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1、膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程第七节第七节 复杂精馏塔的计算复杂精馏塔的计算 分分 离离 工工 程程 华东理工大学化工学院分离工程教学组华东理工大学化工学院分离工程教学组 2007年年11月月膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程分离工程分离工程第五章第五章 膜分离技术膜分离技术膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程目目 录录5.1 前言前言5.2 膜与膜分离技术的分类膜与膜分离技术的分类5.3 膜分离过程膜分离过程5.4 膜制备技术膜制备技术5.5 与传统反应和分离技术的结合与传统反应和分离技术的结合5.6 膜与膜工程技术的工业应用膜与膜工程技术的工业应用5.7 展望展望膜分离技术膜分离技
2、术分离工程分离工程 所所有有分分离离过过程程都都是是利利用用在在某某种种环环境境中中混混合合物物中中各各组组分分性质的差异进行分离。性质的差异进行分离。常常规规的的分分离离过过程程如如精精馏馏、吸吸收收、萃萃取取等等，借借助助于于热热能能、溶溶剂剂和和吸吸附附剂剂等等媒媒介介，使使均均相相混混合合物物变变成成两两相相，原原料料中中各各组组分分在在两两相相间间选选择择性性分分配配；对对分分离离过过程程进进行行工工艺艺计计算算时时，可可以以简简化化为为一一个个个个的的平平衡衡理理论论级级来来考考虑虑，分分离离效效果果由由相相平平衡关系决定。衡关系决定。平衡分离过程平衡分离过程 5.1 5.1 前前
3、 言言膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 而膜分离过程（主要是固膜分离）是以选择性透过膜为分离介而膜分离过程（主要是固膜分离）是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力，利用原料侧各组分透过膜的扩散速率质，在两侧加以某种推动力，利用原料侧各组分透过膜的扩散速率的差异，从而达到混合物分离的过程；分离效果的好坏，由各组分的差异，从而达到混合物分离的过程；分离效果的好坏，由各组分通过膜的速率快慢来决定。通过膜的速率快慢来决定。速率分离过程速率分离过程 推动力：推动力：P,C或或 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 通过膜相际有通过膜相际有3种基本的传质形式：种基本的传质形式：（1）被动传递
4、）被动传递 通过膜相际的组分均以化学势梯度为推动力，通过膜相际的组分均以化学势梯度为推动力，可以是膜两侧的压力差、浓度差、温度差或电势差。可以是膜两侧的压力差、浓度差、温度差或电势差。（2）促进传递）促进传递 通过膜的组分仍以化学势梯度为推动力，各组通过膜的组分仍以化学势梯度为推动力，各组分由特定的载体带入膜中。促进传递是一种高选择性的被动传递分由特定的载体带入膜中。促进传递是一种高选择性的被动传递 （3）主动传递）主动传递 与前二者不同，各组分可以逆化学势梯度而传与前二者不同，各组分可以逆化学势梯度而传递，其推动力由膜内某种化学反应提供，这类现象主要存在于生递，其推动力由膜内某种化学反应提供
5、，这类现象主要存在于生命膜命膜 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 不同的膜分离过程中所用的膜具有一定结构、材质和选择不同的膜分离过程中所用的膜具有一定结构、材质和选择特性；被膜隔开的两相可以是液态，也可以是气态；推动力可以特性；被膜隔开的两相可以是液态，也可以是气态；推动力可以是压力梯度、浓度梯度、电位梯度或温度梯度，所以不同的膜分是压力梯度、浓度梯度、电位梯度或温度梯度，所以不同的膜分离过程的分离体系和适用范围也不同。离过程的分离体系和适用范围也不同。本章，主要简述反渗透、纳滤、超滤、微滤、透析、电渗析、本章，主要简述反渗透、纳滤、超滤、微滤、透析、电渗析、载体促进传递、渗透汽化、载体促
6、进传递、渗透汽化、膜精馏、膜萃取和气体分离等膜分膜精馏、膜萃取和气体分离等膜分离过程。离过程。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程膜分离技术的发展历史膜分离技术的发展历史膜分离过程国家年份应用微滤德国1920实验室规模超滤德国1930实验室规模血液渗析荷兰1950人工肾(实验室规模)电渗析美国1955脱盐(工业规模)反渗透美国1960海水淡化(工业规模)超滤美国1960大分子浓缩(工业规模)气体分离美国1979氢气回收(工业规模)膜蒸馏德国1981水溶液浓缩(工业规模)渗透汽化德国/荷兰1982有机溶剂脱水(工业规模)膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程美国膜与膜组件的实际销售额与预测额美国膜
7、与膜组件的实际销售额与预测额单位单位:百万美元百万美元2000年，美国膜产品的销售额总计年，美国膜产品的销售额总计14.62亿亿US$；世界范围内世界范围内100亿亿US$，而国内销售额仅占而国内销售额仅占0.5%左右。左右。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程膜膜分离过程及其应用领域分离过程及其应用领域膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程几种典型溶质分子大小和对应的膜几种典型溶质分子大小和对应的膜膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程各种膜分离过程的分离机理各种膜分离过程的分离机理膜过程膜过程相相1*21*2推动力推动力分离机理分离机理渗透物渗透物截留物截留物膜结构膜结构微滤微滤L LL L压
8、力差压力差(0.01-0.2MPa)(0.01-0.2MPa)筛分筛分水、溶剂溶解物水、溶剂溶解物悬浮物、颗粒、纤维和细菌悬浮物、颗粒、纤维和细菌(0.01-10(0.01-10 m)m)对称和不对称多孔膜对称和不对称多孔膜超滤超滤L LL L压力差压力差(0.1-0.5MPa)(0.1-0.5MPa)筛分筛分水、溶剂、离子和小分子水、溶剂、离子和小分子(分子量分子量 10001000)生化制品、胶体和大分子生化制品、胶体和大分子(分分子量子量1000-300000)1000-300000)具有皮层的多孔膜具有皮层的多孔膜纳滤纳滤L LL L压力差压力差(0.5-2.0MPa)(0.5-2.0
9、MPa)筛分筛分+溶解溶解/扩散扩散水和溶剂水和溶剂(分子量分子量 200200)溶质、二价盐、糖和染料溶质、二价盐、糖和染料(分分子量子量200-1000)200-1000)致密不对称膜和复合膜致密不对称膜和复合膜反渗透反渗透L LL L压力差压力差(1.0-10.0MPa)(1.0-10.0MPa)溶解溶解/扩散扩散水和溶剂水和溶剂全部悬浮物、溶质和盐全部悬浮物、溶质和盐致密不对称膜和复合膜致密不对称膜和复合膜电渗析电渗析L LL L电位差电位差离子交换离子交换电解离子电解离子非解离和大分子物质非解离和大分子物质离子交换膜离子交换膜渗析渗析L LL L浓度差浓度差扩散扩散离子、低分子量有机
10、质、离子、低分子量有机质、酸和碱酸和碱分子量大于分子量大于10001000的溶解物和悬的溶解物和悬浮物浮物不对称膜和离子交换膜不对称膜和离子交换膜渗透蒸发渗透蒸发L GL G分压差分压差溶解溶解/扩散扩散溶质或溶剂溶质或溶剂(易渗透组份的易渗透组份的蒸汽蒸汽)溶质或溶剂溶质或溶剂(难渗透组份的液难渗透组份的液体体)复合膜和均质膜复合膜和均质膜膜蒸馏膜蒸馏L LL L温度差温度差气气-液平衡液平衡溶质或溶剂溶质或溶剂(易汽化与渗透易汽化与渗透的组份的组份)溶质或溶剂溶质或溶剂(难汽化与渗透的难汽化与渗透的组份组份)多孔膜多孔膜气体分离气体分离G GG G压力差压力差(1.0-(1.0-10.0M
11、Pa)(10.0MPa)(分压差分压差)溶解溶解/扩散扩散易渗透的气体和蒸汽易渗透的气体和蒸汽难渗透的气体和蒸汽难渗透的气体和蒸汽复合膜和均质膜复合膜和均质膜液膜液膜L LL L化学反应化学反应与浓度差与浓度差反应促进反应促进和扩散传递和扩散传递电解质离子电解质离子非电解质离子非电解质离子载体膜载体膜膜接触器膜接触器L LL LG LG LL GL G浓度差浓度差浓度差浓度差(分压差分压差)浓度差浓度差(分压差分压差)分配系数分配系数易扩散与渗透的物质易扩散与渗透的物质难扩散与渗透的物质难扩散与渗透的物质多孔膜和无孔膜多孔膜和无孔膜膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程5.2 膜与膜分离技术的分
12、类膜的微观结构（固膜）：膜的微观结构（固膜）：对称膜 不对称膜 复合膜 多层复合膜按膜凝聚态分类膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程膜材料的分类膜材料的分类 =天然高分子材料：主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维等。醋酸纤维：截留能力强，反渗透膜，也可作微滤膜和超滤膜，使用时的温度和pH值受到限制，温度低于4550，pH 3 8。=合成高分子材料：市场上大部分膜为合成高分子膜，种类很多，如聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。=聚砜是最常用的材料之一，主要用于超滤膜，耐温(7080)、耐pH变化(pH 1 13)，但耐压能力较低.=聚酰胺膜的耐压能力较高，使用
13、寿命长，常用于反渗透。=无机材料：主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。机械强度高，耐高温和腐蚀；加工不易，成本比有机膜高十倍以上。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程有有机机材材料料纤维素类纤维素类二醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、硝酸纤维素等二醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、硝酸纤维素等聚酰胺类聚酰胺类尼龙尼龙6666、芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等、芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等芳香杂环类芳香杂环类聚哌嗪酰胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮等聚哌嗪酰胺、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮等聚砜类聚砜类聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜等。聚砜、聚醚砜、磺化聚砜、磺化聚醚砜等。聚烯烃类聚烯烃类聚乙
14、烯、聚丙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚丙烯酸等聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚丙烯酸等硅橡胶类硅橡胶类聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷聚三甲基硅烷丙炔、聚乙烯基三甲基硅烷含氟聚合物含氟聚合物聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等聚全氟磺酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等其它其它聚碳酸酯、聚电解质聚碳酸酯、聚电解质无无机机材材料料陶瓷陶瓷氧化铝、氧化硅、氧化锆等氧化铝、氧化硅、氧化锆等玻璃玻璃硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃金属金属铝、钯、银等铝、钯、银等膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=按被分离物质的状态分：液体分离膜和气体分离膜。液体分离膜：微滤、超滤、渗析、电渗析、纳滤、反渗透、渗透汽化、膜蒸馏、膜
15、萃取等气体分离膜：气体分离、蒸汽渗透、膜吸收等=按膜的状态分：固膜、液膜、气态膜。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=固膜分离：固膜分离：3 过滤式膜分离过滤式膜分离：溶液或混合气体置于固体膜的一侧，在：溶液或混合气体置于固体膜的一侧，在压力的作用下，部分物质透过膜而成为滤液或渗透气，留压力的作用下，部分物质透过膜而成为滤液或渗透气，留下部分则成为滤余液或渗余气。例如，超过滤、反渗透、下部分则成为滤余液或渗余气。例如，超过滤、反渗透、气体渗透。气体渗透。3 渗析式膜分离渗析式膜分离：被处理溶液置于固体膜的一侧，接受液：被处理溶液置于固体膜的一侧，接受液是接纳渗析组分的溶剂或溶液，置于膜另一侧
16、。是接纳渗析组分的溶剂或溶液，置于膜另一侧。=液膜分离：液膜分离：液膜处于料液和接受液两液相之间，由于液膜处于料液和接受液两液相之间，由于 选选择透过性，料液中某些组分透过液膜进入接受液，实现组分的择透过性，料液中某些组分透过液膜进入接受液，实现组分的分离。液膜分离又称液膜萃取。分离。液膜分离又称液膜萃取。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程管式、毛细管式和中空纤维式皆为管状膜，差别主要是直径不同：管式膜 直径10mm；毛细管式膜直径在0.510mm之间；中空纤维膜 直径0.5mm。管状膜直径越小，则单位体积里的膜面积越大。常用的膜组件常用的膜组件(module)=板式膜组件与平板式压滤机相近
17、。结构和操作方式不同；在膜组件中，液体处于高速流动的以减轻浓差极化。=管式膜组件由支撑物与过滤膜组成。有内压式和外压式之分。直径10mm=卷式膜组件用平面膜卷制而成。=毛细管膜组件类似于单管程管壳式热交换器。直径在0.510mm之间=中空纤维膜组件类似于单管程管壳式热交换器。通常管间流物料，管内汇集渗滤液。直径0.5mm膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程卷式组件卷式组件膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程中空纤维组件中空纤维组件膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程管式膜组件管式膜组件平板膜组件平板膜组件膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程反渗透反渗透（Reverse Osmosis)和纳滤和
18、纳滤(Nanofiltration)渗渗透透过过程程示示意意图图 反渗透原理：当用一个半透性膜分离两种不同浓度的溶液时，膜仅允许溶剂分子通过。由于浓溶液中溶剂的化学位低于它在稀溶液中的化学位，稀溶液中的溶剂分子会自发地透过半透膜向浓溶液中迁移。5.35.3膜分离过程膜分离过程膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程反渗透过程的实现必须满足两个条件：反渗透过程的实现必须满足两个条件：1.1.高选择性高选择性(对溶剂和溶质的选择透过性对溶剂和溶质的选择透过性)和高透过通量（一般是透水）；和高透过通量（一般是透水）；2.2.操作压力必须高于溶液的渗透压。操作压力必须高于溶液的渗透压。膜分离技术膜分离技术
19、分离工程分离工程比较项目管式板框式卷式中空纤维式填充密度(m2/m3)201502501800膜清洗内压式易外压式难易难难（内压中空纤维超滤易）膜更换难易内压式难外压式易一般易易原水预处理成本低中等高高相对价格高高低低四种膜组件用于反渗透和四种膜组件用于反渗透和纳滤时的性能及操作条件纳滤时的性能及操作条件 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程反渗透时溶剂通量：反渗透时溶剂通量：JW=（P-）/Rm考虑浓差极化，反渗透过程的通量 反渗透膜对无机盐的截留率较高，所以，CFCB，因此，此关系式可简化为：膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 CW/CB称为浓差极化比，其值越大，浓差极化现象越严重。浓差
20、极化对反渗透过程有严重影响：=提高了渗透压差，溶剂通量JW下降；产品产量下降=提高了膜面溶质浓度，使透过液中溶质浓度CF上升；产品质量下降=膜面处溶质浓度高于溶解度时，将析出沉淀增加膜阻力；因此水的浓缩比率受到限制 为减轻浓度极化的影响，可采取以下措施：为减轻浓度极化的影响，可采取以下措施：提高料液流速、增强料液的湍提高料液流速、增强料液的湍流强度，提高操作温度，对膜面定期清洗流强度，提高操作温度，对膜面定期清洗 上式变形后为溶质通量为JS=JWCF=JW(1)CW膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程反渗透的应用反渗透的应用：反渗透广泛用在海水、苦咸水淡化，纯水制备等方面。=在海水和苦咸水淡化
21、方面，反渗透技术的应用到1980年代即已占到20%，可使海水一次脱盐达到饮用水标准。=反渗透、超滤等膜技术和离子交换组合过程进行纯水生产，可使纯水中的杂质含量接近理论纯水值，广泛用于医药工业无菌纯水和电子工业超纯水的制造。=反渗透也用于低分子量水溶性组分的浓缩过程，包括：食品工业中牛奶、果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 纳滤的应用纳滤的应用 对Na+和Cl-等一价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、SO42-等二价离子及除草剂、农药、色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物质的截留率很高，而且水在纳滤膜中的渗透
22、速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在500到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程超滤超滤(Ultrafiltration)超过滤是一种根据分子或离子的大小来进行分离的膜过程。以压力差为推动力，通过膜孔的筛分机理来截留溶液中的大分子溶质，实现大分子溶质与溶剂和小分子溶质分离。超滤膜截留的大分子溶质粒径范围在1-20 nm，分子量300-300000。超滤膜的孔径常用被截留分子的分子量大小来表征；膜的截留率截留率与截留分子量有关截留分子量有关。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=截留率(Retentivity)对于超滤过程：C
23、F Concentration of solute in the Filtrate CB Concentration of solute in the Bulk of the feed膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 一般地，将截留曲线上截留率为90%的溶质相对分子量定义为膜的截留相对分子质量（relative molecular weight cut-off,MWCO）膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 膜孔径分布的微小变化，就能造成截留能力的显著变膜孔径分布的微小变化，就能造成截留能力的显著变化，由于目前制膜工艺水平限制，还很难得到截留分布很化，由于目前制膜工艺水平限制，还很难得到截
24、留分布很窄的膜。窄的膜。超滤膜的截留分子量（超滤膜的截留分子量（=90%）和对应的实测平均孔径）和对应的实测平均孔径膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程多级连续错流操作配置示意图多级连续错流操作配置示意图 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程超滤装置 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 超滤应用超滤应用 超滤在需将尺寸较大的分子和微粒与低分子物质或溶剂分离的领域得到了广泛地应用，超滤装置可单独运行，也可与其它处理设备结合用于各种分离过程中。目前超滤膜除了用于水处理、生物制剂的提纯以及在食品和医药工业外，正在向非水体系的应用发展，无机超滤膜在这一领域有良好的前景。=水的净化：电子工业高纯水的制
25、备：原水吸附微孔过滤反渗透 离子交换超过滤 医药工业中，超滤用于制剂水的除菌和除热原。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=食品工业：是应用膜技术最多的行业。乳制品生产中乳品的浓缩、精制和排水处理中、果汁和酒等的生产中，均广泛使用着超滤等膜分离过程。（茶叶、果汁的澄清和浓缩）=生物化工：酶和蛋白质等活性大分子产物的生产中，超滤操作条件温和，不易使目标生物大分子失活，被用于分离提取过程的各个阶段。中草药的浓缩=环保过程：汽车制造业中电泳涂料清洗用水的处理、含油废水的处理、合成纤维生产中含聚乙烯醇废水的处理、纸浆废水的处理等。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程微滤微滤(Microfiltrati
26、on)微滤膜各种截留作用的示意图（a）膜的表面层截留；(b)膜内部的网络中截留 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程死端过滤和错流过滤示意图(a)死端过滤；(b)错流过滤 对滤液穿过小孔的流动，压强降可以用Poiseuille方程表示，即：膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程聚合物微滤膜(a)相转化法；(b)拉伸法；(c)径迹刻蚀法 陶瓷微滤膜（a）Anotec阳极氧化法（表面）；(b)US Filter烧结法（横断面）膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 微滤膜的应用微滤膜的应用 微滤是所有膜过程中应用最普遍、销售额最大的一项技术，其年销售额大于其它所有膜过程销售额的总和。工业上，微滤主要用
27、于将大于0.1m的粒子与溶液分开的场合。它的最大市场是制药行业的除菌过滤和电子工业用高纯水的制备，在食品工业的许多领域得到了成功的运用，在各种与生物、生理有关的分析中细胞的捕获、各种颗粒的富集等方面也得到了广泛应用。随着水资源的日趋紧张及社会生活水平的提高，饮用水生产和城市污水处理成为微滤过程的两个潜在的大市场。其最新的应用领域是生物技术和生物医学技术领域。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程渗析过程及浓度分布示意图(a)渗析过程；(b)典型的浓度分布；(c)若存在边界层阻力的浓度分布 渗析渗析(Dialysis)=渗析是溶质分子在浓度差的推动下选择性透过膜的分离过程透析原理膜分离技术膜分离技
28、术分离工程分离工程 渗透主要用于从高分子量物质中分离出低分子量组分。分离是基于不同组分物化性质和分子尺寸的差异导致在膜扩散速率不同而实现分离的。为了得到高的渗透速率，在以下几个方面进行了努力：1)在材料强度允许的范围内，将使渗析膜做得尽可能得薄，用铜氨法生产的再生纤维素制得仅0.005mm厚的渗析膜；2）当膜两侧都是水溶液的时候，选用能被水溶胀或者润湿的材料。已经应用的材料有赛璐酚、纤维素、乙烯/乙烯醇共聚物、甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯等；3）当渗析膜的一侧是油相时，选用能被油相溶胀和润湿的材料，已经应用的有聚碳酸酯等.膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 目前渗析最主要的用途是血液透析。透析膜代
29、替肾除去尿素、肌酸酐、磷酸盐和尿酸等有毒的低分子量组分，以缓解肾衰竭和尿毒症患者的病情。该过程中血液被蠕动泵加压通过渗透器，在膜两侧液体所含溶质的浓度差及所形成的渗透压差的作用下，血液中的上述废物过程通过膜进入渗析液，渗析液中的某些组分则通过扩散进入血液，使血液达到需要的离子平衡。渗析膜应用渗析膜应用 渗析膜与超滤相同，分离能透过膜的小分子溶质；但渗析分离时有稀释作用，传输速率慢，选择性不高，许多工业分离都用超过滤而不用渗析。渗析过程较缓和，操作流速低，料液不加压，因而不会损坏大分子溶质。在生物分离中用于大分子溶液的脱除盐分等小分子物质；在医疗方面用作人工肾脏。膜分离技术膜分离技术分离工程分离
30、工程电渗析电渗析(Electrodialysis)利用离子能选择性地通过离子交换膜的性质利用离子能选择性地通过离子交换膜的性质,使离子从各种水溶液使离子从各种水溶液中分离出来（脱盐）。中分离出来（脱盐）。电渗析器的主体部分膜组件，由大量的离子交电渗析器的主体部分膜组件，由大量的离子交换膜和隔板按一定的格式相间叠加而成。换膜和隔板按一定的格式相间叠加而成。电渗析器基本组成形式1压紧板；2垫板；3电极；4垫圈；5导水、极水板；6阳膜；7淡水隔板；8阴膜；9浓水隔板膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程电渗析过程原理示意图 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 离子交换膜应该有良好的选择透过性，膜电阻
31、小，较好的化学稳定性，较高的机械强度，较低的扩散性能。常用的阴阳离子交换膜的结构有三种：异相离子交换膜、均相离子交换膜、半均相离子交换膜。=异相离子交换膜异相离子交换膜是用粉状离子交换树脂与黏合剂混炼、拉片并加网热压制成。异相膜具有较好的化学性能和机械性能，但电化学性能较差。=均相离子交换膜均相离子交换膜是将单体浇注聚合，以切削法成膜，再导入离子活性基团或将含有活性交换基团的线性聚合物溶解，以流延法挥发溶剂成膜。均相膜具有制造方便、电化学性能好、适用性广等优点。=半均相膜半均相膜的结构及性能均处于异相膜和均相膜之间。它的制备方法借鉴了异相膜和均相膜的制备工艺。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工
32、程隔室内湍流流体中的浓度分布示意图 与超滤、反渗透等膜分离过程一样，在电渗析过程中，也存在浓差极化浓差极化的现象。为了减轻浓差极化的影响，操作时电流密度不能过高，水的流速不能过低。提高温度，加快流速，适当减薄隔板的厚度，在一定程度上可以提高电渗析器的性能。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程阴膜的浓差极化示意图(a)末通电；(b)正常运转；(c)极化 式中：Ji是离子i的迁移速度mol/(cm2s)；Ci是离子i 浓度(mol/cm3)；Vx是流体在x方向上的平均速度，取流体重心的运动速度(cm/s)；x是x方向上的距离(cm)；Di是离子i的扩散系数(cm2/s)；fi是离子i的活度系数；Z
33、i是离子i的价数；F是法拉第数(96500)；R是气体常数=8.314J/(molC)；T是溶液的绝对温度(K)；是电位(V)。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程各种电渗析器的组装方式示意图(a)一级一段并联；(b)二级一段并联；(c)一级二段串联；(d)二级二段串联 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=各种水的脱盐各种水的脱盐=海水、苦水或咸水的淡化，制成生活用水=将各种自来水纯化为锅炉用水、化工生产用水或制备高纯度水用的初级水。=食品、医药和化学工业中的应用食品、医药和化学工业中的应用=医药工业中葡萄糖、甘露醇等溶液的脱盐=食品中牛乳、乳清的脱盐=脱出果汁中引起酸味的过量柠檬酸等 电渗
34、析应用电渗析应用 目前电渗析已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐、以及从体系中脱除电解质。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 电渗析是目前所有膜分离过程中唯一涉及化学变化的分离过程(电极反应)。在许多领域与其它方法相比，电渗析能有效地将生产过程与产品的分离过程融合起来，具有其它方法不能比拟的优势。比如，新出现的四室电渗析器提取乳酸新技术，不但将乳酸从发酵液中分离出来，同时将它由钙盐转化成了酸的形式。与传统工艺相比工序简单、耗能少/产率高。因此电渗析在节能和促进传统技术的升级方面具有很大的潜力。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程液膜分离液膜分离=液膜分
35、离是将第三种液体展开成膜状以分隔两个液相，由于液膜的选择性透过，使液体组分分离。=分离用液膜三种形态：支撑液膜、液滴液膜和乳状膜。液膜的形态液膜的形态膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=支撑液膜设备支撑液膜设备：所用支撑物有聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯和纤维素的微孔膜，采用板框结构或管壳式结构。油型支撑液膜通过将微滤膜浸泡在有机溶剂中（带有流动载体）制备；膜相液体附着在微孔膜内，只需适时补充和清理。料液和接受液分别在膜的两侧流过。=乳状液膜的设备乳状液膜的设备：乳状液膜分离装置由制乳、萃取和破乳设备组成。=制乳 搅拌槽=萃取 搅拌槽或转盘塔=破乳 微液滴凝聚，分离成单独的膜相和内液相。破乳方法：
36、加热法、高压静电法和高速离心法等。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程乳液膜连续萃取过程乳液膜连续萃取过程膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程两类液膜的制备示意图(a)乳化液膜（ELM）；(b)支撑液膜（SLM）膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程液膜分离中传质液膜分离中传质 液膜分离的传质过程，涉及三个液相和两个液液界面。在两个相界面上有不同的平衡关系。液膜类型和设备类型多种多样，液膜内和上、下游边界层内的传质情况也较复杂。促进传递是液膜分离中提高传递通量和分离选择性的重要手段。促进传递（促进传递（Facilitated Transportation）偶合传递可分成两类：同向偶合传递，两种组
37、分沿同一方向传递反向偶合传递，两种组分沿相反方向传递 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程选择性渗透选择性渗透内相有化学反应内相有化学反应偶合同向迁移偶合同向迁移偶合逆向迁移偶合逆向迁移可以实现可以实现+从低浓度从低浓度到高浓度的迁移，有到高浓度的迁移，有富集浓缩作用富集浓缩作用膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程促进传递应用促进传递应用:载体介质传递的载体种类很多，选择性和传质速率很高，可用于阳阴离子、有机分子、气体分子的分离。如Cu2+、Hg2+、Ni2+、Cd2+等阳离子和NO3-、Cr2O72-等阴离子均可用液膜有效回收。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程液膜分离的应用液膜分离的应用
38、=生物分离：从发酵液中提取氨基酸、有机酸等=湿法冶金：从铜矿酸浸液中回收铜，从铀矿酸浸液中回收铀=废水处理：含酚、氰、氨、汞、铜等的工业废水，采用液膜处理，可富集浓缩并回收有用物质。在液膜的形成、分散、溶胀、渗漏、稳定性、渗透性、传递过程和机理，促进传递、支撑液膜、各种应用试验以及投资和成本的预估等各个方面都进行了广泛和深入的研究。液膜分离要在工业上得到广泛应用，还有很多问题需要解决，比如怎样实现更好的破乳效果，进一步减少溶剂损失，仍是有待解决的问题。只有达到很高的溶剂回收率，很多仅在技术上可行的液膜工艺，才能在工业实际中得到应用。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程渗透蒸发过程示意图(a)真
39、空渗透蒸发；(b)惰性气体吹扫渗透蒸发 渗透蒸发渗透蒸发(Pervaporation)用于液体混合物的分离。采用高选择性的均质膜或复合膜，透膜的组分通过真空、温差或其它方法使之汽化，过程的推动力为分压差。该过程中物质的迁移包括：(1)液相溶质溶入膜表面；(2)液体在膜内的扩散；(3)液体在膜的另一侧表面蒸发、气化。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程渗透流通量：分离因子：因为在分离过程中涉及到相变过程，所以要真实地反映膜的优先选择性，应扣去相变所引起的分离效果。故又定义了一个分离因子。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程法国Betheniville日产150m3无水酒精的渗透蒸发示意图 渗透汽
40、化被认为在许多场合可以代替精馏，并取得明显的节能效果，尤其是对恒沸物、沸点相近的体系和稀溶液分离。用渗透汽化法从恒沸混合物生产99.8%无水乙醇已于1980年代实现工业化，能耗约为恒沸精馏的30%40%。渗透汽化还可以水中含有的微量或少量有机物，用于环保、有机物或溶剂的回收。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程MTR公司用渗透蒸发从水中脱除1，1，2三氯乙烷示意图 渗透蒸发渗透蒸发:在化工与环保方面它是一项很有前途的分离技术，尤其是在化工方面通过与各种传统的分离技术及分离过程相互耦合能极大地提高化工过程的经济性。由于渗透汽化过程的核心部件渗透蒸发膜的性能的限制，渗透蒸发过程的应用还很有限，随着
41、关于渗透蒸发膜研究的不断深入，渗透蒸发膜性能的提高，渗透蒸发过程将在有机溶剂脱水、水中除去有机物、极性/非极性有机物的分离、饱和/不饱和有机物的分离、有机物异构体的分离等领域得到广泛的应用。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程气体分离气体分离 气体的渗透分离（Gas Permeation），是以分压差为推动力，根据气体分子通过膜的渗透率不同而进行气体组分分离。气体渗透可以采用无孔的致密膜，其分离选择性不在分子的大小，而在于不同组分分子渗透通过膜的速率的快慢。1979年，Monsanto公司最早将中空纤维聚砜膜用于气体混合物的分离。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 气体组分透过致密膜的过程包
42、括：(1)在膜的高压侧，气体混合物中易渗透组分溶解在膜表面；(2)溶解组分从高压侧通过分子扩散传递到低压侧；(3)在膜的低压侧表面，渗透组分解吸释放。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程=从工业废气中回收氢：从工业废气中回收氢：最早用于从合成氨驰放气和石油炼厂气中提氢，已得到了较大范围推广，取得可观经济效益。膜分离回收氢气是目前应用最多、最成熟的领域。=从天然气中回收氦从天然气中回收氦=天然气的净化天然气的净化：甲烷/二氧化碳分离=富氧空气的制备：富氧空气的制备：用空气膜法富氧技术产生含氧量30-40%的富氧空气，可用于锅炉和工业窑炉的燃烧节能以及医用=空气膜法富氮技术：空气膜法富氮技术：已用
43、于油井和化工装置的保护以及蔬菜和果品保鲜。(O2/N2分离)气体分离膜应用气体分离膜应用:气体的膜分离发展异常迅猛，七十年代才进入工业应用阶段，1990年销售收入已突破一亿美元，1995年达到五亿美元。膜分离回收氢气是目前应用最多、最成熟的一个领域，已广泛应用于合成氨工业、炼油工业和石油工业。膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程用途最广的相转化法、界面缩聚法及制备无机膜的方法简单介绍。膜分层的热力学过程示意图(a)瞬时分相；(b)延迟分相 5.4 5.4 膜制备技术膜制备技术膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 平板膜的制备装置示意图 管式膜的制备工艺示意图 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工
44、程界面聚合法制复合膜示意图 等离子体聚合制复合膜示意图 膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程传统分离技术传统分离技术萃取萃取-有机酸分离提纯、废水中重金属离子分离等吸收吸收-BV热钾碱吸收CO2、柠檬酸吸收SO2等精馏精馏-加盐精馏、恒沸精馏等吸附吸附-变压吸附提纯或回收H2、载铜活性吸附CO等结晶结晶-海水和盐卤NaCl结晶分离5.5 5.5 与传统反应和分离技术的耦合与传统反应和分离技术的耦合膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程新型分离新型分离技术：技术：分离与反应耦合分离与反应耦合-萃取与反应、萃取与膜分离、吸收与膜分离、渗透蒸发与化学反应、反应精馏等膜分离膜分离-气体/液体分离膜与膜工
45、程如恒沸物的渗透蒸发分离（MTBE与甲醇、ETBE与乙醇、DMC与甲醇等共沸物分离）、功能膜反应器、CO2/CH4分离、富氧膜、酸性气体膜分离、油/水分离超滤膜、废水或污水膜分离（水回收再利用）等膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程与传统反应技术的结合：与传统反应技术的结合：酶膜生物反应器、钯膜反应器、渗透汽化膜反应器等与传统分离技术的结合：与传统分离技术的结合：膜分离与精馏、膜分离与萃取、膜分离与吸收、膜分离与吸附、膜分离与离子交换树脂等膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程渗透蒸发膜渗透蒸发与精馏或反应精馏结合的中试规模有：有机酸与醇反应生渗透蒸发与精馏或反应精馏结合的中试规模有：有机酸与醇
46、反应生成酯脱水、成酯脱水、MTBEMTBE与甲醇、与甲醇、ETBEETBE与乙醇、与乙醇、DMCDMC与甲醇等共沸物分离与甲醇等共沸物分离膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程5.6 5.6 膜与膜工程技术的工业应用膜与膜工程技术的工业应用 饮用水与工业用水饮用水与工业用水 传统工艺的改造传统工艺的改造 超滤：超滤：蛋白质与酶、活性多肽、热原的去除、中草药浓缩，以及果汁和茶叶的澄清和浓缩。纳滤：纳滤：染料、食用色素、抗生素、多肽和氨基酸等。微滤：微滤：空气过滤除菌，以及牛奶、果汁、果酒、白酒、啤 酒、饮料、饮用水等的除菌过滤。气体分离：气体分离：膜法H2回收、膜法富氧、膜法回收机蒸汽等。离子交换
47、膜离子交换膜：烧碱生产 工业废水与市政废水处理和循环回用工业废水与市政废水处理和循环回用膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程海水淡化工艺流程各种海水淡化方法投资费用和运行费用各种海水淡化方法投资费用和运行费用膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程我国西北地区含铬高氟低矿化我国西北地区含铬高氟低矿化苦咸水淡化工艺流程苦咸水淡化工艺流程膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 装置紧凑：由于省去了活性污泥的沉降槽，且活性污泥的膜分离可在较高浓度下操作，所以污泥浓缩贮留槽及曝气槽体积小，装置紧凑。适应高浓度污水：由于能够保持曝气槽内活性污泥的高浓度，所以可适应高浓度污水。高品质的处理水：引入膜分离后，对S
48、S去除彻底，可得到十分澄清的处理水。维护管理容易：传统生物学处理法，为了维持良好的处理水质，对污泥管理须忖注很多劳力和精力。膜分离活性污泥法省去了沉降槽，对污泥浓度管理容易，设备占地面积小，操作自动化程度高，管理人员少。污水膜生物技术的特点污水膜生物技术的特点膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程根据膜的使用形态根据膜的使用形态：循环型和浸渍型两类。根据膜分离的形式根据膜分离的形式：微滤膜生物反应器，超滤膜生物反应器，纳滤膜生物反应器和反渗透膜生物反应器。根据操作压力膜生物反应器根据操作压力膜生物反应器：抽吸式膜生物反应器和加压式膜生物反应器。根据膜组件的类型根据膜组件的类型：中空纤维膜生物反应
49、器、管式膜生物反应器、板式膜生物反应器和卷式膜生物反应器根据生物反应器的需氧性根据生物反应器的需氧性：好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反应器。污水膜生物技术的分类污水膜生物技术的分类膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程 根据膜分离和生物反应器的相对位置根据膜分离和生物反应器的相对位置：一体式污水膜生物反应器和分体式膜生物反应器=一体式一体式：污水膜生物反应器是将膜组件（无外壳膜片）浸没在生物反应器中，微生物在曝气池中耗氧降解有机物，水通过负压抽吸从膜表面进入中空纤维引出反应器。=分体式分体式：污水膜生物反应器是由相对独立的生物反应器（此为活性污泥法）与膜组件通过泵与管构成。膜分离技术膜分离技术分离
50、工程分离工程前处理装置前处理装置 油分除去 夹杂物除去 其它P P输送泵输送泵筛网筛网B B膜组件膜组件鼓风机鼓风机后处理装置后处理装置 脱色 消毒 其它处理水处理水真空泵真空泵嚗嚗气槽气槽污水污水一体式污水膜生物反应器一体式污水膜生物反应器P P膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程一体式一体式污水污水膜生物反应器装置膜生物反应器装置废水调整糟泵计量糟格栅嚗气鼓风机反应分离糟嚗气组件中空纤维膜组件处理水泵处理水中空纤维膜组件中空纤维膜废水废水渗透水渗透水渗透水渗透水膜分离技术膜分离技术分离工程分离工程一体式膜生物反应器中空纤维膜组件主要形式一体式膜生物反应器中空纤维膜组件主要形式ABCD其中A