀浆
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
6.5.2大分子生物产品的回收
• 大分子生物产品包括酶、蛋白质、多糖、核酸 等，目前已广泛使用膜分离过程。 • 大分子产品的回收率通常可达90%，收率下降 的可能原因有： （1）泵的剪切作用使活性物质失活。 （2）膜的表面吸附作用。 （3）离子组成发生改变，有些对酶活起稳定作 用的离子被分离除去。 （4）膜的渗漏问题。
• 温度↑→ μ ↓，D ↑ → J ↑ • 温度选择原则： 不影响膜的稳定性； 不影响溶质的稳定性。
第6章 膜分离法
溶剂、 离子、 小分子
水、溶 剂
胶体及各 类大分子
悬浮物、 溶解物、
胶体
电渗析 ED
浓电解质
溶剂
阳
阴
极
极
阴膜 阳 原料液
离子交换 膜
电位差
离子在电 场中的传 递
离子
非解离和 大分子颗
粒
混合气
渗余气
气体
均质膜
压力差 气体的溶 易渗透 难渗透
阴以—缺把一浸定渗电气 传膜(（式因护 该七在易四醋3此 对传(微（在富疏四七大7表（与分构分b2))膜压—点溶侧涂在透渗体统接1中反都性、膜挥、酸参于质滤3外氮水、、规征3传离单离微气载 螺） ） ）上 力 透 是 剂 流 法 多 汽 析 在的 触 ： 渗 十能 膜 两 发 超 纤 数反 机 和 加 空 聚 电 膜 模 膜 统 膜 元 因滤体气旋能离定膜离差过膜和动—空化采均 分器透分 对分侧组滤维直 渗理超直气合渗分应透的在才数P、J膜分渗汽吹卷耗子期MGV解为物玷溶，—亚分用质 离，在方 分离压分及素接 透：滤流可物析离用过分绝可反—蒸超分扫式少渗对A离 透 化(SD出推中污液这将层离带膜 单包高便 离技力通微、决 过溶使电用：器技时性离大使映—滤G离馏渗膜，透膜Pa负动组后（种上过电中 元括压。 效术差过滤三定 程解用场于聚工术，能操多用膜一透与s透组不膜进离力分消或现。程荷的 操液下果的的膜的醋分 ，的作食四艺的多的作数。对-体过纳S扩汽件发不行原e子：除两象示的传 作操、发作时应酸离 通膜用品氟参发采参相情气A-化速滤液散p化生需反与原，微困种称意离递 如作操展用发用纤设 常都下保乙数展用数比况体膜a率料接机相 再 冲r组a可滤难不为图子靠蒸，作趋下生维备用是，鲜烯计趋卷是，下各进，料触理液t变生和分io交，同渗交溶 馏对能势，相素的 截多溶、、算势式透膜并组(浸m器。M液n，，清B3换不浓透换解 、膜耗利变、大 留孔液惰聚膜过分不分入)F、的/只可洗()水能度膜萃产都用，聚小 率膜中性丙组速离能透(-含m、扩 液o摩能连。s2中处的，取生有气相芬。 表。带气稀件率具直过有超散 -尔m·用续气h的理溶在、压决体变香示电氛、和。有接的聚滤o作分)于使接或s阴含液电吸实定混所酰其粒保聚中以应选合(i用率Us水用触k离有）场收作性合需胺分子护乙空下用择)物F，。。g中器)。子悬分作等用的物的类离可等烯纤优于性/涂、(溶 溶其已渗 蒸m渗等。浮别用，，影中热、性被方、维点分；液渗 浓纳传2离质 剂透 气透物置下也造响各量聚能膜面聚膜：离·中滤递h透 缩解)或的于膜可成。组来合。吸；偏组工，(；气过N的液液液半能以透分自苯引氟件程取F程离)体透允通水在原并、乙。，出、由子微非非。膜许过率膜料咪传烯而后反三复均复；孔的阴膜下中液唑递是膜渗对对步合质合两、来降渗的（通需上透膜组称称侧阳实，透降酮过要即(膜膜膜成R膜膜，离现因速温）膜将附O：)纯子，此率。。一着、聚溶通即抗的定一气酰由而汽剂过为压差面层体1（于产压5浓分将，膜实异积薄分亚（M透可蒸性而的薄温生差离）度压1P过用馏也实膜的(胺～度的G差差a膜于、是现装溶、S）差蒸而溶膜反分填)液聚自液萃渗离到，酰发去取透的某然胺通扩地除、膜过种后酰解溶向离膜性程开过散使扩阱-溶子吸能。放溶扩、解膜散液 。 收 的 或剂聚散-的（等一封蒸醚或，个闭发脲从实重的并等高 压 发易 或 发低现要壳发气蒸 的 组浓这指体生溶 易 组体度些标中交汽 挥 分解 挥 分溶膜。，联液过构，向程成即不 或 组 非 小 溶高的一可易 难 分 挥 分 剂气浓设定使度备形表溶 挥 发 子体溶统式皮解 发 的 和液称的层）为结固
第六章膜分离过程
10
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50 nm～100 nm或5000～50万 Dalton 纳滤 200～1000 Dalton或1 nm 反渗透 200 Dalton
11
概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有
使用简单、易于控制及高效、节能的特点
选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃
取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。
膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为
“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。
膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年
也可用作微滤膜和超滤膜。 它的最高使用温度和pH范围有限，一般使用温度
低于45～50℃，pH3～8。
17
醋酸纤维特点：
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备 ④来源丰富 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 ⑨适合作反渗透膜
45
蛋白质、无机盐 缓冲液
无机盐
膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection） 来表示，其定义为
R＝1－ Cp／Cb
式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液 （Permeate）和截留液的浓度。
如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；
如R＝0，则Cp＝ Cb，表示溶质能自由透过膜。
29
截 断 曲 线
得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质 分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50 nm～100 nm或5000～50万 Dalton 纳滤 200～1000 Dalton或1 nm 反渗透 200 Dalton
11
概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有
使用简单、易于控制及高效、节能的特点
选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃
取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。
膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为
“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。
膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年
也可用作微滤膜和超滤膜。 它的最高使用温度和pH范围有限，一般使用温度
低于45～50℃，pH3～8。
17
醋酸纤维特点：
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备 ④来源丰富 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 ⑨适合作反渗透膜
45
蛋白质、无机盐 缓冲液
无机盐
膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection） 来表示，其定义为
R＝1－ Cp／Cb
式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液 （Permeate）和截留液的浓度。
如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；
如R＝0，则Cp＝ Cb，表示溶质能自由透过膜。
29
截 断 曲 线
得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质 分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
6第六章 膜分离
难透过
没有孔， 细菌过不去
各种气体在高分子膜上的相对透过速率比较
6
中空纤维组件
6.4 渗透汽化
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 MF UF RO ED NF PV GS ? ?? ???
中空纤维组件
世界上第一套从合成氨弛放气中气体分离膜回收氢气的工艺流程
一、引言
Diffusion
• 无机材料：氧化硅，氧化铝，氧化钛，不锈钢等 …… • 无机膜价格要比高分子膜高很多
1
膜按膜微观结构分：
对称膜、不对称膜、复合膜、多层复合膜等
表皮无缺陷膜结构
Cross section Down surface
Triple orifice spinneret Hollow fiber membrane
Glycerol Acetone Ethanol n-Hex ane
W ater
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Second coagulant
Tim e/s
(a)
Water Ethanol Glycerol Acetone
(b)
(a) 卷式组件；
(b) 中空纤维组件
2
卷式膜
平板膜组件
渗透物 不锈钢 管
渗透相 (汽相)
冷凝物
渗透汽化膜分离技术的突出优点： * 典型的节能技术（低能耗，一般比恒沸精馏节能1/2 ～3/4） * 典型的清洁生产技术（过程不引入其它组成，产品和环境不会受到污染） * 典型的便于放大、耦合和集成技术
它特别适用于普通精馏难于分离或不能分离的近沸点、恒沸 点混合物的分离，对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除，对 废水中少量有机物的回收，对有机物/有机物分离和与反应耦合、 将反应生成物不断脱除等具有明显的经济上和技术上的优势。
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离第六章膜分离技术1、什么是膜分离过程，有哪些膜分离过程，各有什么特点，各分离过程分离离子的范围？答：若在流体内部或两流体间有一薄层凝聚相物质把流体分隔为两部分，则这一薄层物质称为膜，膜可以是固态、液态或气态。
膜分离是利用膜材料具有选择性渗透作用而使气体或液体混合物得到分离的一种方法。
膜分离技术具有以下优点：(1)能获得高纯度组分；(2)操作过程的能耗较低；(3)分离操作通常在常温或低温下操作，对热敏物料的分离尤其适宜。
2、说明膜分离过程的推动力及分离原理。
答：物质能选择性地透过膜的推动力有两种：一种是由外界提供能量，使物质能由低位向高位移动；另一种是因膜的存在造成被分离系统具有化学位差的作用下由高位向低位移动。
3、不同的膜分离过程适用于哪些场合？答：依据膜孔径的不同，分离的粒子颗粒直径也有差异。
4、膜组件有哪些形式，各有什么特点？答：(1)板框式膜组件板框式膜组件优点：组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，可视生产需要组装膜组件。
缺点：密封边界长，板框和密封件的加工精度高；每块板上料液的流程短，通过板面的透过液量较少，(2)卷式膜组件与板框式膜组件相比，卷式膜组件优点是：膜组件比较紧凑；单位体积内的膜面积大；制作相对简单。
其缺点是：清洗不方便，膜损坏时，不易更换；卷式膜组件所用的膜必须是可焊接或可粘贴的膜。
(3)管式膜组件优点：结构简单；安装、操作方便；流体流动状态好,不易被堵塞。
缺点：单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为30~330m2/m3，除特殊场合外，一般不被使用。
(4)中空纤维膜组件优点：设备紧凑，组件单位体积内的有效膜面积高达16000～3000m2/m3缺点：中空纤维内径小阻力大，易堵塞，所以料液走纤维管间，透过液走纤维管内。
透过液侧流体能量损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去。
5、简要说明反渗透的原理，反渗透的操作压力与膜的类型有关吗？答：当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水能透过膜向盐水一侧渗透，直到盐水一侧水位升高到一定高度为止，渗透过程达到动态平衡，这种现象称之为渗透现象。
第六章膜分离
第六章膜分离
微滤、超滤和纳滤
• 微滤、超滤和纳滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。 1) 微滤、超滤都是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过
程，而这在原理上并没有本质的区别。即均为在一定的 压力作用下，当含有高分子溶质和低分子溶质的混合溶 液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质透过膜， 成为渗透液被收集。大于膜孔的高分子溶质（如有机胶 体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。 2）纳滤有所不同，除了截留筛分之外，由于纳滤膜的表面 分离层由聚电介质构成，对离子有静电相互作用，因此 对无机盐有一定的截留率。
个孔，孔隙率占总体积70％～80％，孔径均匀，孔径范 围在0.02～20μm之间的分离膜。当膜的孔径大于5nm时 称为微孔膜(microporous membrane)；孔径在1～5nm 时称细孔膜(fine-pored membrane)，包括超滤膜和反 渗透膜。
致密膜：非多孔膜(nonporous membrane)。孔径在0.5～1nm， 孔隙率小于10％，厚度为0.1～1.25μm具有透过性的无 机物或聚合物膜。膜的孔结构已难于用电子显微镜分辨， 只能用气体渗透法和液体渗透法或气体吸附法测定其模型。
第六章 膜分离 (Membrane Separation)
膜分离是指借助膜的选择渗透作用,在外界能量或化学位差 的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富 集的过程。 （膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在 一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物 中其他组分，从而达到分离目的的技术）
第六章膜分离
第六章膜分离
膜分离过程的效率 常用来表示分离效率的指标有两种：
一、是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示； 二、是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，
微滤、超滤和纳滤
• 微滤、超滤和纳滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。 1) 微滤、超滤都是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过
程，而这在原理上并没有本质的区别。即均为在一定的 压力作用下，当含有高分子溶质和低分子溶质的混合溶 液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质透过膜， 成为渗透液被收集。大于膜孔的高分子溶质（如有机胶 体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。 2）纳滤有所不同，除了截留筛分之外，由于纳滤膜的表面 分离层由聚电介质构成，对离子有静电相互作用，因此 对无机盐有一定的截留率。
个孔，孔隙率占总体积70％～80％，孔径均匀，孔径范 围在0.02～20μm之间的分离膜。当膜的孔径大于5nm时 称为微孔膜(microporous membrane)；孔径在1～5nm 时称细孔膜(fine-pored membrane)，包括超滤膜和反 渗透膜。
致密膜：非多孔膜(nonporous membrane)。孔径在0.5～1nm， 孔隙率小于10％，厚度为0.1～1.25μm具有透过性的无 机物或聚合物膜。膜的孔结构已难于用电子显微镜分辨， 只能用气体渗透法和液体渗透法或气体吸附法测定其模型。
第六章 膜分离 (Membrane Separation)
膜分离是指借助膜的选择渗透作用,在外界能量或化学位差 的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富 集的过程。 （膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在 一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物 中其他组分，从而达到分离目的的技术）
第六章膜分离
第六章膜分离
膜分离过程的效率 常用来表示分离效率的指标有两种：
一、是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示； 二、是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，
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第六章膜分离
第二节 膜材料及其特
膜材料
纤维素衍生物
醋酸纤维素：由纤维素和醋酸反应制得。是反渗
（CA）
透膜、微滤和超滤的膜材料。
优点：价格便宜，膜的分离和透过性能良好；
缺点：pH使用范围窄（pH=4~8），容易被微生
物分解以及在高压操作下时间长了容易产
第六章膜分离
纳米过滤的分离机理
纳滤膜不仅具有依靠筛分作用进行分离，也 显示有建立在离子电荷密度基础上的选择性，因 为膜的离子选择性，对于含有不同自由离子的溶 液，透过膜的离子分布是不相同的(透过率随离 子浓度的变化而变化)，这就是Donnan效应。
第六章膜分离
Donnan平衡模型
对于荷电膜脱盐，多用Donnan平衡模型来解释。
第六章膜分离
聚砜类
是一类具有高机械强度的工程塑料。是目前 最重要、生产量最大的高分子聚合膜。 用途：超滤和微滤的膜材料，多种商品复合膜的
支撑层膜材料。 优点：耐酸、耐碱 缺点：耐有机溶剂的性能差。
聚砜类材料可以通过化学反应，制成带有负电荷或 正电荷的膜材料或膜。荷电聚砜可以直接用作反渗透膜 材料。用它制成的荷电超滤膜抗污染性能特别好。经磺 化的聚砜醚（SPES-C）可用于制造均相离子交换膜。
纳米膜过滤
是介于反渗透与超滤之间的液相膜处理新技 术。其特点为： （1）能截留小分子的有机物并可同时透析除
盐，集浓缩透析为一体； （2）操作压力远比反渗透低，具有节约动力的
优点。
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
纳滤膜的性质与特点
大多数的纳滤膜是由多层聚合物薄膜组成。 活性层通常带荷负电化学基团。一般认为纳滤膜 是多孔性的，其平均孔径为2nm。作为一般规律， 通常分子量截留范围为100一200道尔顿，纳滤膜 具有良好的热稳定性，pH稳定性和有机溶剂的稳 定性。
k ln
(cm (cb
cp ) cp )
第六章膜分离
当凝胶层稳定时， cm cg
Jv
k
ln
(cg (cb
cp ) c p )
如果溶质分子在膜上完全被截留，则上式可简化 为：
Jv
k ln
cg cb
cg cb
exp( Jv
/ k)
第六章膜分离
cm / cb 或 cg / cb 被成为极化膜数。
（1）浓差极化 （2）膜污染
第六章膜分离
浓差极化
在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过 膜，溶质被截留，于是在膜表面与邻近膜面区 域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由 膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻 力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量 下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶质向膜面 流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使 溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面 附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称 为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
膜分离过程中的质量传递问题
过滤模型（1）
在微滤、超滤等高孔率膜的过滤过程中，水 在 膜 中 的 流 动 一 般 是 层 流 ， 可 应 用 Hagen-
poiseuille公式，其过滤流速可表示如下：
Jv
r 2p 8l
H2O
水相
Na+(x) P-(x)
Na+(C0) Cl-(C0)
膜相 平衡前
溶液相
第六章膜分离
Na+(C1+) Cl-(C1-)
Na+(C2+) Na+(C0 - C3+)
P-(x)
Cl-(C0 - C3- )
Cl(C2-)
水相
膜相
溶液相
平衡后
第六章膜分离
当系统达到平衡时，膜相、水相、溶液相的离子 的化学电位应该达到平衡态。虽然，利用Donna 平衡理论来说明荷电膜的脱盐机理有所依据，而 对于在压力下透过膜的机理，还不能从膜、进料 及传质过程等多方面来定量描述。
第六章膜分离
其中：JV—过滤流率
-- 多孔率
-- 溶液黏度
-- 扩散曲折率，为实际毛细管长度和膜厚之比
l -- 有效膜厚
p pT
pT p1 p2
1 2
此公式成立的条件是流体为牛顿、不可压缩流体， 层流流动，流速与时间无关，忽略边界效应。
第六章膜分离
过滤模型2
和化工原理中过滤操作一样，透过膜的通量
第六章膜分离
聚酰胺类及杂环含氮高聚物
类型：芳香聚酰胺（APA）、芳香聚酰胺-酰肼 （APAH）、聚苯砜酰胺（APSA）、聚苯并咪唑 （PBI）、聚苯并咪唑酮（PBIL）
用途：反渗透膜材料，目前最好的反渗透复合膜 超薄皮层都是芳香含氮化合物，脱盐率可 达99.99%.
优点：分离透过性能好、耐高压。 缺点：耐氯性能差。
第六章膜分离
乙烯类高聚物
聚丙烯腈（PAN）： 是仅次于聚砜和醋酸纤维的超滤和微滤膜材
料，也用来作为渗透汽化复合膜的支撑体。
聚乙烯醇（PVA）： 是目前唯一获得应用的渗透汽化膜，由聚乙
烯醇与聚丙烯腈制成的渗透汽化复合膜的透量远 远大于聚乙烯醇与聚砜支撑体制成的复合膜。
第六章膜分离
膜组件
目前常用的膜组件分为以下三种形式： 平板式 螺旋卷式 中空纤维式
J
（ms-1）可表示为：
v
Jv
p
Rm
其中，Rm为纯粹由膜产生的阻力 此公式适用于新膜， Rm以水进行试验求得。 由于过滤过程中，溶质会吸附在膜上，或形
成浓差极化层，也会形成阻力，所以有
R Rm Rs
第六章膜分离
膜过程的浓差极化和膜污染
目前，膜在使用过程中存在的一个突出问题是， 膜的透过量随运行时间延长而降低，其影响因素 有：
第六章膜分离
浓差极化
第六章膜分离
第六章膜分离
取膜面上一单元薄层 dx，对此单元薄层作
物料衡算。当达到稳态时，溶质因对流进入单元 薄层的速度等于透过膜的速度和反扩散之和。
dc J V cp Jvc D dx
边界条件为 c cb , x 0
c cm, x
将这一方程沿边界层进行积分
kD
Jv
生压密，引起透量下降。
第六章膜分离
硝酸纤维素：由纤维素和硝酸反应制得。价格便
（CN）
宜，广泛用作透析膜和微滤膜材料。
为了增加膜的强度，一般与醋酸纤
维素混合使用。
再生纤维素：纤维素溶于某些溶剂如铜氨溶液并
在溶解过程中发生降解，在成膜过
程中又回复到纤维素的结构，称为
再生纤维素。
广泛用于人工肾透析膜材料和微滤、超滤膜材料。
第二节 膜材料及其特
膜材料
纤维素衍生物
醋酸纤维素：由纤维素和醋酸反应制得。是反渗
（CA）
透膜、微滤和超滤的膜材料。
优点：价格便宜，膜的分离和透过性能良好；
缺点：pH使用范围窄（pH=4~8），容易被微生
物分解以及在高压操作下时间长了容易产
第六章膜分离
纳米过滤的分离机理
纳滤膜不仅具有依靠筛分作用进行分离，也 显示有建立在离子电荷密度基础上的选择性，因 为膜的离子选择性，对于含有不同自由离子的溶 液，透过膜的离子分布是不相同的(透过率随离 子浓度的变化而变化)，这就是Donnan效应。
第六章膜分离
Donnan平衡模型
对于荷电膜脱盐，多用Donnan平衡模型来解释。
第六章膜分离
聚砜类
是一类具有高机械强度的工程塑料。是目前 最重要、生产量最大的高分子聚合膜。 用途：超滤和微滤的膜材料，多种商品复合膜的
支撑层膜材料。 优点：耐酸、耐碱 缺点：耐有机溶剂的性能差。
聚砜类材料可以通过化学反应，制成带有负电荷或 正电荷的膜材料或膜。荷电聚砜可以直接用作反渗透膜 材料。用它制成的荷电超滤膜抗污染性能特别好。经磺 化的聚砜醚（SPES-C）可用于制造均相离子交换膜。
纳米膜过滤
是介于反渗透与超滤之间的液相膜处理新技 术。其特点为： （1）能截留小分子的有机物并可同时透析除
盐，集浓缩透析为一体； （2）操作压力远比反渗透低，具有节约动力的
优点。
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
纳滤膜的性质与特点
大多数的纳滤膜是由多层聚合物薄膜组成。 活性层通常带荷负电化学基团。一般认为纳滤膜 是多孔性的，其平均孔径为2nm。作为一般规律， 通常分子量截留范围为100一200道尔顿，纳滤膜 具有良好的热稳定性，pH稳定性和有机溶剂的稳 定性。
k ln
(cm (cb
cp ) cp )
第六章膜分离
当凝胶层稳定时， cm cg
Jv
k
ln
(cg (cb
cp ) c p )
如果溶质分子在膜上完全被截留，则上式可简化 为：
Jv
k ln
cg cb
cg cb
exp( Jv
/ k)
第六章膜分离
cm / cb 或 cg / cb 被成为极化膜数。
（1）浓差极化 （2）膜污染
第六章膜分离
浓差极化
在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过 膜，溶质被截留，于是在膜表面与邻近膜面区 域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由 膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻 力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量 下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶质向膜面 流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使 溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面 附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称 为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
第六章膜分离
膜分离过程中的质量传递问题
过滤模型（1）
在微滤、超滤等高孔率膜的过滤过程中，水 在 膜 中 的 流 动 一 般 是 层 流 ， 可 应 用 Hagen-
poiseuille公式，其过滤流速可表示如下：
Jv
r 2p 8l
H2O
水相
Na+(x) P-(x)
Na+(C0) Cl-(C0)
膜相 平衡前
溶液相
第六章膜分离
Na+(C1+) Cl-(C1-)
Na+(C2+) Na+(C0 - C3+)
P-(x)
Cl-(C0 - C3- )
Cl(C2-)
水相
膜相
溶液相
平衡后
第六章膜分离
当系统达到平衡时，膜相、水相、溶液相的离子 的化学电位应该达到平衡态。虽然，利用Donna 平衡理论来说明荷电膜的脱盐机理有所依据，而 对于在压力下透过膜的机理，还不能从膜、进料 及传质过程等多方面来定量描述。
第六章膜分离
其中：JV—过滤流率
-- 多孔率
-- 溶液黏度
-- 扩散曲折率，为实际毛细管长度和膜厚之比
l -- 有效膜厚
p pT
pT p1 p2
1 2
此公式成立的条件是流体为牛顿、不可压缩流体， 层流流动，流速与时间无关，忽略边界效应。
第六章膜分离
过滤模型2
和化工原理中过滤操作一样，透过膜的通量
第六章膜分离
聚酰胺类及杂环含氮高聚物
类型：芳香聚酰胺（APA）、芳香聚酰胺-酰肼 （APAH）、聚苯砜酰胺（APSA）、聚苯并咪唑 （PBI）、聚苯并咪唑酮（PBIL）
用途：反渗透膜材料，目前最好的反渗透复合膜 超薄皮层都是芳香含氮化合物，脱盐率可 达99.99%.
优点：分离透过性能好、耐高压。 缺点：耐氯性能差。
第六章膜分离
乙烯类高聚物
聚丙烯腈（PAN）： 是仅次于聚砜和醋酸纤维的超滤和微滤膜材
料，也用来作为渗透汽化复合膜的支撑体。
聚乙烯醇（PVA）： 是目前唯一获得应用的渗透汽化膜，由聚乙
烯醇与聚丙烯腈制成的渗透汽化复合膜的透量远 远大于聚乙烯醇与聚砜支撑体制成的复合膜。
第六章膜分离
膜组件
目前常用的膜组件分为以下三种形式： 平板式 螺旋卷式 中空纤维式
J
（ms-1）可表示为：
v
Jv
p
Rm
其中，Rm为纯粹由膜产生的阻力 此公式适用于新膜， Rm以水进行试验求得。 由于过滤过程中，溶质会吸附在膜上，或形
成浓差极化层，也会形成阻力，所以有
R Rm Rs
第六章膜分离
膜过程的浓差极化和膜污染
目前，膜在使用过程中存在的一个突出问题是， 膜的透过量随运行时间延长而降低，其影响因素 有：
第六章膜分离
浓差极化
第六章膜分离
第六章膜分离
取膜面上一单元薄层 dx，对此单元薄层作
物料衡算。当达到稳态时，溶质因对流进入单元 薄层的速度等于透过膜的速度和反扩散之和。
dc J V cp Jvc D dx
边界条件为 c cb , x 0
c cm, x
将这一方程沿边界层进行积分
kD
Jv
生压密，引起透量下降。
第六章膜分离
硝酸纤维素：由纤维素和硝酸反应制得。价格便
（CN）
宜，广泛用作透析膜和微滤膜材料。
为了增加膜的强度，一般与醋酸纤
维素混合使用。
再生纤维素：纤维素溶于某些溶剂如铜氨溶液并
在溶解过程中发生降解，在成膜过
程中又回复到纤维素的结构，称为
再生纤维素。
广泛用于人工肾透析膜材料和微滤、超滤膜材料。