第三章 膜分离技术 现代分离科学与技术 教学课件

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
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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 。
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
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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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
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
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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：
第三章 膜分离技术
第一节 膜分离技术概论 第二节 常用Байду номын сангаас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
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。
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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。
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