第八章新型分離技術(shù)

1、 膜分離是利用固體薄膜對(duì)混合物組分選擇性透過(guò)的性能使混合物分離膜分離是利用固體薄膜對(duì)混合物組分選擇性透過(guò)的性能使混合物分離的過(guò)程。的過(guò)程。 1748年科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)水能自然的擴(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)，這年科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)水能自然的擴(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。一發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。 1854年年Graham發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象。 1964年年Traube成功地制成了歷史上第一片人造膜成功地制成了歷史上第一片人造膜-亞鐵氰化鐵膜。亞鐵氰化鐵膜。 20世紀(jì)世紀(jì)40年代，利用滲析原理研制出人工腎。年代，利用滲析原理研制出人工腎。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代初，離子膜

2、研制成功，電滲析技術(shù)成功地應(yīng)用于工業(yè)生年代初，離子膜研制成功，電滲析技術(shù)成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。產(chǎn)中。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代年代Loeb研制成醋酸纖維素非對(duì)稱(chēng)性膜，這在膜分離技術(shù)的研制成醋酸纖維素非對(duì)稱(chēng)性膜，這在膜分離技術(shù)的發(fā)展中是一個(gè)重要的突破，使反滲透，超濾進(jìn)入了實(shí)用階段。發(fā)展中是一個(gè)重要的突破，使反滲透，超濾進(jìn)入了實(shí)用階段。 操作溫度低，能耗低，分離效率高，分離過(guò)程中不伴操作溫度低，能耗低，分離效率高，分離過(guò)程中不伴隨相變，無(wú)二次污染。特別適合于熱敏性物質(zhì)、稀溶液、隨相變，無(wú)二次污染。特別適合于熱敏性物質(zhì)、稀溶液、難分離物質(zhì)的分離。難分離物質(zhì)的分離。 在一種流體相（液態(tài)或氣態(tài)）內(nèi)或兩流體

3、之間，有一個(gè)較在一種流體相（液態(tài)或氣態(tài)）內(nèi)或兩流體之間，有一個(gè)較為致密的薄層凝聚相物質(zhì)把流體相分隔成兩部分，這一薄層為致密的薄層凝聚相物質(zhì)把流體相分隔成兩部分，這一薄層物質(zhì)就是膜。物質(zhì)就是膜。 膜的組成：膜的組成：膜可以是均勻一相，也可以是由兩相以上的凝聚膜可以是均勻一相，也可以是由兩相以上的凝聚態(tài)物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體，也可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)。態(tài)物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體，也可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)。膜的特性：膜的特性：具有完全透過(guò)性，也可以是半透過(guò)性。具有完全透過(guò)性，也可以是半透過(guò)性。膜的作用：膜的作用：隔離作用，阻止膜兩側(cè)的流體相直接接觸。隔離作用，阻止膜兩側(cè)的流體相直接接觸。 膜分離技術(shù)的實(shí)質(zhì)

4、是物質(zhì)透過(guò)或被截留于膜一側(cè)的過(guò)程，與篩分過(guò)程相膜分離技術(shù)的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透過(guò)或被截留于膜一側(cè)的過(guò)程，與篩分過(guò)程相似，根據(jù)孔徑的大小達(dá)到物質(zhì)分離的目的。似，根據(jù)孔徑的大小達(dá)到物質(zhì)分離的目的。種類(lèi)種類(lèi)推動(dòng)力推動(dòng)力孔徑孔徑應(yīng)用應(yīng)用微濾微濾MF壓力差壓力差0.02514m不溶物濃縮過(guò)濾，如除水、藥液中的菌、啤不溶物濃縮過(guò)濾，如除水、藥液中的菌、啤酒中的混濁物酒中的混濁物超濾超濾UF壓力差壓力差0.010.02m分離溶液中的大分子、微粒，如制純水、食分離溶液中的大分子、微粒，如制純水、食品藥物濃縮，紙漿的廢水處理品藥物濃縮，紙漿的廢水處理滲析滲析DL濃度差濃度差1.510nm用于人工腎、化工食品中高聚物及低

5、分子的用于人工腎、化工食品中高聚物及低分子的分離分離電滲析電滲析ED電位差電位差110nm利用離子交換膜選擇透過(guò)性分離，如溶液脫利用離子交換膜選擇透過(guò)性分離，如溶液脫鹽、堿的制備、重金屬離子的回收鹽、堿的制備、重金屬離子的回收反滲透反滲透RO壓力差壓力差0.00010.001m從溶液中分離出溶劑，如海水脫鹽，溶液、從溶液中分離出溶劑，如海水脫鹽，溶液、食品脫水。食品脫水。納米過(guò)濾納米過(guò)濾NF壓力差壓力差2nm介于超濾和反滲透之間，從溶液中分離出相介于超濾和反滲透之間，從溶液中分離出相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分子質(zhì)量3001000的物質(zhì)的膜分離過(guò)程，的物質(zhì)的膜分離過(guò)程，如制藥、純水制造、廢水處理。如制藥、純

6、水制造、廢水處理。微濾微濾超濾超濾反滲透反滲透膜過(guò)濾膜過(guò)濾 反滲透分離的物質(zhì)是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)小分子，滲透壓較高，反滲透分離的物質(zhì)是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)小分子，滲透壓較高，為了使溶劑透過(guò)薄膜，其操作壓力要大，采用壓差為了使溶劑透過(guò)薄膜，其操作壓力要大，采用壓差110Mpa；而超濾則是從小分子溶質(zhì)或溶劑分子中分離；而超濾則是從小分子溶質(zhì)或溶劑分子中分離出較大的溶質(zhì)分子（如有機(jī)膠體、蛋白質(zhì)、多糖），由出較大的溶質(zhì)分子（如有機(jī)膠體、蛋白質(zhì)、多糖），由于高分子溶質(zhì)的存在于高分子溶質(zhì)的存在,滲透壓較低，采用較低的壓力即可滲透壓較低，采用較低的壓力即可過(guò)濾過(guò)濾,采用采用1001000kpa。均為壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離過(guò)程均為壓力驅(qū)

7、動(dòng)型膜分離過(guò)程淡水淡水海水海水淡水淡水淡水淡水海水海水海水海水壓力滲透壓壓力滲透壓滲透壓滲透壓半透膜半透膜半透膜半透膜半透膜半透膜a）、滲透）、滲透b）、滲透平衡）、滲透平衡c）、反滲透）、反滲透1)1)、滲透：滲透：淡水穿過(guò)半透膜進(jìn)入含鹽海水。淡水穿過(guò)半透膜進(jìn)入含鹽海水。2 2）、）、滲透平衡：滲透平衡：在滲透過(guò)程中，在滲透過(guò)程中，淡水穿過(guò)半透膜進(jìn)入海水后，淡水穿過(guò)半透膜進(jìn)入海水后，會(huì)呈現(xiàn)出一種流體靜壓差，在此壓差下，物質(zhì)靜傳遞量為零，會(huì)呈現(xiàn)出一種流體靜壓差，在此壓差下，物質(zhì)靜傳遞量為零，兩側(cè)達(dá)成平衡。兩側(cè)達(dá)成平衡。3 3）、）、反滲透：反滲透：若在海水一側(cè)加壓，水又會(huì)通過(guò)半透膜進(jìn)行逆若在海

8、水一側(cè)加壓，水又會(huì)通過(guò)半透膜進(jìn)行逆向流動(dòng)。向流動(dòng)。p 在外壓在外壓p作用下，當(dāng)含有高、作用下，當(dāng)含有高、低分子化合物溶質(zhì)的溶液通過(guò)低分子化合物溶質(zhì)的溶液通過(guò)膜表面時(shí)，溶劑和小分子（水、膜表面時(shí)，溶劑和小分子（水、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)）將通過(guò)薄膜，作為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)）將通過(guò)薄膜，作為透過(guò)物被收集。膜另一側(cè)的高透過(guò)物被收集。膜另一側(cè)的高分子溶液（如有機(jī)膠體）被薄分子溶液（如有機(jī)膠體）被薄膜截留作為濃溶液被收集起來(lái)。膜截留作為濃溶液被收集起來(lái)。滲透通量就是單位時(shí)間、單位面積透過(guò)膜的溶液量?？蓾B透通量就是單位時(shí)間、單位面積透過(guò)膜的溶液量?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 在膜分離過(guò)程中，大分子溶質(zhì)在膜分離過(guò)程中，大分

9、子溶質(zhì)被截留下來(lái)，而在膜表面處積聚，被截留下來(lái)，而在膜表面處積聚，形成大分子溶質(zhì)濃度邊界層，膜形成大分子溶質(zhì)濃度邊界層，膜表面處的溶質(zhì)濃度變得比原溶液表面處的溶質(zhì)濃度變得比原溶液主體濃度大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為主體濃度大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為濃差濃差極化極化。VSSPVJcJpLJ）（溶質(zhì)透過(guò)通量：）（總體積通量：1CmCbCPJVCmCbCPJVdxdcDSmpbpccfccf110實(shí)際截留率為：表觀截留率為：）（或積分得：時(shí)，當(dāng)時(shí)，邊界條件：當(dāng)物料衡算：KJccccccccKccccDJccxccxcJdxdcDcJVpbpmpbpmpbpmSVmbpVSVexplnln0SDK 其中）、超濾）、超濾 超

10、濾主要是截留大分子物質(zhì)，由于濃差極化的形成，阻超濾主要是截留大分子物質(zhì)，由于濃差極化的形成，阻力除了膜通透阻力外，還有膜側(cè)面溶質(zhì)附著層產(chǎn)生的通透力除了膜通透阻力外，還有膜側(cè)面溶質(zhì)附著層產(chǎn)生的通透阻力，所以溶劑通過(guò)超濾膜的流量與外壓成正比，與膜的阻力，所以溶劑通過(guò)超濾膜的流量與外壓成正比，與膜的阻力成反比。阻力成反比。）、反滲透）、反滲透 在反滲透時(shí)，由于溶劑的體積通量取決于凈壓差，溶質(zhì)在反滲透時(shí)，由于溶劑的體積通量取決于凈壓差，溶質(zhì)的透過(guò)率不取決于壓差，因此，增加原液一側(cè)的壓力可以的透過(guò)率不取決于壓差，因此，增加原液一側(cè)的壓力可以提高溶劑的透過(guò)量，而溶質(zhì)的透過(guò)率基本不變。提高溶劑的透過(guò)量，而溶

11、質(zhì)的透過(guò)率基本不變。 對(duì)于高濃度的溶液，可以提高操作壓力，防止溶劑的透對(duì)于高濃度的溶液，可以提高操作壓力，防止溶劑的透過(guò)量降低，溶質(zhì)的透過(guò)量升高，而溶劑的純度會(huì)降低。過(guò)量降低，溶質(zhì)的透過(guò)量升高，而溶劑的純度會(huì)降低。特點(diǎn)特點(diǎn):膜組件中原溶液膜組件中原溶液流過(guò)平坦的矩形通道流過(guò)平坦的矩形通道,充填密度可以達(dá)到充填密度可以達(dá)到100400m2/m3,能量較能量較少少,整個(gè)元件均可更換整個(gè)元件均可更換.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):膜呈軟管形式置于耐壓管內(nèi)膜呈軟管形式置于耐壓管內(nèi)側(cè)側(cè),支撐管和膜之間安裝一個(gè)薄的支撐管和膜之間安裝一個(gè)薄的多孔聚乙烯管多孔聚乙烯管,也取到支撐作用也取到支撐作用.特點(diǎn)特點(diǎn):流動(dòng)狀態(tài)好流動(dòng)狀態(tài)好

12、,流速易控制流速易控制,易易清洗清洗,無(wú)死角無(wú)死角,適宜于含固體較多的適宜于含固體較多的原料液的處理原料液的處理,機(jī)械除雜質(zhì)較容易機(jī)械除雜質(zhì)較容易,還可以調(diào)整流動(dòng)狀態(tài)還可以調(diào)整流動(dòng)狀態(tài),防止?jié)獠顦O防止?jié)獠顦O化現(xiàn)象和污染化現(xiàn)象和污染. 與平板膜比較與平板膜比較,管膜的制備條件管膜的制備條件難以控制難以控制,單位體積中所含過(guò)濾面單位體積中所含過(guò)濾面積較小積較小,壓降大壓降大,管口密封較困難管口密封較困難.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):雙層結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu),中間為多孔支撐材料中間為多孔支撐材料,兩面均是膜兩面均是膜,其中三邊其中三邊密封密封,卷起來(lái)形成螺旋式組件卷起來(lái)形成螺旋式組件,外面為壓力容器外面為壓力容器.特點(diǎn)特點(diǎn):

13、充填密度高充填密度高(900m2/m3),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.但無(wú)法用機(jī)械清洗但無(wú)法用機(jī)械清洗,料液必須預(yù)處理料液必須預(yù)處理,此外壓降較大此外壓降較大.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):將數(shù)十萬(wàn)根中空纖維捆扎成纖維束彎成將數(shù)十萬(wàn)根中空纖維捆扎成纖維束彎成U型型,裝入圓柱裝入圓柱型耐壓容器中型耐壓容器中,纖維端部只與一個(gè)端板粘合纖維端部只與一個(gè)端板粘合. 中空纖維是一種形狀較細(xì)的高強(qiáng)度空心管中空纖維是一種形狀較細(xì)的高強(qiáng)度空心管,能夠自身支撐能夠自身支撐膜膜.原液可以與中空纖維平行原液可以與中空纖維平行,也可以成徑向流動(dòng)也可以成徑向流動(dòng),濾液只能濾液只能從一端引出從一端引出.特點(diǎn)特點(diǎn):單位體積中所含過(guò)濾面積大單位體積中所含

14、過(guò)濾面積大,操作壓力低操作壓力低,該膜不需支該膜不需支撐材料撐材料,使用壽命長(zhǎng)使用壽命長(zhǎng).但制造技術(shù)較復(fù)雜但制造技術(shù)較復(fù)雜,原料液需預(yù)處理原料液需預(yù)處理,易易堵塞堵塞,不易清洗不易清洗.超濾：超濾：主要用于油水乳液的分離，電泳漆的回收，廢水處主要用于油水乳液的分離，電泳漆的回收，廢水處理，食品加工，以及生物工程中酶和蛋白質(zhì)的分離與濃縮，理，食品加工，以及生物工程中酶和蛋白質(zhì)的分離與濃縮，純化血漿，脫鹽等方面。純化血漿，脫鹽等方面。反滲透：反滲透：主要用于純水，超純水和醫(yī)療衛(wèi)生用水的制備，主要用于純水，超純水和醫(yī)療衛(wèi)生用水的制備，工業(yè)廢水的凈化，食品加工及生物工程中的單鹽、非游離工業(yè)廢水的凈化，

15、食品加工及生物工程中的單鹽、非游離酸的濃縮等方面。酸的濃縮等方面。 超臨界流體是指溫度和壓力處于臨界溫度及臨界壓力以超臨界流體是指溫度和壓力處于臨界溫度及臨界壓力以上的流體。這種處于臨界狀態(tài)下的流體具有氣體和液體之上的流體。這種處于臨界狀態(tài)下的流體具有氣體和液體之間的性質(zhì)，對(duì)許多物質(zhì)具有較強(qiáng)的溶解能力，同時(shí)還具有間的性質(zhì)，對(duì)許多物質(zhì)具有較強(qiáng)的溶解能力，同時(shí)還具有與氣體相近的擴(kuò)散系數(shù)和滲透能力，其分離速率遠(yuǎn)比液體與氣體相近的擴(kuò)散系數(shù)和滲透能力，其分離速率遠(yuǎn)比液體溶劑萃取快。而超臨界流體萃取技術(shù)正是利用這一特性，溶劑萃取快。而超臨界流體萃取技術(shù)正是利用這一特性，用超臨界流體作為萃取劑，從液體或固體

16、中萃取出待分離用超臨界流體作為萃取劑，從液體或固體中萃取出待分離的組分。的組分。 目前超臨界流體萃取已形成了一門(mén)新的化工分離技術(shù)，目前超臨界流體萃取已形成了一門(mén)新的化工分離技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，特別適合于萃取某些高沸點(diǎn)和熱敏性應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，特別適合于萃取某些高沸點(diǎn)和熱敏性組分?？煞蛛x高附加值的產(chǎn)品，如：煉油、食品、醫(yī)藥、組分?？煞蛛x高附加值的產(chǎn)品，如：煉油、食品、醫(yī)藥、香料的方面有著廣闊的應(yīng)用前景。香料的方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 穩(wěn)定的純物質(zhì)及由其組成的定組成混合物具有固有的臨界穩(wěn)定的純物質(zhì)及由其組成的定組成混合物具有固有的臨界點(diǎn)（即臨界壓力點(diǎn)（即臨界壓力PC、臨界溫度、臨界溫度TC、臨

17、界密度、臨界密度C），在純物質(zhì)），在純物質(zhì)中，一旦超過(guò)它的臨界溫度，那么無(wú)論施加多大的壓力也不中，一旦超過(guò)它的臨界溫度，那么無(wú)論施加多大的壓力也不能使其液化。下表為常見(jiàn)萃取劑的超臨界物性：能使其液化。下表為常見(jiàn)萃取劑的超臨界物性： 圖中分為四個(gè)區(qū)：氣體區(qū)、圖中分為四個(gè)區(qū)：氣體區(qū)、液體區(qū)、固體區(qū)及超臨界流體液體區(qū)、固體區(qū)及超臨界流體區(qū)。區(qū)。 在臨界區(qū)附近，溫度和壓力在臨界區(qū)附近，溫度和壓力的微小變化，都會(huì)引起流體的的微小變化，都會(huì)引起流體的密度大幅度變化。難揮發(fā)性溶密度大幅度變化。難揮發(fā)性溶質(zhì)在超臨界流體中的溶解度大質(zhì)在超臨界流體中的溶解度大致上與流體密度成正比。致上與流體密度成正比。 利用超臨

18、界流體的特性，在利用超臨界流體的特性，在高密度（低溫、高壓）下萃取高密度（低溫、高壓）下萃取分離所需物質(zhì)，然后稍微提高分離所需物質(zhì)，然后稍微提高溫度或降低壓力，可以將萃取溫度或降低壓力，可以將萃取劑與待分離物質(zhì)分離。劑與待分離物質(zhì)分離。 為了使超臨界流體萃取過(guò)程能夠有效地分離或除去微量雜質(zhì)。必須為了使超臨界流體萃取過(guò)程能夠有效地分離或除去微量雜質(zhì)。必須要求萃取劑具有良好的選擇性，要提高溶劑的選擇性就必須滿(mǎn)足以下兩要求萃取劑具有良好的選擇性，要提高溶劑的選擇性就必須滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)：點(diǎn)：1）、操作溫度和臨界流體的臨界溫度接近。）、操作溫度和臨界流體的臨界溫度接近。2）、超臨界流體的化）、超臨界流體的

19、化學(xué)性質(zhì)和待分離溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相近。學(xué)性質(zhì)和待分離溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相近。作為萃取劑的超臨界流體必須具備以下條件：作為萃取劑的超臨界流體必須具備以下條件：1）、具有化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕。）、具有化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕。2）、臨界溫度要適中，最好在室溫附近或操作溫度附近。）、臨界溫度要適中，最好在室溫附近或操作溫度附近。3）、操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的分解溫度或變質(zhì)溫度。）、操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的分解溫度或變質(zhì)溫度。4）、臨界壓力不可太高，以節(jié)省壓縮動(dòng)力費(fèi)用）、臨界壓力不可太高，以節(jié)省壓縮動(dòng)力費(fèi)用5）、選擇性要好，容易獲得高純度制品。）、選擇性要好，容易獲得高純度制品。6）、溶解度要高，以

20、減少溶劑循環(huán)量。）、溶解度要高，以減少溶劑循環(huán)量。7）、來(lái)源方便、價(jià)格低廉。）、來(lái)源方便、價(jià)格低廉。8）、對(duì)一些特殊場(chǎng)合，如醫(yī)藥和食品工業(yè)中使用的萃取劑還應(yīng)要求無(wú)毒。）、對(duì)一些特殊場(chǎng)合，如醫(yī)藥和食品工業(yè)中使用的萃取劑還應(yīng)要求無(wú)毒。 超臨界流體萃取過(guò)程由萃取階段和分離階段組成。超臨界流體萃取過(guò)程由萃取階段和分離階段組成。其萃取過(guò)程如下：其萃取過(guò)程如下：萃取萃取分離分離原料原料含萃取質(zhì)的溶液含萃取質(zhì)的溶液萃取質(zhì)萃取質(zhì)循環(huán)萃取劑循環(huán)萃取劑新鮮萃取劑新鮮萃取劑萃取殘質(zhì)萃取殘質(zhì)P1T1P2膨脹閥膨脹閥壓縮機(jī)壓縮機(jī)萃取釜萃取釜分離釜分離釜溶質(zhì)溶質(zhì)原料原料萃取殘質(zhì)萃取殘質(zhì) 等溫法又稱(chēng)絕熱法，它等溫法又稱(chēng)絕熱法，它主要是依靠壓力變化而進(jìn)主要