分離工程 II-09 膜分離技術(shù)

1膜分離技術(shù)(jìshù)共一百七十八頁(yè)2

膜分離技術(shù)是當(dāng)代化工領(lǐng)域的高新技術(shù)，具有操作條件溫和，新興、高效和節(jié)能的特點(diǎn)，近30年來(lái)取得了極為迅速的發(fā)展。膜分離技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)主要是進(jìn)行膜分離的基礎(chǔ)研究和初期的工業(yè)開(kāi)發(fā)研究，膜分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用是從20世紀(jì)60年代的海水淡化工程開(kāi)始的，采用醋酸纖維素反滲透膜和卷式膜組件。20世紀(jì)80年代美國(guó)孟山都公司成功開(kāi)發(fā)了中孔纖維膜組件作為氫氮膜分離器后，進(jìn)一步促進(jìn)了膜分離技術(shù)的發(fā)展，而且應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，現(xiàn)在膜分離技術(shù)除廣泛應(yīng)用于海水淡化，苦咸水脫鹽，純水制備，氣體分離外，還可用于食品工業(yè)，醫(yī)藥工業(yè)，石油(shíyóu)化學(xué)工業(yè)和環(huán)境工程等各個(gè)領(lǐng)域。概述共一百七十八頁(yè)3

膜分離過(guò)程概念

膜分離過(guò)程屬于速度分離過(guò)程中的一種。它以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì)，當(dāng)在膜的兩側(cè)(liǎnɡcè)存在某種推動(dòng)力時(shí)（如壓力差，濃度差和電位差等），在推動(dòng)力作用下不同組分在膜中具有不同的滲透能力，組分能夠選擇性的透過(guò)膜，達(dá)到分離提純的目的。組分透過(guò)分離膜的滲透能力組分大小形狀和化學(xué)性質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)膜和組分之間的相互作用概述共一百七十八頁(yè)4膜的分類：按不同的分類方法將分離膜進(jìn)行分類：按膜的來(lái)源分：天然膜和人工合成膜按膜存在的狀態(tài)分：固體膜，液體膜和氣體膜，按膜材料分：有機(jī)膜，無(wú)機(jī)(wújī)膜按膜結(jié)構(gòu)分類：對(duì)稱膜，非對(duì)稱膜，復(fù)合膜按膜的結(jié)構(gòu)形式：平板膜,管式膜,卷式膜,中孔纖維膜等按分離機(jī)理分：吸附性膜，離子交換膜，選擇性透過(guò)膜概述共一百七十八頁(yè)5膜分離過(guò)程分類：按分離過(guò)程的特點(diǎn)，膜分離過(guò)程主要有下面(xiàmian)類型微濾，超濾，反滲透，滲析，電滲析，氣體分離滲透蒸發(fā)（滲透汽化）概述共一百七十八頁(yè)6表1幾種(jǐzhǒnɡ)主要的膜分離過(guò)程及特征過(guò)程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過(guò)物截留物膜類型微孔過(guò)濾壓力差~100kPa顆粒大小，形狀水，溶劑，溶解物懸浮物，顆粒多孔膜,非對(duì)稱超濾壓力差100-1000kPa分子特性，大小，形狀水，溶劑膠體大分子非對(duì)稱多孔膜膜反滲透壓力差1000-10000kPa溶劑的擴(kuò)散傳遞水，溶劑溶質(zhì)、鹽，懸浮物大分子、離子非對(duì)稱膜，復(fù)合膜滲析濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物質(zhì)，離子溶劑，相對(duì)分子量>1000非對(duì)稱膜，離子交換膜電滲析電化學(xué)勢(shì)電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力差，濃度1000-10000kPa氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透滲透速率快的氣體和蒸汽難滲透氣體和蒸汽均質(zhì)膜，非對(duì)稱膜，復(fù)合膜滲透汽化分壓差選擇滲透易滲透組分難滲透組分均質(zhì)膜，非對(duì)稱膜，復(fù)合膜概述共一百七十八頁(yè)7膜分離技術(shù)特點(diǎn)

除滲透蒸發(fā)膜過(guò)程外，膜分離過(guò)程不發(fā)生相變化，能耗低，屬節(jié)能技術(shù)膜分離過(guò)程在常溫下進(jìn)行，特別適用于熱敏性物質(zhì)(wùzhì)的處理，在食品工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域有獨(dú)特適用性。膜分離過(guò)程一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，可以節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境膜分離過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)分離與濃縮，分離與反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，提高了過(guò)程效率。適用范圍廣泛，不僅適用于有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的分離，病毒和細(xì)菌顆粒分離，而且用于特殊的液液分離，恒沸物膜分離裝置操作容易，分離效率高概述共一百七十八頁(yè)8有機(jī)(yǒujī)膜及有機(jī)(yǒujī)膜分離技術(shù)有機(jī)膜共一百七十八頁(yè)9有機(jī)膜材料

根據(jù)制備分離膜所用的材質(zhì)，膜可分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜兩大類，目前工業(yè)上應(yīng)用的膜材料主要以有機(jī)膜材料為主，占總量的90%。有機(jī)膜主要是由聚合物或大分子有機(jī)物構(gòu)成，原則上，所有聚合物均可用作膜材料，然而由于聚合物材料的化學(xué)和物理性質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，實(shí)際上只有部分聚合物可用作膜材料。不同用途的膜需要(xūyào)選用不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聚合物材料，而且不同的聚合物材料、不同用途的膜需用不同的制備方法。目前常用的有機(jī)膜材料主要有下面幾大種類。有機(jī)膜材料共一百七十八頁(yè)10用作膜材料的主要聚合物纖維素類：二羧酸纖維素(CA)，三羧酸纖維素(CTA)，醋酸丙酸纖維素(CAP)；再生纖維素（RCE），硝酸纖維素（CN）纖維素類膜材料是應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用最多的膜材料，主要用于反滲透，微濾，超濾，在氣體分離和滲透汽化中也有應(yīng)用。聚酰胺類：芳香(fāngxiāng)聚酰胺（PI），尼龍-66（NY-66）,芳香聚酰胺酰阱(PPP),聚苯砜對(duì)苯二甲酰（PSA）聚酰胺主要用于反滲透膜有機(jī)膜材料共一百七十八頁(yè)11芳香雜環(huán)類：聚苯并咪唑（PBI）,聚苯并咪唑酮(PBI),聚哌臻（PIP）,聚酰亞胺(PMDA)芳香雜環(huán)類材料主要用于反滲透；聚酰亞胺類是近年來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的耐高溫，抗化學(xué)試劑的優(yōu)良膜材料，主要應(yīng)用于超濾，反滲透，和氣體分離(fēnlí)。聚砜類：聚砜(PS)，聚醚砜(PES)，磺化聚砜(PSF)，聚砜酰胺(PSA)聚砜類是超濾和微濾的重要材料，由于性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好，還是許多復(fù)合膜的支撐材料有機(jī)膜材料共一百七十八頁(yè)12聚烯烴類：聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚丙烯腈(jùbǐnɡxījīnɡ)(PAN)，聚丙烯酸(PAA)，聚四甲基戊烯(PMP)聚丙烯晴是超濾,微濾常用材料;其余氣體分離和滲透汽化膜硅橡膠類：聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚三甲基硅烷丙炔(PTMSP)，聚乙烯基三甲基硅烷(PVTMS)氣體分離和滲透汽化膜含氟高分子：聚全氟磺酸，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚四氟乙烯（PTFE），氣體分離和滲透汽化膜有機(jī)膜材料共一百七十八頁(yè)13有機(jī)膜的分類根據(jù)膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)(jiégòu)分：對(duì)稱膜：膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)沿膜厚度方向結(jié)構(gòu)均一，非對(duì)稱膜：沿膜厚度方向膜具有不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)。按有無(wú)膜孔分：有機(jī)膜非對(duì)稱膜對(duì)稱膜無(wú)孔膜或致密膜有機(jī)膜微孔膜或多孔膜有機(jī)膜分類共一百七十八頁(yè)14微孔膜或多孔膜：根據(jù)顆粒大小(dàxiǎo)而實(shí)現(xiàn)分離。當(dāng)溶質(zhì)或顆粒體積大于膜孔徑時(shí)，可以得到很高的選擇性。主要用于微濾和超濾。無(wú)孔膜或致密膜：利用溶解度或擴(kuò)散系數(shù)的差異來(lái)分離體積大致相同的分子。聚合物材料的本征性質(zhì)決定了選擇性和滲透性。主要用于反滲透，蒸汽滲透、氣體分離和透析。有機(jī)膜分類共一百七十八頁(yè)15有機(jī)膜的制備：對(duì)稱膜制備：對(duì)稱膜可分為致密對(duì)稱膜和微孔對(duì)稱膜致密對(duì)稱膜制備：致密對(duì)稱膜主要用于實(shí)驗(yàn)室研究膜材料和膜性能，由于其通量太低，很少能工業(yè)應(yīng)用。制備方法主要有：溶劑澆鑄法和熔壓法。溶劑澆鑄法：用澆注刀或壓延棍，將適當(dāng)?shù)木酆衔锶芤涸谄秸牟ＡО寤虿讳P鋼板上流延成膜，然后讓溶劑蒸發(fā)，在板上形成均勻的聚合物薄膜。熔壓法：對(duì)于不溶于適于流延的溶劑中聚和物，如聚乙烯，聚丙烯，尼龍，可采用熔壓法制膜，將聚合物置于兩加熱板之間，在高壓下保持(bǎochí)一定時(shí)間。有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)16微孔對(duì)稱膜制備光輻照法：將均質(zhì)聚合物膜置于核反應(yīng)器的荷電粒子束照射下，荷電離子通過(guò)膜時(shí)，打斷了聚合物鏈，留下感光痕跡，然后膜通過(guò)一刻蝕浴，溶液優(yōu)先刻蝕掉聚合物中感光的核徑跡形成(xíngchéng)孔，膜受照射時(shí)間長(zhǎng)短決定膜孔數(shù)目，而刻蝕時(shí)間長(zhǎng)短決定孔徑大小?？讖椒植季弧Ｖ饕糜诰厶妓嶂途壑ぶ苽?。有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)17有機(jī)(yǒujī)膜制備延伸法：

對(duì)結(jié)晶態(tài)聚合物，可采用定向拉伸的方法制備微孔膜，也稱拉伸法。在接近聚合物熔點(diǎn)溫度下，將部分結(jié)晶化聚合物材料擠壓成膜或薄片，并在垂直于擠壓方向拉伸，使結(jié)晶區(qū)域平行(píngxíng)于擠壓方向。在機(jī)械應(yīng)力作用下，由于拉伸作用，使聚合物結(jié)構(gòu)損壞發(fā)生小的斷紋，產(chǎn)生孔隙，從而得到多孔結(jié)構(gòu)。該法可得到孔徑0.1

3μm，孔隙率高達(dá)90%的膜。

延伸法主要用于聚乙烯，聚丙烯，聚四氟乙烯類膜制備。共一百七十八頁(yè)18非對(duì)稱膜制備：非對(duì)稱膜是由致密的或具有微小細(xì)孔的選擇性透過(guò)薄層支撐在多孔底膜上,復(fù)合層起主要的分離作用，底膜起支撐作用。非對(duì)稱膜主要有相轉(zhuǎn)化膜和復(fù)合膜兩種，兩者的區(qū)別在于相轉(zhuǎn)化膜的分離層和底層為同一物質(zhì)，只能采用相轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)制備方法；而復(fù)合摸的分離層和底層不是同一物質(zhì)，而且制備方法也很多，主要有界面聚合，就地聚合法，溶液澆鑄，溶液浸涂和噴涂，此外還有等離子體聚合，水面展開(kāi)法等。其中以界面聚合和溶液澆鑄方法應(yīng)用最多。有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)19相轉(zhuǎn)化膜制備：相轉(zhuǎn)移法

相轉(zhuǎn)移法也叫溶液沉淀法或聚合物沉淀法，該過(guò)程主要(zhǔyào)由5個(gè)基本步驟組成，配置適當(dāng)黏度的均相聚合物溶液；將聚合物溶液流延成薄膜;蒸發(fā)部分溶劑;聚合物沉淀和熱處理。在沉淀過(guò)程中形成液膜的聚合物分為兩相，富聚合物的固相形成膜的骨架，富溶劑的液相形成膜孔。如果沉淀過(guò)程迅速，形成孔的液滴趨于細(xì)小，形成的膜呈明顯非對(duì)稱性；如果沉淀過(guò)程緩慢，形成孔液滴趨向聚集，最終膜孔較大，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)不明顯。有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)20聚合物沉淀方法：

用熱凝膠法的聚合物沉淀將加熱配置的聚合物溶液(róngyè)流延成膜后，隨著冷卻，液體膜發(fā)生沉淀、分相。膜內(nèi)孔體積取決組成，孔大小分布取決冷卻速度，快速冷卻得到孔較小。用溶劑蒸發(fā)的聚合物沉淀制膜液由聚合物溶解在混合溶劑內(nèi)組成，混合溶劑由易揮發(fā)和難揮發(fā)溶劑組成，隨著易揮發(fā)組分揮發(fā)，液膜中難揮發(fā)溶劑含量增加，聚合物分相沉淀形成膜結(jié)構(gòu)。吸收水蒸氣的聚合物沉淀浸入非溶劑浴的聚合物沉淀法有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)21復(fù)合膜制備：界面(jièmiàn)聚合法：主要用于反滲透膜的制備。將可反應(yīng)的預(yù)聚物浸漬在微孔支撐膜孔中，然后浸入含有固化劑的有機(jī)溶劑中一定時(shí)間，取出后在一定溫度下固化，在支撐膜表面聚合物固化形成一層致密的表皮層。溶液澆鑄法：主要用于氣體分離膜和滲透汽化膜的制備將溶解了起分離作用的表皮層材料的制膜液澆鑄在微孔支撐膜上，待溶劑蒸發(fā)后，即在支撐膜上形成厚度為幾個(gè)微米的表皮層。有機(jī)膜制備共一百七十八頁(yè)22有機(jī)膜組件：

對(duì)于任何一個(gè)膜分離過(guò)程，不僅需要性能優(yōu)良的膜，還要將膜組成結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定的膜分離裝置。膜分離裝置的核心是膜組件。膜組件：為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和安裝，提高膜的工作效率，在單位體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的膜面積，通常將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，在一定的驅(qū)動(dòng)力下，完成混合物中各組分(zǔfèn)的分離，這類裝置稱為膜組件。膜組件是將膜，固定膜的支撐材料和間隔物或管式外殼等組裝構(gòu)成的一個(gè)單元。膜組件形式：板框式，卷式，管式和中孔纖維式有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)23板框式：最早應(yīng)用的一種膜組件形式,外形類似普通的板框式壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)：制造組裝簡(jiǎn)單，操作方便，易于維護(hù)、清洗、更換。缺點(diǎn)：密封較復(fù)雜，壓力損失大，裝填密度小。

卷式:

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積膜表面積大，造價(jià)低。缺點(diǎn)：壓力損失大，料液應(yīng)不含懸浮固體。管式：由膜和膜的支撐體構(gòu)成，有內(nèi)壓型和外壓型兩種運(yùn)行方式，實(shí)際中多采用內(nèi)壓型。優(yōu)點(diǎn)：料液可以控制湍流流動(dòng)，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。缺點(diǎn)：裝填密度小。中孔纖維式：

外徑一般為40~250μm，內(nèi)徑為25~42μm。優(yōu)點(diǎn)：耐壓強(qiáng)度高，不易變形，裝填密度高，造價(jià)相對(duì)較低，壽命較長(zhǎng)。缺點(diǎn)：對(duì)堵塞敏感(mǐngǎn)，污染和濃差極化對(duì)膜的分離性能有很大影響。有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)24板框式膜組件(zǔjiàn)示意圖有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)25卷式膜組件(zǔjiàn)有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)26管式膜組件(zǔjiàn)示意圖有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)27中孔纖維(xiānwéi)膜組件有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)28幾種膜組件(zǔjiàn)特性比較組件類型板框式管式卷式中孔纖維組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜裝填密度（m2/m3）160-50033-330650-160010000-30000抗污染性好很好中等差膜清洗程度容易內(nèi)壓容易，外壓難難外壓難，內(nèi)壓容易膜更換方式膜膜或組件組件組件膜更換成本低中高高操作壓力低低中高造價(jià)（每平米）高較高中低有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)29膜組件設(shè)計(jì)基本要求：對(duì)膜提供(tígōng)足夠的機(jī)械支撐，流道通暢，沒(méi)有流動(dòng)死角和靜水區(qū)；能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染；盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便；具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

具體工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中，膜組件選擇必須綜合考慮各種因素：看造價(jià)抗污染能力膜材料能否制成組件適用的膜，幾乎所有膜材料都能制成板框，而只有少數(shù)可作成中孔纖維狀。有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)30不同膜過(guò)程膜組件形式：反滲透：使用最多的是中孔纖維和卷式膜組件，污染嚴(yán)重體系使用板和管式，如食品和工業(yè)水處理。微濾、超濾：一般不使用中孔纖維，而使用板和管式，易污染系統(tǒng)。氣體分離：高壓氣體分離中，中孔纖維膜，單位膜面積的費(fèi)用低，對(duì)抗污染能力要求不嚴(yán)格。低壓氣體分離（富氧，有機(jī)蒸汽回收(huíshōu)）使用卷試組件，由于膜難以制成中孔纖維狀。滲透汽化：過(guò)程操作條件類似低壓氣體分離，由于發(fā)展較晚，以板框式組件最多。有機(jī)膜組件共一百七十八頁(yè)31微濾：

微濾（MF）又稱微孔過(guò)濾，它屬于精密過(guò)濾，其基本原理是篩孔分離過(guò)程。利用微孔濾膜的篩分作用，在靜壓差推動(dòng)(tuīdòng)下，原料液中的溶劑和小的溶質(zhì)粒子從高壓的料液側(cè)透過(guò)膜到低壓側(cè)，所得到的液體稱為濾出液或透過(guò)液，濾液中大于膜孔徑的微粒，細(xì)菌及懸浮物質(zhì)等截留下來(lái)，達(dá)到除去微粒與澄清溶液的目的。膜孔徑范圍0.05~10微米，壓力0.01-0.2MPa。有機(jī)微濾膜：醋酸纖維素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—微濾共一百七十八頁(yè)32分離截留機(jī)理：

微孔濾膜的截留機(jī)理因結(jié)構(gòu)差異而不盡相同，通過(guò)電鏡觀察，微濾的截留作用主要分為以下兩種：膜表面層截留和膜內(nèi)部截留。

機(jī)械截留作用，膜截留比其孔徑大或相當(dāng)?shù)牡碾s質(zhì)(zázhì)微粒，即篩分作用機(jī)理。

物理作用和吸附截留作用，和膜材料的的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

架橋作用，在孔的入口處，微粒因?yàn)榧軜蜃饔猛瑯涌梢员唤亓簟?/p>

內(nèi)部截留作用，這種截留將微粒截留在膜的內(nèi)部，并非截留在膜的表面。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—微濾共一百七十八頁(yè)33操作方式：微濾過(guò)程操作分死端過(guò)濾(guòl(fā)ǜ)和錯(cuò)流過(guò)濾兩種方式。死端過(guò)濾：溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)粒子在壓力的推動(dòng)下透過(guò)膜，大于膜孔的溶質(zhì)粒子被截留堆積在膜面上。隨著時(shí)間的增加，膜面上堆積的顆粒越來(lái)越多，膜的滲透性將下降，這時(shí)必須停下來(lái)清洗膜表面或更換膜。錯(cuò)流過(guò)濾：在壓力推動(dòng)下料液平行于膜面流動(dòng)，把膜面上的滯留物帶走。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—微濾共一百七十八頁(yè)34微濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域：水處理行業(yè)(hángyè)：水中懸浮物，微小粒子和細(xì)菌的去除

電子工業(yè)：半導(dǎo)體工業(yè)超純水、集成電路清洗用水終端處理

制藥行業(yè)：醫(yī)用純水除菌、除熱原，藥物除菌

食品工業(yè)：酒、飲料中酵母和霉菌的去除，果汁的澄清過(guò)濾

化學(xué)工業(yè)：各種化學(xué)品的過(guò)濾澄清。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—微濾共一百七十八頁(yè)35反滲透

反滲透是最早應(yīng)用的膜分離技術(shù)之一，1960年首次(shǒucì)制成高透量高選擇性的醋酸纖維素反滲透膜，標(biāo)志反滲透技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，70年代，杜邦公司開(kāi)發(fā)了出芳香聚酰胺膜材料，膜性能得到進(jìn)一步改善。目前反滲透技術(shù)是海水淡化和苦咸水脫鹽的最經(jīng)濟(jì)的實(shí)用技術(shù)。基本原理：

滲透是水從稀溶液一側(cè)通過(guò)半透膜向濃溶液一側(cè)自發(fā)流動(dòng)的過(guò)程，濃溶液隨著水的不斷流入不斷稀釋，當(dāng)水向濃溶液流動(dòng)產(chǎn)生的壓力足夠阻止水繼續(xù)流入時(shí)，滲透處于平衡狀態(tài)，此時(shí)壓力為溶液的滲透壓。反滲透是滲透的逆過(guò)程，當(dāng)在濃溶液側(cè)外加壓力，且壓力大于溶液滲透壓時(shí)，濃溶液中水會(huì)透過(guò)半透膜流向稀溶液，使得濃溶液的濃度更大。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)36反滲透是利用半滲透膜選擇性只透溶劑水而截留離子的特性，以膜兩側(cè)的壓力(yālì)差為推動(dòng)力，克服溶液的滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的過(guò)程。

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)37反滲透過(guò)程的操作壓力(yālì)：1.5-15MPa進(jìn)行反滲透的必要條件：選擇性透過(guò)溶劑的膜壓差必須大于溶液的滲透壓滲透壓：滲透壓是溶液的一種特性，其大小主要取決于溶液的種類，濃度和溫度等，而與膜本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溶液的滲透壓隨溶液濃度的增加而增大。溶液滲透壓可用擴(kuò)展的范特荷公式計(jì)算。計(jì)算公式：

=RT

Ci， R—0.082atm.L/mol.K； T—熱力學(xué)溫度，K； C—離子濃度，mol/L.有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)38典型(diǎnxíng)溶液的滲透壓數(shù)據(jù)（25℃）組分溶液濃度mg/L滲透壓MPaNaCl350002.8NaCl20000.16海水320002.4苦咸水2000-50000.1-0.28NaHCO310000.09NA2SO410000.042MgSO410000.025MgCl210000.068CaCl210000.058蔗糖10000.007葡萄糖10000.014有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)39反滲透膜:工業(yè)上的反滲透膜主要有三類：高壓反滲透膜:主要用于海水脫鹽淡化，海水的滲透壓為2.8MPa,操作壓力為5MPa以上，稱為高壓反滲透，材料主要有：三醋酸纖維素，全直鏈芳香聚酰胺，全交聯(lián)芳香聚酰胺，芳基-烷基聚醚脲，交聯(lián)聚醚。低壓反滲透膜：主要用于苦咸水脫鹽，操作壓力2-3MPa，膜材料主要是聚酰胺和聚乙烯醇(jùyǐxīchún)超低壓膜：以聚砜為底膜，通過(guò)界面聚合制備，操作壓力1-2MPa.有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)40反滲透膜性能指標(biāo):1.脫鹽率和透鹽率

脫鹽率：通過(guò)反滲透膜從系統(tǒng)進(jìn)水中去除(qùchú)可溶性雜質(zhì)濃度的百分比。

透鹽率：進(jìn)水中可溶性雜質(zhì)透過(guò)膜的百分比。

脫鹽率＝(1－產(chǎn)水含鹽量/進(jìn)水含鹽量)×100％

透鹽率＝100％－脫鹽率

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透

脫鹽率高低取決于膜表面超薄層的致密度，脫鹽層越致密脫鹽率越高，同時(shí)產(chǎn)水量越低。反滲透對(duì)不同物質(zhì)的脫除率主要由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和分子量決定，對(duì)高價(jià)(ɡāojià)離子及復(fù)雜單價(jià)離子的脫除率可以超過(guò)99％，對(duì)單價(jià)離子如：鈉離子、鉀離子、氯離子的脫除率稍低，但也超過(guò)了98％；對(duì)分子量大于100的有機(jī)物脫除率也可達(dá)到98％，但對(duì)分子量小于100的有機(jī)物脫除率較低。共一百七十八頁(yè)412.產(chǎn)水量（水通量）產(chǎn)水量(水通量)：指反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)膜水量，通常用Nm3/h表示。滲透流率：滲透流率也是表示反滲透膜產(chǎn)水量的重要指標(biāo)。指單位膜面積上透過(guò)液的流率。過(guò)高的滲透流率將導(dǎo)致垂直于膜表面的水流速加快，加劇膜污染。3.回收率

回收率：指膜系統(tǒng)中給水轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)水或透過(guò)液的百分比.膜系統(tǒng)的回收率在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定，是基于預(yù)設(shè)的進(jìn)水水質(zhì)而定的?；厥章释ǔＯＭ畲蠡员?yǐbiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益，但是應(yīng)該以膜系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)因鹽類等雜質(zhì)的過(guò)飽和發(fā)生沉淀為它的極限值。

回收率＝（產(chǎn)水流量/進(jìn)水流量）×100％

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)42膜反滲透系統(tǒng)(xìtǒng)

反滲透膜主要用于水的處理，整個(gè)系統(tǒng)包括水的預(yù)處理，反滲透裝置處理和反滲透出水的進(jìn)一步處理。反滲透處理過(guò)程中，反滲透膜材料對(duì)于溶液的PH值，溫度和水中部分礦物質(zhì)比較敏感(mǐngǎn)，因而進(jìn)入膜分離裝置的水質(zhì)必須滿足一定的要求，進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理目的：去除超量的懸浮固體，膠體物質(zhì)調(diào)節(jié)并控制進(jìn)料液的電導(dǎo)率，總鹽量，PH值和溫度防止膜污染和堵塞去處乳化油和類似物質(zhì)。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)43膜反滲透組件及組件組合(zǔhé)方式反滲透膜組件：反滲透膜組件形式主要有板框，管式，卷式和中孔纖維式，用于水處理的主要是卷式和中孔纖維式。卷式膜組件：醋酸纖維(cùsuānxiānwéi)素膜，復(fù)合膜中孔纖維膜組件：芳香聚酰胺膜有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)44

反滲透膜、導(dǎo)流層、隔網(wǎng)按一定排列粘合及卷制在有排孔的中心管上，形成元件。原水從元件一端進(jìn)入隔網(wǎng)層，在經(jīng)過(guò)隔網(wǎng)層時(shí)，在外界壓力下，一部分水通過(guò)膜的孔，滲透到導(dǎo)流層內(nèi)，再順導(dǎo)流層水道，流到中心管的排孔，經(jīng)中心管流出，剩余(shèngyú)部分(濃水)從隔網(wǎng)另一端排出。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)45反滲透的工業(yè)應(yīng)用:

反滲透技術(shù)最初主要用于海水和苦咸水脫鹽，但隨著優(yōu)良膜材料的不斷開(kāi)發(fā)，現(xiàn)應(yīng)用范圍已擴(kuò)大到其他領(lǐng)域，如化工生產(chǎn)，食品加工和醫(yī)藥環(huán)保等等。工業(yè)應(yīng)用主要包括下面幾個(gè)方面：海水和苦咸水脫鹽:

制飲用水和工業(yè)用循環(huán)水，不過(guò)用于飲用水的制備現(xiàn)下成本還是略高，只能(zhīnénɡ)用于缺水國(guó)家，純水生產(chǎn):

電子工業(yè)純水和醫(yī)藥工業(yè)無(wú)菌純水的制備在電鍍和電泳工業(yè):一般排放含有大量重金屬離子的廢水，采用反滲透膜可去除重金屬離子進(jìn)行回收，水還可以回收再利用。食品工業(yè):分離蛋白質(zhì)，乳糖和乳酸并進(jìn)行濃縮有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—反滲透共一百七十八頁(yè)46有機(jī)膜氣體分離概況：人類對(duì)氣體膜分離技術(shù)的研究，早在100多年前就已經(jīng)開(kāi)始，然而真正大規(guī)模應(yīng)用還是近20年的事。在70年代末和80年代初美國(guó)孟山都公司利用中孔纖維聚砜膜成功實(shí)現(xiàn)了H2和N2的分離后，氣體膜分離技術(shù)取得了空前發(fā)展。目前僅在中國(guó)就有100多套H2回收裝置在運(yùn)行。氣體膜分離除了用于合成氨弛放氣和石油煉廠氣H2回收外，還可應(yīng)用于空氣富氧，空氣富氮，天然氣分離精制和干燥，工業(yè)廢氣中酸性氣體脫除和有機(jī)溶劑回收（乙烯和丙烯回收）等，其中氫氣回收是有機(jī)膜氣體分離技術(shù)應(yīng)用最為廣泛(guǎngfàn)的領(lǐng)域。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)47氣體膜分離機(jī)理(jīlǐ)

膜法氣體分離是以壓力差為推動(dòng)力的分離過(guò)程，其基本原理是根據(jù)混合氣體中各組分在壓力推動(dòng)下透過(guò)膜的傳遞速率不同，從而達(dá)到氣體分離的目的。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的膜，氣體透過(guò)膜的傳遞擴(kuò)散方式不同，分離機(jī)理也不同。目前氣體透過(guò)膜的分離機(jī)理主要有兩種1、氣體透過(guò)多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理2、氣體透過(guò)非多孔膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理目前，用于氣體分離的有機(jī)膜均為非多孔膜，氣體分離機(jī)理為溶解擴(kuò)散機(jī)理。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)48溶解擴(kuò)散機(jī)理下，氣體透過(guò)有機(jī)膜膜過(guò)程1、吸著(xīzhe)過(guò)程，即氣體分子在膜的上游側(cè)表面吸附溶解。2、擴(kuò)散過(guò)程，即吸附溶解在膜上游側(cè)的氣體組分在濃度差的推動(dòng)下傳遞擴(kuò)散透過(guò)膜3、解吸過(guò)程，在膜下游側(cè)表面的氣體組分解吸一般來(lái)說(shuō)，氣體在膜表面的吸附和解吸過(guò)程進(jìn)行的很快，而氣體在膜內(nèi)的滲透擴(kuò)散較慢，該過(guò)程為氣體透過(guò)膜的速率控制步驟,氣體滲透速率主要取決于氣體組分在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)49氣體分離膜材料：膜分離技術(shù)的關(guān)鍵是分離性能好的膜的研制，膜的分離性能主要取決于膜材料和制膜工藝。原則上講，理想的膜材料應(yīng)該同時(shí)具有高的滲透速率和良好的選擇性，高的機(jī)械性能，良好的熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。但通常的膜材料，其滲透速率和選擇性是相矛盾的，滲透速率好的膜材料，其選擇性一般(yībān)較差，而具有良好選擇性的膜材料，其滲透速率又相對(duì)較差。氣體分離用膜材料主要有如下幾種：聚烯烴：道化學(xué)工業(yè)公司纖維素：美國(guó)氣體產(chǎn)品公司聚砜：美國(guó)孟山都公司聚酰亞胺：日本宇部株式會(huì)社和美國(guó)柏美亞公司有機(jī)硅膜材料:(聚二甲基硅氧烷，聚乙炔類，聚三甲基烷基乙烯類)，處于研究階段有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)50氣體分離膜組件：采用有機(jī)膜材料分離氣體混合物時(shí)，必須將膜組裝成一定形式的膜組件后才能使用。氣體分離用膜組件主要有如下三種形式：平板式膜組件：制造方便，分離層薄，膜的裝填密度低，主要用于有機(jī)蒸汽或油氣回收。中空纖維式膜組件：裝填密度高，氣體通過(guò)中孔纖維膜時(shí)壓降大，制作復(fù)雜，主要用于氫氣(qīnɡqì)回收。卷式膜組件：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，裝填密度介于兩者之間，主要用于有機(jī)蒸氣和富氧富氮。目前工業(yè)上使用的膜組件形式主要是中空纖維式膜組件和卷式膜組件。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)51制造公司AirProductMonsanto,PrismUbeIndustriesDowchemical膜材料

醋酸纖維素聚砜，聚酰亞胺聚酰亞胺聚烯烴膜結(jié)構(gòu)非對(duì)稱膜非對(duì)稱復(fù)合膜非對(duì)稱復(fù)合膜對(duì)稱膜組件類型卷式中孔纖維中孔纖維中孔纖維使用溫度60100，15015045極限壓力8.011.0，14.014.00.7

(H2/N2)45-5580-100，200200-250

(O2/N2)55

工業(yè)應(yīng)用(yìngyòng)氣體分離膜組件及特性有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)52有機(jī)膜氣體分離應(yīng)用：

80年代以來(lái)，在各種膜分離過(guò)程中，有機(jī)膜氣體分離技術(shù)的發(fā)展最為迅速，應(yīng)用也最為廣泛。目前氣體膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面：

H2

的分離回收空氣氧氮分離天然氣分離和精制有機(jī)溶劑回收廢氣中酸性氣體脫除等等有機(jī)蒸汽(zhēnɡqì)回收油氣回收有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)53H2的分離回收：

H2

的分離回收是有機(jī)膜氣體分離應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于合成氨工業(yè)，煉油工業(yè)，石油化工等各個(gè)領(lǐng)域。H2重要性：氫氣(qīnɡqì)在化工和石油化工工業(yè)中具有十分重要的地位，在石油化工的一些重大工藝生產(chǎn)過(guò)程中（如催化裂化和催化重整），氫氣(qīnɡqì)是重要產(chǎn)物，同時(shí)氫氣(qīnɡqì)又是重要的原料（合成氨，甲醇，煉油工業(yè)加氫精制）。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和不斷發(fā)展，氫氣的用途不斷擴(kuò)大，對(duì)氫氣的需求不斷增加，同時(shí)另一方面，石化行業(yè)每天又排除大量的含氫氣體，由于沒(méi)有適當(dāng)?shù)姆椒ɑ厥掌渲械臍錃?，廢氣大部分組為燃料燒掉，浪費(fèi)了大量的氫氣資源。為了合理的利用資源，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，最好辦法是選用合適的工藝技術(shù)加以回收利用。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)54氫氣分離(fēnlí)回收方法●深冷法●變壓吸附(xīfù)法（PSA）●膜法分離分離方法深冷法變壓吸附法膜法相對(duì)投資2～31.2～21操作壓力（MPa）7≥0.614回收氫氣的濃度（V％）98.598~99.9990~99氫氣回收率（V％）9580～8590～95操作彈性小小大操作方便性復(fù)雜一般非常好

氫氣分離方法的比較有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)55

H2O

快氣H2CO2 H2S

Ar、O2

N2、CH4

慢氣COC2H6 C3H8氫氣(qīnɡqì)膜分離技術(shù)的基本原理溶解擴(kuò)散解吸有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)56中空纖維(xiānwéi)膜的結(jié)構(gòu)

纖維承受最大壓差：10MPa

耐溫：100～150℃

最大工作(gōngzuò)壓力：16MPa有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)57中空纖維(xiānwéi)膜中空纖維(xiānwéi)膜分離器的芯件超細(xì)的中空纖維膜有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)58中孔纖維(xiānwéi)H2膜分離器有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)59

合成氨放空氣的氫回收(huíshōu)甲醇放空氣的氫回收石化行業(yè)煉廠氣的氫回收

加氫精制尾氣加氫裂化尾氣催化重整尾氣氫氣(qīnɡqì)膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)60合成氨放空氣合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏汉痛呋瘎┑淖饔孟潞铣砂?，由于受化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率只有1/3左右，為了提高回收率，反應(yīng)過(guò)程中必須把未反應(yīng)的氣體(qìtǐ)進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)過(guò)程中，一些不參與反應(yīng)的惰性氣體(qìtǐ)(Ar)會(huì)逐漸積累,從而降低了原料組分的分壓，使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低，為此要排放部分循環(huán)氣來(lái)降低惰性氣體含量。由于循環(huán)氣中H2含量高達(dá)50%左右，循環(huán)氣排放造成了大量氫氣的損失。如果能采用適當(dāng)方法對(duì)循環(huán)氣進(jìn)行處理，脫除其中惰性組分，回收H2和N2,并返回合成氨系統(tǒng)，可降低合成氨系統(tǒng)的能耗，并增產(chǎn)氨，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。3H2+N22NH3

催化劑有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)61流程(liúchéng)示意圖（合成氨放空氣）組分合成氨放空氣H250~60N215~20CH415~20Ar氣體壓力（MPa)10~30有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)62合成氨放空氣膜法氫回收(huíshōu)特點(diǎn)

回收的氫氣(qīnɡqì)濃度≥90~99％氫氣回收率≥90％增產(chǎn)氨3~4%

每噸氨節(jié)電50度提高合成效率，降低合成壓力2~5MPa

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)63甲醇(jiǎchún)放空氣的氫回收

甲醇是一種應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)化工原料,在化工、醫(yī)藥、輕紡等領(lǐng)域有著廣泛的用途,近年來(lái),我國(guó)甲醇生產(chǎn)發(fā)展迅速,也有著相當(dāng)良好(liánghǎo)的應(yīng)用前景。在合成甲醇時(shí)受化學(xué)平衡的限制,為使氫氣等有效組分保持較高的分壓，以利于提高甲醇的轉(zhuǎn)化率，需要不斷地排放部分循環(huán)氣,這部分氣體稱為吹除氣,其中有效氣體成分氫達(dá)50~60%左右。放空氣直接排放,浪費(fèi)資源,而且污染環(huán)境；部分廠家作為生活煤氣或作為燃料用于余熱回收。若能將其中的有效氣體成分氫加以回收利用,不但能提高合成甲醇的產(chǎn)量,還會(huì)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)64組分甲醇放空氣H250~60CH420~25CO5~10CO210~15氣體壓力(MPa)5~7H2+CO(CO2)CH3OH放空氣組成(zǔchénɡ)合成氣制甲醇(jiǎchún)有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)65膜回收流程(liúchéng)示意圖（甲醇放空氣）有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)66甲醇(jiǎchún)放空氣膜法氫回收特點(diǎn)：

回收的氫氣濃度≥90％氫氣回收率≥90％增產(chǎn)甲醇2~3%

節(jié)省(jiéshěng)原料氣（天然氣）23％

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)67石化行業(yè)煉廠氣的氫回收

加氫精制加氫裂化催化重整石化行業(yè)上述過(guò)程中都涉及到氫，這樣在工業(yè)尾氣中常含有(hányǒu)大量的氫和碳?xì)浠衔?，傳統(tǒng)方法是將尾氣作為加熱燃料使用，造成H2資源的巨大浪費(fèi)。組分加氫精制尾氣加氫裂化尾氣催化重整尾氣H280~8570~8060~70N2CH45~1015~2020~25C2H45~103~52~3C3H82~52~33~4C4+2~55~6氣體壓力（MPa)1.3~5.513~201~3

尾氣(wěiqì)組成有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)68流程(liúchéng)示意圖（加氫精制尾氣）反應(yīng)器循環(huán)(xúnhuán)氫壓縮機(jī)新氫壓縮機(jī)熱分離器冷分離器膜分離器尾氣新氫原料油H2濃度≥90％H2回收率≥90％有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)69流程(liúchéng)示意圖（加氫裂化尾氣）新氫低分高分反應(yīng)器新氫壓縮機(jī)循環(huán)(xúnhuán)氫壓縮機(jī)預(yù)處理單元加熱器膜分離器尾氣原料油H2濃度≥95％H2回收率≥90％有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)70流程(liúchéng)示意圖（催化重整尾氣）尾氣(wěiqì)產(chǎn)品氫原料油換熱器分離罐閃蒸罐反應(yīng)器循環(huán)氫壓縮機(jī)（用于油品加氫）H2濃度≥95％H2回收率≥90％有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)71煉廠氣氫回收特點(diǎn)：較高的氫氣濃度和回收率。利用原料氣的壓力作為推動(dòng)力，無(wú)動(dòng)力消耗。降低裝置生產(chǎn)負(fù)荷，減少了新氫的加入量。使重整反應(yīng)溫度降低3~5℃，節(jié)約(jiéyuē)大量燃料。

C5+液體收率提高3~4％，提高汽油產(chǎn)量。延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，并使其保持長(zhǎng)時(shí)間的高活性有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)72膜法氫氣分離的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有相變、能耗低占地面積小、操作簡(jiǎn)單氫氣回收率高無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)操作彈性(tánxìng)大經(jīng)濟(jì)效益顯著、投資回收期短膜法氫氣分離技術(shù)適用的工況條件原料氣氫氣濃度(nóngdù)：≥50％原料氣壓力：≥1MPa

原料氣的流量:102NM3/h~105NM3/h有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)73有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離膜法回收油氣

該工藝由三部分(bùfen)組成:壓縮/冷凝、吸收工藝；膜分離工藝；變壓吸附（PSA）工藝。該流程充分發(fā)揮了各種工藝的優(yōu)點(diǎn)。共一百七十八頁(yè)74有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離膜法燃料氣調(diào)節(jié)(tiáojié)過(guò)程

主要的特點(diǎn)(tèdiǎn)：

?

降低燃料氣露點(diǎn)30℃

?

除去70%以上的酸性氣體H2S、CO2

?

保證燃料氣的質(zhì)量，確保燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行共一百七十八頁(yè)75有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離膜法回收輕烴及露點(diǎn)(lùdiǎn)控制過(guò)程?

由于烴類和水份(shuǐfèn)的脫除，膜法處理后的天然氣的露點(diǎn)會(huì)降低20~40℃，可以滿足管輸天然氣的要求。?

對(duì)于那些已經(jīng)有冷凍裝置的系統(tǒng)，膜分離系統(tǒng)可以放到冷凍系統(tǒng)的前級(jí)，從而解決制冷裝置和透平膨脹裝置的瓶頸問(wèn)題。回收其中50~80%的輕烴，同時(shí)脫除70%以上的水份。

共一百七十八頁(yè)76有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離膜法分離(fēnlí)CO2

膜法分離CO2主要應(yīng)用在如下領(lǐng)域：

?

天然氣凈化處理，使其CO2含量達(dá)到管路輸送要求

?

油井注入CO2強(qiáng)化采油過(guò)程(guòchéng)，采用膜法分離油田氣中的CO2，

再將CO2注入油井驅(qū)油循環(huán)使用

?

與傳統(tǒng)的吸收過(guò)程耦合，優(yōu)化工藝典型的分離過(guò)程共一百七十八頁(yè)77有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離回收(huíshōu)電石法氯乙烯精餾尾氣中VCM

特點(diǎn)：

?

回收精餾(jīnɡliú)尾氣中95%的氯乙烯和85%的乙炔

?

大大降低吸附或者吸收裝置的處理負(fù)荷

?

每噸PVC的電石單耗下降30kg

?

可以省去尾氣冷凝器或者降低尾氣冷凝器的操作溫度

共一百七十八頁(yè)78齊化集團(tuán)氯乙烯廠8萬(wàn)噸VCM膜回收(huíshōu)裝置有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離共一百七十八頁(yè)79回收(huíshōu)聚合過(guò)程中未反應(yīng)的VCM有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離特點(diǎn)：

?

使VCM單耗下降(xiàjiàng)5~15kg

?

膜單元處理后的尾氣中VCM的濃度小于1%

?

降低傳統(tǒng)工藝的處理負(fù)荷

共一百七十八頁(yè)80回收乙烯(yǐxī)氧氯法過(guò)程中乙烯(yǐxī)和二氯乙烷有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離特點(diǎn)：

可以回收排放(páifànɡ)氣中85%的乙烯和98%的EDC單體

共一百七十八頁(yè)81煉廠氣中LPG的回收(huíshōu)

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離

在煉廠各裝置的放空氣中均含有重碳烴（C3+），通常作為燃料氣使用。若能回收其中C3+，其價(jià)值遠(yuǎn)高于將其作為燃料氣的價(jià)值。下列裝置中均含有重碳烴的放空氣。

PSA解析氣、吸收穩(wěn)定的放空氣（C3+含量3~20V%）、大氣柜的燃料氣（C3+含量20~30V%）、焦化(jiāohuà)瓦斯氣（C3+含量20~30V%）、加氫處理尾氣、加氫裂化尾氣、催化裂化氣等。共一百七十八頁(yè)82環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)過(guò)程(guòchéng)中乙烯回收

有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離主要(zhǔyào)特點(diǎn)：乙烯單體的回收率達(dá)到85%以上。采用甲烷致穩(wěn)時(shí)，在回收乙烯同時(shí)，可回收40~50%的甲烷共一百七十八頁(yè)83有機(jī)膜工業(yè)應(yīng)用—?dú)怏w分離吉化EO/EG裝置膜法乙烯回收系統(tǒng)

共一百七十八頁(yè)84無(wú)機(jī)(wújī)膜及無(wú)機(jī)(wújī)膜分離技術(shù)共一百七十八頁(yè)85無(wú)機(jī)(wújī)膜的定義

由無(wú)機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷(táocí)、多孔玻璃、沸石、炭、無(wú)機(jī)高分子材料制成的半透膜稱為無(wú)機(jī)膜。

無(wú)機(jī)膜的定義及分類共一百七十八頁(yè)86無(wú)機(jī)(wújī)膜的類型共一百七十八頁(yè)87無(wú)機(jī)(wújī)膜的的結(jié)構(gòu)多孔支撐層(孔徑1~15mm，厚度2mm)中間過(guò)渡(guòdù)層(孔徑0.1~1.5mm，厚度10~50mm)分離層(孔徑3~100nm，厚度0.5~30mm)分離層改性4321無(wú)機(jī)膜一般為復(fù)合非對(duì)稱結(jié)構(gòu):無(wú)機(jī)膜的結(jié)構(gòu)共一百七十八頁(yè)88無(wú)機(jī)(wújī)膜的特點(diǎn)無(wú)機(jī)膜具有聚合物分離膜所無(wú)法比擬的一些優(yōu)點(diǎn):化學(xué)穩(wěn)定性好,耐酸,耐堿,耐有機(jī)溶劑；機(jī)械強(qiáng)度大，擔(dān)載無(wú)機(jī)膜可承受幾十個(gè)大氣壓的外壓，并可反向沖洗；耐高溫，一般均可在400oC操作，最高可達(dá)800oC以上，可高溫水蒸汽消毒；抗微生物能力強(qiáng)，不與微生物發(fā)生作用，可以在生物工程及醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用(yìngyòng)；不易老化，使用壽命長(zhǎng)；無(wú)機(jī)膜的特點(diǎn)共一百七十八頁(yè)89

無(wú)機(jī)(wújī)膜的缺點(diǎn):高的滲透通量，抗污染；容易實(shí)現(xiàn)催化與電化學(xué)活性；孔徑分布窄，分離效率高，孔徑及孔徑分布易調(diào)節(jié)(tiáojié)和控制。無(wú)機(jī)材料脆性大，彈性?。幌鄬?duì)高的造價(jià)；高溫密封困難；無(wú)機(jī)膜的特點(diǎn)共一百七十八頁(yè)90無(wú)機(jī)(wújī)膜應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)機(jī)膜作為膜和膜過(guò)程的重要分支為當(dāng)代新型高效的共性技術(shù),成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分;在水資源、能源、環(huán)境、健康(jiànkāng)和傳統(tǒng)技術(shù)改造等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用；面向國(guó)家重大需求，實(shí)現(xiàn)國(guó)家發(fā)展多項(xiàng)戰(zhàn)略目標(biāo)，無(wú)機(jī)膜應(yīng)用主要在以下及方面無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域共一百七十八頁(yè)911.在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中將(zhōngjiàng)發(fā)揮關(guān)鍵作用我國(guó)能源(néngyuán)消費(fèi)結(jié)構(gòu)圖：能源結(jié)構(gòu)不合理，供求矛盾惡化。20%75%5%石油天然氣等

煤無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)92調(diào)整(tiáozhěng)措施天然氣資源充分利用我國(guó)已探明(tànmínɡ)天然氣資源為1.581012m3我國(guó)能源消耗結(jié)構(gòu)天然氣占2%21世紀(jì)中葉達(dá)40%利用天然氣需解決兩個(gè)問(wèn)題：1.天然氣凈化，脫出其中的H2O,H2S,CO2H2O

與CH4產(chǎn)生水合物(可燃冰)，天然氣管道輸送(西氣東輸)堵塞管道；H2S

管道、設(shè)備腐蝕、環(huán)境污染/CO2

熱值低無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)93

用無(wú)機(jī)(wújī)膜可脫除天然氣中的H2O，H2S，CO2CH4，C2H6H2S，CO2H2OH2OH2SCO2CH4，C2H6無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)94膜法與傳統(tǒng)(chuántǒng)方法比較傳統(tǒng)方法膜法設(shè)備龐大占地少投資高投資省運(yùn)行費(fèi)用大成本低海上天然氣開(kāi)采無(wú)法實(shí)現(xiàn)可用于海上天然氣開(kāi)采2.體積(tǐjī)能量密度低，(33.936MJ/m3，為汽油的22%)，運(yùn)輸困難，——低成本轉(zhuǎn)化成液體燃料(GasToLiquid)無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)95技術(shù)(jìshù)路線：天然氣(CH4)合成氣(H2O+CO)F-T合成(Fisher-ropsch)合成汽油占總成本60%CH4水蒸重整CH4透氧膜部分氧化(POM)缺點(diǎn)(quēdiǎn)：

液態(tài)油成本大于35美元/桶設(shè)備投資高操作成本高能耗大特點(diǎn)：

液態(tài)油成本20美元/桶節(jié)約成本25~50%

安全可靠能耗低ReactionsideMixedConductingMembranePartialOxidationCatalystCO+H2CO+H2

CH4+O2—2e-ReactionsideO2richsideO2richside2O2+-4e-O2CH4e-O2-e-O2-原理圖無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)96研究(yánjiū)現(xiàn)狀1994年美國(guó)能源部設(shè)巨資(1500萬(wàn)美元)進(jìn)行此項(xiàng)研究1998年美國(guó)將該項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)增加到8400萬(wàn)美元美國(guó)BP、Praxair等公司自籌8000萬(wàn)美元用于該項(xiàng)研究日本、歐共體高度重視，投入巨資開(kāi)展研究美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與Amoco公司合作利用混合導(dǎo)體透氧膜反應(yīng)器，以空氣為氧化劑，實(shí)現(xiàn)了甲烷部分氧化(POM)制合成氣，CH4轉(zhuǎn)化率98%，CO選擇性90%，穩(wěn)定(wěndìng)運(yùn)行1000小時(shí)無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)97美國(guó)WorcesterPolytechnicInstitute馬憶華教授，用La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-s鈣鈦礦透氧膜進(jìn)行了POM研究。我國(guó)高科發(fā)展(fāzhǎn)計(jì)劃(“863”)立項(xiàng)進(jìn)行了研究。

膜生物反應(yīng)器、膜滲透汽化技術(shù)制燃料乙醇技術(shù)路線原料醇液循環(huán)C2H5OH93%H2O7%CO2H2OC2H5OH99.8%膜生化反應(yīng)器NaA分子篩膜滲透蒸發(fā)器無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)98優(yōu)勢(shì)(yōushì)間歇發(fā)酵利用膜連續(xù)移走C2H5OH，使發(fā)酵過(guò)程(guòchéng)連續(xù)提高發(fā)酵效率，提高生產(chǎn)效率15~80倍

C2H5OH—H2O溶液由93%提純到99.8%

耗能：恒沸精餾技術(shù)5.768kJ/LNaA沸石膜滲透蒸發(fā)新技術(shù)0.54kJ/L

節(jié)能90%以上生產(chǎn)成本傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)+分離技術(shù) 3600元/t

膜生物反應(yīng)器+NaA膜分離新技術(shù)>3000元/t無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)99結(jié)論(jiélùn)2020年，我國(guó)燃料乙醇超過(guò)千萬(wàn)噸，采用膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵技術(shù)和滲透汽化提純乙醇技術(shù)相結(jié)合，對(duì)保障我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮具有(jùyǒu)重要的戰(zhàn)略意義。研究發(fā)展現(xiàn)狀日本MitsuiEngineering&ShipbuildingCo.,LTD建成工業(yè)化實(shí)驗(yàn)裝置，處理量1630kg/hNaA膜工業(yè)化實(shí)驗(yàn)裝置圖無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—能源共一百七十八頁(yè)1002.膜技術(shù)是解決我國(guó)缺水問(wèn)題(wèntí)的重要技術(shù)

我國(guó)嚴(yán)重缺水—資源型缺水、水質(zhì)型缺水，用膜法解決這一問(wèn)題的舉措膜反滲透海水淡化世界淡化水日產(chǎn)量3000萬(wàn)噸，世界人口1/50的地區(qū)靠淡化水生存和發(fā)展。沙特膜法海水淡化設(shè)備(shèbèi)能力為5.68萬(wàn)m3/年，含鹽量43700mg/m3，脫鹽率99.7%生產(chǎn)成本4~5元/噸我國(guó)“十五”計(jì)劃專項(xiàng)，總投資25億元人民幣建膜反滲透海水淡化裝置。無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)101膜生物反應(yīng)器處理生活(shēnghuó)廢水—中水回用傳統(tǒng)處理方法：膜法處理廢水北京目前平均水價(jià)2.9元/噸，陶瓷膜生化反應(yīng)器處理廢漿具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。生活廢水普通生化法(降解有機(jī)物)費(fèi)用0.7元/噸達(dá)標(biāo)排放(水資源浪費(fèi))生活廢水陶瓷膜生物反應(yīng)器降解費(fèi)用1.1元/噸中水回用無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)102膜技術(shù)解決我國(guó)水質(zhì)型缺水危機(jī)，提高飲用水水質(zhì)我國(guó)七億人飲用水大腸桿菌超標(biāo)1.7億人飲用有機(jī)物污染的水

解決的方法—陶瓷微濾、超濾膜凈化使之成合格的引用水：除去(chúqù)細(xì)菌除去有機(jī)物：苯、苯酚、氯仿等除去硫酸鹽、亞硝酸鹽除重金屬離子：Pd、Hg、Al、Fe、Mn等。無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)1030.2mm陶瓷膜處理地表水前后(qiánhòu)的水質(zhì)表水質(zhì)指標(biāo)原水凈化水

濁度/NTU100~1200.1~0.25

有機(jī)物含量/mg(O2)L-16.5~7.30.5Al/mgL-1270015Fe/mgL-1300040Mn/mgL-145>4

細(xì)菌(20oC,

37oC)>10000無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)104

研究應(yīng)用現(xiàn)狀

法國(guó)巴黎建成14萬(wàn)t/d納濾膜飲用水凈化裝置，為50萬(wàn)人提供生活(shēnghuó)用水英國(guó)倫敦建設(shè)了16萬(wàn)t/d的超濾膜裝置，為75萬(wàn)居民提供優(yōu)質(zhì)飲用水我國(guó)南京工業(yè)大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了活性炭纖維與陶瓷微濾膜相結(jié)合的裝置無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)105

膜面積3m2，膜孔徑0.2mm

苯、苯酚、氯仿去除率>95%

細(xì)菌(xìjūn)截留率>99.99%膜分離裝置(zhuāngzhì)圖無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—水資源共一百七十八頁(yè)1063.無(wú)機(jī)(wújī)膜技術(shù)是先進(jìn)的環(huán)境治理技術(shù)

環(huán)境污染破壞人類(rénlèi)的生存環(huán)境環(huán)境污染制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展廢棄物形態(tài)廢棄物種類膜技術(shù)適用性固體廢物

紙張、塑料、金屬等不適用液體廢水

懸浮物、乳化油等微濾(MF),超濾(UF)

溶解性成分，如三鹵甲烷、農(nóng)藥、重金屬離子、酸、堿、鹽等超濾(UF)電滲析(ED)納濾(NF)滲透汽化(PV)液膜(LM)反滲透(RO)廢液各種化學(xué)溶劑等氣體廢氣有機(jī)蒸汽、硫化物、氟利昂、二氧化碳?xì)怏w分離膜各種膜技術(shù)在三廢處理中的適用范圍無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)107

無(wú)機(jī)膜耐酸，耐堿，耐有機(jī)溶劑，在環(huán)保中應(yīng)用(yìngyòng)潛力很大。陶瓷膜錯(cuò)流處理含油廢水無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)108

陶瓷膜處理含油廢水主要有：乳化液廢水

來(lái)源：鋼鐵(gāngtiě)、機(jī)械、金屬切削、潤(rùn)滑過(guò)程成分：油脂、表面活性劑、懸浮雜質(zhì)

Villarroel等人用碳支撐體上涂ZrO2活性層膜，截留分子量300000dalton；處理效果：達(dá)歐洲標(biāo)準(zhǔn)—總有機(jī)碳小于5mg/L，懸浮固體含量小于10mg/L。油田采出水處理清洗液的處理食品工業(yè)含油廢水處理石油化工含油廢水處理無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)109

陶瓷膜處理(chǔlǐ)石化廠含油廢水處理(chǔlǐ)結(jié)果表

我校用自制(zìzhì)的陶瓷膜處理水中的汽油滲透率：0.1110-4~1.110-4m3

m-2

s-1

截留率：95%以上油含量/10-6膜孔徑/mm預(yù)處理方法膜通量/m3

m-2

h-1原料液透過(guò)液15~18<10.216010-6FeCl3+16010-6HCl1.25~1.5415~500<10.812010-6FeCl3+26010-6石灰0.3915~5050.05

無(wú)0.15~0.46無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)110

陶瓷膜處理非含油廢水

鈦白工業(yè)酸性酸水處理—回收偏鈦酸粒子紡織和造紙工業(yè)廢水處理—回收聚乙烯醇、染料、木素磺化鹽乳膠廢水處理—濃縮回收乳膠重金屬?gòu)U水處理—除去Cd、Cr、Ca、Pb、Hg、Ni、Zn等離子含焦粉廢水處理—除去不飽和烴、氰化物、硫化氫、硫氰化物、焦粉和其他(qítā)懸浮粒子。無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)111

無(wú)機(jī)膜廢氣處理

NaY、NaX分子篩膜脫除廢氣中的有機(jī)蒸汽原理：易凝聚、易吸附氣體(qìtǐ)在膜孔內(nèi)毛細(xì)凝聚，阻止N2、O2等不凝性氣體通過(guò)，達(dá)到分離的目的。膜層氮、氧氣體分子二氯乙烷氣體分子二氯乙烷液體真空汽化毛細(xì)凝聚膜分離二氯乙烷原理圖無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)112

無(wú)機(jī)膜催化(cuīhuà)分解有害氣體

CO2氣體膜催化分解為O2和CO

我國(guó)與美國(guó)科學(xué)家合作取得的成果

900oC下CO2熱分解

CO2轉(zhuǎn)化率10%

O2COCO2

支撐體層無(wú)機(jī)膜層CO2氣體膜催化(cuīhuà)分解為O2和CO原理圖無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)113H2S膜催化(cuīhuà)分解

H2S

H2+S

透氧膜純氧燃燒代替空氣(kōngqì)燃燒,減少NOx的產(chǎn)生。無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—環(huán)境治理共一百七十八頁(yè)114

采用的膜：ZSM-5，Silicate-1

載體(zàitǐ)：a-Al2O3，多孔不銹鋼兩種不同的膜催化模式膜催化(cuīhuà)與分離一體化反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)圖1234

出口入口密封管程膜管殼程4.無(wú)機(jī)膜技術(shù)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的高新技術(shù)

用沸石膜催化反應(yīng)器我校研究開(kāi)發(fā)了沸石膜乙苯催化脫氫制苯乙烯新技術(shù)無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—改造傳統(tǒng)工藝共一百七十八頁(yè)115

膜接觸吸收(xīshōu)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸收(xīshōu)過(guò)程吸收模塊原料氣乙烷/乙烯冷卻器加熱器泵膜解吸模塊滲透氣乙烯尾氣乙烷液體吸收劑乙烷/乙烯分離膜接觸系統(tǒng)無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—改造傳統(tǒng)工藝共一百七十八頁(yè)116

陶瓷膜超濾、微濾、納濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)業(yè)(醬油、醋、果汁、中藥)的澄清與除菌。

膜過(guò)濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)過(guò)濾

除去微小粒子、高分子蛋白質(zhì)安全、衛(wèi)生、連續(xù)(liánxù)生產(chǎn)膜濾菌代替高溫殺菌除去細(xì)菌類、菌類、醇酶菌省能，保持食品原味。無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用領(lǐng)域—改造傳統(tǒng)工藝共一百七十八頁(yè)117研究與應(yīng)用(yìngyòng)現(xiàn)狀無(wú)機(jī)膜研究膜傳質(zhì)機(jī)理材料合成制備應(yīng)用無(wú)機(jī)膜的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀共一百七十八頁(yè)118無(wú)機(jī)(wújī)膜材料研究

多樣性—滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用

早期開(kāi)發(fā)的無(wú)機(jī)膜材料：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅。近期開(kāi)發(fā)的無(wú)機(jī)膜材料：分子篩材料、復(fù)合膜材料、金屬膜材料、碳材料、固體氧化物電解質(zhì)膜材料。穩(wěn)定性—滿足惡劣環(huán)境(huánjìng)對(duì)膜的需要。經(jīng)濟(jì)性—開(kāi)發(fā)廉價(jià)的無(wú)機(jī)膜材料，提高與有機(jī)膜的競(jìng)爭(zhēng)力。無(wú)機(jī)膜的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀共一百七十八頁(yè)119

關(guān)鍵(guānjiàn)科學(xué)問(wèn)題

膜材料(cáiliào)的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程膜材料功能化、通量、分離因數(shù)膜結(jié)構(gòu)孔徑、孔隙率分子模擬建立結(jié)構(gòu)模型傳質(zhì)模型中引進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)膜材料制備膜材料設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)膜的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀共一百七十八頁(yè)120無(wú)機(jī)(wújī)膜的制備

目標(biāo)(mùbiāo)無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)121無(wú)機(jī)(wújī)膜制備方法

固態(tài)粒子燒結(jié)法a-Al2O3真空陳化粘度調(diào)節(jié)劑，分散劑，成孔劑懸濁液混合陳化成型干燥焙燒成品

主要用于陶瓷(táocí)載體膜的制備陶瓷載體管無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)122溶膠(róngjiāo)-凝膠法金屬醇鹽或金屬鹽水合物沉淀溶膠凝膠多孔無(wú)機(jī)膜溶膠凝膠溶液DCS路線大量水PMU路線少量水解膠涂膜結(jié)合涂膜干燥熱處理無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)123原位水熱合成(héchéng)法清樣水玻璃Al2(SO4)3H2ONaOH晶化洗滌、干燥NaA型分子篩膜攪拌支撐體無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)124晶種法支撐體(a)表面電荷吸附支撐體(b)晶種吸附支撐體(c)晶體增長(zhǎng)形成連續(xù)膜層無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)125載體微波(wēibō)合成法

特點(diǎn)：晶化時(shí)間短，NaA膜有3h縮短(suōduǎn)為15min

膜薄，降到4mm

滲透系數(shù)增加3~4倍仿生合成法

載體表面自組裝單層(Self-assembledmonolaySAM)，然后浸入分子篩合成液，在有機(jī)大分子調(diào)控下，在載體表面發(fā)生異向成核并生長(zhǎng)，形成分子篩膜。分子篩OSiOOO偶聯(lián)劑無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)126

關(guān)鍵(guānjiàn)科學(xué)問(wèn)題—膜的微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與控制方法

實(shí)際現(xiàn)象(xiànxiàng)

不同研究人員,相同條件制備的膜性能不一樣.同一研究人員,相同條件制備膜,不同批次的膜質(zhì)量不一樣.實(shí)驗(yàn)室制備的膜性能與工業(yè)化產(chǎn)品性能差別很大。

如：實(shí)驗(yàn)室片狀分子篩膜H2/N2分離系數(shù)達(dá)1000，放大到工業(yè)引用的管狀分子篩膜H2/N2分離系數(shù)趨于1。無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)127

存在問(wèn)題

對(duì)無(wú)機(jī)膜的生成機(jī)理(jīlǐ)缺乏深入了解，膜制備以經(jīng)驗(yàn)為主，達(dá)不到定量控制程度。

解決的方法在科學(xué)上將理論與實(shí)驗(yàn)研究和模型化方法相結(jié)合。研究相變熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)，建立復(fù)雜溶液相轉(zhuǎn)化理論。研究無(wú)機(jī)膜晶體的生長(zhǎng)機(jī)理和調(diào)控(diàokònɡ)方法。建立膜結(jié)構(gòu)參數(shù)與膜制備過(guò)程控制參數(shù)的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)膜的制備從目前以經(jīng)驗(yàn)為主向定量控制的轉(zhuǎn)變無(wú)機(jī)膜的制備共一百七十八頁(yè)128

我國(guó)無(wú)機(jī)(wújī)膜領(lǐng)域存在問(wèn)題重視工業(yè)化，忽視基礎(chǔ)創(chuàng)新膜材料基本依賴(yīlài)進(jìn)口—制約我國(guó)膜領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題無(wú)機(jī)膜載體的質(zhì)量滿足不了要求膜制備存在放大問(wèn)題。

科學(xué)問(wèn)題—應(yīng)用過(guò)程中膜功能演變

膜在應(yīng)用過(guò)程中其功能(通量和分離性能)隨時(shí)間不斷下降，壽命短，成本高。

解決方法：過(guò)程科學(xué)家通過(guò)過(guò)程工藝參數(shù)優(yōu)化而緩解膜功能下降材料科學(xué)家研究膜功能失效與膜結(jié)構(gòu)的演變的關(guān)系，研究結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定的膜材料。無(wú)機(jī)膜的研究存在的問(wèn)題共一百七十八頁(yè)129沸石分子篩膜共一百七十八頁(yè)130前景與展望

沸石膜具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其可應(yīng)用于苛刻的環(huán)境及有機(jī)膜不能應(yīng)用的領(lǐng)域。同時(shí)，依然面臨一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)

沸石膜的合成對(duì)載體要求高，載體的形狀、材質(zhì)(cáizhì)、表面的化學(xué)性質(zhì)及粗糙度、孔徑都影響膜的生長(zhǎng)及性能沸石膜合成中的模板劑價(jià)格昂貴膜及膜內(nèi)物質(zhì)的傳輸機(jī)理復(fù)雜，膜合成的重復(fù)性差沸石膜合成研究多集中在較成熟的幾種分子篩上，拓寬合成其他類型的沸石膜是今后面臨的重要課題。沸石膜應(yīng)用的前景與展望共一百七十八頁(yè)131沸石膜的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性沸石分子篩是指一系列具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)的水和硅鋁化合物，孔徑從0.3-3.0nm不等。沸石分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元為TO4（其中T代表Si,Al或Fe,Ti等），TO4再通過(guò)共用O相互連接組成不同的環(huán)而形成次級(jí)結(jié)構(gòu)單元。沸石晶體按孔道孔徑大小可分為小孔、中孔、大孔和超大孔分子篩。不同的孔結(jié)構(gòu)在晶體內(nèi)部形成一維、二維交叉、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而決定了分子篩獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，具有不同的酸性、親憎水性和催化性能。沸石分子篩已廣泛應(yīng)用于催化、吸附分離和離子交換等領(lǐng)域(lǐnɡyù)，尤其是在催化和氣體分離方面應(yīng)用甚廣沸石分子篩及膜的結(jié)構(gòu)與特性

沸石分子篩的特點(diǎn)共一百七十八頁(yè)132沸石分子篩膜的特點(diǎn)化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、堿及有機(jī)溶劑；機(jī)械強(qiáng)度大，擔(dān)載無(wú)機(jī)膜可承受幾十個(gè)大氣壓的外壓，并可反向沖洗；抗微生物能力強(qiáng)，不與微生物發(fā)生作用，可以在生物工程及醫(yī)學(xué)科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用；耐高溫，可在400oC下操作，最高可達(dá)800oC以上孔徑為分子水平(<0.8nm)且其孔徑均一，因而不同(bùtónɡ)分子可以通過(guò)分子篩擇型擴(kuò)散得到有效分離。內(nèi)表面的孔道和孔腔中的陽(yáng)離子可以交換，其外表面可以進(jìn)行選擇修飾，使沸石膜的孔徑、催化和吸附性能可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)催化和分離的精確控制。具有不同的親水/疏水性能沸石分子篩及膜的結(jié)構(gòu)與特性共一百七十八頁(yè)133

沸石分子篩膜的結(jié)構(gòu)沸石分子篩膜是由分子篩在載體上形成的連續(xù)的、具有一定(yīdìng)分離性能的膜。因?yàn)榉肿雍Y的基本單元不同，所形成的分子篩膜的結(jié)構(gòu)也不盡相同，以下三種類型的分子篩就是分別由8元環(huán)，10元環(huán)及12元環(huán)組成，所