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1、关于膜技术五种经典的膜分离过程第一页，本课件共有43页2微滤是指大于微滤是指大于0.1um的颗粒或可溶物被截的颗粒或可溶物被截 留的压力驱动型膜过程；留的压力驱动型膜过程；超滤是指小于超滤是指小于0.1um大于大于2nm的颗粒或可的颗粒或可 溶物被截留的压力驱动型膜过程；溶物被截留的压力驱动型膜过程；反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透压而反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透压而 选择性透过的膜过程；选择性透过的膜过程；纳滤是指小于纳滤是指小于2nm的颗粒或可溶物被截留的颗粒或可溶物被截留 的压力驱动型膜过程。的压力驱动型膜过程。压力驱动膜过程回顾压力驱动膜过程回顾第二页，本课件共有43页3第三页，本课件
2、共有43页4第四页，本课件共有43页5 微滤又称微孔过滤，利用膜的微滤又称微孔过滤，利用膜的 筛分筛分 作用进行分离的作用进行分离的 膜过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过膜过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过 膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上，使大小膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上，使大小 不同的粒子得以分离，其作用相当于过滤，由于微孔不同的粒子得以分离，其作用相当于过滤，由于微孔 滤膜孔径相对较大，空隙率高，因而阻力小、过滤速滤膜孔径相对较大，空隙率高，因而阻力小、过滤速 度快，实际操作压力也较低（度快，实际操作压力也较低（1-2 atm1-2 atm）。）。微滤主
3、要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细微滤主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细 小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污 染物等以达到净化、分离和浓缩的目的。染物等以达到净化、分离和浓缩的目的。尽管普遍认为微滤的分离机理是类似于尽管普遍认为微滤的分离机理是类似于 筛分筛分，但这，但这 种种 筛分筛分 过程中，微滤膜的结构起着决定性的作用，过程中，微滤膜的结构起着决定性的作用，膜的结构不同，截留机理也有较大差异。膜的结构不同，截留机理也有较大差异。1基本原理及操作模式基本原理及操作模式-微滤微滤第五页，本课件共有43页6第六页，本课件共
4、有43页7第七页，本课件共有43页8第八页，本课件共有43页9第九页，本课件共有43页10第十页，本课件共有43页11第十一页，本课件共有43页122.基本原理及操作模式基本原理及操作模式-超滤超滤 原理：超滤同微滤类似，也是利用膜的原理：超滤同微滤类似，也是利用膜的“筛分筛分”作用进行分离的膜作用进行分离的膜 过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分离，不过其过滤精则被阻拦在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分离，不过其过滤精度更高，因而膜孔更小，实际的操作压力也比微滤略
5、高，一般为度更高，因而膜孔更小，实际的操作压力也比微滤略高，一般为0.10.10.5Mpa0.5Mpa。对象：超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物（蛋白质，核酸对象：超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物（蛋白质，核酸聚合物，淀粉，天然胶，酶等）、胶体分散液（黏土，颜聚合物，淀粉，天然胶，酶等）、胶体分散液（黏土，颜 料，矿物料，矿物料，乳液粒子，微生物）以及乳液（润滑脂，洗涤剂，油水乳液）。料，乳液粒子，微生物）以及乳液（润滑脂，洗涤剂，油水乳液）。采用先与适合的大分子结合的方法也可以从水溶液中分离金属离子、采用先与适合的大分子结合的方法也可以从水溶液中分离金属离子、可溶型溶质和高分子
6、物质（如蛋白质、酶、病毒），以达到净化、浓可溶型溶质和高分子物质（如蛋白质、酶、病毒），以达到净化、浓缩的目的。缩的目的。超滤膜一般为非对称膜，由一层极薄（通常为超滤膜一般为非对称膜，由一层极薄（通常为0.10.11um1um）具有一定孔）具有一定孔径的表皮层和一层较厚（通常为径的表皮层和一层较厚（通常为125um125um）具有海绵状或指状结构的）具有海绵状或指状结构的多孔层组成，前者起筛分作用，后者其支撑作用。多孔层组成，前者起筛分作用，后者其支撑作用。第十二页，本课件共有43页13分离机理 一般认为超滤过程的分离机理为筛孔分离过程，但膜表一般认为超滤过程的分离机理为筛孔分离过程，但膜表面
7、的化学性质也是影响超滤分离的重要因素，即超滤过程面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素，即超滤过程中溶质的截留包括在膜表面上的机械截留（筛分）、在膜中溶质的截留包括在膜表面上的机械截留（筛分）、在膜孔孔 中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附 三种方三种方式。式。超滤的操作模式和微滤类似，基本上是死端过滤和错流超滤的操作模式和微滤类似，基本上是死端过滤和错流过滤两种，但由于超滤的功能与微滤过滤两种，但由于超滤的功能与微滤 有所不同，微滤多有所不同，微滤多数是除杂，产物是过滤液；数是除杂，产物是过滤液；而超滤着重是分离，产物既而超滤着重是分离，产物既可是
8、渗透液，也可是截留液或者二者兼而有之，因此在这可是渗透液，也可是截留液或者二者兼而有之，因此在这两种基两种基 本模式的基础上又发展了多种模式。本模式的基础上又发展了多种模式。第十三页，本课件共有43页143.基本原理及操作模式-纳滤 纳滤纳滤 (Nanofiltration)(Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。与其他压力驱动型膜分离过程相比，出现较晚。它的右。与其他压力驱动型膜分离过程相比，出现较晚。它的出现可出现可 追溯到追溯到7070年代年
9、代 J.E.CadotteJ.E.Cadotte的的-3 0 0-3 0 0膜膜的研究，之后，的研究，之后，纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来，但与纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来，但与反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又被称作反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又被称作“低压低压反渗透反渗透”或或“疏松反渗疏松反渗 透透”。与超滤或反渗透相比，纳滤过程对单价离子和分子量低与超滤或反渗透相比，纳滤过程对单价离子和分子量低于于 200200的有机物截留较差，而对二价或多价离子及分子量的有机物截留较差，而对二价或多价离子及分子量介介 于于200200500500之间的有机物有较高脱除率，基于这一特之间的有
10、机物有较高脱除率，基于这一特性，性，纳滤过程主要应用于水的软化、净化以及相对分子纳滤过程主要应用于水的软化、净化以及相对分子质量在质量在 百级的物质的分离、分级和浓缩（如染料、抗生百级的物质的分离、分级和浓缩（如染料、抗生素、多肽、多醣等化工和生物工程产物的分级和浓缩）、素、多肽、多醣等化工和生物工程产物的分级和浓缩）、脱色和脱色和 去异味等。去异味等。第十四页，本课件共有43页15分离原理 与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量，对不同价与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量，对不同价 态的离子存在态的离子存在DonnanDonnan效应；与反渗透膜相比，纳滤膜又不效应；与反渗透膜相比，纳滤膜又
11、不是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差别。其对大分子的分离机理与超滤相似，但对无机盐在差别。其对大分子的分离机理与超滤相似，但对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制（溶解扩散原理），也的分离行为不仅由化学势梯度控制（溶解扩散原理），也受电势梯度的影响，即纳滤膜的分离行为与其荷电特性、受电势梯度的影响，即纳滤膜的分离行为与其荷电特性、溶质荷电状态以及二者的相互作用均有关系，在现存的文溶质荷电状态以及二者的相互作用均有关系，在现存的文献报导中，关于纳滤膜的分离机理模型有空间位阻孔道献报导中，关于纳滤膜的分离机理模型有空间位阻孔道模
12、型、溶解扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型、静模型、溶解扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型、静电排斥和立体位阻模型、电排斥和立体位阻模型、DonnanDonnan平衡模型等等。平衡模型等等。第十五页，本课件共有43页164.基本原理及操作模式-反渗透 反渗透是最精细的过程，因此又称反渗透是最精细的过程，因此又称“高滤高滤”（hyperfiltrationhyperfiltration），它是利用反渗透膜选择性地只），它是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推能透过溶剂而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对
13、动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程液体混合物进行分离的膜过程,反渗透过程的操作压差一反渗透过程的操作压差一般为般为1.0-10.0Mpa1.0-10.0Mpa，截留组分为（，截留组分为（1-101-10）*10-10 m 10-10 m 小分子小分子溶质；溶质；水处理是反渗透用的最多的场合，包括水的脱盐、软化、水处理是反渗透用的最多的场合，包括水的脱盐、软化、除菌除杂等，此外其应用也扩展到化工、食品、制药、造除菌除杂等，此外其应用也扩展到化工、食品、制药、造纸工业中某些有机物和无机物的分离等。纸工业中某些有机物和无机物的分离等。第十六页，本课件共有43
14、页17渗透过程渗透过程:稀溶液稀溶液rh 渗透膜渗透膜浓溶液浓溶液溶液会升高至此点溶液会升高至此点,以达以达到压力平衡到压力平衡正常的渗透的过程是水由较稀溶液通过渗透膜流向较浓溶液正常的渗透的过程是水由较稀溶液通过渗透膜流向较浓溶液渗透渗透第十七页，本课件共有43页18稀溶液反渗透膜浓溶液外来压力-反渗透过程是利用外来压力将水分子从较浓溶液经过反反渗透过程是利用外来压力将水分子从较浓溶液经过反渗透膜压迫流向较稀溶液渗透膜压迫流向较稀溶液.-由此可利用反渗透原理由此可利用反渗透原理,达到分离溶液内成分的目的达到分离溶液内成分的目的.例如例如:将水和溶解物质的分离将水和溶解物质的分离.反渗透反渗透
15、第十八页，本课件共有43页19分离机理 反渗透的分离机理与其他压力驱动膜过程有所不同，反渗透的分离机理与其他压力驱动膜过程有所不同，分分离行为除与孔的大小有关外，极大程度地取决于透离行为除与孔的大小有关外，极大程度地取决于透 过组分过组分在膜中的溶解、吸附和扩散，因此与膜的化学、物理性质在膜中的溶解、吸附和扩散，因此与膜的化学、物理性质以及透过组分与膜之间的相互作用有密切关系，因此该过以及透过组分与膜之间的相互作用有密切关系，因此该过程的理论模型研究较多，至少可以归纳以下几个方面：程的理论模型研究较多，至少可以归纳以下几个方面：现象学（非可逆热力学）模型：如现象学（非可逆热力学）模型：如Ked
16、em-KatchaskyKedem-Katchasky模模 型、型、Spiegler-Kedem Spiegler-Kedem 模型和带电离子迁移模型等；模型和带电离子迁移模型等；溶解扩散模型和不完全溶解扩散模型；溶解扩散模型和不完全溶解扩散模型；优先吸附毛细孔流动模型；优先吸附毛细孔流动模型；摩擦模型；摩擦模型；孔道扩散模型等。孔道扩散模型等。第十九页，本课件共有43页20反渗透示意图反渗透示意图 浓水浓水给水H2OH2OH2OH2OMgClFe+HCO3CaSO4Na+膜H2OH2OH2OH2OH2OH2O 产水第二十页，本课件共有43页21操作模式：l反渗透的操作模式与上述其他膜分离过程
17、类似，但由于反反渗透的操作模式与上述其他膜分离过程类似，但由于反渗透膜多为卷式或中空行为结构，通常以单元组件（膜胞）渗透膜多为卷式或中空行为结构，通常以单元组件（膜胞）形式，因此实际应用时为了达到设计所要求的处理能力和分形式，因此实际应用时为了达到设计所要求的处理能力和分离效果，需进行多个膜胞的串联或并联，为此引出了离效果，需进行多个膜胞的串联或并联，为此引出了“段段”和和“级级”的概念。所谓的概念。所谓“段段”，指膜组件的浓缩液不经过泵，指膜组件的浓缩液不经过泵而流到下一组件进行处理，流经而流到下一组件进行处理，流经n n组膜组件称为组膜组件称为n n段；所谓段；所谓“级级”，指膜组件的透过
18、液（产品水）再经过泵到下一组件进，指膜组件的透过液（产品水）再经过泵到下一组件进行处理，透过液经行处理，透过液经n n 次膜组件处理称为次膜组件处理称为n n级。级。l按照按照 级级 和和 段段 的概念，反渗透的操作模式有多种。的概念，反渗透的操作模式有多种。第二十一页，本课件共有43页22一级一段连续式一级一段连续式：经过膜组件的透过水和浓缩液被连一级一段连续式：经过膜组件的透过水和浓缩液被连续引出系统，该方式水的回收率不高，实际工业中较少续引出系统，该方式水的回收率不高，实际工业中较少采用。采用。第二十二页，本课件共有43页23一级一段循环式 一级一段循环式：经过膜组件的浓缩液部分返回进料
19、一级一段循环式：经过膜组件的浓缩液部分返回进料 槽与原槽与原有的料液混合再通过组件进行分离，由于浓缩有的料液混合再通过组件进行分离，由于浓缩 液中溶质浓度比液中溶质浓度比进料液高，透过水的水质有所下降进料液高，透过水的水质有所下降 第二十三页，本课件共有43页24一级多段连续式一级多段连续式一级多段连续式:适合大处理量的场合，能得到高的水回收率。图中适合大处理量的场合，能得到高的水回收率。图中是最简单的一级多段连续式，它把第一段的浓缩液作为第二段的是最简单的一级多段连续式，它把第一段的浓缩液作为第二段的进料液，再把第二段的浓缩进料液，再把第二段的浓缩 液作为下一段的进料液，而各段的透液作为下一
20、段的进料液，而各段的透过水连续排出，过水连续排出，这种方式浓缩液的量少，浓缩液中溶质浓度较高。这种方式浓缩液的量少，浓缩液中溶质浓度较高。第二十四页，本课件共有43页25一级多段循环式 一级多段循环式一级多段循环式:这种方式能获得高浓度的浓缩液。它把第二段的透过液这种方式能获得高浓度的浓缩液。它把第二段的透过液重新返回第一段作进料液，再进行分离。这是因为第二段的进料液浓度较第重新返回第一段作进料液，再进行分离。这是因为第二段的进料液浓度较第一段高，因而第二段的透过水质较第一段差，浓缩液经多段分离后，浓度得一段高，因而第二段的透过水质较第一段差，浓缩液经多段分离后，浓度得到很大提高，因此该模式适
21、用于以浓缩为重要目的的分离。到很大提高，因此该模式适用于以浓缩为重要目的的分离。第二十五页，本课件共有43页26并联、串联方式连接为了达到给定的回收率，同时保证水在系统内的每个组件处于相同的流动状为了达到给定的回收率，同时保证水在系统内的每个组件处于相同的流动状态以减少浓差极化而把膜组件排列成锥形的多段结构，其中断内组件以并联态以减少浓差极化而把膜组件排列成锥形的多段结构，其中断内组件以并联方式连接，段间组件以串联方式连接。方式连接，段间组件以串联方式连接。第二十六页，本课件共有43页27多级多段循环式多级多段循环式流程如图多级多段循环式流程如图 所示，它是将第一级的透所示，它是将第一级的透过
22、水作为下一级的进料液过水作为下一级的进料液再次进行反渗透分离，如再次进行反渗透分离，如此延续，将最后一级的透此延续，将最后一级的透过水引出系统；而浓缩液过水引出系统；而浓缩液 后一级向前一级返回与前后一级向前一级返回与前一级的进料液进行混合后一级的进料液进行混合后 再进行分离，这种方式即再进行分离，这种方式即提高了水的回收率，又提提高了水的回收率，又提高了透过水的水质，但泵高了透过水的水质，但泵的能耗加大，对某些过程的能耗加大，对某些过程如海水淡化由于前一级操如海水淡化由于前一级操作压力很高，因此在技术作压力很高，因此在技术上有很高的要求。不过如上有很高的要求。不过如果采用多级循环式操作，果采
23、用多级循环式操作，可以降低操作压力，同时可以降低操作压力，同时对膜的脱盐性能要求也较对膜的脱盐性能要求也较低，有较高的实用价值。低，有较高的实用价值。第二十七页，本课件共有43页28重 点微滤、超滤、纳滤、反渗透定义微滤、超滤、纳滤、反渗透定义 微滤、超滤、纳滤、反渗透原理微滤、超滤、纳滤、反渗透原理微滤、超滤的主要操作方式（错流和死端微滤、超滤的主要操作方式（错流和死端操作）操作）四种膜的应用范畴（截留分子量）四种膜的应用范畴（截留分子量）能举出应用示例能举出应用示例 第二十八页，本课件共有43页29思考题：1.1.试比较四种压力驱动型膜过程的特点及应用范畴。试比较四种压力驱动型膜过程的特点
24、及应用范畴。2.2.某厂家排出的工业废水，其主要成分为：杂质、悬浮物、某厂家排出的工业废水，其主要成分为：杂质、悬浮物、颗粒、大分子物质（分子量大于一万）、一定量的电解质。颗粒、大分子物质（分子量大于一万）、一定量的电解质。要使该废水达标排放，至少需使用那些膜过程？要使该废水达标排放，至少需使用那些膜过程？3.3.乳清是奶酪生产中的副产品，其中含有乳清是奶酪生产中的副产品，其中含有6%6%的固态溶解物，的固态溶解物，其中主要组分为乳糖、蛋白和盐，试设计一套组合流程，其中主要组分为乳糖、蛋白和盐，试设计一套组合流程，以便回收不同的组分。以便回收不同的组分。4.4.在膜分离过程的工艺设计中，有在膜
25、分离过程的工艺设计中，有“级级”、“段段”的概念，的概念，请解释并绘制出一级四段连续式工艺设计图。请解释并绘制出一级四段连续式工艺设计图。第二十九页，本课件共有43页30电位差电位差离子交换膜与电渗析第三十页，本课件共有43页31第三十一页，本课件共有43页32电渗析的基本过程第三十二页，本课件共有43页33电渗析器的级与段电渗析器的级与段一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段第三十三页，本课件共有43页34第三十四页，本课件共有43页35第三十五页，本课件共有43页36第三十六页，本课件共有43页37第三十七页，本课件共有43页38双极膜第三十八页，本课件共有43页39第三十九页，本课件共有43页40第四十页，本课件共有43页41第四十一页，本课件共有43页42重 点离子交换膜基本特性离子交换膜基本特性电渗析原理及应用电渗析原理及应用双极膜的结构、水解离机理及应用双极膜的结构、水解离机理及应用第四十二页，本课件共有43页感感谢谢大大家家观观看看第四十三页，本课件共有43页