第十章膜分離裝置匯總

1、第一節(jié) 膜分離的基本原理 膜分離技術的發(fā)展簡史膜分離技術的發(fā)展簡史: 人類對于膜現(xiàn)象的研究源于人類對于膜現(xiàn)象的研究源于1748年，然而認識到膜的功能并用于年，然而認識到膜的功能并用于為人類服務，卻經(jīng)歷了為人類服務，卻經(jīng)歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行科學多年的漫長過程。人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。研究則是近幾十年來的事。1950年年W.Juda試制出選擇透過性能的試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。1960年洛布年洛布 (Loeb)和索里拉簡和索里拉簡 (Souriringan)首次研制成世界上具有歷史意義的非對首次

2、研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分稱反滲透膜，這在膜分離技術發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分離技術進入了大規(guī)模工業(yè)化應用的時代。離技術進入了大規(guī)模工業(yè)化應用的時代。其發(fā)展的歷史大致為：其發(fā)展的歷史大致為：30年代微孔過濾，年代微孔過濾，40年代透析；年代透析；50年代電年代電滲析；滲析；60年代反滲透；年代反滲透；70年代超濾和液膜；年代超濾和液膜；80年代氣體分離；年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎的其它新型分離過程，以及膜分年代滲透汽化。此外以膜為基礎的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結(jié)合的集成過程離與其它分離過程結(jié)合

3、的集成過程(Integrated Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。也日益得到重視和發(fā)展。 膜分離：是借助于膜而實現(xiàn)各種分離的過程稱之為膜分離。膜分離：是借助于膜而實現(xiàn)各種分離的過程稱之為膜分離。膜分離是利用天然或人工合成的，具有選擇透過性的薄膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分體系進行分離、分級、提純和濃縮的方法。分離用的膜具有選擇滲選擇滲透性透性，也就是說，膜只能使某些分子通過，這對乳品工業(yè)具有重要的意義，膜可以有效地把牛乳中的水分與其他成分分開。所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚

4、相，它把流體相分隔為互不相通的兩部間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜分離技術的特點膜分離技術的特點： 1、膜分離技術在分離物質(zhì)過程中不涉及相變，對能量、膜分離技術在分離物質(zhì)過程中不涉及相變，對能量要求低其費用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的要求低其費用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/31/8，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過程有很因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過程有很大差異；大差異； 2、膜分離的條件一般都較溫和，對于熱敏性物質(zhì)復雜、膜分離的條件一般都較溫和，對于熱敏性物質(zhì)復雜的分離過程很重要，這兩

5、個因素使得膜分離成為生化的分離過程很重要，這兩個因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式；物質(zhì)分離的合適方式； 3、無化學變化。典型的物理分離過程，不用化學試劑、無化學變化。典型的物理分離過程，不用化學試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染；和添加劑，產(chǎn)品不受污染； 4、選擇性好?？稍诜肿蛹墐?nèi)進行物質(zhì)分離，具有普遍、選擇性好。可在分子級內(nèi)進行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能；濾材無法取代的卓越性能；5、適應性強。處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間、適應性強。處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間隙進行，工藝簡單，操作方便，結(jié)構緊湊、維修費用隙進行，工藝簡單，操作方便，結(jié)構緊湊、維修費用低易于自動化低易

6、于自動化 。存在的問題：存在的問題： 1、在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必要采用與工藝相適應的膜面清洗方法; 2、從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限; 3、單獨采用膜分離技術效果有限，因此往往都將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來使用。在乳品工業(yè)中，膜技術主要涉及到：在乳品工業(yè)中，膜技術主要涉及到： 反滲透（反滲透（RO）除去水，使溶液濃縮。）除去水，使溶液濃縮。 毫微過濾毫微過濾(NF納濾納濾)通過除去單價的成分如鈉、氯通過除去單價的成分如鈉、氯（部分脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。（部分脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。 超濾（超濾（UF）大分子

7、的濃縮。）大分子的濃縮。 微濾（微濾（MF）除去細菌，大分子分離。）除去細菌，大分子分離。 以上所有技術的特點是液流橫向流過濾膜，在這些技以上所有技術的特點是液流橫向流過濾膜，在這些技術中，供料液均是在壓力作用下穿過膜。溶液流過膜、術中，供料液均是在壓力作用下穿過膜。溶液流過膜、在清液被分離的同時，固體（濃縮液）在膜上留下來。在清液被分離的同時，固體（濃縮液）在膜上留下來。微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過濾，用以分微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過濾，用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體。離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體。在乳品工業(yè)中，膜技術主要涉及到：反滲透（RO）除去水，使溶液濃縮。毫

8、微過濾(NF)通過除去單價的成分如鈉、氯（部分脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。超濾（UF）大分子的濃縮。微濾（MF）除去細菌，大分子分離。用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體一、反滲透一、反滲透 反滲透是一種高壓、高性能的技術。適用于液體脫水、低分子量化合物濃縮、廢污清潔等過程。通常應用在蒸發(fā)前乳制品的預濃縮。二、超濾 超濾是一項選擇性分離步驟，可以將溶液濃縮并凈化為高分子量聚合物，適用于乳蛋白、碳水化合物和酶。 超濾是使大分子或微細粒子從溶液中分離的過程。與反滲透類似，超濾的推動力也是壓差，在溶液側(cè)加壓，使溶劑透過膜而得到分離，不同的是小分子溶質(zhì)將隨同溶劑一起

9、透過超濾膜。超濾（UF）典型地應用于牛乳蛋白的濃縮，乳清蛋白的濃縮和用于生產(chǎn)干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白標準化。三、電滲析 在直流電場的作用下，在直流電場的作用下， 溶液中的離子透過膜的遷移稱溶液中的離子透過膜的遷移稱為電滲析。電滲析使用的膜通常是具有選擇透過性能為電滲析。電滲析使用的膜通常是具有選擇透過性能的離子交換膜。用電滲析可使溶液中的離子有選擇地的離子交換膜。用電滲析可使溶液中的離子有選擇地分離或富集。為什么離子交換膜具有選擇性呢？離子分離或富集。為什么離子交換膜具有選擇性呢？離子交換膜是一種由功能高分子物質(zhì)構成的薄膜狀的離子交換膜是一種由功能高分子物質(zhì)構成的薄膜狀的離子交換樹

10、脂。它分為陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種。交換樹脂。它分為陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種。離子交換膜之所以具有選擇透過性，主要是由于膜上離子交換膜之所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和離子基團的作用孔隙和離子基團的作用電滲析的過程電滲析的過程 離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上離子基團膜上離子基團的的作用。作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，以容納

11、離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。以容納離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。 膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以發(fā)生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因會發(fā)生解發(fā)生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因會發(fā)生解離作用，解離所產(chǎn)生的離子離作用，解離所產(chǎn)生的離子(或稱反離子）進入溶液。于是，在膜或稱反離子）進入溶液。于是，在膜上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設立的一個個關

12、卡或荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設立的一個個關卡或“警警衛(wèi)衛(wèi)”，以鑒別和選擇通過的離子。，以鑒別和選擇通過的離子。注意：注意：離子交換膜的作用離子交換膜的作用并不是起離子交換并不是起離子交換的作用，而是起離子的作用，而是起離子選選擇透過性擇透過性作用。作用。實際應用的電實際應用的電滲析器滲析器 第二節(jié) 膜分離裝置一.板框形120板式超濾膜裝置板式超濾膜裝置二二.管式（聚合物）管式（聚合物）管式膜組件又分為內(nèi)壓式和外壓式內(nèi)壓式管式膜組件的內(nèi)部結(jié)構示意圖特點特點:v 水力條件好，安水力條件好，安裝、清洗、維修比裝、清洗、維修比較方便。較方便。v 能耐高壓，可以能耐高壓，可以處理高粘度的原水

13、。處理高粘度的原水。v 缺點是膜的有效缺點是膜的有效面積小，裝置體積面積小，裝置體積大，而且兩端要較大，而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置多的聯(lián)結(jié)裝置。淡水淡水膜表皮層膜表皮層玻璃纖維管玻璃纖維管進進水水三三.管式（陶瓷）管式（陶瓷）管式陶瓷超濾膜組件管式陶瓷超濾膜組件MItsubishi Rayon Hydrophilic Hollow Fiber Membranehttp:/ 四、螺旋式四、螺旋式卷式膜元件中的流態(tài)分布。紅色是指原料/滯留物。黃色是指滲透物。密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)構示意圖螺旋卷式膜組件一個膜葉結(jié)構示意圖多孔透水材料多孔透水材料膜，上下兩層膜，上下兩層膜葉膜葉

14、透水網(wǎng)狀材料透過水透過水濃濃水水進進水水螺旋卷式膜組件組合示意圖螺旋卷式膜組件組合示意圖超濾超濾微濾卷式膜組件超濾超濾微濾卷式膜組件http:/ 中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成的。 中空纖維外徑中空纖維外徑50200 m，內(nèi)徑，內(nèi)徑25 42 m。 將數(shù)萬至數(shù)十萬根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以將數(shù)萬至數(shù)十萬根中空纖維制成膜束，膜束外側(cè)覆以保護性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管，保護性格網(wǎng)，內(nèi)部中間放置供分配原水用的多孔管，膜束兩端用環(huán)氧樹脂加固。膜束兩端用環(huán)氧樹脂加固。 將其一端切斷，使纖維膜呈開口狀，并在這一側(cè)放置將其一端切斷，使纖維膜呈開口狀，并在這一側(cè)放置多孔支撐板。將整個膜束裝在耐壓筒內(nèi)。多孔支撐板。將整個膜束裝在耐壓筒內(nèi)。 進水濃水濃水透過水透過水多孔進水管多孔進水管濃水出口濃水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纖維膜中空纖維膜外徑外徑50200內(nèi)徑內(nèi)