膜分離過程及設(shè)備課件

第五節(jié)

膜分離過程及設(shè)備膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的高新技術(shù)。與傳統(tǒng)的分離方法相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、分離效率高、容易控制等優(yōu)點(diǎn)膜分離通常在常溫下操作，不涉及相變化，這對(duì)處理熱敏性物料，顯得十分重要膜分離技術(shù)一般可除去1μm以下的固體粒子。膜分離技術(shù)應(yīng)用1925年以來，差不多每十年就有一項(xiàng)新的膜過程在工業(yè)上得到應(yīng)用30年代微孔過濾40年代滲析50年代電滲析60年代反滲透70年代超濾80年代氣體分離90年代滲透汽化現(xiàn)代EDI技術(shù)膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒膜分離概述膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì),當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動(dòng)力時(shí)，原料側(cè)組分選擇性透過膜，以達(dá)到分離、提純、富集的目的膜分離的推動(dòng)力可以是多種多樣的，一般有濃度差Δc，壓力差Δp，電位差Δv等膜分離過程的實(shí)質(zhì)是小分子物質(zhì)透過膜，而大分子物質(zhì)或固體粒子被阻擋。因此，膜必須是半透膜?；緜髻|(zhì)形式在膜分離過程中，存在3種基本傳質(zhì)形式，即被動(dòng)傳遞、促進(jìn)傳遞和主動(dòng)傳遞。最常見的為被動(dòng)傳遞，即物質(zhì)由高化學(xué)位相側(cè)向低化學(xué)位相側(cè)傳遞

，這一化學(xué)位差即為其推動(dòng)力。被動(dòng)傳遞組分從高化學(xué)位向低化學(xué)位的被動(dòng)傳遞促進(jìn)傳遞、主動(dòng)傳遞促進(jìn)傳遞是由于某種流動(dòng)載體的存在，在高化學(xué)位一側(cè)載體與被傳遞物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，而在低化學(xué)位一側(cè)又將被傳遞物質(zhì)釋放，使傳遞過程得到強(qiáng)化。此種傳遞過程具很高選擇性。主動(dòng)傳遞主要發(fā)生在細(xì)胞膜中。膜分離過程機(jī)理模型溶解－擴(kuò)散模型優(yōu)先吸附－毛細(xì)管流動(dòng)模型從不可逆熱力學(xué)導(dǎo)出的模型①溶解－擴(kuò)散模型：適用于液體膜、均質(zhì)膜或非對(duì)稱膜表皮層內(nèi)的物質(zhì)傳遞。在推動(dòng)力作用下，滲透物質(zhì)先溶解進(jìn)入膜的上游側(cè)，然后擴(kuò)散至膜的下游側(cè)，擴(kuò)散是控制步驟。例如氣體的滲透分離過程中，推動(dòng)力是膜兩側(cè)滲透物質(zhì)的分壓差。當(dāng)溶解服從亨利定律（見相平衡關(guān)聯(lián)）時(shí)，組分的滲透率是組分在膜中的擴(kuò)散系數(shù)和溶解度系數(shù)的乘積?；旌蠚怏w的分離依賴于各組分在膜中滲透率的差異。溶解-擴(kuò)散模型用于滲透蒸發(fā)（又稱汽滲，上游側(cè)為溶液，下游側(cè)抽真空或用惰性氣體攜帶，使透過物質(zhì)汽化而分離）時(shí)，還須包括膜的汽液界面上各組分的熱力學(xué)平衡關(guān)系。

②優(yōu)先吸附－毛細(xì)管流動(dòng)模型

由于膜表面對(duì)滲透物的優(yōu)先吸附作用，在膜的上游側(cè)表面形成一層該物質(zhì)富集的吸附液體層。然后，在壓力作用下通過膜的毛細(xì)管，連續(xù)進(jìn)入產(chǎn)品溶液中。此模型能描述多孔膜的反滲透過程。③從不可逆熱力學(xué)導(dǎo)出的模型膜分離過程通常不只依賴于單一的推動(dòng)力，而且還有伴生效應(yīng)（如濃差極化）。不可逆熱力學(xué)唯象理論統(tǒng)一關(guān)聯(lián)了壓力差、濃度差、電位差對(duì)傳質(zhì)通量的關(guān)系，采用線性唯象方程描述這種具有伴生效應(yīng)的過程，并以配偶唯象系數(shù)描述伴生效應(yīng)的影響。膜

膜分離過程的核心是膜本身。工業(yè)應(yīng)用的膜應(yīng)具有較大的透過速度和較高的選擇性，這是選擇膜的兩個(gè)最重要的技術(shù)特性。還應(yīng)具備機(jī)械強(qiáng)度好、耐熱、化學(xué)性能穩(wěn)定，不被細(xì)菌污染等條件。膜的分類(1)對(duì)稱膜：結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，孔經(jīng)可一致，結(jié)構(gòu)可不規(guī)則；(2)非對(duì)稱膜：分離層很薄，較致密，為活性膜，孔徑的大小和表皮的性質(zhì)決定分離特性，厚度決定傳遞速度，朝向待濃縮液；多孔的支持層只起支撐作用，使膜具有必要的機(jī)械強(qiáng)度。(3)復(fù)合膜：選擇性膜層(活性膜層)沉積于具有微孔的底膜(支撐層)表面上，表層與底層是不同的材料，膜的性能不僅取決于有選擇性的表面薄層而且受微孔支撐層的影響。(4)荷電膜：離交膜，含有高度的溶脹膠載著固定電荷的對(duì)稱膜。(5)液膜：將在有關(guān)章節(jié)中討論。(6)微孔膜：孔徑為0.05—20微米的膜。(7)動(dòng)態(tài)膜：在多孔介質(zhì)(如陶瓷管)上沉積一層顆粒物(如氧化鋯)作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動(dòng)態(tài)平衡。圖1對(duì)稱膜圖2非對(duì)稱膜圖3對(duì)稱膜圖4非對(duì)稱膜幾種常用膜的適用范圍

膜分離的特點(diǎn)①操作在常溫下進(jìn)行；②是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；③不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位

膜分離也有很多缺點(diǎn)，比如膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與其他分離技術(shù)連用。＜0.5

離子、有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

滲透蒸發(fā)＜0.5

離子、有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

反滲透＜２

離子、分子量＜100的有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

納濾2~501000~1000,000Da的大分子

體積大小

超濾50~100000.05~10μm的固體粒子

體積大小

微濾＞10000固體粒子

體積大小

粒子過濾孔徑/nm分離對(duì)象

分離機(jī)理

膜過程各種膜分離范圍膜分離過程膜分離過程的類型濃度梯度電位差濃度梯度壓力（1~10MPa)壓力（0.2~1MPa)壓力（0.05~0.5MPa)驅(qū)動(dòng)力醇與水分離，乙酸與水分離，有機(jī)溶劑脫水，有機(jī)液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等小分子有機(jī)物與水的分離致密膜或復(fù)合膜滲透蒸發(fā)苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生產(chǎn)工藝用水離子脫除、氨基酸分離離子交換膜電滲析除去小分子有機(jī)物或無機(jī)離子，奶制品脫鹽，蛋白質(zhì)溶液脫鹽等小分子有機(jī)物和無機(jī)離子的去除對(duì)稱的或不對(duì)稱的膜透析低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、海水淡化，超純水制備小分子溶質(zhì)脫除與濃縮帶皮層的不對(duì)稱膜、復(fù)合膜（＜１nm)反滲透溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、除菌，酶及蛋白質(zhì)分離、濃縮與純化，含油廢水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等

細(xì)粒子膠體去除可溶性中等或大分子分離不對(duì)稱微孔膜（１~５0nm)超濾溶液除菌、澄清，果汁澄清、細(xì)胞收集、水中顆粒物去除清毒、澄清、細(xì)胞收集對(duì)稱微孔膜（0.05~10μm)微濾示例應(yīng)用對(duì)象

膜結(jié)構(gòu)名稱幾種主要膜分離技術(shù)特征膜分離過程(membraneseparation)膜分離過程的類型膜分離的孔徑范圍膜分離過程的類型膜分離過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進(jìn)行分類。膜分離過程的類型1.透析：用具有一定孔徑大小的、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將溶質(zhì)溶液與純水分隔，在濃差的作用下，小分子溶質(zhì)透向水側(cè)，水透向溶液一側(cè)。透析膜：孔徑5-10nm,實(shí)驗(yàn)室中常用透析袋應(yīng)用：脫鹽，血液透析特點(diǎn)：以濃差為推動(dòng)力，膜透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，多在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用。透析原理圖膜分離過程的類型水分子大分子小分子透析膜膜分離過程(membraneseparation)透析法的應(yīng)用膜分離過程的類型膜分離過程(membraneseparation)透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于大分子溶液的脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程、但在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。透析法的應(yīng)用膜分離過程的類型膜分離過程(membraneseparation)蛋白質(zhì)透析

透析袋透析簡(jiǎn)單裝置。A:透析夾，B:透析，C:透析示意圖

2.微濾（Microfiltration,MF）：

以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動(dòng)力，使不溶性物質(zhì)得以分離的操作?？讖椒植挤秶?.025~14μm之間，截留直徑為0.02μm~10μm大小的粒子。

可應(yīng)用于消毒、澄清、細(xì)胞收集等。如培養(yǎng)基液菌體分離與濃縮，產(chǎn)品消毒。

微濾(Microfiltration，MF)

一種靜態(tài)過濾，隨過濾時(shí)間延長(zhǎng)，膜面上截流沉積不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；3.超濾（Ultrafiltration,UF）：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.001-0.02μm，分離推動(dòng)力仍為壓力差，截?cái)喾肿恿靠勺兓?。適合于酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的分離、濃縮，超濾親和純化，血漿分離，脫鹽，去熱原，在生物工程中應(yīng)用最廣。

一種動(dòng)態(tài)過程，由泵提供推動(dòng)力，在膜表面產(chǎn)生兩個(gè)分力：一個(gè)是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個(gè)是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。

超濾原理的示意圖

一種動(dòng)態(tài)過程，由泵提供推動(dòng)力，在膜表面產(chǎn)生兩個(gè)分力：一個(gè)是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個(gè)是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。

超濾原理的示意圖

常規(guī)過濾(A)和超濾(B)的示意圖

AB4.反滲透（Reverseosmosis,RO）:

滲透和滲透壓：滲透：膜（不能透過溶質(zhì)）兩側(cè)壓力相等時(shí)，在濃度差作用下，溶劑從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向溶質(zhì)濃度高的一側(cè)透過的現(xiàn)象。滲透壓：滲透現(xiàn)象中，促使水分子透過的推動(dòng)力。反滲透：定義：在溶質(zhì)濃度高的一側(cè)施加超過滲透壓的壓力，使溶劑透過膜的操作。是一種以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑范圍在0.1~1nm之間。其基本原理為溶解擴(kuò)散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機(jī)物及無機(jī)物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產(chǎn)品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。其基本原理為溶解擴(kuò)散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機(jī)物及無機(jī)物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產(chǎn)品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級(jí)閃蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10幾種分離方法能耗比較嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水

微濾超濾反滲透○:微粒子●:大分子＋:小分子……..：水5.電滲析：以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作。在直流電場(chǎng)的作用下，由于離子交換膜的阻隔作用，實(shí)現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，分離推動(dòng)力是靜電引力。1-半透膜2-攪拌器3-溶液4-鉑電極5,6-進(jìn)出水管電滲析的應(yīng)用：海水和苦水的淡化、廢水處理，氨基酸和有機(jī)酸等小分子的分離純化6.氣體滲透：氣體膜分離是利用膜對(duì)某些氣體組分具有選擇性滲透和擴(kuò)散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化的目的。其滲透機(jī)理為：氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴(kuò)散、脫溶、逸出。應(yīng)用:空氣中各種氣體在透過膜壁時(shí)具有不同的滲透速率，使得當(dāng)壓縮空