膜的定义和分类

透过单位面积膜的量
10.2.2 膜分离过程
在一定传质推动力下，利用膜对不同物质的透过性差异， 对混合物进行分离的过程。 膜分离过程： 膜分离过程：气体膜分离、渗透蒸发、渗析、电渗析、反渗透、 纳滤、超滤、微滤、膜萃取、膜吸收、膜精馏、促进传递、液膜、 气膜等过程。 其中： 其中：渗析、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤技术已很成熟， 应用也广泛。 不可逆热力学模型 机理模型： 机理模型： 传递机理模型
部分膜过程的研究发展状况： 部分膜过程的研究发展状况：
MF 出 售 状 况 UF RO ED CR GS PV LM ME MD MFd D 低 速 增 长 价 格 稳 定 性 使 用 可 靠 性
MR AT FT MD MEC 基础研究
高 速 增 长
过程开发
过程优化
技术状况 D-渗吸；LM-液膜；MF-微孔过滤；ME-膜电解；UF-超过滤；MEd-双 极性膜；RO-反渗透；MD-膜医用装置；ED-电渗吸；FT-促进传递； CR-控制释放；AT-主动传递；GS-气体分离；MR-膜反应器；PV-渗透 蒸发；MEC-膜能量转换系统
（2）气体膜分离的主要应用 ） ① 氢气的回收利用； ② 从空气中制取富氮气体和富氧气体。
10.2.8 渗透蒸发过程
在膜的原料侧是液体混合物，膜的另一侧为气相真空或负压 操作，混合物的各组分在分压差作用下，以不同速率从膜的一侧 蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达到分离浓缩的目的。 区别于其他膜过程的重要特点是有相变。假设过程分两步完成： ① 进料液体在膜进料侧蒸发形成饱和蒸汽， ② 饱和蒸汽透过膜到达膜的渗透侧。 主要应用： 主要应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离。
10.2 膜分离 10.2.1 膜的定义和分类
定义： 定义：膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜， 通常亦简称为膜。 膜分离过程： 膜分离过程：分离膜以特 定的方式限制两相间的物 质传递，使不同的物质以 不同的速率透过膜，实现 物质的分离。
传质推动力 透过物 原料 中间相 相Ⅰ 膜 相Ⅱ
µ‘A A B
µ‘’A
AB
µ‘A>µ‘’A A AB → A+B
又将被传递的物质释放，这种传 递过程有很高的选择性。
◆ 主动传递：膜中的载体同 主动传递：
A+B→AB
促进传递
被传递物质在低化学位侧发生 反应并释放能量，使被传递物 质由低化学位一侧被传递到高 化学位一侧，物质的传递方向 为逆化学位梯度方向。
机械截留 吸附 截留 架桥 截留
膜表面截留
膜内部网络截留
10.2.6 渗析和电渗析
（1）渗析的基本原理 ） 膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。 典型过程： 典型过程：血液透析
渗吸液 膜 溶剂
A
溶 剂 B
溶 质
x1 x2
原液 渗出液 溶剂＋扩散物质
渗透过程原理
（2）电渗析的基本原理 ） 溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而同其他不带电 的组分分开。 电渗析过程的基本原理： 电渗析过程的基本原理： 阳膜：带负电的阳离子传递膜 阴膜：带正电的阴离子传递膜
部分膜过程研究发展状况
原料液 C A C
电渗析广泛地应用于苦盐 水脱盐，是世界上某些地 区生产淡水的主要方法。
A 电极冲洗液 阴 极
阳 极
浓溶液 稀溶液
电渗吸过程原理
10.2.7 气体膜分离过程
（1）气体膜分离的机理 ） 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗 透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数： 描述气体通过高分子膜的主要参数： ① 渗透率P：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所 透过气体的量； ③ 分离系数α：描述气体分离膜的选择性，一般将其定义为 两种气体i，j渗透系数之比。
10.2.9 其他膜过程
（1）控制释放 ） 指：用分离膜控制药物的释放速度和作用时间，被应用于医疗和 农业等方面。
浓 度 有效浓度 有效时间 常规释放 控制释放
时间
两种不同给药方式的对比
（2）膜反应器 ） 膜反应器中，可以利用膜的选择透过性，连续脱除某些反应产物， 保留反应物或中间产物，以促使反应不断向生成物方向进行，提 高可逆反应的转化率，减少未反应物的循环量。 分为两大类： 分为两大类：催化膜反应器、惰性膜反应器。
10.2.5 超过滤与微孔过滤
以压力为推动力的膜分离过程。 超滤： 超滤：截留大分子溶质，而允许低分子溶质和溶剂通过，从而 将大分子与小分子分开。
一 价 离 子 二小 价分 离 子 大分子 微粒 子
水
微滤 超滤 纳滤 反渗透
微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留
超滤和微滤的截留机理主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、 超滤和微滤的截留机理 在孔内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截 留和膜内部网络截留。
10.2.4 反渗透与纳滤
(1) 反渗透的基本原理
溶液 溶液 溶剂 溶剂 膜 ∏=ρgH p H 溶剂 p>∏ 溶液
渗透
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反渗透
溶解-扩散理论 ① 溶解 扩散理论：① 溶剂和溶质被吸附溶解于膜表面； 扩散理论 ② 溶剂和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。
（2）浓度极化 ）
推动力
透过快的组分
透过慢的组分 膜
复合膜： ◇ 复合膜：在对称或非对称的底膜上，复合上一层很薄的、 致密的、有特殊功能的另一种材料的膜层。 (2) 膜的孔 ① 膜孔的结构 具有多样性，不同的膜具有不同的孔结构，同一张膜 也会具有不同的孔结构。
膜的孔径、孔径分布、 ② 膜的孔径、孔径分布、孔密度和空隙率 膜的孔径: 膜的孔径: 膜内孔的直径, 有最大孔径和平均孔径之分； 孔径分布: 孔径分布: 某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数； 孔密度: 孔密度: 单位膜面积上孔的数目； 空隙率: 空隙率: 所有孔体积占整个膜体积的百分数。 ③ 膜的厚度 整个膜厚、膜的某个层次厚度之分。 均质膜 —— 一般较厚，透量较小； 复合膜 —— 可使致密层厚度极薄。
被动传递 物质透过膜的主要三种方式： 物质透过膜的主要三种方式： 促进传递 主动传递 被动传递： ◆ 被动传递： 物质由高化学位相向低化学位相传递，
这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。
µ‘A
A
µ‘’A µ‘A>µ‘’A
压力差 推动力 浓度差 电位差 温度差
A 被动传递
促进传递： ◆ 促进传递：膜内有载体，在高 化学位一侧，载体同被传递的物 质发生反应，而在低化学位一侧
浓度极化示意图
改变操作条件控制浓度极化： 改变操作条件控制浓度极化： ① 增加原料液的流速； ② 适当提高操作温度
（3）膜的污染 ） 操作一定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖，使膜的 性能下降。 主要原因： 主要原因：原料液处理不当所造成的。如：①悬浮颗粒；②膜表 面结垢；③细菌污染；④金属氧化物、有机物、淤泥等。 （4）纳滤 ） 纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦截纳米数量级 的分子。与反渗透相比，纳滤水透量大、操作压力低、成本低 纳滤可以用于脱除水溶液中的杂质和有机物，如印染水的脱色、 饮用水的预处理等。
10.2.3 膜的形态结构
(1) 膜的形态结构：主要研究膜的断面与表面。 膜的形态结构： ◇ 均相膜和异相膜 均相膜：均匀地呈单相存在； 异相膜：不是呈单相存在。 ◇ 致密膜和多孔膜 致密膜：结构最紧密的膜； 多孔膜：结构较疏松的膜。 ◇ 对称膜和非对称膜 对称膜：膜的厚度方向结构均一、同性； 非对称膜：同种材料，沿膜的厚度方向上呈不同结构。
µ‘A B A AB A+B→AB
µ‘’A A µ‘A<µ‘’A AB → A+B 化学反应
主动传递
选择性： 选择性：不同物质在两相中的浓度变化比 膜的分离性质 透过性： 透过性：单位推动力下，物质在单位时间内 膜的分类： 膜的分类：
分类依据 来源 状态 材料 结构 电性 形状 制备方法 分离体系 分离机理 分离过程 分类 天然膜、合成膜 固体膜、液膜、气膜 有机膜、无机膜 对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜 非荷电膜、荷电膜 平板膜、管式膜、中空纤维膜 烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨 气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜