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1、12膜分离膜分离-半透膜半透膜指一类可以让小分子物质指一类可以让小分子物质透过而大分子物质不能通透过而大分子物质不能通过的薄膜的总称过的薄膜的总称 例如：例如：细胞膜、膀胱膜、细胞膜、膀胱膜、肠衣等肠衣等 3终端过滤46在啤酒工业中应用在啤酒工业中应用7常见的分离方法常见的分离方法筛分筛分过滤过滤萃取萃取离心离心蒸馏蒸馏重结晶重结晶柱层析柱层析膜分离膜分离色谱分离色谱分离离子交换离子交换对于高层次的分离，如对于高层次的分离，如分子尺寸的分离分子尺寸的分离、生物生物体组分的分离体组分的分离等，采用等，采用常规的分离方法是难以常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，实现的，或达不到精度，或需要损
2、耗极大的能源或需要损耗极大的能源而无实用价值。而无实用价值。8例如：果汁、酒的消毒与澄清例如：果汁、酒的消毒与澄清澄清果蔬汁加工工艺澄清果蔬汁加工工艺超滤超滤10茶饮料的制备11二、膜分离过程二、膜分离过程1）过滤分离）过滤分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有 超滤超滤（Ultrafiltration,UF，孔径，孔径0.11um）、微滤、微滤(Microfiltration,MF,孔径孔径1100nm)、纳滤、纳滤(Nanofiltration
3、,NF，孔径，孔径0.5 5nm)等；等；13反渗透（反渗透（Reverse osmosis）l在膜的两边造成一个压力差，并使其大于在膜的两边造成一个压力差，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩的溶液进一步浓缩l选择吸附，溶解选择吸附，溶解-扩散机理扩散机理1516过滤式膜分离182）渗析式膜分离渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。属于渗析式膜分离的有属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析渗析和
4、电渗析等。等。电渗析（电渗析（electrodialysis）在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地分电场中形成一个个隔室使溶液中的离子有选择地分离或富集离或富集19电渗析过程电渗析过程20+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜注意：注意：离子交换膜的作用离子交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是的作用，而是起离子起离子选择透过性选择透过性作用。作用。21海水的淡化224）气体
5、透过）气体透过l利用微孔或无孔膜进行气体分离，主要是利用微孔或无孔膜进行气体分离，主要是溶解溶解-扩散过程扩散过程l例如：氢气球例如：氢气球2425l成本低成本低l能耗少能耗少l效率高效率高 l无污染无污染l可回收利用有用物质可回收利用有用物质三、膜分离技术的优点三、膜分离技术的优点特别适用于特别适用于性质相似组分性质相似组分同分异构体组分同分异构体组分热敏性组分热敏性组分生物物质组分生物物质组分26海水海水 过滤过滤 沉降沉降 钠离子交换柱去除高价阳离子钠离子交换柱去除高价阳离子 逆渗透逆渗透 浓水浓水淡水淡水28海水海水 过滤过滤 沉降沉降 纳滤纳滤 逆渗透逆渗透 浓水浓水 闪蒸闪蒸l建议
6、的新的工艺路线建议的新的工艺路线淡水淡水淡水淡水盐盐291748年，耐克特（年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地）发现水能自动地扩散到装有酒精的扩散到装有酒精的猪膀胱猪膀胱内内 开创了开创了膜渗透膜渗透的研究。的研究。1846年，年，Schonbem 硝酸纤维硝酸纤维制备制备微滤膜微滤膜1861年，施密特（年，施密特（A.Schmidt）微孔过滤膜微孔过滤膜 用比滤纸孔径更小的用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤棉胶膜或赛璐酚膜过滤，在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体
7、等微小粒子粒子五、膜分离技术发展简史五、膜分离技术发展简史31l1935年，年，Teorell 离子交换膜离子交换膜用于海水浓缩用于海水浓缩制盐制盐l1961年，年，米切利斯（米切利斯（A.S.Michealis）等人用）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水物以水-丙酮丙酮-溴化钠为溶剂，制成了可截留溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜超过滤膜。l美国美国Amicon公司首先将这种膜商品化。公司首先将这种膜商品化。32l50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，年代初，为从海水或苦咸水中
8、获取淡水，开始了开始了反渗透膜反渗透膜的研究。的研究。l1967年，年，Du Pont公司研制成功了以公司研制成功了以尼龙尼龙-66为主要组分的中空纤维为主要组分的中空纤维反渗透膜反渗透膜组件组件。l同一时期，丹麦同一时期，丹麦DDS公司研制成功公司研制成功平板式反平板式反渗透膜组件渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。反渗透膜开始工业化。331.按膜的材料分类按膜的材料分类 表表6-1 膜材料的分膜材料的分类类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维纤维素素酯类酯类纤维纤维素衍生物素衍生物类类醋酸醋酸纤维纤维素，硝酸素，硝酸纤维纤维素，乙基素，乙基纤维纤维素等素等非非纤维纤维素素酯类酯类聚聚砜类砜类聚
9、聚砜砜，聚，聚醚砜醚砜，聚芳，聚芳醚砜醚砜，磺化聚，磺化聚砜砜等等聚聚酰酰(亚亚)胺胺类类聚聚砜酰砜酰胺，芳香族聚胺，芳香族聚酰酰胺，含氟聚胺，含氟聚酰亚酰亚胺等胺等聚聚酯酯、烯烃类烯烃类涤纶涤纶，聚碳酸，聚碳酸酯酯，聚乙，聚乙烯烯，聚丙，聚丙烯腈烯腈等等含氟含氟(硅硅)类类聚四氟乙聚四氟乙烯烯，聚偏氟乙，聚偏氟乙烯烯，聚二甲基硅氧，聚二甲基硅氧烷烷等等其他其他壳聚糖，聚壳聚糖，聚电电解解质质等等六、高分子功能膜的分类六、高分子功能膜的分类342.按膜的分离原理及适用范围分类按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔
10、膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。3.按膜断面的物理形态分类按膜断面的物理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜对称膜，不对称膜不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。空纤维膜等。3536非对称性膜微孔对称性膜37 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通
11、过膜的选择性透过实现的。几说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表种主要的膜分离过程及其传递机理如表6-2所示。所示。七、膜七、膜分离过程的类型分离过程的类型38表表6-2 几种主要分离膜的分离几种主要分离膜的分离过过程程膜膜过过程程推推动动力力传递传递机理机理透透过过物物截留物截留物膜膜类类型型微微滤滤压压力差力差颗颗粒大小形状粒大小形状水、溶水、溶剂剂溶解物溶解物悬悬浮物浮物颗颗粒粒纤维纤维多孔膜多孔膜超超滤滤压压力差力差分子特性大小形状分子特性大小形状水、溶水、溶剂剂小分子小分子胶体和超胶体和超过过截留分子量截留分子量的分子的分子非非对对称性膜称性膜
12、纳滤纳滤压压力差力差离子大小及离子大小及电电荷荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压压力差力差溶溶剂剂的的扩扩散散传递传递水、溶水、溶剂剂溶溶质质、盐盐非非对对称性膜复称性膜复合膜合膜39膜膜过过程程推推动动力力传递传递机理机理透透过过物物截留物截留物膜膜类类型型渗析渗析浓浓度差度差溶溶质质的的扩扩散散传递传递低分子量物、离子低分子量物、离子溶溶剂剂非非对对称性膜称性膜电电渗析渗析电电位差位差电电解解质质离子的离子的选择传递选择传递电电解解质质离子离子非非电电解解质质，大分子物大分子物质质离子交离子交换换膜膜气体分离气体分离压压力差力差气体和蒸汽的
13、气体和蒸汽的扩扩散渗透散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难难渗透性气渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非膜，非对对称膜称膜渗透蒸渗透蒸发发压压力差力差选择传递选择传递易渗溶易渗溶质质或溶或溶剂剂难难渗透性溶渗透性溶质质或溶或溶剂剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非膜，非对对称膜称膜液膜分离液膜分离浓浓度差度差反反应应促促进进和和扩扩散散传递传递杂质杂质溶溶剂剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑液膜撑液膜续上表续上表40八、膜材料及膜的制备八、膜材料及膜的制备膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括天然的和人工合成的用作分离膜的材料包括天然的和人工合成的有有机高分子材料机高分子材料和和无机材料无机材料。
14、原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如求，如分离效率分离效率、分离速度分离速度等。此外，也取决于膜等。此外，也取决于膜的制备技术。的制备技术。41 目前，实用的有机高分子膜材料有：目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约已有成百种以上的膜被制备
15、出来，其中约40多种已多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。421.纤维素酯类膜材料纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过椅式构型的葡萄糖基通过1,4-甙链甙链连接起来的天然线性高分子化合物，连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：其结构式为：43 从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。从结构上看，每个葡萄糖单元
16、上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。素或三醋酸纤维素。C6H7O2 +(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 +H2O C6H7O2 +3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 +2 CH2COOH 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。44452.非纤维素酯类膜材料非纤维素酯类膜材料（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性
17、的极性基团；分子链中含有亲水性的极性基团；主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；有高的抗压密性和耐热性；化学稳定性好；化学稳定性好；具有可溶性；具有可溶性；常用于制备分离膜的合成高分子材料有常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。等。46（2）主要的非纤维素酯类膜材料）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类）聚砜类 聚砜结构中的特征基团为聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行团，常将粉状聚砜悬浮于
18、有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。磺化。聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。等。47 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，性，强度也很高，pH值适应范围为值适应范围为113，最高使，最高使用温度达用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：代表品种有：4849 （ii）聚酰胺类）
19、聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如，如尼尼龙龙-66等制成的等制成的中空纤维膜中空纤维膜。这类产品对盐水。这类产品对盐水的分离率在的分离率在8090之间，但透水率很低，之间，但透水率很低，仅仅0.076 ml/cm2h。以后发展了。以后发展了芳香族聚酰芳香族聚酰胺胺，用它们制成的分离膜，用它们制成的分离膜，pH适用范围为适用范围为311，分离率可达，分离率可达99.5（对盐水），透水速率（对盐水），透水速率为为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于。长期使用稳定性好。由于酰酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的
20、游离氯有较高要求氯有较高要求。50 Du Pont公司生产的公司生产的DP-I型膜型膜即为由此类膜材即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：料制成的，它的合成路线如下式所示：51 类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：52 （iii）芳香杂环类）芳香杂环类 聚苯并咪唑类聚苯并咪唑类 如由如由美国美国Celanese公司研制的公司研制的PBI膜膜即为此种类即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：型。这种膜材料可用以下路线合成：53 聚苯并咪唑酮类聚苯并咪唑酮类 这类膜的代表是日本帝人公司生产的这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，膜，其化学结构为：其
21、化学结构为：这种膜对这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达溶液的分离率达9095，并有较高的透水速率。并有较高的透水速率。54 聚酰亚胺类聚酰亚胺类 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。55 其中，其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下：为芳基，对气体分离的难易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易易 难难 聚酰亚胺溶解性差，制膜困
22、难，因此开发了聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可可溶性聚酰亚胺溶性聚酰亚胺，其结构为：，其结构为：56 （iv）离子性聚合物）离子性聚合物 离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。酸型阳离子交换膜。磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离是最常用的
23、两种离子聚合物膜。子聚合物膜。5758 （v）乙烯基聚合物）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯醇磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯甲基丙烯酸酯、聚乙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。聚物也可用作膜材料。59膜的制备膜的制备 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要
24、。同样膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。能分离膜的重要保证。目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。p93-20860膜分离装置1）平板式）平板式用于用于UF的板框系统的板框系统61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板框式膜组件工板框式
25、膜组件工作过程示意图作过程示意图特点：特点：结构简单，体积结构简单，体积比管式的小。比管式的小。缺点：缺点：装卸复装卸复杂，单杂，单位体积位体积膜表面膜表面积小。积小。62密封密封密封密封密封密封2）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63膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图6465膜组件的组装示意图膜组件的组装示意图进进水水口口耐压耐压容器容器连连接接器器膜膜组组件件密密封封圈圈端端盖盖透透过过液液浓浓缩缩液液66工工业业应应用用的的反反渗渗透透装装置置6
26、73）中空纤维式反渗透膜组件）中空纤维式反渗透膜组件l中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。l中空纤维外径中空纤维外径50200 m，内径，内径25 42 m。l将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。l将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。68
27、进水浓水浓水透过水透过水多孔进水管多孔进水管浓水出口浓水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纤维膜中空纤维膜外径外径50200内径内径2542密封密封耐压容器耐压容器中空纤维反渗透组件简图中空纤维反渗透组件简图69膜断面图膜断面图 70 典型的膜分离技术有微孔过滤典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤、超滤(UF)、反渗透反渗透(RO)、纳滤、纳滤(NF)、渗析、渗析(D)、电渗析、电渗析(ED)、液膜、液膜(LM)及渗透蒸发及渗透蒸发(PV)等，下面分别介绍之。等，下面分别介绍之。9.1 微孔过滤技术微孔过滤技术1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤和微孔膜的特点 微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是
28、以微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为静压差为推动力推动力，利用筛网状过滤介质膜的，利用筛网状过滤介质膜的“筛分筛分”作用进行作用进行分分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜微孔膜。九、典型的膜分离技术及应用领域九、典型的膜分离技术及应用领域71 微孔膜是均匀的多孔薄膜，微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在厚度在90150m左右，过滤粒径在左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在之间，操作压在0.010.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有膜约有13类，总计类，总计400多种。多种。微孔膜的主要优点为：微孔膜的主
29、要优点为：孔径均匀，过滤精度高。能孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔孔/cm2，微孔体积占膜总体积的，微孔体积占膜总体积的7080。由。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；几十倍；72 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，无介质脱落。微孔膜为均
30、一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤液。微孔膜的缺点：微孔膜的缺点：颗粒容量较小，易被堵塞；颗粒容量较小，易被堵塞；使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。常工作。732.微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。）微粒和细菌的过滤。可用于可用于水的高度净化水的高度净化、食品和饮料的除菌食品和饮料的除菌、药液的过滤药液的过滤、发酵工业的空气、发酵工业的空气净化和除菌等。净化
31、和除菌等。（2）微粒和细菌的检测。）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。74（3）气体、溶液和水的净化。）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖与酒类的精制。）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖
32、中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。作，不会使酒类产品变味。75（5）药物的除菌和除微粒。）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优
33、点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。761.超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于超滤技术始于 1861 年，其年，其过滤粒径介于微滤和过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约反渗透之间，约510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的静压的静压差推动下截留各种
34、可溶性大分子差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体，形成的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。超滤技术的核心部件是超滤技术的核心部件是超滤膜超滤膜，分离截留的原理分离截留的原理为筛分为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。和形状决定膜的分离效率。9.2 超滤技术超滤技术77 超滤膜均为超滤膜均为不
35、对称膜不对称膜，形式有平板式、卷式、管，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构三层结构组成组成。即最上层的。即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度，致密而光滑，厚度为为0.11.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm；中；中间的间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为110m；最下面的；最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度为50250m，具有具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表
36、面提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。活性层和过度层。78 中空纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为0.52m。特点是。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。的内表面积很大，能有效提高渗透通量。制备超滤膜的材料主要有制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤
37、膜适用于材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH=38，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素超滤膜适用于pH=29，芳香聚酰胺超滤，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH=59，温度，温度040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过膜的使用温度则可超过100。792.超滤膜技术应用领域超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛，在作为超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理废水的处理等众多领域都发挥
38、着重要作用。等众多领域都发挥着重要作用。超滤技术主要用于含分子量超滤技术主要用于含分子量500500,000的微粒的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面。要可归纳为以下方面。80（1）纯水的制备。）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。子工业超净水和医用无菌水等。（2）汽车、家具等制品电泳涂
39、装淋洗水的处理。）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有12的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。电泳涂装。（3）食品工业中的废水处理。）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。81（4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术应用超滤技术可除
40、去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。作方便，成本较低。（5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（6）造纸厂的废水处理。）造纸厂的废水处理。829.3 反渗透技术反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉
41、或不自觉地使用渗透或反渗透分离物就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化海水和苦咸水的脱盐淡化、超超纯水制备纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。法不可比拟的优势。83 渗透和反渗透的原理如渗透和反渗透的原理如图图所示。如果用一所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从浓度的水溶液隔开，
42、水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称称渗透渗透（图（图a）。这一过程的推动力是低浓度溶。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图（图b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透渗透过程达到平衡
43、后，水不再有渗透，渗透通量为零。通量为零。84渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图85 如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图这一过程就称为反渗透（图c）。）。反渗透技术反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为操作压力为 2100MPa。用于实施反渗透操作的膜为用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜反渗透膜
44、。反渗透膜。反渗透膜大部分为大部分为不对称膜不对称膜，孔径小于孔径小于0.5nm，可截留溶质，可截留溶质分子。分子。86 制备反渗透膜的材料主要有制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。等。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有氢键理论、氢键理论、选择吸附选择吸附-毛细管流动理论毛细管流动理论、溶解扩散溶解扩散理论理论等。等。87 反渗透反渗透、超滤超滤和和微孔过滤微孔过滤都是以都是以压力差
45、压力差为推动为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的中的离子离子、分子分子到到固体微粒固体微粒的三级膜分离过程。一的三级膜分离过程。一般来说，般来说，分离溶液中分子量低于分离溶液中分子量低于500的低分子物质，的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500的大的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径液中的直径0.110m的粒子应该选微孔膜的粒子应该选微孔膜。以上。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是关于反渗透膜、超
46、滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。重叠。反渗透与超滤、微孔过滤的比较反渗透与超滤、微孔过滤的比较88 微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较如表点比较如表6-3所示。所示。表表6-3 反渗透、超反渗透、超滤滤和微孔和微孔过滤过滤技技术术的原理和操的原理和操作特点比作特点比较较分离技分离技术类术类型型反渗透反渗透超超滤滤微孔微孔过滤过滤膜的形式膜的形式表面致密的非表面致密的非对对称膜、复合膜等称膜、复合膜等非非对对称膜，表面有微孔称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材
47、料膜材料纤维纤维素、聚素、聚酰酰胺等胺等聚丙聚丙烯腈烯腈、聚、聚砜砜等等纤维纤维素、素、PVC等等操作操作压压力力/MPa21000.10.50.010.2分离的物分离的物质质分子量小于分子量小于500的小分子物的小分子物质质分子量大于分子量大于500的大分子和的大分子和细细小胶体微粒小胶体微粒0.110m的粒子的粒子分离机理分离机理非非简单筛简单筛分，膜的物化性能分，膜的物化性能对对分分离起主要作用离起主要作用筛筛分，膜的物化性能分，膜的物化性能对对分分离起一定作用离起一定作用筛筛分，膜的物理分，膜的物理结结构构对对分离起决定作用分离起决定作用水的渗透通量水的渗透通量/(m3.m-2.d-1
48、)0.12.50.5520200893.反渗透膜技术应用领域反渗透膜技术应用领域 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。定了它以下的应用范围。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备制备锅炉用水
49、，高纯水的制备。近年来，反渗透技。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。了其优越性。90（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。疗效、风味和营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回，回收利用废业中有用的物质
50、等。收利用废业中有用的物质等。919.4 纳滤技术纳滤技术1.纳滤膜的特点纳滤膜的特点 纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作早期被称作低压反渗透膜低压反渗透膜或或松散反渗透膜松散反渗透膜。目前，。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。离技术。92 纳滤膜主要用于纳滤膜主要用于截留粒径在截留粒径在0.11nm，分子量，分子量为为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透左右的物质，可以使一