膜分离(组件)
膜分离技术综述
膜分离技术综述一膜分离技术是近三十多年来发展起来的高新技术，是多学科交*的产物，亦是化学工程学科发展新的增长点。
它与传统的分离方法比较，具有如下明显的优点：1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。
选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩；2.节能：多数膜分离过程在常温下*作，被分离物质不发生相变, 是一种低能耗，低成本的单元*作；3.过程简单、容易*作和控制；4.不污染环境。
由于这些优点、使膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。
目前，世界膜市场以每年递增14～30％速度发展，它不仅自身形成了每年约百亿美元的产值，而且有力地促进了社会、经济及科技的发展。
特别是，它的应用与节能、环境保护以及水资源的再生有密切的关系，因此在当今世界上能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世界各国的普遍重视，欧、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，已取得在此领域的领先地位。
我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973计划中均列为重点项目，给予支持。
关于发展膜分离技术的重要性，美国官方的文件说，“18世纪电器改变了整个工业过程，而20世纪膜技术改变了整个面貌”。
1987年日本东京召开的国际膜与膜过程会议上，曾将“21世纪的多数工业中膜过程所扮演的战略角色”列为专题进行深入讨论，与会的专家一致认为，膜技术将是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的高技术之一。
世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士、北美膜学会主席黎念之博士(我校化工系兼职教授)在1994年应邀访问我国时说“要想发展化工就必须发展膜技术”。
国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。
可见，发展膜分离技术对于学科建设和经济发展均具有重要而深远的意义。
膜分离技术
螺旋卷式膜组件2
工作：膜组件装进圆柱形压力容器，构
成一个螺旋卷式膜组件，原料从一端进 入组件，沿轴向流动，在驱动力作用下， 易透过也沿径向渗透通过膜至中心管， 另一端为渗余液。
应用：反渗透、超滤、气体分离。
螺旋卷式膜组件3
特点：
结构紧凑——单位体积内膜的有效面积大； 制作工艺相对简单； 安装、操作比较方便； 适合于低流速、低压操作； 对原料前处理要求高——膜一旦被污染，不 易清洗。
膜分离在制药工业中的应用2
内蒙古中润制药有限公司利用膜分离技 术回收6-APA结晶母液。
采用EA技术于常温常压下回收母液中的溶剂， 脱出溶剂的母液经纳滤膜浓缩，结晶重新获 得6-APA晶体。 通量比反渗透膜提高30%， 6-APA浓缩程度 也可提高一倍，大大降低了投资及运行成本。
膜分离在制药工业中的应用3
主要应用于超滤、微滤、反渗透、渗透 气化和电渗析。
圆管式膜组件1
在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上半 透膜而得到的圆管形分离膜。
下图所示，为膜刮制在多孔支撑管的内 侧，原料液被泵送至管内，渗透液经半 透膜后，通过多孔支撑管排出，浓缩液 从管子另一端排出。
能使滤液被渗透通过， 则需在支撑管和膜之间安装一层很薄的多孔 纤维网，帮助滤液向支撑管上的孔眼横向传 递，同时对膜提供必要的支撑作用。
特点：流动状态好；容易清洗；设备和
操作费用高；膜装填密度大。
用于：超滤、微滤和单级反渗透。
螺旋卷式膜组件1
由中间是多孔支撑材料，两边是膜的双 层结构装配而成。
其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一 个开放的边沿与一根多孔中心透过液收集管 连接，在膜袋外部的原料液侧再垫一层网眼 形间隔材料（隔网），也就是膜-多孔支撑 材料-膜-隔网依次叠合。绕中心透过液收集 管紧密地卷在一起，形成一个膜卷。
各类膜组件的性能比较及影响因素分析
各类膜组件的性能比较及影响因素分析膜组件是膜分离技术的核心部分，广泛应用于水处理、气体分离、电池等领域。
在不同应用中，不同类型的膜组件拥有独特的性能和功能。
本文将对各类膜组件的性能进行比较，并分析影响其性能的因素。
首先，我们来介绍一些常见的膜组件类型。
常见的膜组件包括反渗透（RO）膜、超滤（UF）膜、纳滤（NF）膜和微滤（MF）膜。
RO膜主要用于水处理领域，能够有效去除溶解性离子、大分子有机物和微生物。
UF膜用于从水中去除大分子有机物、胶体颗粒和浑浊物质。
NF膜的孔径介于RO膜和UF膜之间，用于除去溶解性离子、胶体和有机物。
MF膜的孔径最大，用于去除悬浮物、微生物和大颗粒。
各类膜组件的性能比较涉及到多个方面的考虑。
首先是截留率，即膜组件对目标物质的分离效率。
RO膜在水处理中具有很高的截留率，能够有效去除大部分离子和有机物。
UF和NF膜的截留率相对较低，但对大分子有机物的去除效果较好。
而MF膜主要用于去除悬浮物和微生物，截留率较低。
其次是通量，指的是单位时间内通过膜的物质量。
RO膜具有较低的通量，主要受限于膜孔径和分子尺寸。
UF、NF和MF膜的通量相对较高，可用于大量产水。
通量的提高可以通过增加工作压力、调整进料浓度和温度来实现。
膜选择还需考虑膜的稳定性和耐久性。
RO膜对氧化剂和酸碱性环境较为敏感，需要防止膜的破损和污垢堵塞。
而UF、NF和MF膜在使用过程中相对稳定，适用于较复杂的水质环境。
此外，膜的材料也会影响性能。
常见的膜材料有聚酯、聚醚、聚氨酯、聚丙烯等。
不同材料的膜具有不同的热稳定性、化学稳定性和机械强度。
选择适合应用环境的材料能够提高膜的性能和寿命。
在实际应用中，膜组件的性能受到多种因素的影响。
首先是进料水的水质。
水中的溶解物、悬浮物和微生物会影响膜的通量和寿命。
因此，在使用膜组件前，通常需要对进料水进行预处理，如过滤、调整酸碱度和添加抗菌剂。
其次是操作条件的影响。
膜组件的工作压力、温度和流速都会对性能产生影响。
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。
目录简介重要组成——膜工艺优点历史与现状发展简史现状应用领域微滤超滤纳滤反渗透其他技术特点微滤（MF）超滤（UF）纳滤（NF）反渗透（RO）工艺原理系统应用澄清纯化技术浓缩提纯技术行业应用制药行业食品行业染料化工和助剂淀粉糖品环保及水处理领域生物技术工艺流程操作：清洗：保存：膜系统图片展开简介重要组成——膜工艺优点历史与现状发展简史现状应用领域微滤超滤纳滤反渗透其他技术特点微滤（MF）超滤（UF）纳滤（NF）反渗透（RO）工艺原理系统应用澄清纯化技术浓缩提纯技术行业应用制药行业食品行业染料化工和助剂淀粉糖品环保及水处理领域生物技术工艺流程操作：清洗：保存：膜系统图片简介膜分离是在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，目前已广泛应用于食品、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。
重要组成——膜膜是具有选择性分离功能的材料。
利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。
它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。
膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。
有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
全面认识污水处理MBR处理工艺：结构、膜组件、应用及展望
全面认识污水处理MBR处理工艺：结构、膜组件、应用及展望所属行业: 水处理关键词：污水处理 MBR 膜生物反应器在污水处理，水资源再利用领域，MBR 又称膜生物反应器（MembraneBio-Reactor），是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术。
膜的种类繁多，按分离机理进行分类，有反应膜、离子交换膜、渗透膜等；按膜的性质分类，有天然膜(生物膜)和合成膜(有机膜和无机膜)；按膜的结构型式分类，有平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。
1工艺组成膜--生物反应器主要由膜分离组件及生物反应器两部分组成。
通常提到的膜--生物反应器实际上是三类反应器的总称：①曝气膜--生物反应器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ;②萃取膜--生物反应器(ExtractiveMembrane Bioreactor, EMBR);③固液分离型膜--生物反应器(Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor, SLSMBR, 简称 MBR)。
1曝气膜曝气膜--生物反应器(AMBR)最早见于Cote.P 等1988年报道，采用透气性致密膜(如硅橡胶膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( Bubble Point)情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。
该工艺的特点是提高了接触时间和传氧效率，有利于曝气工艺的控制，不受传统曝气中气泡大小和停留时间的因素的影响。
2萃取膜萃取膜--生物反应器，又称为EMBR(Extractive Membrane Bioreactor)。
因为高酸碱度或对生物有毒物质的存在，某些工业废水不宜采用与微生物直接接触的方法处理;当废水中含挥发性有毒物质时，若采用传统的好氧生物处理过程，污染物容易随曝气气流挥发，发生气提现象，不仅处理效果很不稳定，还会造成大气污染。
为了解决这些技术难题，英国学者Livingston研究开发了EMB。
化工单元操作任务五 膜分离技术
常规过滤(静态过滤)
• 2) 错流过滤(动态过滤)
• 原料液以切线方向流过膜表面。溶剂和小 于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大 于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面 形成一层污染层。与常规过滤不同的是， 料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积 在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被 带出微滤组件，使污染层不能无限增厚。
电性
非荷电膜、荷电膜
形状
平板膜、管式膜、中空纤维膜
制备方法 烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力 形成墨
分离体系 气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜
分离机理 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、 非选择性膜
分离过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗 析膜、渗透蒸发膜
• 2. 膜材料的性能
• （3）螺旋卷式膜组件
• 螺旋卷式膜组件如图c所示。将两张平板膜固定 在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路)，两端 密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为 料液流路)，卷绕在空心管上，空心管用于滤液 的回收。
• 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价 格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料 液时容易发生堵塞现象。
膜断面图
外压式膜组件结构 内压式膜组件结构
各种膜组件的优缺点
型式
优点
缺点
管式
易清洗，无死角适于处理 保留体积大，单位
含固体较多的料液，单根 体积中所含过滤面
管子可以调换
积较小，压降大
中空纤维式 保留体积小，单位体积中 所含过滤面积较大，可以 逆洗，操作压力较低，动 力消耗较低
料液需预处理，单 根纤维损坏时，需 调换整个膜件
对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤， 容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较少， 而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多，但 不容易清洗，多属于一次性使用。
第二章 第四节膜组件
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A cross-flow hollow fiber module used to obtain better flow distribution and reduce concentration polarization (the Tyobo Hollosep reverse osmosis module). Feed enters through the perforated central pipe and flows towards the module shell
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板框式膜组件特点
构造比较简单，且可单独更换膜片；
可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进 行性能检测；
流道的断面积可适当增大，压降较小，线速度可 达1~5m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞； 为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导 流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面 配置筛网等物。
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Horizontal DDS plate-and-frame ultrafiltration system. Courtesy of Alfa Laval Nakskov A/S, Naksvov, Denmark
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四. 膜组件形式之四——螺旋卷式
螺旋卷式(简称卷式)膜组件的结构是由中间为多孔 支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。 其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开 放的边沿与一根多孔中心产品水(液)收集管连接， 在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料 （隔网），也就是把膜~多孔支撑体~膜~原水侧隔 网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形 成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成 一个螺旋卷式膜组件。
化工单元操作任务五膜分离技术(共93张PPT)
(5)其他类聚合物膜 具体包括聚偏氟乙烯超滤膜和再 生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可高温消毒、耐一 般溶剂、耐游离氯等。
• (6)复合超滤膜 分别用不同材料制成致密层和 多孔支撑层，从而使两者达到最优化。
• (7)无机膜 通常具有非常好的化学稳定性，热稳定 性和机械稳定性，但使用有限。
• 5 超滤分离系统
• 降低供给水的混浊度 悬浮物和交替物质的去除 可溶性有机物的去除 微生物(细菌、藻类等)去 除 调整进水水质(供水温度、pH)。
• 2.超滤系统工艺流程
• 超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方式分 为循环式、连续式和部分循环连续式。按组件组合 排列形式分为一级一段、一级多段和多级等。
（1）间歇操作 闭式回路间歇操作
• 1 超滤的基本概念和分离范围
• 超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料液中 大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜孔的小溶 质粒子通过通过滤膜，从而实现分离的过程，其分 离机理一般认为是机械筛分原理
• 超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶质之间 的分离。其分离范围为相对分子质量500～1×106的大 分子物质和胶体物质，相对应粒子的直径为0.005～ 0.1µm。操作压力一般为0.1～0.5MPa。
• 4 超滤膜与膜材料
• (1)醋酸纤维素 这是研究最早的超滤膜，是利用 纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲的特点，来 制备反渗透和超滤膜。具有亲水性好、通量大、工 艺简单、成本低、无毒、操作范围窄、适用的pH范 围窄(3～6)、容易被生物将解等特点。
• (2)聚砜类超滤膜 具有化学稳定性优异、适 用的pH范围宽(1～13)、耐热性好、耐酸碱性好 、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制作超滤 膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。
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Asymmetric Membranes
Dense Layer Porous support Fiber Support
Pore size
Ceramic membrane pictures (CEM)
Membrane structure
• structure: – symmetric – asymmetric
Solute MW (kDa) Rejection (%)
Linear macromolecule
Selective membrane skin Porous support
Globular Protein
Linear polymer
Pepsin
Cytochrome C
Polydextran
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Fouling reduction/cleaning
• Membrane properties and module design • Optimum process conditions (low TMP) • Cleaning regime
–hydraulic cleaning (backwash, forward flush and airflush© )
Cross-flow filtration
• Advantages:
– turbulent flow – continuous concentrate discharge – control of cake-layer build-up
• Disadvantages:
– more complex process layout – high(er) energy consumption – high(er) investment cost
Take of a membrane
The photo of the produced membrane
Make sheets of it in a module
Make a module of it
More than one membraneSubmຫໍສະໝຸດ rge in a MBR tank
膜结构
RO, NF Skin
▪ Porous asymmetric
UF, MF Support
▪ Porous Symmetric
MF
Porous Symmetric Membranes
Nuclepore Membrane 核径迹成孔
Cellulose Membrane
Symmetric membrane
• 铸膜液制备：聚合物+有机溶剂(NMP, DMF, acetone等易与水互溶).
• 添加其它助剂 (pore-formers or nonsolvents).
• 凝固浴 （主要用水和其它聚合物不良溶剂 构成，通过相分离产生‘the pores’ 和‘the membrane body’)
NMP甲基吡咯烷酮 PES聚醚酚
Permeate
Flow IN
Concentrate Spacer
Membrane
Feed flow Permeate
Feed flow
Collection pipe
Residue flow
Feed spacer Membrane
Permeate flow
Membrane
Feed spacer
015-DWG-MW
Fouling of membranes
• Fouling
– Reversible fouling – Irreversible fouling
• Biofouling • Pore blocking • Scaling
foul
a. 1. 肮脏的,污浊的;2. 恶臭的;(食物) 腐败的;3. 邪恶的,可恶的;4. 下流的, 恶语咒骂的;5. (天气等)恶劣的;(风) 逆的;6. (比赛中)犯规的;7. (水管等) 堵塞的;8. (绳索等)被缠住的
ad. 1. 违反规则地;不正当地
n. 1. (比赛中)犯规[C][(+against/on)]
vt. 1. 弄脏;污染;玷污;2. 使堵塞;3. 缠 住;4. 碰撞
vi. 1. 腐败,腐烂;2. (管道等)堵塞 [(+up)];3. (比赛中)犯规;4. (绳索等) 缠结
Resistance Model
–chemical cleaning – relaxation
必需品 • PES聚合物 • NMP 溶剂 •水 • 玻璃片 • 刮膜器
Poly Sulfon (PS)
PS in NMP solution
glassplates
Cleaning glassplates important
Membrane
Filling the knife
knife (0,2 mm) with PS solution
• shapes:
– flat sheet
– tubular:
• tube
(d > 3 mm)
• capillary (0.5 < d < 3.0 mm)
• hollow fibre (d < 0.5 mm)
Module shapes
• Flat Sheet • Spiral Wound • Tubular • Hollow Fiber • Contained vs Submerged
膜制造及膜组件
membranes
膜过程的驱动力
压力驱动 - RO, NF，UF, MF 其它过程 -渗析（浓度差）电渗析（电位差）
压力驱动的膜过滤
进料
浓缩
membrane
膜
透过
• MF
• UF • NF • RO
孔尺寸减小 泵压力增加
实验室膜制备实例
• 高分子材料 (PAN, PES, CA, PVDF).
Fouling in NF/RO
Fouling behavior differs from UF/MF due to: • Lower fluxes and presence of smaller
molecules higher back-diffusion and in general no thick cake layer formation • Charged membrane surfaces (in general negative) adsorption of colloids and biological matter • Scaling (CaSO4, CaCO3)
Dead end Feed
Cross-flow
Feed
Retentate
Permeate
Permeate
Membrane filtration dead-end
Waste water
feed
Permeate
Membrane
Membrane filtration cross flow
concentrate
Reverse Osmose-installation
+/- various configurations
solid level
(fouling
resistance)
plate & frame
+
compactness energy consumption
-
0
price per m2
0
spiral wound
Cascade single pass system
Feed
Concentrate Retentate
Two-stage recirculation system
Permeate
Permeate
Feed pump Feed
Reciprcuumlaption
Stage 1
Concentrate Stage 2
• Porous vs Non Porous • Hydrophilic vs Hydrophobic • Polymeric vs Inorganic
Hydrophilic亲水 Hydrophobic疏水
Porous …………Non Porous Symmetric…… Asymmetric
▪ Dense (Non porous)
100
90
70
0
Cake layer formation
Flow direction
Driving force ∆p
Colloid/protein
Particle
Cake/ fouling layer
Membrane
Fouling in MF/UF
Decrease in flux due to: • Pore-plugging, adsorption and cake-layer formation • No concentration polarization of salts
You can make your own spiral wound module today!!!
• Two A4 papers • Cotton sheet A4 (if available) • Shears to cut • Glue for paper • Plastic tube with a slid (prefabricated)
-
+
+
++
(Є 25/m2)
tube
++
-
0/-
-
(Є 150/m2)
capillary