固体膜分离技术.ppt

固体膜分离技术,（超滤、纳滤、渗析、反渗透）,四种主要分离技术的比较,固体膜分离技术简介,膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。,膜分离的发现与发展,1748年 膜分离现象 19世纪60年代 第一张膜的产生 20世纪30年代 微孔渗透(Microfiltration) 20世纪40年代 渗析(Dialysis) 20世纪60年代 反渗透(Reverse Osmosis) 20世纪70年代 超滤(Ultrafuiltration),固体膜分离技术的原理,膜分离是指在外界能量或化学位差（压力差，浓度差等）形成的推动作用下，用天然或人工合成的具有选择性的半透膜对混合组分的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯，浓缩的方法。,膜分离技术的特点,优点,耗能少 常温操作，方便简单 适用范围广，适用性强,缺点,浓差极化 膜污染 预处理要求高,膜的分类,膜过程的分类,,超滤（UItrafiltration）,发展: 1748年，Schmidt用棉花胶膜或璐膜分滤溶液，发现当施加一定压力时，溶液（水）透过膜，而蛋白质、胶体等物质则被截留下来，其过滤精度远远超过滤纸，于是他提出超滤一语。 1896年，Martin制出了第一张人工超滤膜，其20世纪60年代，分子量级概念的提出，是现代超滤的开始，70年代和80年代是高速发展期，90年代以后开始趋于成熟。,超滤的原理,超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿(原子质量单位）、粒径大于10纳米的颗粒。 以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过，而大分子溶质则不能透过，留在膜的一边。,超滤膜具有选择性的主要因素：具有一定大小和形状的空的表层；聚合物的化学性质,超滤的特点,无相变 设备体积小 工艺流程简单 无质的变化，适于热敏性物质 适合稀溶液中微量贵重大分子的回收和低浓度大分子物质的浓缩 无杂质脱落,超滤膜,常用超滤膜是由一层非常薄的、具有一定孔径的多孔"皮肤层"（厚约0.1mm～1.0mm），和一层相对厚得多的（约1mm）更易通渗的、作为支撑用的"海绵层"组成的一种各向异性扩散膜。皮肤层决定了膜的选择性，而海绵层增加了机械强度。由于皮肤层非常薄，因此高效、通透性好、流量大，且不易被溶质阻塞而导致流速下降。 基本性能指标：水通量[cm3/(cm2·h)]；截留率（以百分率%表示）；化学物理稳定性（包括机械强度）等。,超滤膜污染,浓差极化 超滤膜污染 膜污染机理研究现状,浓差极化现象,在超滤过程中，由于被截留的杂质在膜表面上不断积累，会产生浓差极化现象，当膜面溶质浓度达到某一极限时即生成凝胶层，使膜的透水量急剧下降。而超滤法处理的液体多数是含有水溶性生物大分子、有机胶体、多糖及微生物等。这些物质极易粘附和沉积于膜表面上，造成严重的浓差极化和堵塞。 为了克服浓度极化现象，增加流速，通常可加大液体流量，加强湍流和加强搅拌。,超滤膜污染,可逆膜污染 不可逆膜污染,,研制抗污染膜的主要方法,膜材料改造,接枝 共聚 共混,膜表面改造,等离子体改性 辐照接枝 表面化学反应 表面活性剂改性,应用——净水器,配套设备：,超滤膜、增压泵、减压阀、物理清洗和化学清洗系统、消毒灭菌系统、自动化计量、监控和仪表,纳滤（Nanofiltration）,发展：与其他压力驱动型膜分离技术相比，纳滤出现较晚。可追溯到70年代末J.E. Cadotte的NS-3 0 0膜的研究。之后，纳滤发展得很快，膜组器于80年代中期商品化，而纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。,纳滤的原理,一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。 滤膜的分离机理为筛分和溶解扩散并存，但是纳滤膜本体带有电荷性，所以同时又具有电荷排斥效应。这使它在低压力下仍具有较高脱盐性能，可以有效地去除二价和多价离子、去除分子量大于200的各类物质，可部分去除单价离子和分子量低于200的物质。,纳滤膜的两大特征,1.对于液体中分子量为数百的有机小分子具有分离性能。 2.因为纳滤膜是荷电膜，能进行电性吸附。对于不同价态的阴离子存在道南效应。所以物料的荷电性，离子价数和浓度对膜的分离效应有很大影响。,纳滤技术的分离规律,纳滤的分离特性评判主要包括两个方面，一个是表观截留率(Robv％)，；另一个是膜通量Jv(L.m-2．h-1)[15]. 纳滤膜分离针对这两个特性，有以下的规律性： (1)截留的分子相对分子质量为200-1000，适于分子大小为1nm的溶解组分的分离； (2)对于多价阴离子具有高截留率，而对一、二价离子有良好的选择性； (3)对于阳离子，依H+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+的顺序，截留率递增,纳滤技术的分离规律,(4)对于阴离子，依NO3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-的顺序，截留率递增，而膜的表面带有负电荷，所以多价的阴离子因受到排斥而无法进入膜中，当浓度高时，可以发生屏蔽； (5)一般来说，浓度越高，膜的截留率越低，一是由于屏蔽作用；另一方面，破坏了平衡；,应用——工业废水处理,应用——纯水机,,,,渗透法（D）,由来：人们早就发现，一些动物膜，如膀胱膜、羊皮纸（又称工业羊皮纸，是一种半透明的包装纸，它主要供包装仪表、机器零件、化工药品等。）有分隔水溶液中某些溶解物质（溶质）的作用。而这，也正是渗透法最早的雏形。,,,指两种不同浓度的溶液隔以半透膜水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。 在膜渗析中,单位时间内透过膜的溶质分子数(通量) 与膜的面积和厚度、溶质的浓度梯度和扩散系数等因素有关。而扩散系数又由样品的粘度、温度、膜的孔径大小等因素决定。,渗透法原理,,渗透的影响因素,温度的影响： 温度升高会降低水的粘度,从而提高扩散系数,最终使得水通量增大但并不是越高越好,为水通量增大到一定程度后会加重浓差极化。 膜方位的影响： 根据具体应用选择合适的膜朝向,一般的在水纯化与脱盐的应用中,正渗透膜的朝向多为活性分离层面向原料液。,渗透的影响因素,流速的影响： 在运行时要采用错流的方式,提高流速,减小边界层的厚度,以削弱外浓差极化的影响。 原料液和汲取液的浓度的影响： 当原料液的浓度一定时,汲取液浓度增大,会使得渗透压差加大,从而提高水通量,但当浓度增大到一定值时,水通量会下降,这是因为浓度很高时,浓差极化会加剧。,应用—海水淡化,进料溶液0.5mol/LNaCl,驱动溶液为6mol/L铵盐,膜两侧的渗透压差高达 22.5MPa 膜通量 25 L/(m2·h ) 盐的截留率大于95% 通过适度加热(约 60℃),将铵盐分解成氨和 CO2并循环使用,剩余的液体就是稀盐水。该稀盐水蒸馏或膜蒸馏即可获得纯净水。 节能,废水与垃圾渗滤液的处理,垃圾渗滤液的处理,TDS达到100mg/L一下,也可用于污泥浓缩,总磷去除完全,氨氮总凯氏氮去除90% 膜通量 25 L/(m2·h ) 抗污能力很强,通过测定盐度确定受污染程度,膜材料的要求和发展趋势,(1)具有致密的皮层，对溶质有高截留率； (2)膜的皮层具有较好的亲水性，实现较高的水通量和水回收率，同时又能降低膜污染趋势； (3)膜的支撑层尽量薄，并且孔隙率尽量大，以便能减小内浓差极化； (4)具有较高的机械强度，实现较高的膜强度，增加膜寿命； (5)具有一定的耐酸、碱、盐等腐蚀的能力以便能够在较宽的 pH 值范围以及各种不同组成的溶液条件下正常运行。,反渗透的由来,海鸥嗉囊[sù náng]位置有一层薄膜，该薄膜构造非常精密，海鸥可利用这薄膜把海水过滤为可饮用的淡水，而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外，这是以后逆渗透法（Reverse Osmosis ，简称 R.O）的基本理论架构。,最早使用于美国太空人将尿液回收为纯水使用；医学界还以反渗透法的技术用来洗肾（血液透析）。,反渗透原理,在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。它的驱动力是外加的压力，分离所需的能量与溶液的浓度有关，盐溶液浓度越高产生同体积水越困难。,反渗透工作原理,反渗透机理模型： 1.优先吸附毛细孔模型：当水溶液与高分子多孔膜接触时，若膜的化学性质使膜对溶质负吸附，对水是优先的正吸附，则在膜与溶液界面上将形成一层被膜吸附的一定厚度的纯水层，它在外压作用下，将通过膜表面的毛细孔，从而可获取纯水。 2.溶解扩散模型：溶质和溶剂溶解于膜—在各自化学位差的推动下以分子扩散方式通过活性层—在膜的透过液侧表面解吸。,反渗透预处理的必要性,悬浮颗粒沉积在膜上—堵塞进水流道、增加摩擦阻力 -难溶盐超过饱和极限时沉积在膜面上形成结垢—膜污染—增加运行压力、水质下降,反渗透预处理,（1）加酸：降低浓水的pH从而可降低碳酸钙结垢的倾向 ps:低盐度苦咸水中碳酸钙含量较高，LSI指数 （2）加碱：二氧化硅和硼的脱除率在高pH下更高 （3）加脱氯剂：RO进水的游离氯要降低到0.05ppm以下才达到聚酰胺复合膜的要求 （4）加阻垢剂和分散剂：阻止结晶矿物盐的沉淀和结垢现象,反渗透工艺流程：,反渗透装置,反渗透在生活中的应用：海水淡化,四种膜分离技术的比较,,谢谢！,