常用的膜分离过程.课件.ppt

1、膜的种类膜的功能 分离驱动力 透过物质 被截流物质 微滤多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子压力差水、溶剂和溶解物悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物超滤脱除溶液中的胶体、各类大分子压力差溶剂、离子和小分子蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子反渗透和纳滤脱除溶液中的盐类及低分子物质压力差水和溶剂无机盐、糖类、氨基酸、有机物等透析脱除溶液中的盐类及低分子物质浓度差离子、低分子物、酸、碱无机盐、糖类、氨基酸、有机物等电渗析脱除溶液中的离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分子及溶剂间的分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙醇溶液 微滤孔径范围0.02m-10m之间。微孔过滤是以静压差为推动力，

2、利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。微孔滤膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，比膜孔大的粒子则被阻拦在滤膜面上，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于“过滤”。由于每平方厘米滤膜中约包含1千万至1亿个小孔，孔隙率占总体积的70-80，故阻力很小，过滤速度较快。 微滤主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、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、其操作压差为0.01-0.2MPa，被分离粒子直径的范围为0.1-10m。 目前，以MF的应用最广，经济价值最大，它是现代大工业，尤其是尖端技术工业中确保产品质量的必要

3、手段。微滤（MF）二、微滤分离原理四、微滤膜制备方法五、主要的微孔滤膜材料六、微滤设备和应用 微孔滤膜由于本身性脆易碎，机械强度较差，因而在实际使用时，必须把它衬贴在平滑的多孔支撑体上，最常用的支撑体是以烧结不锈钢或烧结镍等制成的，其他还有尼龙布或丝绸等均可，但需以密孔筛板作支撑。 工业用做滤的组件有板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维、普通筒式及折叠筒式等多种结构。 微孔滤膜具有孔径均匀、孔隙率高、滤材薄等特点，因此主要用来对一些只含微量悬浮粒子的液体进行精密过滤，以得到澄清度极高的液体；或用来检测、分离某些液体中残存的微量不溶性物质，以及对气体进行类似的处理。简而言之，微孔滤膜主要用于分离流体

4、中尺寸为0.1-10 m的微生物和微粒子。七、微滤膜的应用现状及前景 超滤膜属于压力驱动型膜分离过程，它是利用孔径在1100nm左右的膜，通过筛分原理分离，选择性透过溶剂和某些小分子溶质的性质，对料液侧施加压力(操作压差范围大约在0.9MPa1.0MPa)，使大分子溶质或细微粒子从溶液中分离出来的过程。超滤是一种机械分离方法，只有小于0.002m粒子、水、盐糖和芳香物等能够通过超滤膜，超滤膜空隙尺寸在151000埃，过滤粒子尺寸范围0.0020.2m。采用的滤膜较反渗透膜粗，类似盐、糖的溶质能够通过滤膜，蛋白质等大分子的溶质被隔在膜外，超滤的滤膜分子量吸收限制值在500至几十万道尔顿，直径大于

5、0.1m的溶质，如蛋白质、果胶、脂肪及所有微生物，尤其是酵母菌、霉菌，不能通过超滤膜。超滤（UF） 超滤膜一般由构成膜骨架的有机高分子材料或无机材料以及溶剂和添加剂三部分组成。 膜的结构有两种，一种是指状结构，一种是类似海绵状的开放式网络结构。一、超滤膜的结构 一般认为，超滤膜的结构与形成机理是溶胶-凝胶的相互转化。制膜后，溶剂首先从膜与空气的界面处开始蒸发，由于表面溶剂的蒸发速度比溶剂从膜内向溶剂表面迁移的速度快，因此形成了表面层。 常用的超滤膜材料有醋酸纤维超滤膜、聚砜超滤膜、聚砜酰胺超滤膜等。二、超滤膜材料和制备非对称平板膜、管状膜采用溶液浇注法中空纤维膜采用纺丝法 超滤膜装置一般由若干

6、超滤组件构成。超滤过程的膜形式包括管式、板框式、卷简式个字纤维式、薄层流道式以及平行叶片式。各种膜组件的特征及优缺点见表。三、超滤膜设备 在实际使用中，究竟采用哪种组件形式，要针对膜材料和被处理液的性能而定。一般来说，当原水含有易产生凝胶的溶质或存在一定量悬浊物时，采用管式和板式组件为宜。不过，不论采用哪种形式的组件，对待超滤的原水最好都进行一定的前处理，特别是对一些水质较差、浊度较高的原水，均需要采取严格的前处理措施。例如加入某些乳化剂以防止沉淀聚结；加入络合剂把可能形成污染的物质络合起来，防止它们形成沉淀；调节溶液的pH值使聚电解质处于比较稳定的状态等。管式平行叶片式四、超滤膜的应用 1电

7、泳漆回收 在金属电泳涂漆过程中，带电荷的金属物件浸入一个装有带相反电荷的涂料池内。由于异电相吸，涂料使能在金属表面形成一层均匀的涂层，金属物件从池内捞出井水洗除去随带出的涂料。为达到保护环境，节能闭合循环的目的，可采用超滤过程将聚合物树脂及颜料颗粒阻留下来，而允许无机盐、水及溶剂穿过超滤膜出去。阻留下来的组分再回至电泳漆贮罐中去，滤液用于淋洗刚从电泳漆中取出的新上漆的制件，以回收制件夹带的多余的漆。 2含油废水的回收 油水乳浊液在金属机械加工过程中被广泛用作工具和工件反复冷拔操作及金属滚轧成形，切削操作的润滑和冷却，但出在使用过程中易混入金属碎屑、菌体及清洗金属加工表面的冲洗用水，导致其使用寿

8、命非常短。单独的油分子就其分子量而言小得可通过超滤膜，而对这些含油废水超滤则能成功地分离出其油相，这是因为油水界面张力足够使油滴不能透过已被水浸湿的膜，经过超滤后渗透液中的油浓度通常低于10g/m3，已达排放标准可排入阴沟，而浓缩液中最终含油达30-60可用来燃烧或它用。 3胶束强化超滤(MEUF)用于合重金属废水的处理 胶束强化超滤是最近发展起来的与表面活性剂技术相结合的一种超滤法。其原理如图。在工业废水中注入浓度高于临界胶束浓度的表面活性剂，其疏水端向内缠结，而带负电的亲水端排列在表面，因而使得该胶束表面带有负电荷。废水中的金属阳离子由于静电作用而吸附在上面，采用截留分子景小于胶束分子量的

9、超滤膜，则可使金属离子被截留。 4乳品工业的应用 乳品工业奶酪生产过程中将产生大量的乳清，据统计，仅美国每年就有2500万m3乳清产生，因而该领域成为超滤应用的最大领域。如图所示，通过超滤，可得到含蛋白质10的浓缩液，若将其通过喷雾干燥，可得到含蛋白质65的乳清粉，在面包含品中可代替脱脂奶粉。若将其进一步脱盐，则可得到蛋白质含量高于80的产品，可用于婴儿食品。而含乳糖的渗透液经浓缩十燥后可用作动物饲料。 5果汁 从苹果中榨取的新鲜果汁，出于含有丹宁、果胶和苯酚等化合物而呈现混浊状。传统方法采用酶、皂土和明胶使其沉淀，然后取上清液过滤而获得澄清的果汁。通过超滤或微滤来澄清果汁，只需先部分脱除果胶

10、。可减少酶的用量，省去皂上和明胶，节约了原材料，并且省工省时，同时果汁回收率也有所提高，达98-99。此外，经超滤处理的果汁质量也有所提高，浊度仅0.4-0.6NTU(传统工艺为1.5-3.0 NTU)。又因超滤可无热除去果汁中的茵体，因而可延长果汁的保质期。 6中药 目前，我国卫生部已将膜分离技术列入中药的分离精制方法之一。超滤技术主要用于制备中药注射液(如复方丹参注射液，茵桅黄注射液，五昧消毒饮注射液等)，提取有效成分和制备药浸膏等方面。超滤法单独或与活性炭、反渗透相结合还用以有效地除去细菌和热原；制取中药口服液(人参精口服液)，医药用纯水制备，保健饮料。 此外，超滤膜还可用于超纯水制备，

11、分离浓缩造纸废液中的木质素磺酸盐等。 五、超滤的应用现状及前景 超滤已广泛用于食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业。其中最重要的是食品工业，乳清处理是其最大市场；在工业废水处理方面应用得最普遍的是电泳涂漆过程；在超纯水制备中超滤是重要过程；城市污水处理及其他工业废水处理以及生物技术领域那是超滤未来的发展方向。 反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂(通常是水)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液体混合物进行分离的膜过程。 反渗透同NF、UF、MF、GS一样均属于压力驱动型膜分离技术。其操作压差一般为1.5-10.5MPa，

12、截留组分为(1-10) 10-10m小分子溶质。除此之外，还可从液体混合物中去除全部悬浮物、溶解物和胶体。例如从水溶液中将水分离出来，以达到分离、纯化等目的。 反渗透的应用领域已从早期的海水、苦咸水脱盐淡化发展到化工、食品、制药造纸工业中某些有机物反无机物的分离。反渗透（RO）四、反渗透膜的制备方法一、相转化法 使均相制膜液中的溶剂蒸发，或在制膜液加入非溶剂，或使制膜液中的高分子热凝固，都可以便制膜液由液相转变成固相。这种相转化的工艺，可以制作不对称结构的反渗透膜和超滤膜，也可以制作对称结构或非对称的微孔滤膜。L-S型制膜工艺： (1)高分子材料溶于溶剂中，并加入添加剂，配成制膜液； (2)制

13、膜液通过流涎法制成平板型、圆管型，或用纺丝法制成小空纤维型； (3)使膜中的溶剂部分蒸发； (4)将膜浸渍在对高分子是非溶剂的液体中(最常用的是水)，液相的膜在液体中便凝胶固化； (5)进行热处理，对非醋酸纤维素膜，如芳香聚酰胺膜，一般不需要热处理； (6)膜的预压处理。二、复合法 由于不对称膜的过渡层极易压密，这对压力驱动膜来说是一严重的缺陷，从而提出了复合膜的概念，即用坚韧的材料制备支撑基体，用高脱盐的材料制备超薄层，这样就可使两者分别最佳化。1. 实验室膜分离装置2. 工业膜分离装置 各种膜分离装置主要包括膜组件和泵。目前工业上常用的反渗透膜组件形式主要有板框式、管式、螺旋卷式及中空纤维

14、式等四种类型。六、反渗透膜的应用u反渗透技术的大规模应用主要是苦咸水和海水淡化。u纯水制备及生活用水处理。u难于用其他方法分离的混合物，例如合成或天然聚合物。u对于制造受热易分解的产品以及化学厂不稳定的产品，例如生物制品、药品以及食品等，来说有特殊的兴趣，在这些制品的生产中若采用传统的净化与分离方法常常会导致产品的损失或味道的破坏。 随着反渗透膜的高度功能化和反渗透应用技术的开发，反渗透这一从海水淡化开始的膜技术也逐渐渗透到食品、医药、化工等部门的分离、精制、浓缩操作等方面。 纳滤(NF)是介于反渗透与超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术。它具有两个特性：1.对水中的分子量为数百的有机小分子成分

15、具有分离件能；2.对于不同价态的阴离子存在Donnan效应，物料的荷电性。离子价数和浓度对胺的分离效应有很大影响。 纳滤主要用于饮用水和工业用水的纯化，废水净化处理，工艺流体中有价值成分的冰缩等方面，其操作压差为0.5-2.0MPa(或0.345-1.035MPa)，截留分子量界限为200-1000(或200-500)，分子大小约为1nm的溶解组分的分离。纳滤（NF）膜表面形态的示意图 纳滤膜一个很大特征就是具电荷效应(Donnan效应)，是指大多数膜表面存在带电基团，而且一般是负电荷。通过带电基团静电相互作用，纳滤膜可以阻碍多价离子的渗透，这就是纳滤膜在很低压力下仍具有较高脱盐性能的重要原因

16、。 二、国内外纳滤技术的发展概况 纳滤(NF)膜的研究始于20世纪70年代，美国Filmtec公司在20世纪80年代中期相继开发出NF-40、NF-50、NF-70等型号的纳滤膜。由于市场广阔，各国纷纷立项，许多公司如美国的Osmonics公司、Fluid Systems公司、日本电工、东丽公司等组织力量投入到开发纳滤技术的领域中。纳滤膜材料有醋酸纤维素、芳香聚酰胺、磺化聚醚砜等，膜品种不断增加，并且已经系列化；纳滤膜的分离性能也不断提高，对NaCI的脱除率可从510一直到65。 我国从20世纪90年代初期开始了纳滤膜的研究。近十几年来我国在纳滤膜的研制、纳滤膜分离特性和纳滤膜技术的应用研究等

17、方面做了大量的工作，取得了较显著的进展，并在海岛高硬度苦咸水淡化和制药工业等领域已实际应用，为促进国民经济发展作出了较大的贡献。 与国外纳滤膜技术相比，我国纳滤膜技术尚有较大的差距。首先还没有高性能商品化纳滤膜和高性能大型(如8英寸)纳滤膜组器，其次纳滤膜技术应用还停留在小型试验和工业性试验阶段。 纳滤膜的材料基本上和反渗透膜材料相同，主要有CA(醋酸纤维素)、CA-CTA(醋酸纤维素-三醋酸纤维素)、磺化聚醚砜材料和芳香族聚酞胺材料以及无机材料等。目前，应用最广泛的是芳香族聚酰胺复合膜。 纳滤膜的制备工艺和反渗透膜相同，有相转化法、稀溶液涂层法、界面聚合法、热诱导相转化法、化学改性法、等离子

18、聚合法和无机膜用的溶液-凝胶法等。其中，目前应用的人大三、纳滤膜材料和制备1. 超滤膜转化法 纳滤膜的表层较超滤膜的数密，故可以调节制膜工艺条件先制得较小孔径的超滤膜，然后对该膜进行热处理、荷电化等后处理值膜表层致密化。而得到具纳米级表层孔的纳米膜。2. 共混法 该方法是将两种或两种以上的高聚物进行液相共混，在相转化成膜时，由于它们之间以及它们在铸膜液中溶剂与添加刑的的相容性差异，影响膜表层网络孔，胶束聚集体孔及相分离孔的孔径大小及分布，通过合理调节铸膜液中各组分的相容性差异及研究上艺条件对相容性的影响，制出具纳米级表层孔径的合金纳滤膜。3. 复合法 复合法是目前用得最多也是很有效的制各纳滤膜

19、的入法，该方法就是在微孔基膜上，复合上一层具纳米级孔径的超薄表层。它包括微孔基膜的制备和超薄表层的制备胶复合。4. 荷电法 荷电化法是制备纳滤膜的重要方法、膜通过荷电化不仅可提高膜的耐压密性，耐酸碱性及抗污染性，而且可以调节膜表层的疏松程度，向时利用道南离子效应分离不同价数的离子，大大提高膜材料的亲水性，制得高水通量的纳滤膜。四、纳滤膜应用纳滤膜主要应用领域：硬水软化水处理，如电镀废水处理、印染废水处理等生物制药，如多肽、氨基酸等的分离提纯等Fig.1-2 Solution-diffusion model of the pervaporationFig.1-1 Process flow dia

20、gram of the pervaporationu 高效、节能、简单、无污染高效、节能、简单、无污染u 共沸物或近沸物系、共沸物或近沸物系、 同分异构体、有同分异构体、有 机溶液中微量水的脱除机溶液中微量水的脱除 渗透汽化（PV）有机溶剂脱水有机溶剂脱水水中脱除有机物水中脱除有机物有机混合物分离有机混合物分离化学反应中的应用化学反应中的应用恒沸物及沸点相近混合物最有希望取代精馏的技术节能效益不可估量酯化反应中脱除反应生成水提高反应转化率和产物中产品的浓度，很有实际意义工业废水或被污染地下水食品、饮料及化妆品最有意义的研究方向乙醇-水最早工业应用体系优点：制作简单，品种多，膜适使面积大缺点：通

21、量小，机械强度差，不耐高温、 酸、碱、有机溶剂等优点：机械强度高，耐高温、生物腐蚀， 抗有机溶剂能力强缺点：制膜复杂，不易加工成型，成本 高，可选用膜材料较少集中有机膜和无机膜各自优点，弥补它们各自的缺陷；而且可以发展单一膜材原先没有的综合性能，满足特定的需要 v 共混法v sol-gel法以无机材料为支撑层，以超薄的有机高分子层作为活性分离层，所制得的膜具有在分离介质中不会溶胀，热稳定和化学稳定高等优点，而且膜的选择性和渗透性都非常好。 目前基础研究的前沿课题1.以水处理为主的膜材料及膜研究 大通量、高表面积的反渗透膜研究 截留分子量低于1000, 高于100万的超滤膜及透过机理; 抗污染膜制造孔径从 0.1m到75m 微孔膜系列化研究 界面缩聚法制备纳滤膜活性层的方法 2. 大通量高选择性气体分离膜研究 二氧化碳分离 有机废气(VOCS)处理 3. 渗透汽化膜 从水中分离有机物的高选择性膜研究 有机物/有机物分离膜研究 4. 无机膜 超薄化, 超微孔化复合膜研究; 多组分复合膜研究 电导移动膜研究 无机与有机材料接枝膜 5. 膜催化反应器的传质、传热模型6. 膜过程在环境保护及治理、水资源再生、燃料电池隔膜的理论和应用研究7.膜中的分子模拟