第九章膜分离过程课件.ppt

《第九章膜分离过程课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章膜分离过程课件.ppt（122页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第九章膜分离过程1第1页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 一、一、概述概述v膜分离膜分离 v用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量（包括用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量（包括压力差、浓度差、电位差等）或化学位差为推动力，压力差、浓度差、电位差等）或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，统称为膜分离法。纯和富集的方法，统称为膜分离法。v对于大多数膜分离过程对于大多数膜分离过程 （如超滤、反渗透等）的实质是小（如超滤、反渗透等）的实质是小分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子被阻

2、挡。分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子被阻挡。第2页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 概述概述 在化工单元操作中，常见的分离方法有在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、筛分、过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。等。然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。实用价值。第3页，此课件共122页哦

3、第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 概述概述膜分离过程的主要特点是：膜分离过程的主要特点是：以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程。膜分离过程的推动力有的推动力有浓度差、压力差和电位差浓度差、压力差和电位差等。膜分离过等。膜分离过程可概述为以下三种形式：程可概述为以下三种形式：渗析式膜分离渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。属

4、于渗析式膜分离的有属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析渗析和电渗析等；等；第4页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 概述概述 过滤式膜分离过滤式膜分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；等；液膜分离液膜分离 膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质溶质从料液

5、进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取受液相当于反萃取。第5页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 概述概述 膜分离技术是利用膜对混合物中各组分膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。和浓缩的新型分离技术。膜分离过程的共同优点是膜分离过程的共同优点是成本低、能耗成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质少、效率高、无污染并可回收有用物质。实践证明，膜分离作为一种分离技术往往实践证明，膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的。并且

6、膜技术还可以和常规是非常有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用，使技术投资更的分离方法结合起来使用，使技术投资更为经济。为经济。第6页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 概述概述 膜分离过程没有相的变化膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外渗透蒸发膜除外)，常温下，常温下即可操作；由于避免了高温操作，因此在食品、医药等即可操作；由于避免了高温操作，因此在食品、医药等行业使用具有独特的优点；行业使用具有独特的优点；膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。生物制品均可适用，并且不

7、产生二次污染。由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于化工、环化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化淡化等领域。等领域。第7页，此课件共122页哦二、膜分离的方法二、膜分离的方法v常见的膜分离过程有常见的膜分离过程有v1.1.微滤微滤(MF)(MF)v2.2.超滤超滤(UF)(UF)v3.3.

8、纳滤（纳滤（NFNF）v3.3.反渗透反渗透(RO)(RO)v4.4.渗析渗析(D)(D)v5.5.电渗析电渗析(ED)(ED)v6.6.气体分离气体分离(GS)(GS)v7.7.渗透汽化渗透汽化(PV)(PV)v8.8.乳化液膜乳化液膜(ELM)(ELM)等等第8页，此课件共122页哦图1 膜过滤与常规过滤的膜孔径范围第9页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 表表11 几种主要分离膜的分离过程几种主要分离膜的分离过程膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力差压力差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解物水、溶剂溶解物悬浮物颗粒

9、悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤压力差压力差分子特性大小形状分子特性大小形状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过胶体和超过截留分子量截留分子量的分子的分子非对称性膜非对称性膜纳滤纳滤压力差压力差离子大小及电荷离子大小及电荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散传递溶剂的扩散传递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜复非对称性膜复合膜合膜第10页，此课件共122页哦需去除物需去除物分子量（道尔顿）分子量（道尔顿）外形尺寸（外形尺寸（um）选用设备选用设备菌体菌体2-104MF UF胶体胶体10-103MF UF蛋白质蛋白

10、质5103-106UF多糖多糖104-106UF酶酶5103-106UF单糖单糖200-400NF RO有机酸有机酸100-500NF RO无机离子无机离子10-100第11页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散传递溶质的扩散传递低分子量物、离子低分子量物、离子溶剂溶剂非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质，非电解质，大分子物质大分子物质离子交换膜离子交换膜气体分离气体分离压力差压力差气体和蒸汽的

11、气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性气难渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜渗透蒸发渗透蒸发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或溶剂易渗溶质或溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜液膜分离液膜分离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质溶剂溶剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑液膜撑液膜续上表续上表第12页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 三、膜材料及膜的制备三、膜材料及膜的制备1 1 膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合用作分离膜的材料包

12、括广泛的天然的和人工合成的成的有机高分子材料有机高分子材料和和无机材料无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。的制备技术。第13页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 目前，实用的有机高分子膜材料有：目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯纤维素酯类、聚砜

13、类、聚酰胺类及其他材料类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约已有成百种以上的膜被制备出来，其中约4040多种已多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占膜占5353，聚砜膜占，聚砜膜占33.333.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.711.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2 2，可见纤维素酯类材料在膜材料中，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。第14页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 1.纤维素酯类膜材料纤维素酯类膜材料 醋酸纤维素醋酸纤维素是当

14、今最重要的膜材料之一。是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了改进其性能，可采用醋酸纤维素与硝发生水解。为了改进其性能，可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pHpH值适应范围较窄，值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机剂。不耐高温和某些有机溶剂或无机剂。因因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。此发展了

15、非纤维素酯类（合成高分子类）膜。第15页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 2.非纤维素酯类膜材料非纤维素酯类膜材料（1 1）非纤维素酯类膜材料的基本特性）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团；分子链中含有亲水性的极性基团；主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；高的抗压密性和耐热性；化学稳定性好；化学稳定性好；常用于制备分离膜的合成高分子材料有常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。等。第16页，此课件共122页哦第

16、九章第九章 膜分离过程膜分离过程（2）主要的非纤维素酯类膜材料主要的非纤维素酯类膜材料 （i i）聚砜类）聚砜类 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、NN甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。等。SOO第17页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，稳定性，强度也很高，pHpH值适应范围为值适应范围为1 11313，最高使用温度达，最高使用温度达120120，抗氧化性和抗氯抗氧化性和抗氯性都十分优良

17、。因此已成为重要的膜材料之性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。一。第18页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 （ii）聚酰胺类）聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龙，如尼龙4 4、尼龙、尼龙6666等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在的分离率在80809090之间，但透水率很低，仅之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm0.076 ml/cm2 2h h。以后发展了。以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它们，用它们制成的分离膜，制成的分离膜，pHpH适用范围为适用范围为3 311

18、 11，分离率可达，分离率可达99.599.5（对盐水），透水速率为（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm20.6 ml/cm2h h。长期。长期使用稳定性好。由于使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求膜对水中的游离氯有较高要求。第19页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 （iii）芳香杂环类）芳香杂环类 聚苯并咪唑类聚苯并咪唑类 聚苯并咪唑酮类聚苯并咪唑酮类 聚吡嗪酰胺类聚吡嗪酰胺类 聚酰亚胺类聚酰亚胺类 第20页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 （iv）离子性聚合物）离子性聚合物 离子性聚

19、合物可用于制备离子交换膜。与离子离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。酸型阳离子交换膜。磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离是最常用的两种离子聚合物膜。子聚合物膜。第21页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 膜的制备膜的制备1.1.分离膜制备工艺类型分离膜制备工艺类型

20、 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。能分离膜的重要保证。目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。第22页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 2.2.相转化制膜工艺相转化制膜工艺 相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥

21、发或相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L LS S型制膜法型制膜法。它是由加拿大人劳勃（。它是由加拿大人劳勃（S.LeobS.Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S.SourirajanS.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。酸纤维素膜。将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸流涎成薄层，然后

22、控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，其工艺框图可表示如下：其工艺框图可表示如下：第23页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图图42 LS法制备法制备分离膜工艺流程框图分离膜工艺流程框图第24页，此课件共122页哦第九章第九章膜分离过程膜分离过程 3.3.复合制膜工艺复合制膜工艺 由由L LS S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密

23、层。它的厚度约的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.250.251m1m，相当于总厚度的，相当于总厚度的1/1001/100左右。理论研究表明可左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L LS S法法制备表面层小于制备表面层小于0.1m0.1m的膜极为困难。为此，发展的膜极为困难。为此，发展了了复合制膜工艺复合制膜工艺，其方框图如图，其方框图如图4 43 3所示。所示。第25页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 多孔支持膜涂覆交联加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆复合膜形成超薄膜的溶液交联剂图图43 复合制膜工艺

24、流程框图复合制膜工艺流程框图第26页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 4 4 膜的保存膜的保存 分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pHpH值值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。膜的收缩主要发生冻会使膜膨胀

25、而破坏膜的结构。膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。第27页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 5 膜的结构膜的结构 膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜的分子态结构。膜结构的研究可以了解膜结构与性能的分子态结构

26、。膜结构的研究可以了解膜结构与性能的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。5.1 5.1 膜的形态膜的形态 用电镜或光学显微镜观察膜的截面和表面，可以用电镜或光学显微镜观察膜的截面和表面，可以了解膜的形态。下面仅对了解膜的形态。下面仅对MFMF膜、膜、UFUF膜和膜和RORO膜的形膜的形态作简单的讨论。态作简单的讨论。第28页，此课件共122页哦第九章第九章膜分离过程膜分离过程 5.2.5.2.微孔膜微孔膜具有开放式的网格结构具有开放式的网格结构 微孔膜具有开放式的网格结构，形成机理为：微孔膜具有开放式的网格结构，形成机理为：制膜液成膜后，溶剂首先从膜表

27、面开始蒸发，形成制膜液成膜后，溶剂首先从膜表面开始蒸发，形成表面层。表面层下面仍为制膜液。溶剂以气泡的形表面层。表面层下面仍为制膜液。溶剂以气泡的形式上升，升至表面时就形成大小不等的泡。这种泡式上升，升至表面时就形成大小不等的泡。这种泡随着溶剂的挥发而变形破裂，形成孔洞。此外，气随着溶剂的挥发而变形破裂，形成孔洞。此外，气泡也会由于种种原因在膜内部各种位置停留，并发泡也会由于种种原因在膜内部各种位置停留，并发生重叠，从而形成大小不等的网格。生重叠，从而形成大小不等的网格。开放式网格的孔径一般在开放式网格的孔径一般在0.10.11m1m之间，可以之间，可以让离子、分子等通过，但不能使微粒、胶体、

28、细菌让离子、分子等通过，但不能使微粒、胶体、细菌等通过。等通过。第29页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 2.反渗透膜和超过滤膜的双层与三层结构模型反渗透膜和超过滤膜的双层与三层结构模型 雷莱（雷莱（RileyRiley）首先研究了用）首先研究了用L LS S法制备的醋酸法制备的醋酸纤维素反渗透膜的结构。从电镜中可看到，醋酸纤纤维素反渗透膜的结构。从电镜中可看到，醋酸纤维反渗透膜具有不对称结构。与空气接触的一侧是维反渗透膜具有不对称结构。与空气接触的一侧是厚度约为厚度约为0.25m0.25m的表面层，占膜总厚度的极小部的表面层，占膜总厚度的极小部分（一般膜总厚度约分（一般

29、膜总厚度约100 m100 m）。表面没有物理孔）。表面没有物理孔洞，致密光滑。下部则为多孔结构，孔径为洞，致密光滑。下部则为多孔结构，孔径为0.4m0.4m左右。这种结构被称为左右。这种结构被称为双层结构模型双层结构模型。第30页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 吉顿斯（吉顿斯（GittemsGittems）对醋酸纤维素膜进了更精细）对醋酸纤维素膜进了更精细的观察，认为这类膜具有的观察，认为这类膜具有三层结构三层结构。最上层最上层是表面是表面活性层，致密而光滑，其中不存在大于活性层，致密而光滑，其中不存在大于10 nm10 nm的细的细孔。中间层称为孔。中间层称为过渡层

30、过渡层，具有大于，具有大于10 nm10 nm的细孔。的细孔。上层与中间层之间有十分明显的界限，中间层以下上层与中间层之间有十分明显的界限，中间层以下为为多孔层多孔层，具有，具有50 nm50 nm以上的孔。以上的孔。与模板接触的底部也存在细孔，与中间层大致相仿。上、与模板接触的底部也存在细孔，与中间层大致相仿。上、中两层的厚度与溶剂蒸发的时间、膜的透过性等均有十中两层的厚度与溶剂蒸发的时间、膜的透过性等均有十分密切的关系。分密切的关系。第31页，此课件共122页哦第四章第四章 膜分离过程膜分离过程 2 膜的结晶态膜的结晶态 舒尔茨（舒尔茨（SchultzSchultz）和艾生曼（）和艾生曼（

31、AsunmmanAsunmman）对）对醋酸纤维素膜的表面致密层的结晶形态作了研究，醋酸纤维素膜的表面致密层的结晶形态作了研究，提出了提出了球晶结构模型球晶结构模型。该模型认为，膜的表面层是。该模型认为，膜的表面层是由直径为由直径为18.8 nm18.8 nm的超微小球晶不规则地堆砌而成的超微小球晶不规则地堆砌而成的。球晶之间的三角形间隙，形成了细孔。他们计的。球晶之间的三角形间隙，形成了细孔。他们计算出三角形间隙的面积为算出三角形间隙的面积为14.3 nm14.3 nm2 2。若将细孔看成。若将细孔看成圆柱体，则可计算出圆柱体，则可计算出细孔的平均半径为细孔的平均半径为2.13 nm2.13

32、 nm；每每1 cm1 cm2 2膜表面含有膜表面含有6.56.5101011 11个细孔个细孔。用吸附法和气体。用吸附法和气体渗透法实验测得上述膜表面的孔半径为渗透法实验测得上述膜表面的孔半径为1.71.72.35 2.35 nmnm，可见理论与实验十分相符。，可见理论与实验十分相符。第32页，此课件共122页哦第九第九 章章 膜分离过程膜分离过程 对芳香族聚酰胺的研究表明，这类膜的表面致对芳香族聚酰胺的研究表明，这类膜的表面致密层不是由球晶、而是由半球状结晶子单元堆砌而密层不是由球晶、而是由半球状结晶子单元堆砌而成的。这种子单元被称为结晶小瘤（或称微胞）。成的。这种子单元被称为结晶小瘤（或

33、称微胞）。表面致密层的结晶小瘤由于受变形收缩力的作用，表面致密层的结晶小瘤由于受变形收缩力的作用，孔径变细。而下层的结晶小瘤因不受收缩力的影孔径变细。而下层的结晶小瘤因不受收缩力的影响，故孔径较大。响，故孔径较大。第33页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 4 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域 典型的膜分离技术有微孔过滤典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)(MF)、超滤、超滤(UF)(UF)、反渗透反渗透(RO)(RO)、纳滤、纳滤(NF)(NF)、渗析、渗析(D)(D)、电渗析、电渗析(ED)(ED)、液膜、液膜(LM)(LM)及渗透蒸发及渗透蒸发(PV

34、)(PV)等，下面分别介绍之。等，下面分别介绍之。4.1 4.1 微孔过滤技术微孔过滤技术1.1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤和微孔膜的特点 微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为静压差为推动力推动力，利用筛网状过滤介质膜的，利用筛网状过滤介质膜的“筛分筛分”作用进行分作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜微孔膜。第34页，此课件共122页哦第四章第四章膜分离过程膜分离过程 微孔膜是均匀的多孔薄膜，微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在厚度在9090150m150m左右，过滤粒径在左右，过滤粒径在0.0250.02510

35、m10m之间，操作压在之间，操作压在0.010.010.2MPa0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有膜约有1313类，总计类，总计400400多种。多种。微孔膜的主要优点为：微孔膜的主要优点为：孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为10107 7孔孔/cm/cm2 2，微孔体积占膜总体积的，微孔体积占膜总体积的70708080。由。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快于膜很薄，阻

36、力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；几十倍；第35页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在9090150m150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤液。微孔膜的缺点：微孔膜的缺点：颗粒容量较小，易被堵塞；颗粒容量较小，易被堵塞；使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工

37、作。常工作。第36页，此课件共122页哦第四章第四章 膜分离过程膜分离过程 2.2.微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1 1）微粒和细菌的过滤。）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。净化和除菌等。（2 2）微粒和细菌的检测。）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。第37页，此课件共

38、122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程（3 3）气体、溶液和水的净化。）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4 4）食糖与酒类的精制。）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期

39、。由于是常温操酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。作，不会使酒类产品变味。第38页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程（5 5）药物的除菌和除微粒。）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细

40、菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。第39页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 2 超滤技术超滤技术 1.1.超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于超滤技术始于 1861 1861 年，其年，其过滤粒径介于微滤和过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约反渗透之间，约5 510 nm10 nm，在，在 0.10

41、.10.5 MPa 0.5 MPa 的静压的静压差推动下截留各种可溶性大分子，差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于、酶等相对分子质量大于500500的大分子及胶体，形成的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。超滤技术的核心部件是超滤技术的核心部件是超滤膜超滤膜，分离截留的原理，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。和形

42、状决定膜的分离效率。第40页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构三层结构组成组成。即最上层的。即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度，致密而光滑，厚度为为0.10.11.5m1.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm10nm；中；中间的间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为1 110m10m；最下面的；最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度

43、为5050250m250m，具有具有50nm50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。活性层和过度层。第41页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 中空纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为0.50.52m2m。特点是。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通

44、量。的内表面积很大，能有效提高渗透通量。制备超滤膜的材料主要有制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH=3pH=38 8，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素超滤膜适用于pH=2pH=29 9，芳香聚酰胺超滤，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH=5pH=59 9，温度，温度0 04040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过膜的使用温度则可超过100100。第42页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜

45、分离过程 2.超滤膜技术应用领域超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛，在作为超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。等众多领域都发挥着重要作用。超滤技术主要用于含分子量超滤技术主要用于含分子量500500500,000500,000的微粒的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、

46、医药、生化等。主它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面。要可归纳为以下方面。第43页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程（1 1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。子工业超净水和医用无菌水等。（2 2）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1 12 2的涂料（高分子物质），

47、用超滤装置可分离出清的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。电泳涂装。（3 3）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。第44页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程（4 4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处

48、理的同时保持原有的色、香、味，操和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。作方便，成本较低。（5 5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（6 6）造纸厂的废水处理。）造纸厂的废水处理。第45页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 3 3 反渗透技术反渗透技术1.1.反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗

49、透分离物就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。法不可比拟的优势。第46页，此课件共122页哦第九章第九章 膜分离过程膜分离过程 渗透和反渗透的原理如图渗透和反渗透的原理如图4 44 4所示。如果用一所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔

50、开，水会自然地透过半透膜渗透从浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图称渗透（图4 44a4a）。这一过程的推动力是低浓度溶）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H H时，时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透