新型單元操作

1新型單元操作簡介主講人：連錦花單元操作:在不同的化工產品生產過程中，發(fā)生同樣的物理變化，遵循共同的物理學規(guī)律，使用相似的設備，具有相同功能的基本物理操作，稱為單元操作。2已經熟知的單元操作有流體輸送、傳熱、蒸餾、吸收、結晶、萃取、干燥、沉降、過濾、離心分離、靜電除塵、濕法除塵。3新型單元操作簡介1、膜分離技術2、吸附3、色譜分離技術4膜分離技術相關官方網站：中國膜工業(yè)協(xié)會

/美國膜技術協(xié)會(AMTA)

/北美膜學會(NAMS)

/nams/NAMSHP.html歐洲膜學會(EMS)

www.ems.cict.fr/

聯合國教科文組織膜科學技術中心

.au/美國過濾與分離學會(AFS)/

國際水協(xié)會(IWA)

/國際脫鹽協(xié)會(IDA)/內容

膜技術概述膜分離裝置典型的膜分離技術及應用領域

膜(Membrane)是什么？有何特性？膜，是指在一種流體相內或是在兩種流體相之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生傳質作用。

膜的特性：不管膜多薄,它必須有兩個界面。這兩個界面分別與兩側的流體相接觸。膜具有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質透過，而不允許其它物質透過。膜技術概述

1.1基本概念膜分離過程原理：以選擇性膜為分離介質，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）時，使原料側組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。通常膜原料側稱為膜上游，透過側稱為膜下游。膜上游膜膜下游選擇性膜膜種類:膜高分子膜液體膜生物膜離子膜非離子過濾膜陽離子膜陰離子膜微濾膜MF超濾膜UF納米濾膜NF反滲透膜RO微濾膜(MF)，超濾膜(UF)，納諾濾膜(NF)和反滲透膜(RO)。MF膜孔徑0.05um以上，以去除膠體、高分子有機物為對象。NF膜孔徑為100～1000分子量。它去除的物質在UF與RO之間，以去除三鹵甲烷、異味、色度、農藥、可溶性有機物、Ca、Mg等。RO膜孔徑0.0001微米，是最精細的一種膜分離產品，只允許水分子通過。RO滲透水的壓力比其滲透壓力要多1～2倍。除以上四種以外，還有離子交換膜和氣體滲透膜。MF、UF、NF和RO以壓力驅動使固液分離。離子交換膜則以電力驅動使鹽類分子分離，促成海水淡化等。氣體滲透膜是最近研究出來通過氣體的新型膜，能使乙醇濃縮和海水淡化。11高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現。1748年，耐克特（A.Nelkt）發(fā)現水能自動地擴散到裝有酒精的豬膀胱內，開創(chuàng)了膜滲透的研究。1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜過濾時，若在溶液側施加壓力，使膜的兩側產生壓力差，即可分離溶液中的細菌、蛋白質、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現代觀點看，這種過濾應稱為微孔過濾。1.2膜分離技術發(fā)展簡史50年代初，為從海水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。真正意義上的分離膜出現在20世紀60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質混合物以水-丙酮-溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國Amicon公司首先將這種膜商品化。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。

自上世紀60年代中期以來，膜分離技術真正實現了工業(yè)化。首先出現的分離膜是超過濾膜（簡稱UF膜）、微孔過濾膜（簡稱MF膜）和反滲透膜（簡稱RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。在此期間，上述三大膜，獲得很大的發(fā)展。1.3膜的分類1.按膜的材料分類表1膜材料的分類類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷其他殼聚糖，聚電解質等2.按膜的分離原理及適用范圍分類根據分離膜的分離原理和推動力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3.按膜的形態(tài)分類

按膜的形狀分為平板膜(FlatMembrane)、管式膜(TubularMembrane)和中空纖維膜(HollowFibermembrane)。1.4膜過濾的基礎理論通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細管內流動的毛細管理論。水通量（Jw）和截留率（R）：W—透水量，A—膜的有效面積，t—時間c1—料液中溶質濃度，c2—透過液中溶質濃度膜分離基本原理

1.5膜分離過程的類型分離膜的基本功能是從物質群中有選擇地透過或輸送特定的物質，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質的分離是通過膜的選擇性透過實現的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機理如表2所示。表2幾種主要分離膜的分離過程膜過程推動力透過物截留物微濾壓力差水、溶劑溶解物懸浮物顆粒超濾壓力差水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子納濾壓力差水、一價離子、多價離子有機物反滲透壓力差水、溶劑溶質、鹽1.6膜材料

用作分離膜的材料包括天然的與人工合成的有機高分子材料和無機材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機材料均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術。33

目前，實用的有機高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。醋酸纖維素膜顯微鏡下膜的照片2.非纖維素酯類膜材料

常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。

聚砜類樹脂具有良好的化學、熱學和水解穩(wěn)定性，強度也很高，pH值適應范圍為1～13，最高使用溫度達120℃，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。常見材料的最高允許使用溫度

名稱溫度CA（CelluloseAcetate）

聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮磺化聚苯醚磺化聚砜聚醚砜酮3535907070120160無機膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為材料。1.8膜的保存

分離膜的保存對其性能極為重要。主要應防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。

微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；

而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值不適當和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結構。

膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴重時還會造成膜的破裂。當膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴散而失水，也會造成膜的變形收縮。2膜分離裝置將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個單元稱為膜組件。膜組件的結構及型式取決于膜的形狀,工業(yè)上應用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內壓式和外壓式兩種。膜組件(MembraneModule)膜分離技術應用中需注意的幾個問題膜材料的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇膜結構選擇組件結構選擇溶液pH控制溶液溫度影響溶質濃度，料液流速與壓力的控制4典型的膜分離技術及應用領域

微孔過濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）反滲透（Reverseosmosis，RO）納濾（Nanofiltration，NF）滲析（Dialysis，D）電滲析（Electrodialysis，ED）液膜（Liquidmembrane，LM）滲透蒸發(fā)（Pervaporation，

PV）4.1微孔過濾技術1.微孔過濾和微孔膜的特點微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150m左右，過濾粒徑在0.025～10m之間，操作壓在0.01～0.2MPa。到目前為止，國內外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。微孔膜的主要優(yōu)點：

①孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質快幾十倍；③

無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150m之間，因而吸附量很少，可忽略不計。④無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。微孔膜的缺點：

①

顆粒容量較小，易被堵塞；②使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。2.微孔過濾技術應用領域

（1）微粒和細菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋⑹称泛惋嬃系某?、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。（2）微粒和細菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。（3）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產品變味。（5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點，經過微孔膜過濾后，細菌被截留，無細菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術難以達到要求，必須采用微濾技術。4.2超濾技術1.超濾和超濾膜的特點

超濾技術始于1861年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10nm，在0.1～0.5MPa的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于500的大分子及膠體，形成濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。

2.超濾膜技術應用領域

超濾膜的應用也十分廣泛，在作為反滲透預處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽極電泳漆和陰極電泳漆的生產、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領域都發(fā)揮著重要作用。

（1）純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無菌水等。（2）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。（3）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。（4）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質。分離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。（5）汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。（6）造紙廠的廢水處理。中空纖維超濾膜結構單內皮層雙皮層

超濾膜裝置4.3反滲透膜技術應用領域反滲透膜孔徑小于0.5nm，可截留溶質分子。制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。反滲透膜的分離機理至今尚有許多爭論，主要有氫鍵理論、選擇吸附-毛細管流動理論、溶解擴散理論等。反滲透膜技術應用領域

反滲透膜最早應用于苦咸水淡化。隨著膜技