第三章 膜分离技术 现代分离科学与技术 教学课件
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【正式版】膜分离技术PPT文档
• ③ 多数膜分离过程中组分不发生相变化，所以能耗较 目前反渗透已经广泛应用于超纯水预处理、废水处理，食品工业中果汁、乳浆浓缩，重金属回收等领域。
所处理的流体可以是气体或液体；
低； 渗透压和浓差极化的概念也适用于纳滤过程。
纳滤是近20年来在反渗透基础上发展起来的膜分离过程，是膜技术领域研究热点之一。
（四）膜的使用
• ①膜性能评价
• 膜的性能包括物化稳定性和分离透过特性两个 渗透压和浓差极化的概念也适用于纳滤过程。
J——膜的透过通量，L/（m2·h）；
方面 。 凡是高分子链上连接的是酸性活性基团，称为阳离子交换膜。
氢气的回收与利用
• 透过速率（通量） J=V/At 纳滤膜的工业应用：纳滤适用于水的净化和软化 ，广泛用于化学工业废水和生活用水的净化；
• 板框式膜分离器的原料流动截面大，不易堵塞 ，压降较小，单位设备体积内膜面积可达160 ～500m2,膜易于更换。
• 缺点是安装、密封要求较高。
• ②螺旋卷式膜组件
• 螺旋卷式膜组件已实 现机械化生产，大大 提高了卷筒质量。螺 旋卷式膜组件结构紧 凑，单位体积内膜面 积可达200～ 800m2/m3，相对成 本较低，但膜清洗比 较困难。
膜分离技术
学习要求
1、掌握的内容 膜分离过程基本原理和特点；膜的分类和特点；几种 膜组件的特点；膜性能评价方法；膜污染的危害和控 制方法；渗透现象和浓差极化现象对膜过程的影响。
2、理解的内容 微滤、超滤、纳滤、反渗透的分离原理与应用领域；气
体分离、透析的分离原理与应用领域；离子交换膜的 分离原理与应用领域。 3、了解的内容 膜蒸馏、膜吸收和膜反应器的原理和特点。
达到脱除或富集电解质的膜分离操作。 它是电渗析过程起到分离作用的基本原因。
所处理的流体可以是气体或液体；
低； 渗透压和浓差极化的概念也适用于纳滤过程。
纳滤是近20年来在反渗透基础上发展起来的膜分离过程，是膜技术领域研究热点之一。
（四）膜的使用
• ①膜性能评价
• 膜的性能包括物化稳定性和分离透过特性两个 渗透压和浓差极化的概念也适用于纳滤过程。
J——膜的透过通量，L/（m2·h）；
方面 。 凡是高分子链上连接的是酸性活性基团，称为阳离子交换膜。
氢气的回收与利用
• 透过速率（通量） J=V/At 纳滤膜的工业应用：纳滤适用于水的净化和软化 ，广泛用于化学工业废水和生活用水的净化；
• 板框式膜分离器的原料流动截面大，不易堵塞 ，压降较小，单位设备体积内膜面积可达160 ～500m2,膜易于更换。
• 缺点是安装、密封要求较高。
• ②螺旋卷式膜组件
• 螺旋卷式膜组件已实 现机械化生产，大大 提高了卷筒质量。螺 旋卷式膜组件结构紧 凑，单位体积内膜面 积可达200～ 800m2/m3，相对成 本较低，但膜清洗比 较困难。
膜分离技术
学习要求
1、掌握的内容 膜分离过程基本原理和特点；膜的分类和特点；几种 膜组件的特点；膜性能评价方法；膜污染的危害和控 制方法；渗透现象和浓差极化现象对膜过程的影响。
2、理解的内容 微滤、超滤、纳滤、反渗透的分离原理与应用领域；气
体分离、透析的分离原理与应用领域；离子交换膜的 分离原理与应用领域。 3、了解的内容 膜蒸馏、膜吸收和膜反应器的原理和特点。
达到脱除或富集电解质的膜分离操作。 它是电渗析过程起到分离作用的基本原因。
膜分离技术 ppt课件
式中 V ―透过溶液的体积 S ―膜的有效面积 t ―运转时间
10
3 通量衰减系数
膜的渗透通量衰减是由于过程的浓差极化、膜孔的 堵塞等原因造成的，将随时间衰减。
Jt =J1 tm
式中
Jt ―膜运转t小时的透过速度 J1 ―膜运转1h的透过速度 m ―通量衰减系数
11
截留分子量
膜孔的大小是表征膜性能的一个重要参数，通常用截 留分子量表示膜的孔径特征。
膜分离技术
1
内容提纲
膜技术的发展历史 膜技术的基本原理 膜技术加工的工艺设备 膜技术的特点 膜技术在食品中的应用 膜技术的发展前景
2
膜技术的定义
膜技术是用天然人工合成的高分子薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分的溶 质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 可利用液相和气相，对于液相分离，可用于水 溶液体系、水溶胶体系以及非溶液体系等。膜 技术是一种分子水平上的分离技术。
3
1 膜技术的发展历史
Abble Nollet 发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪 1978年 膀胱内，首次揭示了膜分离现象
1816年 Schmide首先提出超滤
1864年 1918年
Traube制成第一片人造膜——亚铁氰化铜膜 Zsigmomdy提出商品微孔滤膜制造法
1953年 1960年 1961年
22
23
24
膜污染
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒 子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械 作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径 变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变 化现象。
气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜, 这一过程主要 用于气体及蒸汽的分离。
10
3 通量衰减系数
膜的渗透通量衰减是由于过程的浓差极化、膜孔的 堵塞等原因造成的，将随时间衰减。
Jt =J1 tm
式中
Jt ―膜运转t小时的透过速度 J1 ―膜运转1h的透过速度 m ―通量衰减系数
11
截留分子量
膜孔的大小是表征膜性能的一个重要参数，通常用截 留分子量表示膜的孔径特征。
膜分离技术
1
内容提纲
膜技术的发展历史 膜技术的基本原理 膜技术加工的工艺设备 膜技术的特点 膜技术在食品中的应用 膜技术的发展前景
2
膜技术的定义
膜技术是用天然人工合成的高分子薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分的溶 质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 可利用液相和气相，对于液相分离，可用于水 溶液体系、水溶胶体系以及非溶液体系等。膜 技术是一种分子水平上的分离技术。
3
1 膜技术的发展历史
Abble Nollet 发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪 1978年 膀胱内，首次揭示了膜分离现象
1816年 Schmide首先提出超滤
1864年 1918年
Traube制成第一片人造膜——亚铁氰化铜膜 Zsigmomdy提出商品微孔滤膜制造法
1953年 1960年 1961年
22
23
24
膜污染
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒 子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械 作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径 变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变 化现象。
气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜, 这一过程主要 用于气体及蒸汽的分离。
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。
3
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
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。
3
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。
第三章 膜分离技术 现代分离科学与技术 教学课件
2020/6/16
优先吸附--毛细孔流理论基本论点
(1)由于膜的化学性质对溶质具有排斥作用，根据Gibbs吸附方程 ，溶质是负吸附，水是优先吸附。因此，在膜与溶液界面附近， 溶液浓度剧烈下降，在膜的表面形成一层极薄的纯水层，纯水层 的厚度与膜的表面性质密切相关。 (2)膜表面存在着毛细小孔 ,当毛细孔的直径为纯水层厚度t的2倍时 （称临界孔径），可以得到最大的透水率和脱盐率。不同材料的 膜有不同的临界孔径。研制最佳的膜是在膜的表面形成尽可能多 的孔径为2t的毛细孔。孔径小于2t，膜的透水率降低；孔径大于2t 时，由于部分含盐溶液也会通过膜孔而使脱盐率下降。
氢键理论指出反渗透膜材料必须是亲水性的，水在膜中的迁移主 要是扩散。
2020/6/16
膜材料
膜应该满足的特性: 膜应具有较大的透过速度和较高的选择性； 机械强度好； 耐热、耐化学试剂、不被细菌侵袭； 可以高温灭菌； 价廉等。
2020/6/16
膜的分类
1. 按膜的材料分类
天然高分子材料 合成高分子材料 无机材料 复合材料 生物材料
2020/6/16
优先吸附--毛细孔流动模型
2020/6/16
氢键理论
氢键理论也称孔穴有序扩散模型。 基本要点: (1)膜内大分子之间存在着两种区域晶相区和非晶相区。 (2)水和溶质不能进入晶相区。 (3)在膜内存在着两种状态的水，即结合水和游离水。结合水是当水
进入非晶相区后与膜内羧基上的氧原子发生氢键而形成的。这种 结合引起水分子熵值极大下降，这种水具有整齐的类冰状结构。 离开膜基团较远的水称为游离水，性质与一般水相同。结合水的 强度，取决于膜的孔径，孔径愈小，结合愈牢。
2020/6/16
天然高分子材料 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维膜、硝酸纤维膜 和
优先吸附--毛细孔流理论基本论点
(1)由于膜的化学性质对溶质具有排斥作用，根据Gibbs吸附方程 ，溶质是负吸附，水是优先吸附。因此，在膜与溶液界面附近， 溶液浓度剧烈下降，在膜的表面形成一层极薄的纯水层，纯水层 的厚度与膜的表面性质密切相关。 (2)膜表面存在着毛细小孔 ,当毛细孔的直径为纯水层厚度t的2倍时 （称临界孔径），可以得到最大的透水率和脱盐率。不同材料的 膜有不同的临界孔径。研制最佳的膜是在膜的表面形成尽可能多 的孔径为2t的毛细孔。孔径小于2t，膜的透水率降低；孔径大于2t 时，由于部分含盐溶液也会通过膜孔而使脱盐率下降。
氢键理论指出反渗透膜材料必须是亲水性的，水在膜中的迁移主 要是扩散。
2020/6/16
膜材料
膜应该满足的特性: 膜应具有较大的透过速度和较高的选择性； 机械强度好； 耐热、耐化学试剂、不被细菌侵袭； 可以高温灭菌； 价廉等。
2020/6/16
膜的分类
1. 按膜的材料分类
天然高分子材料 合成高分子材料 无机材料 复合材料 生物材料
2020/6/16
优先吸附--毛细孔流动模型
2020/6/16
氢键理论
氢键理论也称孔穴有序扩散模型。 基本要点: (1)膜内大分子之间存在着两种区域晶相区和非晶相区。 (2)水和溶质不能进入晶相区。 (3)在膜内存在着两种状态的水，即结合水和游离水。结合水是当水
进入非晶相区后与膜内羧基上的氧原子发生氢键而形成的。这种 结合引起水分子熵值极大下降，这种水具有整齐的类冰状结构。 离开膜基团较远的水称为游离水，性质与一般水相同。结合水的 强度，取决于膜的孔径，孔径愈小，结合愈牢。
2020/6/16
天然高分子材料 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维膜、硝酸纤维膜 和
膜分离技术 PPT课件
3 核孔滤膜有极平滑的表面，同一面上高低之差小于0.3μm， 为作显微分析提供了十分理想的背景，过滤后可就地观测。
4 聚碳酸酯核孔滤膜不易染色，可以选择性地将滤膜表面的生 物有机物染色，使图像更为清晰。
5 聚碳酸酯核孔滤膜有较好的化学稳定性和热稳定性。能够在 1210C温度下重复地高压消毒。
6 核孔滤膜有较高的强度和韧性。它能够弯曲、折叠而不断裂。
（3） L-S相转化法
荷电材料通过L-S相转化法直接成膜。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
28
5 烧结法
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
29
6 蚀刻法
当具有一定能量的带电粒子进人塑料
薄膜等绝缘固体时，它在所经过的路径上 使周围的分子电离、激发，聚合物分子的 长链断裂，并生成自由基，形成辐射损伤 区——径迹。受辐射损伤的分子较正常分 子更易被化学蚀刻剂所溶解，故辐照后经 化学腐蚀，可在薄膜上得到形状、尺寸比 较整齐的孔洞 。
24
2 相转化（L-S法）
将高分子溶液浸入非溶剂浴中，高分子 聚合物在界面快速析出，形成极薄的致密层， 而在致密层的下面形成了多孔层，这种外密 内疏的界面即是膜的基本结构。
L-S法是相转移方法中最重要和简便的方 法。是制膜技术发展史上的里程碑。迄今， 反渗透、超滤、气体分离等所用膜大都用此 法 制 造 。 L-S 法 制 成 的 膜 ， 分 离 层 仅 0.1 一 1μm，透过阻力小。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
21
按制造方法分
• 流涎膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 浇铸膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 延展膜：金属致密膜等。 • 纺丝膜：中空纤维膜、毛细管膜。 • 天然生物膜：直接（改性）利用。
4 聚碳酸酯核孔滤膜不易染色，可以选择性地将滤膜表面的生 物有机物染色，使图像更为清晰。
5 聚碳酸酯核孔滤膜有较好的化学稳定性和热稳定性。能够在 1210C温度下重复地高压消毒。
6 核孔滤膜有较高的强度和韧性。它能够弯曲、折叠而不断裂。
（3） L-S相转化法
荷电材料通过L-S相转化法直接成膜。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
28
5 烧结法
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
29
6 蚀刻法
当具有一定能量的带电粒子进人塑料
薄膜等绝缘固体时，它在所经过的路径上 使周围的分子电离、激发，聚合物分子的 长链断裂，并生成自由基，形成辐射损伤 区——径迹。受辐射损伤的分子较正常分 子更易被化学蚀刻剂所溶解，故辐照后经 化学腐蚀，可在薄膜上得到形状、尺寸比 较整齐的孔洞 。
24
2 相转化（L-S法）
将高分子溶液浸入非溶剂浴中，高分子 聚合物在界面快速析出，形成极薄的致密层， 而在致密层的下面形成了多孔层，这种外密 内疏的界面即是膜的基本结构。
L-S法是相转移方法中最重要和简便的方 法。是制膜技术发展史上的里程碑。迄今， 反渗透、超滤、气体分离等所用膜大都用此 法 制 造 。 L-S 法 制 成 的 膜 ， 分 离 层 仅 0.1 一 1μm，透过阻力小。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
21
按制造方法分
• 流涎膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 浇铸膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 延展膜：金属致密膜等。 • 纺丝膜：中空纤维膜、毛细管膜。 • 天然生物膜：直接（改性）利用。
现代分离技术第三PPT课件
nyou 5.5(4W tR 1/'2)21(6W tRb' )2
H有效 = L／n有效
-
14
第三章 气相色谱
二、基本原理 2. 柱效率与分离度
“分离度”的提出---- n没有直接预示混合物中各组分是否获得分离， 只是说 n↑，柱效率↑；tR↑，Wb或W1/2↓，则n↑，组分在柱子中的分配 次数↑。
第三章 气相色谱
优点： ①适用于多组分混合物的分离（据报道毛细管柱最多可分离1000
多种组分）。 ②分离效率高（一般n为103, 毛细管柱n可达106), 灵敏度高 （10-
12g），分析速度快（几～十几分钟，物质在气相中传质快，达到平 衡所需时间短）。
③目前，GC与MS或IR联用，可使分离鉴定几乎在同时完成。
24
第三章 气相色谱
三、仪器装置
载
进
色
检
记
数
气
样
谱
测
录
据 处
源
器
柱
器
仪
理
钢瓶
减压阀
净化器 流量计
电位差计积分仪 (绘图仪)计算机
打印机
其中色谱柱、检测器、记录仪是气相色谱仪的主要组成部分。
-
25
第三章 气相色谱
三、仪器装置 1.色谱柱
色谱柱有填充柱和毛细管柱两大类： 填充柱 ---- 内径3～6mm,长1～3m,柱内填充涂有固定液的担体。 毛细管柱 ---- 内径～0.25mm,固定液以液膜形式润湿柱内壁。
对于能够形成氢键的物质，用能够形成氢键的固定液，如三乙醇胺、聚乙 二醇等。此时组分按形成氢键能力的大小分离，例如：一乙醇胺、二乙醇胺、 三乙醇胺的混合物：
-
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H有效 = L／n有效
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14
第三章 气相色谱
二、基本原理 2. 柱效率与分离度
“分离度”的提出---- n没有直接预示混合物中各组分是否获得分离， 只是说 n↑，柱效率↑；tR↑，Wb或W1/2↓，则n↑，组分在柱子中的分配 次数↑。
第三章 气相色谱
优点： ①适用于多组分混合物的分离（据报道毛细管柱最多可分离1000
多种组分）。 ②分离效率高（一般n为103, 毛细管柱n可达106), 灵敏度高 （10-
12g），分析速度快（几～十几分钟，物质在气相中传质快，达到平 衡所需时间短）。
③目前，GC与MS或IR联用，可使分离鉴定几乎在同时完成。
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第三章 气相色谱
三、仪器装置
载
进
色
检
记
数
气
样
谱
测
录
据 处
源
器
柱
器
仪
理
钢瓶
减压阀
净化器 流量计
电位差计积分仪 (绘图仪)计算机
打印机
其中色谱柱、检测器、记录仪是气相色谱仪的主要组成部分。
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第三章 气相色谱
三、仪器装置 1.色谱柱
色谱柱有填充柱和毛细管柱两大类： 填充柱 ---- 内径3～6mm,长1～3m,柱内填充涂有固定液的担体。 毛细管柱 ---- 内径～0.25mm,固定液以液膜形式润湿柱内壁。
对于能够形成氢键的物质，用能够形成氢键的固定液，如三乙醇胺、聚乙 二醇等。此时组分按形成氢键能力的大小分离，例如：一乙醇胺、二乙醇胺、 三乙醇胺的混合物：
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分离科学与技术 第一章 现代分离科学概论 现代分离科学与技术 教学课件
第三类：膜与传统分离相结合形成的分离技术（耦合与集成技术）：如 膜吸收（membrane-based absorption）、膜萃取（membrane-based extraction）、亲和超滤（affinity ultrafiltration) 、膜反应器 （membrane reaction）等。
现代分离科学与技术的发展趋势Leabharlann
利用方法间的共性，探讨方法间的联系和统一理论和数学 模式的表达 将新技术、新材料引入分析技术中，发展新分离原理和 方法; 解决现代科技和生产过程中重大的分离和纯化问题; 利用现代分析手段，如波谱、电镜、粒子束分析研究分 离过程机理，探讨分离过程动力学及其模型; 计算机模拟分离过程和数学模型的建立; 多种分离方法和技术联用，研究最优化分离条件; 分离发现新的重要物质; 利用电、磁、光、热等建立无污染的分离过程.
分离科学的研究内容
分离过程的共同规律
分离过程中的热力学动力学理论等
各种不同分离技术的分离原理方法设备与应用
①分离过程中的热力学; 功 能量 方向与限度 平衡 ②分离过程中的动力学; 溶质的迁移和扩散 速度与效 率 ③分离过程中发生在界面上的计量置换；
④平衡分离的分子学基础； ⑤疏水效应； ⑥分离过程中的最优化； ⑦分离方法的简介和比较
人们对“分离”一词的反应是强烈的，比如亲人间、朋
友间的分离大多是痛苦的。因此人类社会的分离要考虑是否
有必要。 物质分离也要考虑是否有必要，因为它是需要付出代价
的。
作为物质分离，在科学研究和工业生产中，在日常生活 中也无处不在。
日常生活中的分离
饮食起居:自来水(过滤);净水器（分离膜/吸附 剂）；泡茶（固体浸出法）;榨果汁 环境保护: 污水治理;垃圾分类； 医药卫生：抗菌素的纯化；血透; 病毒的分 离 能源:铀的富集
第三章膜分离技术
渗透和反渗透现象反渗透技术反渗透原理及反渗透膜的特点渗透是自然界一种常见的现象。
人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。
目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。
在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。
一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。
当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透，该溶液的渗透压Π 。
Π=RTc若在溶液的液面上再施加一个大于Π 的压力P时，溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓的反渗透。
凡基于此原理所进行的浓缩或纯化溶液的分离方法，一般称之为反渗透工艺。
反渗透是渗透的一种反向迁移运动，它主要是在压力推动下，借助半透膜的截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开。
这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。
随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。
当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压。
渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。
如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透。
反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为 1～10MPa 。
用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。
反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm ，可截留溶质分子。
制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。
反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有氢键理论、选择吸附—毛细管流动理论、溶解扩散理论等。
反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂(通常是水)的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。
膜分离技术简介ppt课件
0
0.05
0.1
0.15
0.2
膜压差/MPa
15
反浸透通量的影响要素
操作压差—压差越大，浸透通量越大，但浓差极化比增大，膜外表溶液浸透压升高，推进 力不能按比例增大
温度—温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，浸透压降低，推进力增大，通 量增大。
料液流速—流速大，传质系数增大，浓差极化比减小，浸透通量增大。 料液的浓缩程度—浓缩程度高，水的回收率高。但浸透压高，浸透通量小，且已呵斥膜污
烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。 无机膜的制备已成为研讨热点，其增长速度远快于聚合物膜。 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为资料。其热力学、化学稳定性好，
运用寿命长。 陶瓷膜的运用较好。 根据分别过程和分别对象选择适宜的膜资料
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膜的分类
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膜的性能
膜的根本性能包括膜的分别透过特性和物化稳定性两方面。 物化稳定性：膜的空隙率、孔构造、外表特性、机械强度、化学稳定性、允许运
普通反浸透膜微孔尺寸在10A左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留 盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低96-99%。
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反浸透影响要素分析 ——压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响
脱盐率/%、膜通量
70
60
50 40 30 20
脱盐率 膜通量 传质系数
10
0
膜分别技术简介
;.
1
膜分别过程特点
一切的分别过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差别进展分别。 ——过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差别的分别过程。常规的过滤普通
是指固液分别或气液分别。 ——膜分别过程将这一运用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分别。即以选择性透
现代分离技术ppt
1.1分离过程的演变历史
二、分离工程的发展
自二十世纪五十年代以来，通过对化学工程的深 入研究，提出了三传一反（动量传递、热量传递、质 量传递、化学反应工程）的概念。使分离工程建立在 更基本的质量传递的基础上，从界面的分子现象和基 本流体力学现象进行分离工程中各单元操作的基础研 究，并用定量的数学模型描述分离过程，用于分析已 有的分离设备，并用于设计新的过程和设备。 由于计算机技术的飞速发展，使得从较基础的 理论角度出发对分离过程和设备进行研究成为可能， 减少了误差和失真。对一些复杂的数学模型的开发并 用于分离过程的优化，使化工过程更趋成熟和完善。
1.2分离工程学科
一、分离工程学科的构架
二、分离工程学科与其他学科的关系
1.3分离过程的分类
一、有相产生或添加的分离过程
在分离均相混合物时，通常采用添加或产生第二 个不互溶的相实现产品的分离。第二相的产生是通过 外加能量分离剂产生相变或直接添加第二相的物质分 离剂两种途径实现的。有些分离过程同时使用能量分 离剂和物质分离剂。 举例见教材P3表1-1。
2.1 预处理
预处理的目的主要有三个： ⑴改变料液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物 的速度，提高固液分离器的效率； ⑵尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液 相）； ⑶去除料液中的部分杂质，以利于后续各步操作。
预处理的方法： ⑴降低液体粘度（加热法、稀释法） ⑵调节悬浮液的PH值 ⑶凝聚和絮凝，或者是混凝 ⑷加入助滤剂 ⑸加入反应剂
1.1分离过程的演变历史
单元操作概念的建立对化学工程的发展起了重大 的作用。它对用于不同的化学工艺中的同样的操作， 以单元操作的概念抽象出来，对其共同规律进行研究。 通过对其基础研究、单元操作所用设备的结构、操作 特性、设计计算方法及应用开发等多方面的研究，为 分离过程在化工工艺开发、化工过程放大、化工装置 设计和在化工生产中的正确应用提供了较为完整的理 论体系和经济高效的分离设备，对促进化学工业的发 展起到了重要的作用。 同时，以此为基础发展起来了以因次分析和相 似论为基础的实验研究方法和以数学模型方法为基本 的理论结合实际的化学工程研究方法，也对化学工程 学本身的发展作出了很大的贡献。
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Nittl Denko
工业等
Permea/Air Prod.，Ube Ind.， Hoechst/Celanese
医疗、燃烧过程 等
GFT GmbH
无水乙醇生产
膜科学技术的发展概况
1.世界 (1748年-透析,1864年-人造膜,1918年-微孔滤 膜,1925年-滤膜公司,60年代-UF膜MF膜RO膜,70年代应用扩大,新的膜分离过程）
膜分离机理和传递理论
• 截流机理(筛孔效应) • 溶解-扩散理论(渗透和渗透压) • Donnan效应（电效应） • 优先吸附--毛细孔流理论 • 氢键理论
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截流机理和筛孔效应
机械截留（筛孔效应） 物理作用或吸附截留 架桥作用 网络内部截流
2020/6/16
溶解-扩散理论
理论要点如下: (1)膜表面无孔，是“完整的膜”。 (2)水和溶质通过膜分两步进行：
1831 J.V.Mitchell 气体透过橡胶膜的研究
1855
1861～ 1966
1860～ 1977
1906
Fick
Graham Van‘t Hoff， Tranbe，Preffer Kahlenbery
发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散； 制备了早期的人工半渗透膜 发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现 渗析（Dialysis）现象
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ＤＯＮＮＡＮ效应(电效应)
Donnan 效应: 电解质离子与荷电膜之间存在相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。 纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离 子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南（ＤＯＮＮＡＮ ）效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。 ： Donnan平衡:当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。膜相中的反离子浓度比主 体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势， 该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散 。
Asahi Glass
分解、氯碱工业
Film Tech./DOW，
海水脱盐、饮用
Hydronautics/Nitto，Torray，Ddu 水生产、食品工
Pont
业、造纸工业等
Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical
血液渗析、工业 废液等
Amicon Corp.，Koch Eng.Inc.， 制药工业、乳品
1944 William Kolff 初次成功使用了人工肾
1950
1960 1968 1980
Juda， Mcrae LoebSourirajan
N.N.Li
Cadotte
合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离 工程
相转化法制出了非对称反渗透膜
发明了液膜 制出了界面反应聚合复合膜
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微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为 赛璐玢和再生纤维）
Fofirol..etc
Mangold， Michaels.Mo
bain..etc
Teorell， Meyer， Sievers
用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透 现象
进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础
膜上游
透膜
膜下游
膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差 或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜 上游，透过侧称为膜下游.分离过程是靠在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作用的界面时在速度上的
差别来进行的。
。
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第三章 膜分离技术
第一节 膜分离技术概论 第二节 常用的膜分离技术 第三节 简介其他新型的膜分离技术
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膜科学的发展史
年代
科学家
主要内容
1748 1827
Abbe Nollet Dutrochet
水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生 渗透现象
名词渗透作用（Osmosis）的引入
渗透压定律
观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜
1917
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Kober
引入名词渗透气化（Pervaporqtion）
1911 1922 1920 1930
Donnan
Donnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布 ，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象
Zsigmondy Bachman
第一步，水和溶质溶解于膜表面。第二步，在化学势差的推动下和 溶质扩散通过膜。
(3)在溶解扩散过程中，扩散是控制步骤，并服从Filk定律。 具体过程包括：
①溶质和溶剂在膜的料液侧表面吸附和溶解。 ②溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学势差的推动下仅以分子扩 散方式通过反渗透膜的活性层。 ③溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。
膜技术的发展史
分离过程 年代
目前主要厂商
应用
微滤 电渗析 反渗透
渗析 超滤 气体分离 渗透汽化
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1925 1960 1965 1965 1970 1980 1990
Millipore Corp，Pall corp.，Asahi 微电子、医学、
Chemical
食品、化工等
Oonics Ins.，Tokuyama Soda， 苦咸水脱盐、水
2.我国(三阶段1965年-反渗透技术,1967年海水淡化,离子 交换膜投产;1995年前后-膜工业协会成立)
3.膜科学技术的未来 (a)探索开发新型膜材料不断改进膜的制备工艺 (b)不同膜过程不同分离方法相结合的集成膜过程 (c)膜分离与传统分离技术相结合的新型膜分离过程
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膜分离过程原理
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优先吸附--毛细孔流理论基本论点
(1)由于膜的化学性质对溶质具有排斥作用，根据Gibbs吸附方程 ，溶质是负吸附，水是优先吸附。因此，在膜与溶液界面附近， 溶液浓度剧烈下降，在膜的表面形成一层极薄的纯水层，纯水层 的厚度与膜的表面性质密切相关。 (2)膜表面存在着毛细小孔 ,当毛细孔的直径为纯水层厚度t的2倍时 （称临界孔径），可以得到最大的透水率和脱盐率。不同材料的 膜有不同的临界孔径。研制最佳的膜是在膜的表面形成尽可能多 的孔径为2t的毛细孔。孔径小于2t，膜的透水率降低；孔径大于2t 时，由于部分含盐溶液也会通过膜孔而使脱盐率下降。