第九章-膜分離

第九章

膜分離教師：曾濤1、膜分離的概念：利用天然或人工合成膜的選擇性，以外界能量或化學(xué)位差或電位差作推動(dòng)力，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，因溶液中各組分透過(guò)膜的遷移速率不同而實(shí)現(xiàn)混合物進(jìn)行分離、提純和富集。2、膜分離技術(shù)的類(lèi)型和定義膜分離過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透過(guò)或被截留于膜的過(guò)程，近似于篩分過(guò)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(lèi)：（1）微濾：以多孔細(xì)小薄膜為過(guò)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，孔徑分布范圍在0.025~14μm之間；（2）超濾：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，適合于分離酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)；（3）反滲透：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0.0001~0.001μm之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透）；本章目錄（4）納濾：以壓力差為推動(dòng)力，從溶液中分離300~1000小分子量的膜分離過(guò)程，孔徑分布在平均2nm（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(guò)性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作；膜分離具有分離溫度低，無(wú)相變，能耗低等特點(diǎn)。常見(jiàn)膜分離過(guò)程見(jiàn)P205表7-1本章目錄一、膜的概念1、膜的定義

在一種流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開(kāi)來(lái)成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱(chēng)為膜。膜必須具有兩個(gè)界面膜具有選擇透過(guò)性本章目錄2、膜的分類(lèi)按孔徑大?。何V膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜按膜結(jié)構(gòu)：對(duì)稱(chēng)性膜、不對(duì)稱(chēng)膜、復(fù)合膜按材料分：合成有機(jī)聚合物膜、無(wú)機(jī)材料膜本章目錄天然膜生物膜天然物質(zhì)改性膜人工膜無(wú)機(jī)膜金屬膜非金屬膜有機(jī)膜均質(zhì)膜微孔膜非對(duì)稱(chēng)性膜復(fù)合膜離子交換膜二、設(shè)備：板框式

卷式

管式膜性能：1.分離透過(guò)性

a.透過(guò)通量單位時(shí)間通過(guò)單位膜面積的物理量。

b.分離效率用截留率表示：（R）截留率；表示膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。

c.分離系數(shù)：（）ad.通量率減系數(shù)膜滲透通量隨時(shí)間減少對(duì)膜材料的特性的要求對(duì)于不同種類(lèi)的膜都有一個(gè)基本要求：（1）耐壓：膜孔徑小，要保持高通量就必須施加較高的壓力，一般膜分離操作的壓力范圍在0.1~0.5MPa

反滲透膜的壓力更高，約為1~10MPa（2）耐高溫:高通量帶來(lái)的溫度升高和清洗的需要（3）耐酸堿：防止分離過(guò)程中，以及清洗過(guò)程中的水解；（4）化學(xué)相容性：保持膜的穩(wěn)定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的變性；（6）成本低；本章目錄二、膜組件（1）板框式膜具↑↑（2）卷式膜具由四層組成膜鹽水中心管多孔支撐材料進(jìn)料液隔網(wǎng)淡化水流（3）管式膜具纖維束管中心分布管透過(guò)液濃縮液料液返回9.2反滲透

透過(guò)：溶劑截留：水中無(wú)機(jī)離子、膠體物質(zhì)、大分子溶液應(yīng)用：

海水、苦咸水淡化；廢水處理；鍋爐用水軟化；乳品、果汁濃縮；生產(chǎn)產(chǎn)品、生物制劑的分離、濃縮。P1P2C.P2﹣P1>∏P1P2P1<P2且：P2﹣P1=∏一、基本原理鹽水溶液：膜純水

P1溶液

P2a.P1=P2溶液中水的化學(xué)勢(shì)純水的化學(xué)勢(shì)純水的a＝1,溶液中水的活度a<1,即RTlna<0則其結(jié)果是水從純水一側(cè)透過(guò)半透膜向溶液側(cè)滲透，使后者的液位抬高,直至溶液液柱升至一定高度H并保持不變，兩側(cè)靜壓差即等于純水和鹽溶液之間的滲透壓π。本章目錄如果在溶液一側(cè)施加一壓力，外界力做功使溶液中水的化學(xué)勢(shì)升高，則純水通過(guò)膜的滲透就會(huì)逐漸減小，當(dāng)壓力為P2時(shí)，滲透最終停止，此時(shí)的壓力差就是溶液的滲透壓。

當(dāng)時(shí)，水將從溶液一側(cè)向純水一側(cè)移動(dòng)，此種滲透稱(chēng)之為反滲透。討論：鹽水溶液為水的滲透壓。）。；水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（圖時(shí)開(kāi)始升高，若由于水的滲透，（（pmmpbPPPPTPT0),),12212.2==-溶液中水反滲透，使溶液增濃。對(duì)于實(shí)際反滲透過(guò)程：

溶劑滲透時(shí)，少量溶質(zhì)也滲透，兩邊都有溶質(zhì)，溶質(zhì)與水之間各有滲透壓，對(duì)于正常操作：二、過(guò)程機(jī)理

1）優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流機(jī)理

2）溶解-擴(kuò)散ⅰ）水優(yōu)先吸附膜表面，形成純水層厚度t=1nmⅱ）無(wú)機(jī)離子受排斥，不能進(jìn)入純水層，價(jià)數(shù)越高，斥力越強(qiáng)。ⅲ）當(dāng)膜孔徑≤2t時(shí)，透過(guò)的是純水，孔徑增大，溶質(zhì)開(kāi)始透過(guò)，越大，透過(guò)溶質(zhì)越多。

∴孔徑為2t時(shí)稱(chēng)臨界孔徑。優(yōu)先吸附——毛細(xì)孔流動(dòng)模型多孔膜多孔膜界面上的脫鹽水溶解-擴(kuò)散第一步：溶劑和溶質(zhì)在膜上游側(cè)吸附溶解第二步：溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位梯度作用下，以分子擴(kuò)散形式透過(guò)膜第三步：透過(guò)物在膜下游側(cè)表面解吸。三、濃差極化

這種現(xiàn)象為濃差極化xA1XMAiXAiXMA2XA2溶質(zhì)在膜表面附近積累傳質(zhì)方向濃差極化對(duì)過(guò)程的不利影響：1）使2）使截留率下降3）XAi高于溶解度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沉淀，使膜阻力增加。減輕濃差極化的有效途徑：

提高傳質(zhì)系數(shù)方法：

增加料液流速；增加湍流速度；提高溫度；清洗膜面。反滲透過(guò)程通量與下列因數(shù)有關(guān)：（1）操作壓差：△P△P↑,使JW=A（△P—△)↑

但有能耗大?！噙x擇適當(dāng)?shù)摹鱌

(2)操作溫度:TT↑,使純水的透過(guò)系數(shù)A↑,J↑

但受膜耐溫所限。

(3)料液流速流速大,傳質(zhì)系數(shù)大。但溶質(zhì)的滲透通量JA大。p（4）料液的濃縮程度濃縮程度高，水回收率高。但：①有效壓差?。?/p>

②污染膜。（5）膜材料與結(jié)構(gòu)（主要研究方向）五、應(yīng)用舉例1.反滲透（RO）技術(shù)在果蔬汁濃縮中應(yīng)用超濾反滲透2.反滲透法濃縮茶液2.反滲透法濃縮茶液返回9.3超濾與微濾一、過(guò)程原理：

1.超濾過(guò)程膜:非對(duì)稱(chēng)性膜,表面活性層孔徑10-200?微孔,

能截留分子量500以上大分子或膠體微粒.壓差:0.1-0.5MPa原理:原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔,流到低壓側(cè).機(jī)理:篩分機(jī)理.超濾：進(jìn)料溶劑、水膠體大分子應(yīng)用：1.純水制造電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。

2.廢水處理回收有用的物質(zhì)

3.產(chǎn)品加工各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。2.微濾過(guò)程(微孔過(guò)濾)膜:微孔,均質(zhì)的多孔膜,孔徑0.02-10μ微孔,

能截留直徑為0.05-10μ

的微粒或分子量大于的高分子壓差:0.01-0.2MPa原理:原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過(guò)膜上微孔,流到低壓側(cè).機(jī)理:篩分機(jī)理.610二、過(guò)程與操作1.透過(guò)通量溶劑:溶質(zhì):2.影響因數(shù)(1)操作壓差(推動(dòng)力)

壓差大,通量大,能耗大;

一般取一較好值(接近于凝界滲透通量時(shí)壓差)(2)料液流速采用錯(cuò)流裝置,使料液與膜面平行流動(dòng).

流速高,傳質(zhì)系數(shù)大,有利于提高滲透通量;

但:膜面壓降大,能耗大.因此:可采用湍流促進(jìn)器,脈沖流動(dòng)等提高流速.(3)溫度溫度高,料液粘度小,擴(kuò)散系數(shù)大,有利于提高滲透通量.(4)截留液濃度濃度增加,濃度邊界層增厚,易形成凝膠層,使?jié)B透通量減小.三、工藝流程和應(yīng)用1.超、微濾流程透過(guò)液原料膜組件儲(chǔ)槽2.超濾應(yīng)用(1)食品、飲料工業(yè)超濾反滲透(2)失。（3）配制葡萄酒中酒的澄清（4）在藥物制劑中的應(yīng)用另外：a.對(duì)生物活性物質(zhì)：酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分離提純；b.從植物或動(dòng)物中提取藥物：如生物堿、荷爾蒙等；c.血液過(guò)濾除去有害成分或進(jìn)行血清分離。（5）工業(yè)廢水處理造紙工業(yè)廢水：回收有用成分、水重新使用；食品工業(yè)廢水：回收有用的高分子物質(zhì)；紡織工業(yè)廢水：含聚乙烯醇水處理、回收。3.微濾應(yīng)用同于超濾，例：。返回9.3氣體膜分離

利用氣體混合物中各組分在致密膜中滲透速率的不同使各組分分離的過(guò)程。基本原理：

溶解——擴(kuò)散模型

1.在膜高壓側(cè)，氣體混合物中的滲透組分溶解在膜的表面上；

2.從膜的高壓側(cè)通過(guò)分子擴(kuò)散傳遞到膜低壓側(cè)；

3.在低壓側(cè)解吸到氣相。二、影響滲透通量與分離系數(shù)的因素1、膜材料2、膜厚度活性厚度小，滲透通量大。通常制成具有極薄（小于500埃）致密活性層的非對(duì)稱(chēng)性膜和復(fù)合膜。，3、溫度T上升，滲透通量增加。4、壓力P上升，滲透通量增加。本章目錄四、氣體膜分離的應(yīng)用1、工業(yè)氣體中氫的回收2、氧氮分離3、天然氣中氦的提取4、二氧化碳的分離本章目錄電滲析技術(shù)是在直流電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生陰陽(yáng)離子的定向遷移，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。一、電滲析的基本原理離子交換膜為由高分子材料制成的具有離子交換團(tuán)的薄膜。陽(yáng)膜帶負(fù)電荷的固定基團(tuán)吸引溶液中帶正電荷的粒子，；陰膜帶正電荷的固定基團(tuán)吸引溶液中帶負(fù)電荷的粒子，而排斥溶液中帶負(fù)電荷的粒子。膜具有選擇性。本章目錄9.4電滲析電滲析的基本條件（1）直流電場(chǎng)使溶液中陽(yáng)、陰離子作定向運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)離子移向陰極，陰離子移向陽(yáng)極；（2）離子交換膜的選擇性透過(guò)，溶液中離子作反離子遷移。本章目錄一、電滲析的基本原理1.采用的膜由高分子材料制成，具有粒子交換基團(tuán)的薄膜。分：陽(yáng)離子交換膜——陽(yáng)膜

陰離子交換膜——陰膜陽(yáng)膜：

例：磺酸型，R-SO3H——-SO3H為活性基因在水中離解，產(chǎn)生，進(jìn)入水溶液。陰膜：例：季胺型，為活性基團(tuán)，在水中離解，產(chǎn)生，進(jìn)入水中。操作中：陽(yáng)膜中帶負(fù)電荷的基團(tuán)“”吸引溶液中帶正電荷的離子，排斥帶負(fù)電荷的離子；

陰膜中帶正電荷的基因“”吸引帶負(fù)電荷的離子，排斥帶正電荷的離子

這種現(xiàn)象稱(chēng)：反粒子遷移即：與膜所帶電荷相反的離子穿過(guò)膜的現(xiàn)象稱(chēng)反粒子遷移。2.電滲析過(guò)程陽(yáng)膜陰膜陰膜陽(yáng)膜+++++++++++----------陽(yáng)級(jí)陰級(jí)+—12345濃縮室濃縮室淡化室N+aN+aN+aN+a-Cl-Cl-Cl-Cl-ClN+aN+a-Cl過(guò)程：

1.兩電極間交替放置陰陽(yáng)離子膜；

2.在二膜形成的隔室中充入含離子水溶液；

3.接上電源后，溶液中帶正點(diǎn)荷離子在電場(chǎng)作用下，向陰極方向運(yùn)動(dòng)，易穿過(guò)陽(yáng)膜，被陰膜擋住，帶負(fù)電荷離子反之。

4.結(jié)果

2、4隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。電滲析的條件：

1.直流電場(chǎng)

使溶液中的陽(yáng)、陰離子作定向運(yùn)動(dòng)

2.離子交換膜的選擇透過(guò)

使溶液中離子作反離子遷移二、電滲析中傳遞過(guò)程（1）反粒子遷移；（2）同名離子遷移；（3）電解質(zhì)離子遷移；（4）水的滲透；（5）滲漏；（6）水的電滲析。三、電極反應(yīng)和電極電位濃、淡隔室及膜中導(dǎo)電：離子型電極上導(dǎo)電：電子型例：食鹽水溶液四種離子：電極反應(yīng)：在陽(yáng)極：（氧化反應(yīng)）特點(diǎn)：腐蝕設(shè)備。；另外，產(chǎn)生減少，極水呈酸性；HClClOOH22.2.1-在陰極：（還原反應(yīng)）一般操作中；

要按一定時(shí)間調(diào)換電極；并排除或加入水。四、離子交換膜的選擇透過(guò)實(shí)用膜應(yīng)具備：

1.選擇透過(guò)性良好；

2.膜阻小；

3.較好的化學(xué)穩(wěn)定性；

4.較高的化學(xué)強(qiáng)度，良好的尺寸穩(wěn)定性，較低的擴(kuò)散性能；

5.便宜。評(píng)價(jià)膜好壞的方法：

1.反粒子遷移數(shù)；

2.膜的通過(guò)性。五、工藝流程1.循