分离工程朱家文第五章膜分离技术

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膜分离技术 有 机 材 料
纤维素类 聚酰胺类
芳香杂环类
二醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、硝酸纤维素等
尼龙－66、芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等 聚哌嗪酰胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮 等 聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜等。
聚砜类
聚烯烃类
硅橡胶类
含氟聚合物
聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚丙烯酸等
0.01 10 100,000
0.1 100 500,000
1.0 1000
10.0 10000
硅胶颗粒 病毒 蛋白质 细菌
酵母细胞
溶质 糖 微溶质 电渗析 扩散渗析 膜分离过程 反渗透 气体分离 渗透蒸发 纳滤
超滤 渗析 微滤
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几种典型溶质分子大小和对应的膜
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各种膜分离过程的分离机理
相对价格
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膜分离技术 反渗透时溶剂通量：
JW=（ΔP-Δπ）/ Rm
考虑浓差极化，反渗透过程的通量
Cw C F JW ln CB CF D
反渗透膜对无机盐的截留率较高，所以， CF＜＜CB，因此，此关系式可简化为：
JW Js CW ¸ ¹ Í ý Ò º CF ß ½ ± ç ² ã Ä ¤
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卷式组件
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中空纤维组件
(b)
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渗透物 不锈钢管
管式膜组件
进料 浓缩物
密封圈
陶瓷膜管
平板膜组件
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5.3膜分离过程
反渗透（Reverse Osmosis)和纳滤(Nanofiltration)
渗 透 过 程 示 意 图
P

溶剂 稀相2 膜 (a) 浓相1 稀相2 膜 (b) 浓相1
聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷 聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等 聚碳酸酯、聚电解质 氧化铝、氧化硅、氧化锆等 硼酸盐玻璃
其它
无 机 材 料
陶瓷 玻璃
金属
铝、钯、银等
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按被分离物质的状态分：液体分离膜和气体分离膜。 液体分离膜：
微滤、超滤、渗析、电渗析、纳滤、反渗透、
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四种膜组件用于反渗透和 纳滤时的性能及操作条件
比较项目 管式 板框式 卷式 中空纤维式
填充密度 (m2/m3) 膜清洗
膜更换难易
原水预处理成本
20
内压式易 外压式难 内压式难 外压式易 低 高
150
易 一般 中等 高
250
难 易 高 低
1800
（内压中空纤维超滤易）
难 易 高 低
膜过程
微滤 超滤 纳滤 反渗透 电渗析 渗析 渗透蒸发 膜蒸馏 气体分离 液膜 膜接触器
相 1* 2 L L L L L L
推动力
压力差 (0.01-0.2MPa) 压力差 (0.1-0.5MPa) 压力差 (0.5-2.0MPa) 压力差 (1.0-10.0MPa)
分离机理 筛分 筛分
筛分+ 溶解/扩散 溶解/扩散
脱盐(工业规模) 海水淡化(工业规模) 大分子浓缩(工业规模) 氢气回收(工业规模) 水溶液浓缩(工业规模) 有机溶剂脱水(工业规模)
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美国膜与膜组件的实际销售额与预测额 单位:百万美元
应用领域 气体分离 渗透汽化 电化学品 食品，饮料 半导体 水—城市，药品 生物技术/生化药品 总计 1990 年 51 1 22 64 87 62 123 588 1995 年 85 28 31 92 120 102 195 927 2000 年 125 61 57 134 181 160 370 1,462 2005 年 185 135 105 197 271 256 675 2,344 年增长率，% 8 17 13 8 8 9 13 9.7
递，其推动力由膜内某种化学反应提供，这类现象主要存在于生 命膜
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不同的膜分离过程中所用的膜具有一定结构、材质和选择特
性；被膜隔开的两相可以是液态，也可以是气态；推动力可以是 压力梯度、浓度梯度、电位梯度或温度梯度，所以不同的膜分离 过程的分离体系和适用范围也不同。 本章，主要简述反渗透、纳滤、超滤、微滤、透析、电渗析、 载体促进传递、渗透汽化、 膜精馏、膜萃取和气体分离等膜分 离过程。
方面。 在海水和苦咸水淡化方面，反渗透技术的应用到1980年代即 已占到20%，可使海水一次脱盐达到饮用水标准。 反渗透、超滤等膜技术和离子交换组合过程进行纯水生产， 可使纯水中的杂质含量接近理论纯水值，广泛用于医药工业无 菌纯水和电子工业超纯水的制造。 反渗透也用于低分子量水溶性组分的浓缩过程，包括：食品 工业中牛奶、果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水 的浓缩。
L L
L L
L L L G L L G G L L L L G L L G
电位差
浓度差 分压差 温度差 压力差(1.010.0MPa) (分压差) 化学反应 与浓度差 浓度差 浓度差(分压差) 浓度差(分压差)
离子交换
扩散 溶解/扩散 气-液平衡
电解离子
离子、低分子量有机质、 酸和碱 溶质或溶剂(易渗透组份的 蒸汽) 溶质或溶剂(易汽化与渗透 的组份) 易渗透的气体和蒸汽 电解质离子
渗透物
水、溶剂溶解物 水、溶剂、离子和小分子( 分子量1000) 水和溶剂(分子量200) 水和溶剂
截留物
悬浮物、颗粒、纤维和细菌 (0.01-10m) 生化制品、胶体和大分子(分 子量1000-300000) 溶质、二价盐、糖和染料(分 子量200-1000) 全部悬浮物、溶质和盐
膜结构
对称和不对称多孔膜 具有皮层的多孔膜 致密不对称膜和复合膜 致密不对称膜和复合膜
非解离和大分子物质
分子量大于1000的溶解物和 悬浮物 溶质或溶剂(难渗透组份的液 体) 溶质或溶剂(难汽化与渗透的 组份) 难渗透的气体和蒸汽 非电解质离子
离子交换膜
不对称膜和离子交换膜 复合膜和均质膜 多孔膜 复合膜和均质膜 载体膜
溶解/扩散
反应促进 和扩散传递
分配系数
易扩散与渗透的物质
难扩散与渗透的物质
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纳滤的应用
对Na+和Cl- 等一价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、
SO42-等二价离子及除草剂、农药、色素、染料、抗生素、多肽和 氨基酸等小分子量（200-1000）物质的截留率很高，而且水在纳滤
膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离 子和分子量在500到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗 透经济。
液膜分离：液膜处于料液和接受液两液相之间，由于 选择
透过性，料液中某些组分透过液膜进入接受液，实现组分的分
离。液膜分离又称液膜萃取。
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常用的膜组件(module)
板式膜组件——与平板式压滤机相近。结构和操作方式不同；在膜组件中， 液体处于高速流动的以减轻浓差极化。 管式膜组件——由支撑物与过滤膜组成。有内压式和外压式之分。直径 10mm 卷式膜组件——用平面膜卷制而成。 毛细管膜组件——类似于单管程管壳式热交换器。直径在0.5～10mm之间 中空纤维膜组件——类似于单管程管壳式热交换器。通常管间流物料，管内 汇集渗滤液。直径0.5mm 管式、毛细管式和中空纤维式皆为管状膜，差别主要是直径不同：管式膜 直径 10mm；毛细管式膜直径在0.5～10mm之间；中空纤维膜 直径0.5mm。管状膜 直径越小，则单位体积里的膜面积越大。
膜分离技术 通过膜相际有3种基本的传质形式：
（1）被动传递 通过膜相际的组分均以化学势梯度为推动力， 可以是膜两侧的压力差、浓度差、温度差或电势差。
（2）促进传递 通过膜的组分仍以化学势梯度为推动力，各组 分由特定的载体带入膜中。促进传递是一种高选择性的被动传递 （3）主动传递 与前二者不同，各组分可以逆化学势梯度而传
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而膜分离过程（主要是固膜分离）是以选择性透过膜为分离介 质，在两侧加以某种推动力，利用原料侧各组分透过膜的扩散速率 的差异，从而达到混合物分离的过程；分离效果的好坏，由各组分 通过膜的速率快慢来决定。—— 速率分离过程
渗透液 相2 原料液 相1
推动力： P, C或
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提高了膜面溶质浓度，使透过液中溶质浓度CF上升；产品质量下降
膜面处溶质浓度高于溶解度时，将析出沉淀增加膜阻力；因此水的浓缩比 率受到限制 为减轻浓度极化的影响，可采取以下措施：提高料液流速、增强料液的湍流 强度，提高操作温度，对膜面定期清洗
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反渗透的应用：反渗透广泛用在海水、苦咸水淡化，纯水制备等
渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取等
气体分离膜：
气体分离、蒸汽渗透、膜吸收等 按膜的状态分：固膜、液膜、气态膜。
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固膜分离：
过滤式膜分离：溶液或混合气体置于固体膜的一侧，在 压力的作用下，部分物质透过膜而成为滤液或渗透气，留 下部分则成为滤余液或渗余气。例如，超过滤、反渗透、
气体渗透。 渗析式膜分离：被处理溶液置于固体膜的一侧，接受液 是接纳渗析组分的溶剂或溶液，置于膜另一侧。
2000年，美国膜产品的销售额总计14.62亿US$；世界范围内 100亿US$， 而国内销售额仅占0.5%左右。 分离工程
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膜分离过程及其应用领域
颗粒尺寸 m nm 分子量
原子/ 离子范围 小分子范围 大分子范围 微粒子范围 大粒子范围
0.001 1.0 100 200 盐溶液 金属离子 1000
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膜分离技术的发展历史
膜分离过程 微滤 超滤 血液渗析 国家 德国 德国 荷兰 年份 1920 1930 1950 应用 实验室规模 实验室规模 人工肾(实验室规模)
电渗析 反渗透 超滤 气体分离 膜蒸馏 渗透汽化
美国 美国 美国 美国 德国 德国/荷兰
1955 1960 1960 1979 1981 1982
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第五章 膜分离技术
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膜分离技术
目 录
5.1 前言 5.2 膜与膜分离技术的分类 5.3 膜分离过程 5.4 膜制备技术 5.5 与传统反应和分离技术的结合 5.6 膜与膜工程技术的工业应用 5.7 展望
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5.1 前 言
所有分离过程都是利用在某种环境中混合物中各组分 性质的差异进行分离。 常规的分离过程如精馏、吸收、萃取等，借助于热能、 溶剂和吸附剂等媒介，使均相混合物变成两相，原料中各 组分在两相间选择性分配；对分离过程进行工艺计算时， 可以简化为一个个的平衡理论级来考虑，分离效果由相平 衡关系决定。 —— 平衡分离过程
CB
CW JW ln Cwenku.baidu.com D
Ï Ò Á º
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上式变形后为 溶质通量为
CW J exp( W ) CB D
JS = JWCF = JW (1—σ) CW
CW/CB称为浓差极化比，其值越大，浓差极化现象越严重。
浓差极化对反渗透过程有严重影响： 提高了渗透压差，溶剂通量JW下降；产品产量下降
膜材料的分类
天然高分子材料：主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤 维等。醋酸纤维：截留能力强，反渗透膜，也可作微滤膜和超滤膜，使用时 的温度和pH值受到限制，温度低于45～50℃， pH 3 ～ 8。 合成高分子材料：市场上大部分膜为合成高分子膜，种类很多，如聚砜、聚 丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。 聚砜是最常用的材料之一，主要用于超滤膜，耐温(70～80℃)、耐pH变化 (pH 1 ～ 13)，但耐压能力较低. 聚酰胺膜的耐压能力较高，使用寿命长，常用于反渗透。 无机材料：主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。机械强度高，耐高温 和腐蚀；加工不易，成本比有机膜高十倍以上。
多孔膜和无孔膜
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5.2 膜与膜分离技术的分类
膜的微观结构（固膜）： 对称膜 不对称膜 复合膜 多层复合膜
按 膜 凝 聚 态 分 类
对称膜 固膜 不对称膜
柱状孔膜 多孔膜 均质膜 多孔膜 具有皮层的多孔膜 复合膜
液膜
存在于固体多孔支撑层中的 以乳液形式存在的
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溶剂 稀相2 膜 (c) 浓相1
反渗透原理：当用一个半透性膜分离两种不同浓度的溶液时，膜仅允 许溶剂分子通过。由于浓溶液中溶剂的化学位低于它在稀溶液中的化 学位，稀溶液中的溶剂分子会自发地透过半透膜向浓溶液中迁移。 分离工程
膜分离技术 反渗透过程的实现必须满足两个条件：
1.高选择性(对溶剂和溶质的选择透过性)和高透过通量（一般是透水）； 2.操作压力必须高于溶液的渗透压。