膜分离的种类和特点

第三节膜分离

12-3-1 概述

膜分离的种类和特点利用固体膜对流体混合物中的各组分的选择性渗透从而分离各个组分的方法

统称为膜分离。膜分离过程的推动力是膜两侧的压差或电位差，表12-3列举几种膜分离过程的要点。

表12-3 几种主要的膜分离过程

膜分离过程的特点是：

(1) 多数膜分离过程中组分不发生相变化，所以能耗较低；

(2) 膜分离过程在常温下进行，对食品及生物药品的加工特别适合；

(3) 膜分离过程不仅可除去病毒、细菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和无机盐，还可分离共沸物

或沸点相近的组分；

(4) 由于以压差及电位差为推动力，因此装置简单，操作方便。

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242本节简要说明使用固体膜的分离过程，液膜分离已在本书第11章中作了介绍。

分离用膜 膜分离的效果主要取决于膜本身的性能，膜材料及膜的制备是膜分离技术发展的制约因素。

分离用固体膜按材质分为无机膜及聚合物膜两大类，而以聚合物膜使用最多。无机膜由陶瓷、玻璃、金属等材料制成，孔径为1nm ~ 60μm 。膜的耐热性、化学稳定性好，孔径较均匀。聚合物膜通常用醋酸纤维素、芳香族、聚酰胺、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯等材料制成，膜的结构有均质致密膜或多孔膜，非对称膜及复合膜等多种。膜的厚度一般很薄，如对微孔过滤所用的多孔膜而言，约为50 ~ 250μm 。因此，一般衬以膜的支撑体使之具有一定的机械强度。

对膜的基本要求 首先要求膜的分离透过特性好，通常用膜的截留率、透过通量、截留分子量等参数表示。不同的膜分离过程习惯上使用不同的参数以表示膜的分离透过特性。

(1)截留率R: 其定义为 %1001

2

1

C C C （12-45） 式中C 1、C 2分别表示料液主体和透过液中被分离物质（盐、微粒或大分子等）的浓度。

(2)透过速率（通量）J ：指单位时间、单位膜面积的透过物量，常用的单位为kmol/(m 2

s)。由于操作过程中膜的压密、堵塞等多种原因，膜的透过速率将随时间而衰减。透过速率与时间的关系一般服从下式：

m

J J 0 （12-46）

式中J 0为操作初始时的透过速率；τ为操作时间；m 称为衰减指数。

(3)截留分子量：当分离溶液中的大分子物时，截留物的分子量在一定程度上反映膜孔的大小。但是通常多孔膜的孔径大小不一，被截留物的分子量将分布在某一范围内。所以，一般取截留率为90%的物质的分子量称为膜的截留分子量。

截留率大、截留分子量小的膜往往透过通量低。因此，在选择膜时需在两者之间作出权衡。 此外，还要求分离用膜有足够的机械强度和化学稳定性。

12-3-2 反渗透

原理 用一张固体膜将水和盐水隔开，若初始时水和盐水的液面高度相同，则纯水将透过膜向盐水侧移动，盐水侧的液面将不断升高，这一现象称为渗透，参见图12-23。待水的渗透过程达到定态后，盐水侧的液位升高h 不再变动，ρgh 即表示盐水的渗透压π。若在膜两侧施加压差△p ，且△p>π，则水将从盐水侧向纯水侧作反向移动，此称为反渗透。这样，可利用反渗透现象截留盐（溶质）而获取纯水（溶剂），从而达到混合物分离的目的。

渗透压π的大小是溶液的物性，且与溶质的浓度有关，表12-4列举不同浓度下氯化钠水溶液的渗透压。

图12-23 渗透和反渗透示意图

表12-4 氯化钠水溶液在25℃下的渗透压

盐水浓度 / 质量% 0 1.1555 2.2846 3.3882 6.5543 12.3022 25.3179

渗透压 / MPa 0 0.923 1.82 2.74 5.61 12.0 36.5

当反渗透膜的两侧是浓度不同的溶液，则反渗透所需的外压△p应大于膜两侧溶液渗透压之差△π。实际反渗透过程所用的压差△p比渗透压高许多倍。

反渗透膜常用醋酸纤维、聚酰胺等材料制成。图12-24是醋酸纤维膜的结构示意图。它是由表面活性层、过渡层和多孔支撑层组成的非对称结构膜，总厚度约100μm左右。表面层的结构致密，其中孔隙直径最小，约0.8~2 nm，厚度只占膜总厚度的1%以下。多孔层呈海绵状，其中孔隙约为0.1~ 0.4μm。过渡层则介于两者之间。

图 12-24 典型的非对称膜结构示意图

反渗透膜对溶质的截留机理并非按尺度大小的筛分作用，膜对溶剂（水）和溶质（盐）的选择性是由于水和膜之间存在各种亲和力使水分子优先吸附，结合或溶解于膜表面，且水比溶质具有更高的扩散速率，因而易于在膜中扩散透过。因此，对水溶液的分离而言，膜表面活性层是亲水的。

浓差极化反渗透过程中，大部分溶质在膜表面截留，从而在膜的一侧形成溶质的高浓度区。当过程达到定态时，料液侧膜表面溶液的浓度x3显著高于主体溶液浓度x1，参见图12-25。这一现象称为浓差极化。近膜处溶质的浓度边界层中，溶质将反向扩散进入料液主体。

为建立浓度边界层中溶质浓度x的分布规律，采用气体吸收中分子扩散速率的解析方法。取浓度边界层内平面I与膜的低浓度侧表面Ⅱ之间的容积为控制体作物料衡算得

图12-25 浓差极化

243

244 02 Jx z

x

DC

Jx （12-47） 式中J 为膜的透过速率，kmol/(m 2s)； x 1为料液主体中溶质的摩尔分率；

x 3、x 2分别为膜面上两侧溶液中的溶质摩尔分率； C 为料液的总摩尔浓度，kmol/m 3 D 为溶质的扩散系数，m 2/s 。

将上式从z=0,x=x 1到z=L(浓度边界层厚度)，x=x 3积分，可得边界层内的粘度分布为 CD

JL

x x x x

2123ln

（12-48） 通常反渗透过程有较高的截留率，透过物中的溶质浓度x 2很低，故有

)exp(13Ck

J

x x （12-49） 式中k=D/L 为浓度边界层内溶质的传质系数，x 3/x 1称为浓差极化比。显然，对一定的透过速率J ，传质系数k 越小，浓差极化比越大。

透过速率 当膜两侧溶液的渗透压之差为△π时，反渗透的推动力为（△p-△π）。故可将溶剂（水）的透过速率J V 表示为：

J V = A （△p-△π） （12-50）

式中A 为纯溶剂（水）的透过系数，其值表示单位时间、单位膜表面在单位压差下的水透过量，是特征膜性能的重要参数。

与此同时，少量溶质也将由于膜两侧溶液有浓度差而扩散透过薄膜。溶质的透过速率J S 与膜两侧溶液的浓度差有关，通常写成如下形式:

J S = B （C 3-C 2） （12-51） 式中B 为溶质的透过系数；C 3、C 2的意义与x 3、x 2相同，但单位为kmol/m 3

。

透过系数A 、B 主要取决于膜的结构，同时也受温度、压力等操作条件的影响。 总透过速率J 为

J = J V + J S （12-52） 由以上分析可知，影响反渗透速率的主要因素是：

（1）膜的性能：具体表现为透过系数A 、B 值的大小。显然，对膜分离过程希望A 值大而B 值小。因此，膜的材料及制膜工艺是影响膜分离速率的主要因素。

（2）混合液的浓缩程度：浓缩程度高，膜两侧浓度差大，渗透压差△π大。由式（12-48）可见，由于有效推动力的降低而使溶剂的透过通量减少。而且料液浓度高易于引起膜的污染。

（3）浓差极化：由于存在浓差极化使膜面浓度x 3增高。加大了渗透压△π，在一定压差△p 下使溶剂的透过速率下降。同时x 3的增高使溶质的透过速率提高，即截留率下降。由此可知，在一定的截留率下由于浓差极化的存在使透过速率受到限制。此外，膜面浓度x 3升高，可能导致溶质的沉淀，额外增加了膜的透过阻力。因此，浓差极化是反渗透过程中的一个不利操作因素。

由式（12-47）可知，减轻浓差极化的根本途径是提高传质系数。通常采用的方法是提高料液的流速和在流道中加入内插件以增加湍流程度。也可以在料液的定态流动基础上人为加上一个脉冲流动。此外，可以在管状组件内放入玻璃珠，它在流动时呈流化状态，玻璃珠不断撞击膜壁从而使传质系数大为增加。

反渗透的工业应用 海水脱盐是反渗透技术使用得最广泛的领域之一。使用的膜分离器件多数为螺旋