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1、膜分离原理技术与设备一、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。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
2、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。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。（2）其他推动力）其他推动力o电渗析采用带电的离子交换膜，在电场电渗析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
3、离是依据混合气体中各组分在膜气体分离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渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，渗透汽化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。o反渗透膜反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包几乎无孔，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，一般为括离子）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，能截留部分离子及有机物
4、，操作压力为物，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、，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为大分子物质，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、，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为微生物及悬浮粒子，操作压力为0.050.5MPa。4、常见膜的区别、常见膜的区别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
5、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围各种膜分离法的原理和应用范围5、常见膜的工作原理、常见膜的工作原理电渗析器工作原理电渗析器工作原理阴极阳极失电子得电子反渗透工作原理反渗透工作原理二、膜材料及分类二、膜材料及分类
6、 1、常用膜材料、常用膜材料o有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰胺有机高聚物膜：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：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分无机分离膜：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等子筛炭膜等 2、膜的种类、膜的种类（1）对称膜）对称膜：又称为均质膜，是一种均又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相匀的薄膜，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。同。包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。（2）非对称膜：横断面具有不对称结构。）非对称膜：横断面具有不对称结构。包括一体化非对
7、称膜和复合膜两类。包括一体化非对称膜和复合膜两类。非对称膜的结构示意图非对称膜的结构示意图对称膜的结构示意图对称膜的结构示意图三、常用的膜器件三、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、基本部件平板膜、支撑盘、平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部间隔盘。三种部件相互交替、重件相互交替、重叠、压紧。叠、压紧。板框式膜组件组装零件太多；有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等平板膜、支撑盘、间隔盘。中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。超滤（UF）、微滤（MF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）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
8、，溶剂及小分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。内压型有单管式和管束式两种。盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造渗透汽化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，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。脱盐，氨基酸和有机酸分离渗透汽化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，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。结构紧凑，装填密度高 组装比较简单，可以简单地增加膜的层数以提高处理量；结构简单，容易清洗，安装、操作方便；（三）螺旋卷式膜器件2、特点、特点o 组装比较简单，可以简
9、单地增加膜的层数组装比较简单，可以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）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5、工作过程、工作过程板板式式超超滤滤膜膜装装置置（二）圆管式膜器件（二）圆管式膜器件 1、基本部件、
10、基本部件o管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端部密封部密封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。较高的料液，比其他形式应用更为广泛。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
11、有单管内压型有单管式和管束式两式和管束式两种。种。（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。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2
12、、特点、特点o 结构紧凑，装填密度高结构紧凑，装填密度高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。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圈
13、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（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。就构成了中空纤维膜组件。2、特点、特点o 结构紧凑，装填密度很高；结构紧凑，装填密度
14、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，只能中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；更换膜组件；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。中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。三种部件相互交替、重叠、压紧。流动状态好，流速易控制；包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。气体分离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。脱盐，氨基酸和有机酸分离 液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管纳滤膜孔径为25nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0.3、工作过程、工作
15、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）外压式料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液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。则从纤维膜管内流出。外压式（周进中出）内压式（中进周出）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）操作注意事项中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停用时，用期停用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液甲醛或次氯酸钠水溶液保存。保存。操作过程操作过程