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1、会计学1膜分离技术简介膜分离技术简介第一页，编辑于星期二：八点 四分。膜分离过程特点膜分离过程特点n n 所有的分离过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差异进行分离。所有的分离过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差异进行分离。n n过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差异的分离过程。常规的过滤一般是过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差异的分离过程。常规的过滤一般是指固液分离或气液分离。指固液分离或气液分离。n n膜分离过程将这一应用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分离。即以选择性透过膜为分离介质，膜分离过程将这一应用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分离
2、。即以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。n n不同的膜分离过程中所用的膜具有一定的结构、材质和选择特性不同的膜分离过程中所用的膜具有一定的结构、材质和选择特性;被隔开的两相可以是液态，也可以是气被隔开的两相可以是液态，也可以是气态态;推动力可以是压力梯度、浓度梯度或电位梯度，所以不同的膜分离过程的分离体系和适用范围也不同推动力可以是压力梯度、浓度梯度或电位梯度，所以不同的膜分离过程的分离体系和适用范围也不同 。n n膜分离有希望代替精馏。从国内情况看，实
3、验室研制应用好，但转化为生产规模有难度。尤其是膜膜分离有希望代替精馏。从国内情况看，实验室研制应用好，但转化为生产规模有难度。尤其是膜的质量、膜的组装、密封等。的质量、膜的组装、密封等。第1页/共29页第二页，编辑于星期二：八点 四分。第2页/共29页第三页，编辑于星期二：八点 四分。膜技术的应用膜技术的应用n n膜的商业应用：膜的商业应用：20C60S20C60S第一代膜技术，液体分离，微滤、超滤、反渗第一代膜技术，液体分离，微滤、超滤、反渗 透、电渗析。透、电渗析。20C70S20C70S，第二代膜技术，气体分离膜技术。，第二代膜技术，气体分离膜技术。20C80S20C80S第三代膜技术，
4、渗透汽化第三代膜技术，渗透汽化n n深深度度处处理理-是是指指在在常常规规处处理理工工艺艺后后，采采用用适适当当的的处处理理方方法法，将将常常规规处处理理工工艺艺不不能能去去除除的的污污染染物物或或消消毒毒副副产产物物的的前前体体物物加加以以去去除除，提提高高和和保保证水质。证水质。n n常常用用深深度度处处理理的的方方法法主主要要有有:活活性性炭炭吸吸附附，臭臭氧氧氧氧化化，生生物物活活性性炭炭，膜膜技技术术等等，其其中中，膜膜技技术术看看来来是是最最有有前前途途的的一一种种方方法法。膜膜处处理理法法具具有有良良好好的的调调节节水水质质的的能能力力，去去除除的的污污染染物物范范围围比比较较广
5、广，从从颗颗粒粒杂杂质质到到离离子子，细细菌菌和和病病毒毒无无一一幸幸免免。并且其能耗低、操作简单、出水水质良好且稳定并且其能耗低、操作简单、出水水质良好且稳定.n n在水处理领域，反渗透、微滤、超滤、纳滤等压力驱动膜分离过程的应用更为广泛。而与反渗透相比，超滤由于操作压力低，在水处理领域，反渗透、微滤、超滤、纳滤等压力驱动膜分离过程的应用更为广泛。而与反渗透相比，超滤由于操作压力低，能耗小等独特的优点在国外常常被用于替代常规处理或深度处理，并且其应用研究日益受到广泛关注。能耗小等独特的优点在国外常常被用于替代常规处理或深度处理，并且其应用研究日益受到广泛关注。n n由于我国近几年在膜生产的技
6、术和工艺上有很大改进，使得超滤技术的应用更加广泛。它在处理含油废水，电镀废由于我国近几年在膜生产的技术和工艺上有很大改进，使得超滤技术的应用更加广泛。它在处理含油废水，电镀废水，含酚废水，食品加工废水等方面具有明显的优势和巨大的潜力。超滤法可使纺织浆的聚乙烯醇水，含酚废水，食品加工废水等方面具有明显的优势和巨大的潜力。超滤法可使纺织浆的聚乙烯醇(PVA)(PVA)废液浓缩回废液浓缩回用，使印染废水中的染料和水同时回用。此外，超滤还可成为每年数亿吨含油废水回注的关键技术。用，使印染废水中的染料和水同时回用。此外，超滤还可成为每年数亿吨含油废水回注的关键技术。第3页/共29页第四页，编辑于星期二：
7、八点 四分。各种膜过程的分离机理各种膜过程的分离机理 第4页/共29页第五页，编辑于星期二：八点 四分。符号缩写符号缩写n nD-Dialysis D-Dialysis 渗析渗析 n nRO-Reverse Osmosis RO-Reverse Osmosis 反渗透反渗透n nUF-Ultra-filtration UF-Ultra-filtration 超滤超滤n nMF-Micro-filtration MF-Micro-filtration 微滤微滤n nGS-Gas Separation GS-Gas Separation 气体膜分离气体膜分离n nPV-Per-vaporation
8、 PV-Per-vaporation 渗透蒸发渗透蒸发n nMD-Membrane Distillation MD-Membrane Distillation 膜蒸馏膜蒸馏n nME-Membrane Extraction ME-Membrane Extraction 膜萃取膜萃取n nED-Electro-dialysis ED-Electro-dialysis 电渗析电渗析第5页/共29页第六页，编辑于星期二：八点 四分。不同压力推动膜的孔径范围不同压力推动膜的孔径范围第6页/共29页第七页，编辑于星期二：八点 四分。压力过滤的分离范围压力过滤的分离范围n n0.0004-0.020.00
9、04-0.02m-10 m-1000 mm-10 m-1000 m 离子离子 大分子大分子 颗粒颗粒n n反渗透反渗透 0.00010.001 0.00010.001 mmn n超滤超滤 0.001-0.02 0.001-0.02 mmn n微孔过滤微孔过滤0.02-10 0.02-10 mmn n过滤过滤第7页/共29页第八页，编辑于星期二：八点 四分。膜材料及种类膜材料及种类n n用于分离膜的种类很多。用于分离膜的种类很多。n n以高分子材料制成的聚合膜居多。以高分子材料制成的聚合膜居多。n n用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙用于制膜
10、的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。烯、硅橡胶等。n n无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。n n以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化学稳定性好，使以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化学稳定性好，使用寿命长。用寿命长。n n陶瓷膜的应用较好。陶瓷膜的应用较好。n n根据分离过程和分离对象选择合适的膜材料根据分离过程和分离对象选择合适的膜材料第8页/共29页第九页，编辑于星期二：八点 四分。膜的分类膜的分
11、类第9页/共29页第十页，编辑于星期二：八点 四分。膜的性能膜的性能n n膜的基本性能包括膜的分离透过特性和物化稳定性两方面。膜的基本性能包括膜的分离透过特性和物化稳定性两方面。n n物物化化稳稳定定性性：膜膜的的空空隙隙率率、孔孔结结构构、表表面面特特性性、机机械械强强度度、化化学学稳稳定定性性、允允许许使使用用压压力力、温温度度、pHpH值值、游游离离氯氯允允许许最最高高浓浓度度以以及及对对有有机机溶溶剂剂和和各各种种化化学学药药品品如如的的抵抵抗抗性性。其其中中孔孔结结构构和和表表面面特特性性对对使使用用过过程程中中的的膜膜污污染染、膜膜的的渗渗透透流流率率及及分分离离性性能能具具有有很
12、很大大的的影影响响，化化学学性性能能如如膜膜的的耐耐压压性性、耐耐高高温温性性、耐耐清清洗洗性性、耐耐生生物物降降解解性性等等在在某某些些工工业业应应用用中也非常重要。中也非常重要。n n分离透过特性：渗透通量、分离效率、通量衰减系数。分离透过特性：渗透通量、分离效率、通量衰减系数。n n渗透通量：单位时间透过单位膜面积的透过物量渗透通量：单位时间透过单位膜面积的透过物量n n分离效率：不同的膜分离过程和分离对象，表示方法不同。如截留率、脱盐率等分离效率：不同的膜分离过程和分离对象，表示方法不同。如截留率、脱盐率等n n通通量量衰衰减减：由由于于过过程程的的浓浓差差极极化化、膜膜的的压压密密及
13、及膜膜孔孔堵堵塞塞等等原原因因造造成成的膜渗透通量随时间的减小。的膜渗透通量随时间的减小。第10页/共29页第十一页，编辑于星期二：八点 四分。膜分离设备膜分离设备n n膜的分离装置主要包括：膜组件、泵、过滤器、阀门、仪表、管路等。n n常用膜组件：板框式、圆管式、螺旋卷式、和中空纤维式。第11页/共29页第十二页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透简介反渗透简介n n我国反渗透技术开发始于我国反渗透技术开发始于2020世纪世纪6060年代年代n n1967196719691969年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下了基础，年全国海水淡化会战为乙酸纤维素不对称反渗透膜的开发打下
14、了基础，n n7070年代进行中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发，年代进行中空纤维和卷式反渗透组件的研究开发，n n8080年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步人产业化，年代进行反渗透复合膜的研究开发，开始步人产业化，n n反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域工程遍布电力、反渗透技术已广泛应用于海水苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯等领域工程遍布电力、电子、化工、轻工煤炭、环保、医药、食品等行业电子、化工、轻工煤炭、环保、医药、食品等行业n n反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特
15、种分离等反渗透膜技术及其工程应用的发展方向主要集中于研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组器超低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下，操作压力下降性能的反渗透膜组器超低压反渗透膜能在保持原脱盐率的情况下，操作压力下降25254040，从而降低了，从而降低了系统的能耗和设备材料的要求抗污染反渗透膜的开发，减少了膜清洗的能耗，延长了膜的使用寿系统的能耗和设备材料的要求抗污染反渗透膜的开发，减少了膜清洗的能耗，延长了膜的使用寿命，广泛地应用于污水回用和化工原材料的浓缩提纯命，广泛地应用于污水回用和化工原材料的浓缩提纯n n带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级反渗透系统制
16、备带正电荷反渗透膜可直接应用于二级、三级反渗透系统制备1 14MQ4MQ、101015MQ15MQ电阻率的纯水、电阻率的纯水、超纯水，实现无酸碱废水污染的洁净工艺耐高温反渗透膜具有超纯水，实现无酸碱废水污染的洁净工艺耐高温反渗透膜具有9090耐温性能，可用于食品、医药耐温性能，可用于食品、医药等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置耐高压反渗透膜具有等行业需采用高温杀菌消毒的反渗透装置耐高压反渗透膜具有9 90MPa0MPa以上的耐压性能，用于二级海以上的耐压性能，用于二级海水淡化反渗透装置、可使水回收率达到水淡化反渗透装置、可使水回收率达到6060近近2020年来，多种高性能和特殊用途的新型反渗
17、透膜组器的研制成功，有年来，多种高性能和特殊用途的新型反渗透膜组器的研制成功，有力地推进了反渗透应用工程的发展力地推进了反渗透应用工程的发展nn反渗透工程应用的另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、反渗透工程应用的另一个发展方向是反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDIEDI等组器的有机地组合应用，充分发挥各种膜分等组器的有机地组合应用，充分发挥各种膜分离技术的特性，形成一个完整的系统工程，达到浓缩、分离、提纯的目的离技术的特性，形成一个完整的系统工程，达到浓缩、分离、提纯的目的第12页/共29页第十三页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透分离原理反渗透分离原理n n渗透是自发过程，而反
18、渗透是非自发过程。反渗透同样可以视作溶液中水的化学势不同引起的水的移渗透是自发过程，而反渗透是非自发过程。反渗透同样可以视作溶液中水的化学势不同引起的水的移动过程。当两溶液的压力差大于其渗透压差时，水的流动可实现非自发过程动过程。当两溶液的压力差大于其渗透压差时，水的流动可实现非自发过程反渗透过程。反渗透过程。n n用只能用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过，结果使咸让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过，结果使咸水一侧的液位上升，直到某一高度，此所谓渗透过程；当渗透达到
19、动态平衡状态时，半透膜两侧存在一定的水位差或压力差，此水一侧的液位上升，直到某一高度，此所谓渗透过程；当渗透达到动态平衡状态时，半透膜两侧存在一定的水位差或压力差，此为在指定温度下的溶液渗透压；当咸水一侧施加的压力为在指定温度下的溶液渗透压；当咸水一侧施加的压力P P大于该溶液的渗透压，可迫使渗透反向，实现反渗透过程。大于该溶液的渗透压，可迫使渗透反向，实现反渗透过程。此时，在高于渗透压的压力作用下，咸水中水的化学位升高，并超过纯水的化学位，水分子从咸水一此时，在高于渗透压的压力作用下，咸水中水的化学位升高，并超过纯水的化学位，水分子从咸水一侧反向地通过膜透过到纯水一侧，使咸水得到淡化，反渗透
20、除盐法即基于此原理。侧反向地通过膜透过到纯水一侧，使咸水得到淡化，反渗透除盐法即基于此原理。n n一般反渗透膜微孔尺寸在一般反渗透膜微孔尺寸在10A10A左右，操作压力为左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,1.0-10.0Mpa,切割分子量小于切割分子量小于500500，能截留盐或小分子量有机物，可使水中，能截留盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低离子的含量降低96-99%96-99%。第13页/共29页第十四页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透影响因素分析反渗透影响因素分析 压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响
21、压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响第14页/共29页第十五页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透通量的影响因素反渗透通量的影响因素n n操作压差操作压差压差越大，渗透通量越大，但浓差极化比增大，膜表面溶液渗透压升压差越大，渗透通量越大，但浓差极化比增大，膜表面溶液渗透压升高，推动力不能按比例增大高，推动力不能按比例增大n n温度温度温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，渗透压降低，推动温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，渗透压降低，推动力增大，通量增大。力增大，通量增大。n n料液流速料液流速流速大，传质系数增大，浓差极化比减小，渗透通量增大。流速大，传质系数增大，浓差极化比
22、减小，渗透通量增大。n n料液的浓缩程度料液的浓缩程度浓缩程度高，水的回收率高。但渗透压高，渗透通量小，且已造浓缩程度高，水的回收率高。但渗透压高，渗透通量小，且已造成膜污染。成膜污染。n n膜材料和结构膜材料和结构决定膜渗透通量的基本因素。决定膜渗透通量的基本因素。第15页/共29页第十六页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透过程的浓差极化反渗透过程的浓差极化n n反渗透过程中，大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，因此从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界层，溶质在膜表面的浓度高于料液反渗透过程中，大部分溶质被截留，溶质在膜表面附近积累，因此从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边
23、界层，溶质在膜表面的浓度高于料液主体浓度，这种现象称为浓差极化。主体浓度，这种现象称为浓差极化。第16页/共29页第十七页，编辑于星期二：八点 四分。浓差极化比随时间的变化浓差极化比随时间的变化第17页/共29页第十八页，编辑于星期二：八点 四分。浓差极化对过程的不利影响浓差极化对过程的不利影响n n膜表面浓度升高，溶液的渗透压升高，当操作压差一定，推膜表面浓度升高，溶液的渗透压升高，当操作压差一定，推动力下降，渗透通量下降。动力下降，渗透通量下降。n n随着渗透通量的增加，浓差极化比急剧增加，溶质的渗随着渗透通量的增加，浓差极化比急剧增加，溶质的渗透通量也增加，截流率降低。透通量也增加，截流
24、率降低。n n浓差极化使膜表面溶液的渗透压增高，由此引起水通量下降和浓差极化使膜表面溶液的渗透压增高，由此引起水通量下降和通过膜的盐迁移量的上升。倘若在边界层中溶解溶质的浓度超通过膜的盐迁移量的上升。倘若在边界层中溶解溶质的浓度超过它的溶解度，则在膜表面上将有沉淀或结垢发生。在如此高过它的溶解度，则在膜表面上将有沉淀或结垢发生。在如此高的浓度下，胶体物质变得较不稳定，因而它会凝聚和污染膜表的浓度下，胶体物质变得较不稳定，因而它会凝聚和污染膜表面。面。n n减轻浓差极化的有效途径是提高料液流速；增强料液的湍流减轻浓差极化的有效途径是提高料液流速；增强料液的湍流程度；提高操作温度；对膜面进行定期清
25、洗等。程度；提高操作温度；对膜面进行定期清洗等。第18页/共29页第十九页，编辑于星期二：八点 四分。超滤超滤n n超滤超滤 (UF)(UF)是一种筛孔分离过程，在静压差为推动力作用下，原料液中溶剂是一种筛孔分离过程，在静压差为推动力作用下，原料液中溶剂和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，一般称为透过液或渗透液，和小溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，一般称为透过液或渗透液，而大粒子组分被膜所阻拦，使它们在滤剩液中浓度增大。而大粒子组分被膜所阻拦，使它们在滤剩液中浓度增大。n n超超滤滤膜膜的的分分离离性性能能主主要要是是指指膜膜的的透透过过率率和和脱脱除除率率，这这与与膜膜的的孔孔结
26、结构构有有关关，它是以膜对不同分子量的截留率来描述的，相当与分离分级曲线。它是以膜对不同分子量的截留率来描述的，相当与分离分级曲线。第19页/共29页第二十页，编辑于星期二：八点 四分。中空纤维膜中空纤维膜图2.1.1 中空纤维超滤器示意图第20页/共29页第二十一页，编辑于星期二：八点 四分。第21页/共29页第二十二页，编辑于星期二：八点 四分。压差对透过率的影响压差对透过率的影响压差对透过率的影响压差对透过率的影响第22页/共29页第二十三页，编辑于星期二：八点 四分。压差对脱除率的影响压差对脱除率的影响第23页/共29页第二十四页，编辑于星期二：八点 四分。超滤的渗透通量影响因素超滤的
27、渗透通量影响因素n n操作压差n n料液流速n n温度n n截留物浓度第24页/共29页第二十五页，编辑于星期二：八点 四分。膜的主要传质机理膜的主要传质机理n n溶解-扩散模型，膜的选择透过性是由于不同组分在膜中的溶解度和扩散系数不同而造成的。n n孔模型n n筛分模型n n优先吸附-毛细管流动模型第25页/共29页第二十六页，编辑于星期二：八点 四分。膜传质膜传质n n膜表面上传质n n膜内传质第26页/共29页第二十七页，编辑于星期二：八点 四分。膜传质系数的关联式膜传质系数的关联式n n 层流时：层流时：（Re1800Re1800）Grber Grber 等提出等提出 Sh=0.664
28、Sh=0.664（ReRe）0.50.5（ScSc）0.330.33（dh/Ldh/L）0.50.5 即即k k与与U U的指数关系经验式：的指数关系经验式：k=0.664(U/L)1/2D2/3/0.17k=0.664(U/L)1/2D2/3/0.17nn 湍流时：湍流时：DittusDittus和和 Boelter 1961Boelter 1961年年New YorkNew York提出提出 Sh=0.023Sh=0.023（ReRe）0.80.8（ScSc）0.330.33 即即k=0.023k=0.023（U0.8D0.67U0.8D0.67）/（dh0.20.47dh0.20.47）
29、n nDD溶质向膜中的扩散系数，（溶质向膜中的扩散系数，（cm2/scm2/s）dhdh水力学直径，（中空纤维水力学直径，（中空纤维 dh=4A/S=ddh=4A/S=d），（反渗透），（反渗透 dh=4A/S=4*4.2/2*dh=4A/S=4*4.2/2*（1.5+0.71.5+0.7）=3.82m=3.82m（cmcm）kk膜传质系数，又称物质迁移系数膜传质系数，又称物质迁移系数 ，（，（cm/scm/s）LL膜长，（膜长，（cmcm）UU平均流速，（平均流速，（m/sm/s）料液密度，（料液密度，（g/cmg/cm）料液动力粘度，料液动力粘度，(mPas)(mPas)料液运动粘度，（料液运动粘度，（cm2/scm2/s）第27页/共29页第二十八页，编辑于星期二：八点 四分。反渗透膜传质系数（反渗透膜传质系数（10-5）第28页/共29页第二十九页，编辑于星期二：八点 四分。