1、膜分离Membrane separation,Chapter 4,1. 膜技术概述1.1 基本概念膜（Membrane）是什么？有何特性？,膜，是指一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的部分，并能使这两部分之间产生传质作用。,膜的特性：1）性质各异、厚度不均；2）不管膜多薄，它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触；3）膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。,膜分离过程,以选择性透过膜为分离介质，膜两侧在一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的过程。通常膜
2、原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜有固相、液相和气相膜。,分离膜种类,1.2 膜分离技术发展简史1）高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。2）1861年，施密特首先提出了超过滤的概念。他提出用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。,3）50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。4）真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年
3、，米切利斯等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水-丙酮-溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜，美国Amicon公司首先将这种膜商品化。5）1967年，杜邦公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。,6）自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。）在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。年代气体分离膜的研制成功，使功
4、能膜的地位又得到了进一步提高。,）具有分离选择性的人造液膜是马丁在年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。）年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于年获得纯粹液膜的第一项专利。）年代初，卡斯勒又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。,膜过程的现状与发展趋势,D一透析；MF一微滤；UF一超滤；RO一反渗透；ED一电渗析；CR一控制释放；GS一气体分离；PV一渗透汽化；MD一膜蒸馏；LM一液膜；MR一膜反应器；NF一纳滤；GM一闸膜；AT一主动传递,1.3 膜的分类1）按膜的材料分
5、类,2）按膜的分离原理及适用范围分类,推动力可以是膜两侧的压力差、浓度差、电位差、温度差等。而压力推动的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤四种 。在压力的作用下，小分子通过膜，大分子和微粒等被截，其截留程度取决于膜结构。下面简单介绍下四种压力推动膜。,（A）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为210MPa；（B）纳滤膜孔径为25nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0.73 MPa；（C）超滤膜孔径为220nm，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为0.11 MPa；（D）微滤膜孔径为0.0510m，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为0.0
6、50.5 MPa。,反渗透、超过滤微粒过滤的比较,膜过程的分离范围,3）按膜的形态分类 按膜的形状分为平板膜（Flat Membrane）、管式膜（Tubular Membrane ）和中空纤维膜（Hollow Fiber Membrane ）三种。4）按膜的结构分类 按膜的结构分为对称膜和非对称膜（相转化膜、复合膜）。,1.4 膜过滤的基础理论 主要涵盖分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个概念。（A) 分离效率。对于溶液脱盐和某些高分子物质的脱除等可以用脱除率（截留率）R表示。,cw、cp分别为高压侧膜处溶液的界面浓度和膜的透过液浓度。,溶质的表观分离率cb、cp分别为主体溶液浓度和膜的透过
7、液浓度。分离系数,XA、YA分别为原料液（气）和透过液（气）中组分A的摩尔分数。,（B)渗透通量Jw：单位时间内通过单位膜面积的透过物质量。（C)通量衰减系数。膜的渗透通量因浓度极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减。Jt、J1为膜运转t小时和1 h后的透过速度；t为运转时间，m为衰减系数。,1.5 膜分离特点 （A）无需外加物质，可实现高纯度的分离；（B）过程不发生相变化，能耗较低；（C）在常温下进行，适合处理热敏性物料；（D）设备没有运动的部件，可靠性高，操作、维护方便。,1.6 膜分离过程的传递机理 物质透过膜的三种传递方式：被动传递、促进传递和主动传递。（A）被动传递：物质由高
8、化学位相侧向低化学位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、温度差等。,（B）促进传递：膜内有载体，在高化学位一侧，载体同被传递的物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递的化学物质释放，这种传递过程有很高的选择性。（C）主动传递：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放出能量，使被传递物质由低化学位一侧被传递到高化学位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度方向。主动传递尚未用于工业过程。,膜分离过程的机理 （A）筛分机理：膜的表面具有无数微孔，膜的孔径分布比较均一，大于膜孔径的分子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过膜达到分离的目的。 分离机理依据分子大小
9、的差异，如超滤、微滤过程。,（B）溶解一扩散机理 ：假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各自在浓度差或压力差造成的化学位差推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异影响着它们的通量大小。（C）孔流模型：流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流。,1.7 分离膜应具备四个基本条件（A）分离性三个要点 具有分离作用分离能力要适度。膜分离能力主要取决于膜材料的化学特性、膜的形态结构和操作条件。,（B）透过性 能够对被分离的混合物进行有选择的透过。不需要通过的物质透过速度要低，需要通过的物质透过速率要高。分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。工业上，透过量不能过低，否则经济上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。,
