膜分離設(shè)備課件

1、第八章 膜分離設(shè)備第1節(jié) 膜分離概述1一、膜分離的基本原理1、什么是膜分離膜分離（MembraneSeparation）是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動(dòng)力的作用下，使原料中的某組分選擇性地透過(guò)膜，從而使混合物得以分離，以達(dá)到提純、濃縮等目的的分離過(guò)程。 2膜還沒(méi)有一個(gè)完整精確的定義，一種通用的廣義上的定義是膜是兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。膜在分離過(guò)程中具有如下功能：物質(zhì)的識(shí)別與透過(guò)。是使混合物中各組分之間實(shí)現(xiàn)分離的內(nèi)在因素；相界面。膜將透過(guò)液和保留液（料液）分為互不混合的兩相；反應(yīng)場(chǎng)。膜表面及孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團(tuán)，通過(guò)物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇

2、性和分離速度。33、膜分離方法（1）壓力推動(dòng)反滲透、納濾、超濾、微濾均為壓力推動(dòng)的膜過(guò)程，即在壓力的作用下，溶劑及小分子通過(guò)膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。56反滲透膜幾乎無(wú)孔，可以截留大多數(shù)溶質(zhì)（包括離子）而使溶劑通過(guò)，操作壓力較高，一般為210MPa；納濾膜孔徑為25nm，能截留部分離子及有機(jī)物，操作壓力為0.73MPa；超濾膜孔徑為220nm，能截留小膠體粒子、大分子物質(zhì)，操作壓力為0.11MPa；微濾膜孔徑為0.0510m，能截留膠體顆粒、微生物及懸浮粒子，操作壓力為0.050.5MPa。78膜分離法傳質(zhì)推動(dòng)力分離原理應(yīng)用舉例微濾（MF）壓差0.050.5篩分除

3、菌，回收菌，分離病毒超濾壓差0.11.0篩分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮反滲透壓差1.010篩分鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造滲析濃差篩分脫鹽，除變性劑電滲析電位差電荷、篩分脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸分離滲透氣化壓差、溫差溶質(zhì)與膜的親和作用有機(jī)溶劑與水的分離，共沸物的分離各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍10121、常用膜材料有機(jī)高聚物膜：纖維素類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)、聚酯類(lèi)、含氟高聚物、聚烯烴等無(wú)機(jī)分離膜：陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等 141）天然高分子 主要是纖維素的衍生物。如醋酸纖維素、硝酸纖維素和再生纖維素等。 其中醋酸纖維素截鹽能力強(qiáng)，常用做反滲透膜，也可用作微濾膜和超濾膜。適用溫度和p

4、H有限。2）合成高分子 大部分為合成高分子膜，種類(lèi)多。主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類(lèi)和含氟聚合物等。其中聚砜是最常用之一，主要用于制造超濾膜?？赡透邷兀?080），適用pH范圍廣（pH113），耐氯能力強(qiáng)， 可調(diào)節(jié)孔徑范圍寬（120nm）。但耐壓能力較低。聚酰胺膜耐壓能力較高，對(duì)溫度和pH都有很好的穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)，常用于反滲透。153）無(wú)機(jī)材料 主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。 陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成。陶瓷材料的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫、耐化學(xué)試劑和耐有機(jī)溶劑。缺點(diǎn)是不易加工，造價(jià)較高。164.2.2 膜的

5、結(jié)構(gòu)特性孔道結(jié)構(gòu) 膜的孔道結(jié)構(gòu)因膜材料和制造方法而異。對(duì)膜的透過(guò)通量、耐污染能力等操作性能具有重要影響。 早期多為對(duì)稱(chēng)膜，即截留面的膜厚方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻。傳質(zhì)阻力大，透過(guò)通量低，容易污染，清洗困難。 對(duì)稱(chēng)膜的彎曲孔道結(jié)構(gòu)示意圖17 60年代，開(kāi)發(fā)了不對(duì)稱(chēng)膜。解決了上述弊端，開(kāi)創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。 不對(duì)稱(chēng)膜主要由起膜分離作用的表面活性層（0.20.5m）和起支撐強(qiáng)化作用的惰性層（50100m）構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對(duì)透過(guò)流體無(wú)阻力。活性分離層很薄，孔徑微細(xì)，因此透過(guò)通量大，膜孔不易堵塞、容易清洗。目前超濾和反滲透膜多為不對(duì)稱(chēng)膜。不對(duì)稱(chēng)膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖18膜的孔道特性 膜的孔道特性包括

6、孔徑、孔徑分布和孔隙率?？捎呻娮语@微鏡直接觀察測(cè)定。也可通過(guò)泡點(diǎn)法(bubble point method)測(cè)量：在膜表面覆蓋一層水，用水濕潤(rùn)膜孔，從下面通入空氣，當(dāng)壓力升高到有穩(wěn)定氣泡冒出時(shí)稱(chēng)為泡點(diǎn)，此時(shí)的壓力稱(chēng)為泡點(diǎn)壓力。20 基于空氣壓力克服表面張力將水從膜毛細(xì)管中推出的動(dòng)量平衡，可得到計(jì)算最大孔徑的公式。 dmax最大孔徑； 水的表面張力；水與膜面的接觸角度；b泡點(diǎn)壓力。21 一般膜的孔徑都有較大的分布范圍。234.2.3水通量水通量：純水的透過(guò)通量。 在一定條件下（一般壓力為0.1Mpa，溫度為20）通過(guò)測(cè)量透過(guò)一定純水所需的時(shí)間來(lái)測(cè)定。影響因素：隨截留分子量或膜孔徑增大而增大。 膜

7、材料種類(lèi)也對(duì)水通量有顯著影響。 不同廠(chǎng)商的不同制造工藝也有很大影響。241) 反滲透（Reverse osmosis, RO） 膜兩側(cè)壓力相等的情況下，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)通過(guò)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。促使水分子透過(guò)的推動(dòng)力稱(chēng)為滲透壓。 溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。 如果欲使高濃度溶液中的溶劑透過(guò)膜到低濃度的一側(cè)，則可在高濃度的一側(cè)時(shí)間壓力，壓力必需大于此滲透壓，這種操作稱(chēng)為反滲透。 滲透壓26 RO膜沒(méi)有明顯孔道結(jié)構(gòu)，透過(guò)機(jī)理一般通過(guò)“溶解擴(kuò)散”模型描述。假設(shè)溶質(zhì)或溶劑首先溶解在膜中，然后擴(kuò)散通過(guò)RO膜。應(yīng)用：海水淡化，工業(yè)用水軟化，直飲水272) 超濾（U

8、ltrafiltration, UF）和 微濾（Microfiltration, MF） 膜分離技術(shù)的主要代表。 超濾和微濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力。膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒。 283) 透析（Dialysis, DS） 利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過(guò)的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（例如無(wú)機(jī)鹽）透向水側(cè)，水側(cè)的水分子透向溶液側(cè)，這即為透析。 性質(zhì)：透析膜一般為親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯腈膜和聚酰胺膜等，孔徑一般510nm。 30 應(yīng)用：

9、 常用于臨床的血液透析，生物分離方面，用于大分子溶液的脫鹽。 血液透析31例子： 生物實(shí)驗(yàn)室中常用，直徑580mm，將料液裝入透析袋中，封口，浸入到透析液（純水或緩沖液），一定時(shí)間后即可完成透析，也可采用攪拌。 缺點(diǎn)：以濃差為推動(dòng)力，膜的透過(guò)通量很小，不適大規(guī)模生物分離過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較多。324）電滲析（Electrodialysis, ED） 電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法，可用于小分子電解質(zhì)（例如氨基酸、有機(jī)酸）的分離和溶液的脫鹽。電滲析操作所用的膜材料為離子交換膜，即在膜表面和孔內(nèi)共價(jià)鍵合有離子交換基團(tuán)，如磺酸基等酸性陽(yáng)離子交換基和季銨基等堿性陰離子交換基

10、。鍵合陽(yáng)離子交換基的膜稱(chēng)為陽(yáng)離子交換膜，鍵合陰離子交換基的膜稱(chēng)為陰離子交換膜。在電場(chǎng)的作用下，前者選擇性透過(guò)陽(yáng)離子，后者選擇性透過(guò)陰離子。33A C A C1 2 3 4 534用途：海水和苦水的淡化，廢水處理 氨基酸、有機(jī)酸分離純化 反應(yīng)分離耦合是發(fā)展方向之一。355）滲透氣化（Pervaporation, PV） 疏水膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)的分壓差，在分壓差作用下，料液的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴(kuò)散通過(guò)膜，在透過(guò)側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。 根據(jù)溶質(zhì)間透過(guò)膜的速度不同，使混合物得到分離。膜與溶質(zhì)的相互作用決定溶質(zhì)的滲透速度，根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此滲透速度

11、高，在透過(guò)一側(cè)得到濃縮。氣化所需的潛熱用外部熱源供給。 根據(jù)膜選擇透過(guò)溶質(zhì)的現(xiàn)象，可消除共沸現(xiàn)象，可用于共沸混合物的分離，也稱(chēng)膜蒸餾。 36真空泵液相氣相料液滲透氣化膜冷凝器透過(guò)液滲透氣化示意圖37 滲透氣化膜主要為多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜和含氟多孔膜等。 80年代，滲透氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在乙醇、丁醇等揮發(fā)性產(chǎn)物的分離耦合過(guò)程中應(yīng)用。 例子：生物酒精的需求 巴西、美國(guó)乙醇連續(xù)發(fā)酵。38第2節(jié) 膜分離裝置一、膜分離系統(tǒng)組成1、膜分離系統(tǒng)的構(gòu)成膜器件、泵、過(guò)濾器、閥、儀表、管路等2、常用膜器件的類(lèi)型板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、毛細(xì)管式3940二、常用的膜器件（一）板框式膜器件1、基本部件

12、平板膜、支撐盤(pán)、間隔盤(pán)。三種部件相互交替、重疊、壓緊。412、特點(diǎn) 組裝比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單地增加膜的層數(shù)以提高處理量； 操作比較方便。 板框式膜組件組裝零件太多；裝填密度低；膜的機(jī)械強(qiáng)度要求較高。 3、應(yīng)用超濾（UF）、微濾（MF）、反滲透（RO）、電滲析（ED） 424、板框式反滲透膜組件43（1） 結(jié)構(gòu)單元承壓板、多孔支撐板、濾膜組成濾板（2）結(jié)構(gòu)形式多層濾板堆疊，經(jīng)密封后，由季緊螺栓固定。44進(jìn)水透過(guò)水濃縮水耐壓容器透水板半透膜（3）工作過(guò)程45板式超濾膜裝置46（二）圓管式膜器件 1、基本部件管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、不銹鋼外殼、端部密封2、特點(diǎn) 流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

13、，容易清洗，安裝、操作方便； 裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積小； 耐高壓，無(wú)死角，適宜于處理高黏度及固體含量較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。473、類(lèi)型與結(jié)構(gòu)管式膜組件又分為內(nèi)壓型和外壓型兩種。內(nèi)壓型有單管式和管束式兩種。 48495051（三）螺旋卷式膜器件 1、基本部件膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心管構(gòu)成：兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋，膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層隔網(wǎng)，從膜袋開(kāi)口端開(kāi)始繞多孔中心管卷繞而形成螺旋卷式膜器件。 5253密封密封密封螺旋卷式膜組件一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖多孔透水材料膜，上下兩層54552、特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度高 制作簡(jiǎn)單，安裝、操作方便 適

14、合低流速、低壓下操作 制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難563、工作過(guò)程原料從端部進(jìn)入組件后，在隔網(wǎng)中的流道沿平行于中心管方向流動(dòng)，而透過(guò)物進(jìn)入膜袋后旋轉(zhuǎn)著沿螺旋方向流動(dòng)，最后匯集在中心收集管中再排出，濃液則從組件另一端排出。 57進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過(guò)液濃縮液4、膜組件的結(jié)構(gòu)與組裝585960（四）中空纖維式膜器件 1、基本構(gòu)成（1）中空纖維膜將膜材料制成外徑為80400m、內(nèi)徑為40100m的空心管，即為中空纖維膜。（2）中空纖維膜組件將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件。 61622、特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度很高； 清

15、洗困難； 中空纖維膜一旦損壞無(wú)法維修，只能更換膜組件； 液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力很大，易阻塞。633、工作過(guò)程（1）內(nèi)壓式料液從空心纖維管內(nèi)流過(guò)，透過(guò)液經(jīng)纖維管膜流出管外，這是常用的操作方式。（2）外壓式料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動(dòng)，透過(guò)液則從纖維膜管內(nèi)流出。64654、中空纖維膜設(shè)備操作（1）操作過(guò)程過(guò)濾、濃縮反洗清洗正洗（2）操作注意事項(xiàng)中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。長(zhǎng)期停用時(shí)，用0.5%甲醛或次氯酸鈉水溶液保存。6667三、電滲析器（一）電滲析原理和特點(diǎn)1、電滲析的基本原理 電滲析是在直流電場(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允

16、許陽(yáng)離子通過(guò)，陰膜只允許陰離子通過(guò)），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過(guò)程。6869離子交換膜的選擇透過(guò)性主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團(tuán)的作用。膜上的孔隙容許離子進(jìn)出和通過(guò)。膜上的離子基團(tuán)容許電性相反的離子通過(guò)。702、電滲析法的特點(diǎn)（1）耗電能與鹽溶液的濃度成正比，不適合與濃溶液（2）不能除去不帶電荷的雜質(zhì) 71（二）電滲析器的結(jié)構(gòu) 1、構(gòu)造電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分構(gòu)成。 （1）膜堆膜堆是由相當(dāng)數(shù)量的膜對(duì)組裝而成的。膜對(duì)：是由一張陽(yáng)離子交換膜，一張隔板甲（或乙）；一張陰膜，一張隔板乙（或甲）組成。7273（2）極區(qū)包括電極

17、、極框和導(dǎo)水板。（3）壓緊裝置壓緊裝置是用來(lái)壓緊電滲析器，使膜堆、電極等部件形成一個(gè)整體，不致漏水。 742、組裝方式電滲析器的組裝是用“級(jí)”和“段”來(lái)表示，一對(duì)電極之間的膜堆稱(chēng)為“一級(jí)”。水流同向的每一個(gè)膜堆稱(chēng)為“一段”。增加段數(shù)就等于增加脫鹽流程，也就是提高脫鹽效率，增加膜對(duì)數(shù)，可提高水處理量。一般有以下幾種組裝形式：一級(jí)一段；一級(jí)多段；多級(jí)一段；多級(jí)多段。757677（三）電滲析工藝流程1.循環(huán)操作流程782.三級(jí)連續(xù)操作79（四）應(yīng)用1.水的純化 生產(chǎn)制藥工藝用水2.鹽溶液濃縮3.脫除有機(jī)物和有機(jī)物脫酸4.廢水處理804、濃差極化（1）概念 膜傳質(zhì)過(guò)程中，靠近膜表面的邊界層處會(huì)存在濃度梯度或分壓差，對(duì)于給定的主體流體濃度，邊界層阻力的存在降低了膜分離的傳質(zhì)推動(dòng)力，滲透物的通量也降低。由于傳質(zhì)阻力而引起邊界層組分濃度的增加或降低的現(xiàn)象被稱(chēng)為濃差極化。81（2）濃差極化對(duì)膜分離過(guò)程的不利影響引起滲透壓的增大，減小傳質(zhì)推動(dòng)力；增加透過(guò)阻力；改變膜的分離特性；惡化膜的性能；嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。82（3）減輕濃差極化的方法改變流向、