第六章 膜分离技术

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第六章 膜分离技术
膜分离技术
常见的分离方法分离机理 大小:筛分 普通过滤 微滤 超滤 扩散:电渗析 透析 反渗透 离子电荷: 离子交换 蒸汽压 : 蒸馏 冷冻 溶解度: 萃取 表面作用:泡沫分级 密度:超速离心 液体旋风分离 重力沉降
膜分离技术
常规的分离方法缺点
沉淀,过滤:澄清不彻底,劳动量大,时间长。 离心,超离心:投资运行费高,操作与维修困难。 离子交换,蒸发,色谱:处理量小,有些物质对热 与化学环境敏感。
溶液-扩散
筛分加上扩散度差 离子迁移 溶液-扩散
膜分离技术
膜分离技术
膜分离技术
一、微滤: 分离膜:对称微孔膜。驱动力:压力。 分离原理:利用筛分原理,分离截留直径为0.02um 到10um。大小的粒子的膜分离技术。 用途:培养基液除菌,产品消毒(配制培养染菌 时,则采取灭菌过率除菌),细胞收集,一般料液的 澄清。

膜科学的发展史
年代
1748 1827 1831 1855 1861~ 1966
科学家
Abbe Nollet Dutrochet J.V.Mitchell Fick Graham
主要内容
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
气体透过橡胶膜的研究 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
膜分离技术
膜分离技术的优点: 1.高效:由于膜具有选择性,它能有选择性地透过 某些物质,而阻挡另一些物质的透过。选择合适的 膜,可以有效地进行物质的分离,提纯和浓缩; 2.节能:多数膜分离过程在常温下操作,被分离物 质不发生相变, 是一种低能耗,低成本的单元操作; 3.过程简单、容易操作和控制; 4.不污染环境。
膜分离技术
6.纳滤膜技术 纳米过滤(简称纳滤),是介于反渗透与超滤之间 的一种以压力为驱动力的新型膜分离过程。纳滤能 截留有机小分子而使大部分无机盐通过,操作压力 低,在食品工业、生物化工及水处理等许多方面有 很好的应用前景。
纳滤在工业上的应用
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1920
1930 1944 1950 1960 1968 1980
Teorell, Meyer, Sievers
William Kolff Juda, Mcrae LoebSourirajan N.N.Li Cadotte
膜分离技术
膜分离技术发展的历史
1.1748年Abbe Nollet发现水会自发地扩散穿过猪膀胱而进入酒 精中开始对膜的研究,但并未重视. 2. 19世纪Dubrunfaut应用天然膜制成第一个膜渗透器并成功地 进行了糖蜜与盐类的分离,开创了膜分离的历史纪元并显示了 它的优点。 3. 1864年Traube成功地制得了历史上第一张人造膜——亚铁氰 化铜膜。 4. 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱 盐率的 不对称反渗透膜是膜分离技术发展的一个里程碑。 从20世纪开始,相继出现了各种不同类型的人工合成分离膜. 其发展大致可分为三个阶段:① 50年代为奠定基础阶段;② 60年代和70年代为发展阶段;③ 80年代至今为发展深化阶段。
过 程 微滤 孔 径 0.02-10μm 推动力 压力 机 制 筛分(体积大小)
超滤
反渗透
0.001-0.02μm 3-104 压力 相对分子质量10
无孔 压力 相对分子质量<1000
筛分(体积大小)
溶液-扩散
气体分离
渗析 电渗析 渗透蒸发
无孔
1-3nm 相对分子质量<200 无孔
压力
浓度差 电位差 分压差
膜工业的发展史
分离过程 微滤 年代 1925 目前主要厂商 应用 Millipore Corp,Pall corp.,Asahi 微电子、医学、 Chemical 食品、化工等 Oonics Ins.,Tokuyama Soda, Asahi Glass 苦咸水脱盐、水 分解、氯碱工业
电渗析
反渗透 渗析 超滤 气体分离 渗透汽化
微滤膜的材质分为有机和 无机两大类,有机聚合物 有醋酸纤维素、聚丙稀、 聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺 等。无机膜材料有陶瓷和 金属等。
膜分离技术
二、超滤:
膜:不对称微孔膜。驱动力:压力。分离原理:筛分原理, 但有些情况下受到粒子荷电性与荷电荷相互作用的影响很 大,分离分子量从300到1,000,000Da 的可溶性大分子 物质。用途:能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体 悬浮固体等进行分离,广泛应用于料液的澄清、大分子有机 物的分离纯化、除热源。
反 渗 透 膜
渗 透 汽 化 膜
气 体 渗 透 膜
无机材料膜
有机高分子膜
固体膜
对称膜
根据膜断面 的物理形态
不对称膜 复合膜
平板膜
根据固体 膜的形态
管式膜
中空纤维膜
核径蚀刻膜
高分子分 离膜材料
膜 材 料 种 类
无机膜
纤维素衍生物类 聚砜类 聚酰胺类 聚酰亚胺类 聚酯类 聚烯烃类 乙烯类聚合物 含硅聚合物 含氟聚合物 甲壳素类
常用膜分离技术的基本特征
项目 微滤 (MF) 膜类型 操作压力 分离机理 适用范围 技术特点 不足之处 对称微孔膜 0.01 MPa~ 颗粒大小、含微粒或菌体溶 操作简便,通水量大,工 有机污染物的分 0.02~10μm 0.2 MPa 形状 液的分离 作压力低,制水率高。 离效果较差。 与微滤技术相似。 与微滤技术相似。
膜分离技术
三、反渗透 膜:带皮层的不对称膜。驱动力:压力(1-10MPa). 分离原 理:在高于溶液渗透压的压力作用下,只有溶液被认为是无 孔的,它分离的基本原理是溶解扩散(毛细孔流学说)。 “膜孔径”为0.1-1nm.用途:除可溶性的金属盐、有机物、 细 菌、胶体粒子、发热物质, 也即能截留所有的离子, 在生产纯净水、软化水、 无离子水、产品浓缩、 废水处理方面反渗透膜已 经应用广泛。
发现气体通过橡皮有不同的的渗透率,发现 渗析(Dialysis)现象
1860~ Van‘t Hoff, 渗透压定律 1977 Tranbe,Preffer 1906 Kahlenbery 观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜
1917
Kober
引入名词渗透气化(Pervaporqtion)
续表:
1911 1922 Donnan Zsigmondy Bachman Fofirol..etc Mangold, Michaels.M obain..etc 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 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) 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 初次成功使用了人工肾 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
膜分离技术
膜分离学科发展的主要学科支持体系: 主要方向:膜材料和膜结构;膜制备与膜形成机理;膜 性能与结构的关系; 膜过程和传递机理; 过程和设备设计 与优化;膜应用研究等。 支撑理论基础:化学渗透压学说,气体膜透过理论、膜 孔径理论、膜平衡概念、定电位学说、双电层理论等等。 支撑研制及分析技术:电子显微镜等近代分析技术的进 展为分离膜的结构分析和分离机理研究提供了有效手段。 需求:现代工业的发展迫切需要节能、低品位原料的再 利用和消除环境污染的新技术,而膜分离正好是能满足 这些需要的新技术。
原理
RO membrane
UF membrane
NF membrane
MF membrane
原理 动漫
膜分离技术
膜的种类
根据 膜的 材质
根据 材料 来源
根据 膜的 结构
根据 膜的 功能
固 体 膜
液 体 膜
天 然 膜
合 成 膜
多 孔 膜
致 密 膜
离 子 交 换 膜
渗 析 膜
微 孔 过 滤 膜
超 过 滤 膜
膜分离技术
膜的特性 ⑴ 膜必须要有半透膜特性,能允许某些组成透 过,而保留混合物中的其他组成,从而达到分离 混合样品的目的。 ⑵ 在常温下,进行膜分离过程时,无相变,无 化学变化。处理效率高,省能等优点。
(3)具有单元操作特点,设备简单,操作方便。
膜分离技术
膜的特性
(4)膜可分为对称膜,其结构与方向无关。不对 称膜,它具有不对称结构,既表面的活性层。孔 隙直径在100nm,厚度为0.2-0.5um, 起过滤作用。 下面厚度为50-100um 的支持层,孔隙直径为 0.1-1.0um,起支持活性层的作用。 不对称膜的特点:因为活性层很薄,且不易使孔道阻塞,
膜分离操作基本工艺流程:
在过滤过程中料液通过泵的加压,料液以一定流速沿着滤膜的表面流过,大于膜截留分子 量的物质分子不透过膜流回料罐,小于膜截留分子量的物质或分子透过膜,形成透析液。 故膜系统都有两个出口,一是回流液(浓缩液)出口,另一是透析液出口。
计算及影响因素
在单位时间(Hr)单位膜面积(m2)透析液流 出的量(L)称为膜通量(LMH),即过滤速度。 影响膜通量的因素有:温度、压力、固含量 (TDS)、离子浓度、黏度等。 对不同组成的有机物,根据有机物的分子量,选 择不同的膜,选择合适的膜工艺,从而达到最好 的膜通量和截留率,进而提高生产收率、减少投 资规模和运行成本。
颗粒截留在膜表面,因而使整个膜表面分离技术迅速向 工业化应用方面发展。
膜分离技术
膜分离定义: 膜分离过程以选择性透过膜为分离介质, 当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度 差、电位差等)时,原料侧组分选择性地 透过膜,以达到分离、提纯的目的。 通常膜原料侧称膜上游,透过侧称膜下游。 不同的膜过程使用的膜不同,推动力也不 同。
超滤 不对称微孔膜 0.1 MPa ~ 颗粒大小、有机物或微生物 形状 溶液的分离 (UF) 0.001~0.1μm 0.5 MPa
纳滤 带皮层不对称复 0.5 MPa ~ 优先吸附、硬水或有机物溶 可对原水进行部分脱盐和 常需预处理, 工作 液的脱盐 软化,生产优质饮用水。 压力较高。 (NF) 合膜1~50 nm 2.5 MPa 表面电位 几乎可去除水中一切杂 反渗透 带皮层不对称复 1.0 MPa ~ 优先吸附、海水或苦咸水的 工作压力高; 制水 质,包括悬浮物、胶体、 溶解扩散 淡化 率低;能耗大。 (RO) 合膜<1 nm 10 MPa 有机物、盐、微生物等。
主要内容
一:膜主要的分离技术 二:膜材料与膜种类
三:膜分离机理和传递理论
四:膜分离组件与设备
五:浓度极化与膜污染 六:膜分离技术的应用
膜分离技术
液体中通常含有生物体、可溶性大分子和电解质等复杂 物质。其主要组成及尺寸大小如下表。
按分离的粒子或分子大小分类
膜分离技术
膜分离技术
依据膜内平均孔径、推动力和传递机制进行分类
膜分离技术
膜分离技术的优点:
⑸有相当好的选择性,可在分离,浓缩的同时达到 部分纯化目的。 ⑹选择适合的膜与操作参数,可得到较高的回收率。 ⑺系统可密闭循环,防止外来污染。 ⑻不外加化合物,透析液可循环使用,降低成本, 并减少对环百度文库的污染。
膜分离技术
膜的定义 在一定流体相中,有一薄层凝聚相物质,把流体 相分隔成为两部分,这一薄层物质称为膜。膜的 厚度在0.5mm以下,否则就不称为膜。膜可以 是完全可透性的,也可以是半透性的,但不应该 是完全不透性的。
具体分类
Pd膜及Pd合金膜 致密的金属膜 致密膜 Ag膜及Ag合金膜 氧化锆膜 致密的固体电解质膜 复合固体氧化膜 多孔负载膜 致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜 多孔金属膜,多孔不锈钢膜 多孔膜 多孔Ni膜,多孔Ag膜,多孔Pd膜,多孔Ti膜 多孔陶瓷膜,包括Al2O3膜,SiO2膜,ZrO2膜,TiO2膜 (多孔玻璃膜分子筛膜,包括碳分子筛)
1960
1965 1965 1970 1980 1990
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 Amicon Corp.,Koch Eng.Inc., Nittl Denko Permea/Air Prod.,Ube Ind., Hoechst/Celanese GFT GmbH 血液渗析、工业 废液等 制药工业、乳品 工业等 医疗、燃烧过程 等 无水乙醇生产
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