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1、膜分离原理技术与设备膜分离原理技术与设备本讲稿第一页，共六十一页一、膜分离的基本原理一、膜分离的基本原理1、什么是膜分离、什么是膜分离o膜分离（膜分离（MembraneSeparation）是以选择性透）是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。等目的的分离过程。本讲稿第二页，共六十一页2、膜分离的推动力、膜分离的推动力o（1）借助外界能量，物质发生由低位到高）借助外界能量，物质发
2、生由低位到高位的流动；位的流动；o（2）借助本身的化学位差，物质发生由高）借助本身的化学位差，物质发生由高位到低位的流动。位到低位的流动。本讲稿第三页，共六十一页3、膜分离方法、膜分离方法（1）压力推动）压力推动o反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动的反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。截留程度取决于膜结构。本讲稿第四页，共六十一页本讲稿第五页，共六十一页o反渗透膜反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包括离子）几乎无孔
3、，可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为而使溶剂通过，操作压力较高，一般为210MPa；o纳滤膜纳滤膜孔径为孔径为25nm，能截留部分离子及有机物，能截留部分离子及有机物，操作压力为操作压力为0.73MPa；o超滤膜超滤膜孔径为孔径为220nm，能截留小胶体粒子、大分子，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为物质，操作压力为0.11MPa；o微滤膜微滤膜孔径为孔径为0.0510m，能截留胶体颗粒、微，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为生物及悬浮粒子，操作压力为0.050.5MPa。本讲稿第六页，共六十一页本讲稿第七页，共六十一页（2）其他推动力）其他推动力
4、o电渗析电渗析采用带电的离子交换膜，在电场采用带电的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶液去除离子。液去除离子。o气体分离气体分离是依据混合气体中各组分在膜是依据混合气体中各组分在膜中渗透性的差异而实现的膜分离过程。中渗透性的差异而实现的膜分离过程。o渗透汽化渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。使原液体混合物得以分离的膜过程。本讲稿第八页，共六十一页膜分离法膜分离法传质推动传质推动力力分离原理分离原理应用举
5、例应用举例微微滤滤（MF）压差压差0.050.5筛分筛分除菌，回收菌，分离除菌，回收菌，分离病毒病毒超滤超滤压差压差0.11.0筛分筛分蛋白质、多肽和多糖蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩的回收和浓缩反渗透反渗透压差压差1.010筛分筛分盐、氨基酸、糖的浓盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造缩、淡水制造渗析渗析浓差浓差筛分筛分脱盐，除变性剂脱盐，除变性剂电渗析电渗析电位差电位差电荷、筛分电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机脱盐，氨基酸和有机酸分离酸分离渗透气化渗透气化压差、温压差、温差差溶质与膜的亲溶质与膜的亲和作用和作用有机溶剂与水的分离，有机溶剂与水的分离，共沸物的分离共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范
6、围各种膜分离法的原理和应用范围本讲稿第九页，共六十一页二、膜材料及分类二、膜材料及分类 1、常用膜材料、常用膜材料o有机高聚物膜有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰胺：纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等o无机分离膜无机分离膜：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等子筛炭膜等 本讲稿第十页，共六十一页2、膜的种类、膜的种类o（1）对称膜对称膜：又称为均质膜，是一种均匀又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同。的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同。包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。包括致密的无
7、孔膜和对称的多孔膜两种。n传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。度可以提高透过速率。本讲稿第十一页，共六十一页o（2）非对称膜非对称膜：横断面具有不对称结构。横断面具有不对称结构。包括一体化非对称膜和复合膜两类。包括一体化非对称膜和复合膜两类。n分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。本讲稿第十二页，共六十一页醋酸纤维素膜的结构示意图醋酸纤维素膜的结构示意图本讲稿第十三页，共六十一页三、膜分离的特点三、膜分离的特点（1）膜分离是一个高
8、效分离过程，可以实现高纯度的分离；膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维 护都十分方便；护都十分方便；（5）处理能力和规模选择性强；）处理能力和规模选择性强；（6）体积小，占地少。）体积小，占地少。本讲稿第十四页，共六十一页第第2节节 膜分离装置膜分离装置一、膜分离系统组成一、膜分离系
9、统组成1、膜分离系统的构成、膜分离系统的构成o膜器件、泵、过滤器、阀、仪表、管路等膜器件、泵、过滤器、阀、仪表、管路等2、常用膜器件的类型、常用膜器件的类型o板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式毛细管式本讲稿第十五页，共六十一页本讲稿第十六页，共六十一页二、常用的膜器件二、常用的膜器件（一）板框式膜器件（一）板框式膜器件1、基本部件、基本部件o平板膜、支撑盘、平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部件间隔盘。三种部件相互交替、重叠、相互交替、重叠、压紧。压紧。本讲稿第十七页，共六十一页2、特点、特点o 组装比较简单，可以简单地增加膜的层数组装比较简单，可以
10、简单地增加膜的层数以提高处理量；以提高处理量；o 操作比较方便。操作比较方便。o 板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度要求较高。膜的机械强度要求较高。3、应用、应用o超滤（超滤（UF）、微滤（）、微滤（MF）、反渗透（）、反渗透（RO）、）、电渗析（电渗析（ED）本讲稿第十八页，共六十一页4、板框式反渗透膜组件、板框式反渗透膜组件季紧螺栓型季紧螺栓型-装配图装配图本讲稿第十九页，共六十一页（1）结构单元结构单元o承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板（2）结构形式）结构形式o多层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固定。多
11、层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固定。本讲稿第二十页，共六十一页进水进水透过水透过水浓缩水浓缩水耐压容器耐压容器透水板透水板半透膜半透膜（3）工作过程）工作过程本讲稿第二十一页，共六十一页板板式式超超滤滤膜膜装装置置本讲稿第二十二页，共六十一页（二）圆管式膜器件（二）圆管式膜器件 1、基本部件、基本部件o管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端部密封管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端部密封2、特点、特点o 流动状态好，流速易控制；流动状态好，流速易控制；o 结构简单，容易清洗，安装、操作方便；结构简单，容易清洗，安装、操作方便；o 装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；装填密度较
12、小，单位体积内有效膜面积小；o 耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液，比其他形式应用更为广泛。料液，比其他形式应用更为广泛。本讲稿第二十三页，共六十一页3、类型与结构、类型与结构o管式膜组件又管式膜组件又分为内压型和分为内压型和外压型两种。外压型两种。o内压型有单管内压型有单管式和管束式两式和管束式两种。种。本讲稿第二十四页，共六十一页本讲稿第二十五页，共六十一页本讲稿第二十六页，共六十一页本讲稿第二十七页，共六十一页（三）螺旋卷式膜器件（三）螺旋卷式膜器件 1、基本部件、基本部件o膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管膜、多孔支
13、撑层、原料水隔网、多孔中心管o构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而形成螺旋卷式膜器件。形成螺旋卷式膜器件。本讲稿第二十八页，共六十一页本讲稿第二十九页，共六十一页密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料多孔透水材料膜，上下两层膜，上下两层本讲稿第三十页，共六十一页本讲稿第三十一页，共六十一页2、特点、特点o 结构紧凑，装填密度高结构紧凑，装填密度
14、高o 制作简单，安装、操作方便制作简单，安装、操作方便o 适合低流速、低压下操作适合低流速、低压下操作o 制作工艺复杂，膜清洗困难制作工艺复杂，膜清洗困难本讲稿第三十二页，共六十一页3、工作过程、工作过程原料从端部进入组件后，在隔网中的流原料从端部进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出，浓液则从组件另一端中心收集管中再排出，浓液则从组件另一端排出。排出。本讲稿第三十三页，共六十一页进进水水口口耐压容器耐压容器连连接接器器膜膜组组件件密密封封
15、圈圈端端盖盖透过透过液液浓缩浓缩液液4、膜组件的结构与组装、膜组件的结构与组装本讲稿第三十四页，共六十一页本讲稿第三十五页，共六十一页本讲稿第三十六页，共六十一页（四）中空纤维式膜器件（四）中空纤维式膜器件 1、基本构成、基本构成（1）中空纤维膜）中空纤维膜o将膜材料制成外径为将膜材料制成外径为80400m、内径为、内径为40100m的空心管，即为中空纤维膜。的空心管，即为中空纤维膜。（2）中空纤维膜组件）中空纤维膜组件o将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件
16、。就构成了中空纤维膜组件。本讲稿第三十七页，共六十一页本讲稿第三十八页，共六十一页2、特点、特点o 结构紧凑，装填密度很高；结构紧凑，装填密度很高；o 清洗困难；清洗困难；o 中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；组件；o 液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。本讲稿第三十九页，共六十一页3、工作过程工作过程（1）内压式）内压式o料液从空心纤维管内料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维流过，透过液经纤维管膜流出管外，这是管膜流出管外，这是常用的操作方式。常用的操作方式。（2）外压式）外压式o料液从一端经分布管在纤维管外流动
17、，透过液则从纤料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维膜管内流出。维膜管内流出。本讲稿第四十页，共六十一页本讲稿第四十一页，共六十一页4、中空纤维膜设备操作、中空纤维膜设备操作（1）操作过程）操作过程o过滤、浓缩过滤、浓缩反洗反洗清洗清洗正洗正洗（2）操作注意事项）操作注意事项o中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停用时，用用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液保存。甲醛或次氯酸钠水溶液保存。本讲稿第四十二页，共六十一页本讲稿第四十三页，共六十一页三、电渗析器三、电渗析器（一）电渗析原理和特点（一）电渗析原理和特点1、电渗析的基本原理、电渗析
18、的基本原理 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。本讲稿第四十四页，共六十一页o离子交换膜的选择透过性主要是由于离子交换膜的选择透过性主要是由于膜上孔膜上孔隙隙
19、和和膜上离子膜上离子基团的作用。基团的作用。o膜上的孔隙容许膜上的孔隙容许离子进出和通过。离子进出和通过。o膜上的离子基团膜上的离子基团容许电性相反的容许电性相反的离子通过。离子通过。本讲稿第四十五页，共六十一页2、电渗析法的特点、电渗析法的特点（1）耗电能与盐溶液的浓度成正比，不适合）耗电能与盐溶液的浓度成正比，不适合与浓溶液与浓溶液（2）不能除去不带电荷的杂质）不能除去不带电荷的杂质 本讲稿第四十六页，共六十一页（二）电渗析器的结构（二）电渗析器的结构 1、构造、构造o电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。成。（1）膜堆）膜堆o膜堆是由相当数量的膜
20、对组装而成的。膜堆是由相当数量的膜对组装而成的。o膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）组成。组成。本讲稿第四十七页，共六十一页（2）极区）极区o包括电极、极框和导水板。包括电极、极框和导水板。（3）压紧装置）压紧装置o压紧装置是用来压紧电渗析器，使膜堆、压紧装置是用来压紧电渗析器，使膜堆、电极等部件形成一个整体，不致漏水。电极等部件形成一个整体，不致漏水。本讲稿第四十八页，共六十一页2、组装方式、组装方式o电渗析器的组装是用电渗析器的组装是用“级级”和和“段段”来表示，来表示，一
21、对电极之间的膜堆称为一对电极之间的膜堆称为“一级一级”。水流同向。水流同向的每一个膜堆称为的每一个膜堆称为“一段一段”。增加段数就等于。增加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高脱盐效率，增加膜增加脱盐流程，也就是提高脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。对数，可提高水处理量。o一般有以下几种组装形式：一级一段；一级多一般有以下几种组装形式：一级一段；一级多段；多级一段；多级多段。段；多级一段；多级多段。本讲稿第四十九页，共六十一页（三）电渗析工艺流程（三）电渗析工艺流程1.循环操作流程循环操作流程本讲稿第五十页，共六十一页2.三级连续操作三级连续操作本讲稿第五十一页，共六十一页（四）应用（四）应
22、用1.水的纯化水的纯化 生产制药工艺用水生产制药工艺用水2.盐溶液浓缩盐溶液浓缩3.脱除有机物和有机物脱酸脱除有机物和有机物脱酸4.废水处理废水处理本讲稿第五十二页，共六十一页第第3节节 超滤与微滤超滤与微滤1、超滤过程、超滤过程o膜膜:非对称性膜非对称性膜,表面活性层孔径表面活性层孔径120nm微孔微孔,能能截留分子量截留分子量500以上大分子或胶体微粒。以上大分子或胶体微粒。o原理原理:原料液在压差作用下，小分子物质与小原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量分子量 物质透过膜上微孔，流到低压侧，大物质透过膜上微孔，流到低压侧，大分子物质被截留。分子物质被截留。o机理机理:筛分筛分本讲稿第
23、五十三页，共六十一页2、微滤过程、微滤过程(微孔过滤微孔过滤)o膜膜:微孔微孔,均质的多孔膜均质的多孔膜,孔径孔径0.02-10微孔微孔,能截留直径为能截留直径为0.05-10的微粒或分子量大于的微粒或分子量大于106的高分子的高分子o原理原理:原料液在压差作用下，小分子物质与小原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压侧，悬浮分子量物质透过膜上微孔，流到低压侧，悬浮微粒和分子胶体被截留。微粒和分子胶体被截留。o机理机理:筛分筛分本讲稿第五十四页，共六十一页3、浓差极化、浓差极化（1）概念）概念 膜传质过程中，靠近膜表面的边界层处会膜传质过程中，靠近膜表面的边界层处会存
24、在浓度梯度或分压差，对于给定的主体流体存在浓度梯度或分压差，对于给定的主体流体浓度，边界层阻力的存在降低了膜分离的传质浓度，边界层阻力的存在降低了膜分离的传质推动力，渗透物的通量也降低。由于传质阻力推动力，渗透物的通量也降低。由于传质阻力而引起边界层组分浓度的增加或降低的现象被而引起边界层组分浓度的增加或降低的现象被称为称为浓差极化浓差极化。本讲稿第五十五页，共六十一页（2）浓差极化对膜分离过程的不利影响）浓差极化对膜分离过程的不利影响o引起渗透压的增大，减小传质推动力；引起渗透压的增大，减小传质推动力；o增加透过阻力；增加透过阻力；o改变膜的分离特性；改变膜的分离特性；o恶化膜的性能；恶化膜
25、的性能；o严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。道，运行恶化。本讲稿第五十六页，共六十一页（3）减轻浓差极化的方法）减轻浓差极化的方法o改变流向、提高流速；改变流向、提高流速；o设置湍流促进器；设置湍流促进器；o脉冲加料法；脉冲加料法；o搅拌法；搅拌法；o适当提高原料侧温度。适当提高原料侧温度。本讲稿第五十七页，共六十一页4、切向流、切向流o概念：料液流向与膜平面平行。概念：料液流向与膜平面平行。本讲稿第五十八页，共六十一页本讲稿第五十九页，共六十一页5、超滤的影响因数、超滤的影响因数（1）操作压差）操作压差(推动力推动力)o压差大，通量大，能耗大压差大，通量大，能耗大;（2）料液流速）料液流速o采用错流装置，使料液与膜面平行流动，采用错流装置，使料液与膜面平行流动，流速高，传质系数大，有利于提高渗透通流速高，传质系数大，有利于提高渗透通量。量。本讲稿第六十页，共六十一页5、超滤的影响因数、超滤的影响因数（3）温度）温度o温度高温度高,料液粘度小，扩散系数大，有利于料液粘度小，扩散系数大，有利于提高渗透通量。提高渗透通量。（4）截留液浓度）截留液浓度o浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶层，浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶层，使渗透通量减小。使渗透通量减小。本讲稿第六十一页，共六十一页