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1、2022-8-2第第 十十 四四 章章膜蒸馏与膜接触器膜蒸馏与膜接触器Membrane Distillation &Membrane Contactors采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物31. 膜蒸馏概述膜蒸馏概述膜蒸馏（膜蒸馏（Membrane Distillation）是）是20世纪世纪60年代中期由年代中期由M E Findly提出，提出，80年代发展起来的一种新型膜分离技术。年代发展起来的一种新型膜分离技术。其原理是以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，其原理是以微孔疏水膜将两种不同
2、温度的水溶液分开，由膜两侧温度差造成二侧蒸气压差，使易挥发组分的蒸由膜两侧温度差造成二侧蒸气压差，使易挥发组分的蒸气分子通过膜孔从高温侧向低温侧扩散，并冷凝；其他气分子通过膜孔从高温侧向低温侧扩散，并冷凝；其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。纯的目的。膜蒸馏（膜蒸馏（MD）是）是膜技术膜技术与与蒸发蒸发过程相结合的膜分离过程。过程相结合的膜分离过程。属属热驱动膜过程热驱动膜过程。实现实现MD需要有两个条件：需要有两个条件：所用膜必须是所用膜必须是疏水微孔膜疏水微孔膜（对分离水溶液而言）；（对分离水溶液而言）；膜两侧要有一
3、定的膜两侧要有一定的温度差温度差存存在，以提供传质所需的推动力。在，以提供传质所需的推动力。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物4膜膜蒸蒸馏馏示示意意图图整个传递过程包括三个步骤：整个传递过程包括三个步骤：1）高温侧蒸发；高温侧蒸发；2）蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；3）低温低冷凝。低温低冷凝。 采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物53. 膜蒸馏的特点膜蒸馏的特点该过程几
4、乎是在常压下进行的，设备简单，操作容易，该过程几乎是在常压下进行的，设备简单，操作容易，在技术力量比较薄弱的地区也有实现的可能性；在技术力量比较薄弱的地区也有实现的可能性；在该过程和运行中，无需把溶液加热到沸点，只要使膜在该过程和运行中，无需把溶液加热到沸点，只要使膜两侧维持适当的温差两侧维持适当的温差就可以。这就有可能利用太阳能、就可以。这就有可能利用太阳能、地热及温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等；地热及温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等；在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能透过膜孔，所以透过膜孔，所以膜蒸馏液十分纯净膜蒸馏液
5、十分纯净，可望成为大规模、，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；低成本制备超纯水的有效手段；该过程可以用来该过程可以用来处理极高浓度的水溶液处理极高浓度的水溶液；膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收的形式，并具有以高膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收的形式，并具有以高效率的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。效率的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物6膜蒸馏的弱点膜蒸馏的弱点：膜蒸馏是一个膜蒸馏是一个有相变的膜过程有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的，汽化潜热降低
6、了热能的利用率，所以在组件的设计上必须考虑到潜热的回收。利用率，所以在组件的设计上必须考虑到潜热的回收。与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义；下才更有实用意义；膜蒸馏与制备纯水的其他膜过程相比膜蒸馏与制备纯水的其他膜过程相比通量较小通量较小，所以目，所以目前尚未实现在工业生产中应用，如何提高膜蒸馏的通量前尚未实现在工业生产中应用，如何提高膜蒸馏的通量也就成了一个重要的研究课题；也就成了一个重要的研究课题；膜蒸馏采用疏水性微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制膜蒸馏采用疏水性微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面都十
7、分有限。备工艺的选择方面都十分有限。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物74. 膜蒸馏用膜材料膜蒸馏用膜材料膜蒸馏所用膜材料应满足膜蒸馏所用膜材料应满足疏水性疏水性和和多孔性多孔性两个要求，以两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。另外，足保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。另外，足够的机械强度、良好的热稳定性、化学稳定性以及低的够的机械强度、良好的热稳定性、化学稳定性以及低的热导率也是膜蒸馏用膜材料所必需的。热导率也是膜蒸馏用膜材料所必需的。近年来，膜蒸馏过程的膜材料的研究开发集
8、中于三种膜近年来，膜蒸馏过程的膜材料的研究开发集中于三种膜材料，即：材料，即：u聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）u聚偏氟乙烯（聚偏氟乙烯（PVDF）u聚丙烯（聚丙烯（PP）采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物85. 膜蒸馏的应用膜蒸馏的应用海水或苦咸水的淡化海水或苦咸水的淡化强酸、强碱中水的分离强酸、强碱中水的分离甘蔗榨汁液的浓缩甘蔗榨汁液的浓缩人参露和洗参水的分离浓缩人参露和洗参水的分离浓缩分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝超纯水的制备超纯水的制备废水的处理废水的处理
9、共沸混合物及有机溶液的分离共沸混合物及有机溶液的分离化学物质的浓缩和回收化学物质的浓缩和回收采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物9渗透蒸馏渗透蒸馏的概念及原理的概念及原理上世纪上世纪80年代提出了渗透蒸馏年代提出了渗透蒸馏(osmotic distillation)的过程，的过程，这是一种与膜蒸馏十分类似过的程。使用的也是这是一种与膜蒸馏十分类似过的程。使用的也是疏水性疏水性微孔膜微孔膜，膜两侧也是，膜两侧也是不润湿膜孔的水溶液不润湿膜孔的水溶液，且也是利用，且也是利用膜两侧的蒸汽压差将料液侧水蒸
10、汽传递到膜的另一侧。膜两侧的蒸汽压差将料液侧水蒸汽传递到膜的另一侧。但不同的是，膜蒸馏两侧有压差是由膜两侧的但不同的是，膜蒸馏两侧有压差是由膜两侧的温度差温度差产产生的，而生的，而渗透蒸馏两侧的压差是由腊两侧溶液的渗透压渗透蒸馏两侧的压差是由腊两侧溶液的渗透压产生的产生的（也称为等温膜蒸馏）。（也称为等温膜蒸馏）。应用应用：膜的一侧是含盐量很低的稀溶液，另一侧为电解：膜的一侧是含盐量很低的稀溶液，另一侧为电解质浓溶液，这样即可对低盐溶液进行脱水浓缩。该方法质浓溶液，这样即可对低盐溶液进行脱水浓缩。该方法特别适用于新鲜牛奶、水果汁等热敏物质的脱水浓缩。特别适用于新鲜牛奶、水果汁等热敏物质的脱水浓
11、缩。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物10膜接触器（膜接触器（Membrane Contactors）除蒸馏过程可以用膜外，传统的除蒸馏过程可以用膜外，传统的吸收（及解吸）吸收（及解吸）过程、过程、萃取萃取过程也可以通过膜来实现。在这里过程也可以通过膜来实现。在这里膜仅提供传质的膜仅提供传质的相界面相界面，以实现气，以实现气-液或液液或液-液之间的传质，因此统称为液之间的传质，因此统称为膜接触器。膜接触器。根据相间传质体系的不同，膜接触器可分为：根据相间传质体系的不同，膜接触器可分为：气气液（液
12、（G-L）膜接触器。类似于吸收；）膜接触器。类似于吸收；液液气（气（L-G）膜接触器。类似于解吸；）膜接触器。类似于解吸；液液液（液（L-L）膜接触器。类似于萃取与反萃取。）膜接触器。类似于萃取与反萃取。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物11采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物12Liquid-gas contactor: to removedissolved gases from liquidsG
13、as-liquid contactor: to separateolefin/paraffin mixtures采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物13Liquid-liquid contactor with twoimmiscible liquids: to removedissolved VOCs from waterLiquid-liquid contactor with two miscible liquids (membrane distillation): to remove pure
14、 water from a salt solution采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物14Flow schematic of the membrane contactor process developed by British Petroleum to separate ethylene/ethane mixtures by absorption into silver nitrate solution膜膜 反反 应应 器器Membrane Reactors采用PP管及配件：根据给水设计图配
15、置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物161. 膜反应器（膜反应器（MR）概述）概述膜反应器膜反应器（ Membrane Reactors）是膜和化学反应或生）是膜和化学反应或生化反应相结合的系统或设备。也可这样定义：依靠膜的化反应相结合的系统或设备。也可这样定义：依靠膜的功能、特点改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。功能、特点改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。膜反应器中膜的功能膜反应器中膜的功能：分离功能分离功能 即膜有选择性透过不同物质的能力；即膜有选择性透过不同物质的能力；载体功能载体功能 指膜可以作为催化剂或生物催
16、化剂的载体，指膜可以作为催化剂或生物催化剂的载体，用于制备具有催化活性的功能膜；用于制备具有催化活性的功能膜；A.分隔功能和复合功能分隔功能和复合功能 分隔功能是指膜具有两个表面，分隔功能是指膜具有两个表面，并可将系统分隔为独立的依靠膜相关联的两部分；复合并可将系统分隔为独立的依靠膜相关联的两部分；复合功能是指利用复合技术制备出具有不同功能的功能型复功能是指利用复合技术制备出具有不同功能的功能型复合层膜系统。合层膜系统。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物173.膜反应器的类型膜反应器的类型膜催化
17、反应器膜催化反应器(membrane catalytic reactor)将膜分离与催化反应结合，可突破化学平衡的限将膜分离与催化反应结合，可突破化学平衡的限制，提高反应转化率。制，提高反应转化率。膜生物反应器膜生物反应器(membrane bioreactor MBR)将膜分离与生物反应结合，可控制产物抑制作用，将膜分离与生物反应结合，可控制产物抑制作用，回收生物催化剂，提高生化反应转化率。它按生回收生物催化剂，提高生化反应转化率。它按生物催化剂类型又可分：酶膜生物反应器、膜发酵物催化剂类型又可分：酶膜生物反应器、膜发酵器和膜组织培养。器和膜组织培养。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好P
18、P管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物18半乳糖醛酸半乳糖醛酸胶质胶质Examples of the three types of membrane reactor（1）果胶酶果胶酶采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物19采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物204. 膜反应器所用膜材料膜反应器所用膜材料无机催化膜反应器中的无机催化膜反应器中的钯膜
19、反应器钯膜反应器，用真空蒸镀，用真空蒸镀法或飞溅涂膜法使法或飞溅涂膜法使钯钯超薄覆盖于无机超薄覆盖于无机陶瓷多孔膜陶瓷多孔膜的表面上，形成的表面上，形成Pd-多孔陶瓷复合膜。多孔陶瓷复合膜。有机催化膜反应器中有机催化膜反应器中酶膜反应器酶膜反应器的膜材料常用的膜材料常用聚聚砜、芳香聚酰胺砜、芳香聚酰胺；膜生物反应器膜生物反应器常用常用聚丙烯、聚聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯等。等。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物215. 膜反应器的应用膜反应器的应用钯膜反应器钯膜反应器
20、的应用：由天然气或的应用：由天然气或CO制造氢；环制造氢；环已烷的脱氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。已烷的脱氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。酶膜反应器酶膜反应器的应用：蔗糖的水解；生物大分子水的应用：蔗糖的水解；生物大分子水解；低聚肽合成；手性化合物的生产研究；辅酶解；低聚肽合成；手性化合物的生产研究；辅酶的再生；酶法生产的再生；酶法生产L-氨基酸。氨基酸。膜生物反应器膜生物反应器的应用：细胞循环发酵；动的应用：细胞循环发酵；动/植物细植物细胞培养；城市污水和工业废水的处理。胞培养；城市污水和工业废水的处理。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以
21、保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物22浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程1采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物23浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程2浙江大学凯华公司浙江大学凯华公司MBR工程工程3MBR实际上是一种膜分离实际上是一种膜分离与活性污泥法组合的新型与活性污泥法组合的新型污水处理技术污水处理技术.膜控制释放膜控制释放Control Release采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，
22、保持熔接部位干净无污物251. 膜控制释放概述膜控制释放概述控制释放控制释放就是将药物或其他生物活性物质和基就是将药物或其他生物活性物质和基材（通常为高分子材料）结合在一起，使药物材（通常为高分子材料）结合在一起，使药物通过扩散等方式在一定的时间内，以某一速率通过扩散等方式在一定的时间内，以某一速率释放到环境中的技术。释放到环境中的技术。药物的药物的取决于基材和药物性质以及它取决于基材和药物性质以及它们之间的结合方式、环境条件等。们之间的结合方式、环境条件等。膜控制释放是一类新兴的膜控制释放是一类新兴的，它涉及化，它涉及化学、化工、材料学、生物学、药物学等诸多学学、化工、材料学、生物学、药物学
23、等诸多学科，已在医学、生物、农业、环保、船舶涂料科，已在医学、生物、农业、环保、船舶涂料等领域得到广泛应用。等领域得到广泛应用。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物262. 膜控制释放的特点膜控制释放的特点药物的控制释放与常规释放相比有以下优点：药物的控制释放与常规释放相比有以下优点： 释放到环境中的药物浓度比较稳定；释放到环境中的药物浓度比较稳定； 能最有效地利用药物；能最有效地利用药物； 可使药物的释放部位尽可能接近病源，提高了可使药物的释放部位尽可能接近病源，提高了药效，减小可能的副作用；药
24、效，减小可能的副作用； 减少了用药次数，极大地方便了用药者。减少了用药次数，极大地方便了用药者。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物272.1 扩散控制释放系统扩散控制释放系统扩散控制药物释放体系有贮存器扩散控制药物释放体系有贮存器(reservoir)型和型和混合药膜混合药膜(monolithic)两种两种 贮存器型贮存器型：药物被聚合物基材包埋，药物由聚：药物被聚合物基材包埋，药物由聚合物膜中的孔道或网络间的空隙扩散释放出来。合物膜中的孔道或网络间的空隙扩散释放出来。 混合药膜型混合药膜型：药
25、物是以溶解或分散的形式和聚：药物是以溶解或分散的形式和聚合物基材结合在一起的。合物基材结合在一起的。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物28Reservoir device贮存器型贮存器型Monolithic device混合药膜型混合药膜型采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物292.2 化学控制释放系统化学控制释放系统化学控制药物释放体系是目前最使人感兴趣的化学控制药物释放体系是目前最使人感兴趣的膜
26、控制释放体系。其中，膜控制释放体系。其中，聚合物基材可在释放聚合物基材可在释放环境中降解环境中降解，当药物释放完毕后，基材可完全，当药物释放完毕后，基材可完全降解以致消失，不需要手术将基材从体内取出。降解以致消失，不需要手术将基材从体内取出。药物的药物的释放速率释放速率是以聚合物基材的降解反应速是以聚合物基材的降解反应速率来控制的。率来控制的。该体系可分为：该体系可分为： 混合药膜降解体系混合药膜降解体系A. 降解大分子药物体系降解大分子药物体系采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物30Princi
27、ple of the three-chamber RoseNelson osmotic pump采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物31用于溶剂渗透控制释放体系的聚合物用于溶剂渗透控制释放体系的聚合物：其半透：其半透膜应有一定的渗透性、强度和刚度。主要有：膜应有一定的渗透性、强度和刚度。主要有： 纤维素及其衍生物纤维素及其衍生物 甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物 EVA共聚物共聚物 交联交联PVA采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件
28、在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物323. 膜控制释放技术的应用膜控制释放技术的应用在医药工业中的应用在医药工业中的应用 膜控制释放在医药工业领膜控制释放在医药工业领域应用得最多，现已广泛用于临床，解决一些域应用得最多，现已广泛用于临床，解决一些疑难杂症。按给药部位和方式不同，分为疑难杂症。按给药部位和方式不同，分为等。等。在农药工业中的应用在农药工业中的应用 体现多种优点，如可防止体现多种优点，如可防止农药挥发、分解、流失，延长药效，提高防治农药挥发、分解、流失，延长药效，提高防治效果；减少施药次数和施药量；将农药对环境效果；减少施药次数和施药量；将
29、农药对环境污染的程度降低到最大限度。具体方式有污染的程度降低到最大限度。具体方式有微微胶囊；胶囊；塑料压层；塑料压层；吸收混合；吸收混合；种子包衣种子包衣法；法；高分子载体。高分子载体。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物33在化肥工业中的应用在化肥工业中的应用 化肥的控制释放是提高肥化肥的控制释放是提高肥料利用率，减少环境污染的必要手段。具体方料利用率，减少环境污染的必要手段。具体方式有以下三种：式有以下三种：聚合物包膜聚合物包膜无机物包膜无机物包膜 如用硫磺包裹尿素如用硫磺包裹尿素肥料包裹肥料
30、肥料包裹肥料 利用此法可获得多元复合肥，可利用此法可获得多元复合肥，可同时供给农作物多种营养，而又不会引入其他同时供给农作物多种营养，而又不会引入其他聚合物或无机物载体破坏土壤结构。如磷肥包聚合物或无机物载体破坏土壤结构。如磷肥包裹碳铵的控释肥料在我国农业生产中已民用有裹碳铵的控释肥料在我国农业生产中已民用有大量应用。大量应用。采用PP管及配件：根据给水设计图配置好PP管及配件，用管件在管材垂直角切断管材，边剪边旋转，以保证切口面的圆度，保持熔接部位干净无污物34在其他领域的应用在其他领域的应用 膜控释香料用于室内芳香、食品添加剂、化妆膜控释香料用于室内芳香、食品添加剂、化妆品等品等 防污涂料膜用于船舶防污防污涂料膜用于船舶防污 防鼠涂料膜用于保护飞机场、铁路、工厂等单防鼠涂料膜用于保护飞机场、铁路、工厂等单位的计算机设备、附属电缆等。位的计算机设备、附属电缆等。