第一章 膜分离概论

4.按动力本质分类 按动力本质分类 以静压力差为推动力的过程
微滤（microfiltration, MF) 超滤（ultrafiltration, UF） 反渗透（reverse osmosis, RO) 纳滤（nanofiltration, NF)
以蒸汽分压为推动力的过程
膜蒸馏（membrane distillation, MD) 渗透蒸发（pervaporation, PV）
几种水处理中常用膜分离技术原理
悬浮颗粒
MF UF NF RO
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
分离原理： 分离原理：
超滤 纳滤 反渗透
H2O
筛分机理 介于两者,荷电膜受控于 化学势,电势梯度 机理 溶解－扩散 机理
三、膜的分类
1.按膜的化学成份，可分为纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类 按膜的化学成份，可分为纤维素酯类 聚砜类、 纤维素酯类、 按膜的化学成份 及其他材料。 及其他材料。 从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多 从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约 多 种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占 种已被用于工业和实验室中。以日本为例， 53％，聚砜膜占 ％，聚砜膜占 ％，聚酰胺膜占 ％，其他材料的膜占 ％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占 ％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占 ％， 2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。 ％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位 ％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。
超滤 反渗透和纳 滤 透析 电渗析 渗透气化 气体分离
压力差
压力差
浓度差 电位差 压力差、 压力差、 浓度差 浓度差
四、膜分离技术发展简史
高分子膜的分离功能很早就已发现。 高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特 年 （Abbe. Nollet）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内， ）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内， 开创了膜渗透的研究。 膜渗透的研究 开创了膜渗透的研究。1861年，施密特（A. Schmidt）首先 年 施密特（ ） 提出了超过滤的概念。他提出， 超过滤的概念 提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或 赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力， 赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力 即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子， 差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精 度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看， 度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这 种过滤应称为微孔过滤 微孔过滤。 种过滤应称为微孔过滤。 然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪 年代。 世纪60年代 然而，真正意义上的分离膜出现在 世纪 年代。1961 米切利斯（ 年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱 ） 性的高分子电介质混合物以水—丙酮 溴化钠为溶剂， 丙酮—溴化钠为溶剂 性的高分子电介质混合物以水 丙酮 溴化钠为溶剂，制成了 可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜 超过滤膜。 可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国 Amicon公司首先将这种膜商品化。 公司首先将这种膜商品化。 公司首先将这种膜商品化
燕山石化现场图片
燕山石化现场图片
燕山石化现场图片
实验室用反渗透装置
反渗透组件
纳滤的应用
第一章 分离膜概论
一、分离膜与膜分离技术的概念
膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或 膜是一种起分子级分离过滤作用的介质 当溶液或 混和气体与膜接触时,在压力下 或电场作用下,或温差 在压力下,或电场作用下 混和气体与膜接触时 在压力下 或电场作用下 或温差 作用下,某些物质可以透过膜 某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性 作用下 某些物质可以透过膜 而另些物质则被选择性 的拦截,从而使溶液中不同组分 从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组 的拦截 从而使溶液中不同组分 或混和气体的不同组 分被分离,这种分离是分子级的分离 这种分离是分子级的分离。 分被分离 这种分离是分子级的分离。 膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜 膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。 分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。 分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜 至少具有两个界面， 至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两 侧流体接触并进行传递。 侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透 过性的，也可以是半透过性的， 过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过 性的。 性的。 膜在生产和研究中的使用技术被称为膜分离技术。 膜在生产和研究中的使用技术被称为膜分离技术。
膜分离技术
RO water treatment
电 镜 扫 描
光学显微 大分子
肉眼观察
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子
微米
分子
微粒
大颗粒
Angström
糖 溶解盐 杀虫剂 金属离子
病毒 藻类 细菌 胶体 砂粒 腐殖酸
反渗透
纳米过滤
MF微过滤 微过滤 UF超过滤 超过滤
常规过滤
Note : 1 Angström = 10-10 meter = 10-4 micron
2.按膜的分离原理及适用范围分类 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同， 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可 将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、 将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、 渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等(见下表 见下表)。 渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等 见下表 。 3. 按膜断面的物理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同， 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分 为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、 为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、 中空纤维膜等。 中空纤维膜等。
以浓度差为推动力的过程
渗析（dialysis, D)
以电位差为推动力的过程
电渗析（electrodialysis, ED)
膜的种类 微滤
膜的功能 多孔膜、 多孔膜、溶液 的微滤、 的微滤、脱微 粒子 脱除溶液中的 胶体、 胶体、各类大 分子 脱除溶液中的 盐类及低分子 物质 脱除溶液中的 盐类及低分子 物质 脱除溶液中的 离子 溶液中的低分 子及溶剂间的 分离 气体、 气体、气体与 蒸汽分离
类别 纤维素酯类 膜材料 纤维素衍生物类 聚砜类 聚酰(亚 胺类 聚酰 亚)胺类 聚酯、 非纤维素酯类 聚酯、烯烃类 含氟(硅 类 含氟 硅)类 其他 举 例 醋酸纤维素，硝酸纤维素， 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜， 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺， 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯， 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯， 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等 壳聚糖， 壳聚糖，聚电解质等
二、膜分离过程工作原理
选择性透膜
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 膜分离过程原理 在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电 推动力（ 推动力 如浓度差、 压差等） 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 膜上游，透 膜上游 过侧称为膜下游 膜下游。 膜下游
0.5um
RO膜截面图 (UHR-FE SEM)
基层 Fabric Base 无纺布 聚酯层 Non-woven Polyester 100um 100um
产品水
复合膜元件结构示意图
超薄脱盐层 :2000埃 (约:2000埃 )
刚性支撑层 (约:50μm)
超薄层脱盐层：复合膜的关键部分， 超薄层脱盐层：复合膜的关键部分，厚度约 0.2µm，材质为高交联度的芳香聚酰胺。 ，材质为高交联度的芳香聚酰胺。
膜分离技术选用
微滤 分离方法 反渗透 电渗析 糖 病毒 颗粒大小 胶体物质 溶解盐 热源 肉眼可见 细菌 光学纤维观察 超滤 常规过滤
µm
0.001
0.01
0.1
1
10
100
离子
高聚物
微粒
细粒
粗粒
各种去除颗粒直径及对应分离工艺
高压海水淡化RO膜的结构 高压海水淡化RO膜的结构
海水
超薄脱盐层 交联芳香族聚酰胺 0.3um 支撑层 聚砜 45um
分离驱 动力 压力差
透过物质 水、溶剂和 溶解物 溶剂、离子 溶剂、 和小分子 水和溶剂 离子、 离子、低分 子物、 子物、酸、 碱 离子 蒸汽 易透过气体
被截流物质 悬浮物、细菌类、 悬浮物、细菌类、 微粒子、 微粒子、大分子有 机物 蛋白质、各类酶、 蛋白质、各类酶、 细菌、病毒、胶体、 细菌、病毒、胶体、 微粒子 无机盐、糖类、氨 无机盐、糖类、 基酸、 基酸、有机物等 无机盐、糖类、氨 无机盐、糖类、 基酸、 基酸、有机物等 无机、 无机、有机离子 液体、无机盐、 液体、无机盐、乙 醇溶液 不易透过液体
支撑织物( 支撑织物( 约:110μm)
刚性支撑层，材质为微孔工程塑料聚砜， 刚性支撑层，材质为微孔工程塑料聚砜，聚 砜层表面的孔径大约在15nm。 砜层表面的孔径大约在 。 支撑织物：聚酯无纺织物， 支撑织物：聚酯无纺织物，其表面无松散纤 维且坚硬光滑， 反渗透膜”的载体。 维且坚硬光滑，是“反渗透膜”的载体。
分离膜包括:反渗透膜 分离膜包括 反渗透膜(0. 0001～0. 005µm)、纳 反渗透膜 ～ 、 滤膜(0. 超滤膜(0. 滤膜 001 ～ 0. 005µm) 、超滤膜 001 ～ 0. 1µm)、 微滤膜 1～1µm) 、电渗析膜、渗透气化 电渗析膜、 、 微滤膜(0. ～ 液体膜、气体分离膜、电极膜等。 膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。他们对应不同 的分离机理,不同的设备 有不同的应用对象。 不同的设备,有不同的应用对象 的分离机理 不同的设备 有不同的应用对象。膜本身 可以由聚合物,或无机材料 或液体制成,其结构可以是 或无机材料,或液体制成 可以由聚合物 或无机材料 或液体制成 其结构可以是 均质或非均质的,多孔或无孔的 固体的或液体的,荷电 多孔或无孔的,固体的或液体的 均质或非均质的 多孔或无孔的 固体的或液体的 荷电 的或中性的。膜的厚度可以薄至100µm ,厚至几毫米 厚至几毫米。 的或中性的。膜的厚度可以薄至100µm ,厚至几毫米。 不同的膜具有不同的微观结构和功能,需要用不同的 不同的膜具有不同的微观结构和功能 需要用不同的 方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题, 方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题 也是各公司严格保密的核心技术。 也是各公司严格保密的核心技术。
膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法， 膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与 作为新的分离净化和浓缩方法 传统分离操作(如蒸发 萃取、沉淀、 如蒸发、 传统分离操作 如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子 交换树脂等)相比较 过程中大多无相变化， 相比较， 交换树脂等 相比较，过程中大多无相变化，可以 在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、 在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、 领域， 投资小等特点。 投资小等特点。膜分离技术应用到水处理领域， 形成了新的水处理方法，它包含微滤 微滤(MF)、超滤 形成了新的水处理方法，它包含微滤 、 (UF)、渗析 、电渗析 、渗析(D)、电渗析(ED)、纳滤 、纳滤(NF)、和反渗 、 透(RO) 。 人类对膜技术进行研究与发展的历史大致为： 人类对膜技术进行研究与发展的历史大致为： 上世纪30年代微孔过滤 年代微孔过滤； 年代透析 年代透析； 年代电 上世纪 年代微孔过滤；40年代透析；50年代电 渗析； 年代反渗透 年代反渗透； 年代超滤和液膜 年代超滤和液膜； 年 渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年 代气体分离； 年代渗透汽化 年代渗透汽化。 代气体分离；90年代渗透汽化。
Al Jubail (Saudi Arabia ) 91,000 m3/d 2000年
特立尼达&多巴哥 136,000 m3/d 2002年
Tortola (British Virgin Islands) 690 m3/d (两段法生产纯水)
1999年
KAE Curacao (Netherlands Antilles) 11,400 m3/d 1999年 （两段法生产纯水）