第9章膜分离过程分析
膜分离技术简介PPT课件
• 在水处理领域，反渗透、微滤、超滤、纳滤等压力驱动膜分离过程的应用更为广泛。而与反渗透相比，超 滤由于操作压力低，能耗小等独特的优点在国外常常被用于替代常规处理或深度处理，并且其应用研究日 益受到广泛关注。
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膜材料及种类
• 用于分离膜的种类很多。 • 以高分子材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制成的聚合膜居多。
• 用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、 聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。
• 无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。
• 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化 学稳定性好，使用寿命长。
般是指固液分离或气液分离。 • ——膜分离过程将这一应用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分离。即以选择性
透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到 分离或提纯的目的。 • ——不同的膜分离过程中所用的膜具有一定的结构、材质和选择特性;被隔开的两相可 以是液态，也可以是气态;推动力可以是压力梯度、浓度梯度或电位梯度，所以不同的 膜分离过程的分离体系和适用范围也不同 。 • 膜分离有希望代替精馏。从国内情况看，实验室研制应用好，但转化为生产规模有难度。 尤其是膜的质量、膜的组装、密封等。
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膜技术的应用
• 膜的商业应用：
20C60S第一代膜技术，液体分离，微滤、超滤、反渗 透、电渗析。 20C70S，第二代膜技术，气体分离膜技术。 20C80S第三代膜技术，渗透汽化
06-膜分离过程
6.1.2. 膜过程分类
生物分离中最常用-超滤、微滤和反渗透
膜过程分类
粒径
0. 1 1 nm 10
病毒
100
1μ m
10
100
１ mm
小分子
蛋白质
乳胶
细菌 细胞 微粒
超细胶体微粒 反渗透 微滤
超滤
一般过滤
膜分离法与物质大小（直径）的关系
6.1.3. 分离膜
（一）分离膜性能
• ★物化稳定性-膜强度、耐受压力、温度、pH、对 有机溶剂及各种化学药品的耐受性-膜寿命 ★分离透过性-选择性、渗透通量、通量衰减系数 • ①选择性-可用截留率R表示
第六章
膜分离过程
Membrane Separation
膜分离现象普遍存在，膜分离技术应用广泛
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜 过程在工业上得到应用 30年代 微孔过滤——人造 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透（1960年Loeb和Sourirajan） 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现代 EDI技术——电渗析(ED)+离子交换（IE)
膜材料
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备、来源丰富 ④适合作反渗透膜 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 （1）温度范围广 （2）pH 范围广 （3）耐氯能力强 （4）孔径范围宽 （5) 操作压力低 （6）适合作超滤膜
（三）膜结构
• 对称膜，即膜截面的膜厚 方向上孔道结构或传递特 性均匀，传质阻力大，透 过通量低，容易污染，清 洗困难，微滤膜大多为对 称膜
（二）膜材料
膜材料 应用 特点 截盐能力强，使用温度 反渗透膜 醋酸纤维 和 pH 范围有限 微滤膜和超滤膜 天然高分子 再生纤维 微滤膜和透析膜
膜分离讲义
第九章膜分离第一节概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。
近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件,以及膜与分离物质间的作用有关。
根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表9-1所示。
①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。
例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
第二节电渗析一、电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阳膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。
电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。
当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。
阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。
但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。
从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。
原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。
（1）反离子的迁移因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离干交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。
膜分离PPT
功能
滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 水——溶盐分离 混合气体分离 水——溶盐分离
推动力
压力差~200kPa 压力差1000kPa 压力差0.5~2MPa 压力差1~10MPa 压力差0.1~10MPa 浓度差
膜分离机理
筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散筛分
大分子
纳滤
● ● ● ● ●● ■ ■
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
1、微滤和超滤
微滤和超滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离
过程。
在一定的压力作用下，当含有高分子溶质（A）和低分子溶 质（B）的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶 质（如无机盐）透过膜，成为渗透液被收集；大于膜孔的高分 子溶质（如有机胶体）则被膜截流而作为浓缩液回收。 超滤所用的膜为非对称性膜，表面的孔不规则，不均一， 很难确定孔径，故通常用它能截留的物质的分子量来定义膜孔 的大小。
反渗透膜 P
纯水
盐水
π
纯水 盐水
纯水
盐水
(a)渗透
(b)渗透平衡
(c)反渗透
反渗透原理示意图
0 在一定温度和压力下，设纯水的化学位为 （T , p1） ，则
盐溶液中水的化学位为
（T , p1） 0 (T , p1 ) RT ln a
式中，a为溶液中水的活度，纯水的a=1，而溶液中的 a一般小于1，即 RT ln a 0 ，故 (T , p1 ) 0 (T , p1 )
• 澄清果汁
• 屠宰动物血液成分回收 • 植物蛋白的回收
• 浓缩葡萄糖氧化酶、胰蛋白酶等
• 浓缩以基因工程菌生产的新物质（干扰素、生长激素等）
膜 分 离
第九章膜分离第一节概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术。
近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件,以及膜与分离物质间的作用有关。
根据膜的种类、功能和过程推动力的不同，各种膜分离法的特征和它们之间的区别如表9-1所示。
①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。
例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
第二节电渗析一、电渗析原理与过程电渗析是在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜只允许阳离子通过，阳膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。
电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。
当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。
阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。
但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。
从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。
原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。
在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次要过程，如下所述。
（1）反离子的迁移因为离子交换膜的选择性不可能达到100％，所以也有少量与离干交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。
膜分离技术PPT
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
膜分离过程
膜的定义——两相之间的不连续区间。
膜即“区间”不是通常的相界面，可为气相、液相和固相，可以均相或非均相、对称或非对称，荷电或中性。
膜的优点：过程一般较简单，费用低、效率较高、常温下操作。
第一节膜和膜分离过程的分类与特性一、膜的分类膜分离的实质——物质通过膜的传递速率不同而得到分离。
1、对称膜：膜的结构与方向无关，如具有不规则的孔结构，或者所有的孔具有确定的直径。
2、非对称膜：分离层（薄而致密）二多孔支撑层。
二层为同一种材料活性膜，孔径的大小和表皮的性质决定了分离特性，而厚度主要决定传递速度，该层必须朝向的原溶液。
优点：高传质速率（分层等）和良好的机械强度。
被脱除物附在表面，易于清除。
3、复合膜膜的性能：不仅决定于选择薄层，而且受微孔支撑活物、孔径、孔分布和多孔率的影响。
4、荷电膜：即离子交换膜，属于对称膜溶胀胶固定有正电荷可交换的为阴离子。
5、液膜，有关章节讨论。
6、微孔膜：孔径大小为0.05~20μm的膜7、动态膜：在多孔介质上（如陶瓷管）沉积一层颗粒物（如氯化铝）作为有选择作用的膜。
可在高温下应用，但膜很不稳定。
二、重要的膜分离过程（表9-1）1、渗透和透析（推动力—浓度差）渗透是由于浓度差→渗透压差→在膜的两旁引起溶剂向浓度高渗透压大的方向扩散。
工业上从纤维废液回收NaOH（人造毛或合成丝）。
透析是由于浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程，如肾衰病人肾透析二者的共同点：浓度差不断降低，推动力也不断减小。
2、反渗透和超滤（推动力—压力差）反渗透：在渗透实验装置的膜两侧造成一个压力差，1-8Mpa，并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩，这一现象就叫反渗透。
超滤：膜只阻挡大分子，在压力差推动下，水和盐等小分子透过。
微过滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，在压力差推动下0.1Mpa使不溶物浓缩（水和溶解物通过）图9-2，膜的孔径范围，反渗透小（水过），超滤较小（按粒经选择分离微粒和大分子）微过滤较大（不溶物截留，水和溶解物均过）。
膜分离过程中的Dean涡流及其作用分析
作者 [ 10]
表 2 螺旋管膜组件中流量、膜污染改善总结
T able 2 Summary of flux enhancement and membrane fouling in helical modules
关联式及 Re 数范围
通量、膜污染等性 能
J lim = 3. 9 ! 10- 8( v/ di) 0. 9 dc - 0. 25 ( 170< Re< 2 000)
离心力作用下, 流体在流经弯曲流道时将沿径 向向外运动, 为保持流体的连续性, 等量流体会由反 方向流入. 当流体所受离心力足够大时, 这种二次流 得到加强, 弯道中会出现规则分布的成对反向漩涡, 形成流体不稳态. 因而, 弯道中流体的流动将包括轴 向流动和径向的二次流动, 这种二次流动与轴向主
收稿日期: 2010 01 06; 修改稿收 到日期: 2010 04 02 基金项目: 国家自然科学基金( 20476096, 20776133) ; 浙江省重大科技计划资助项目( 2008C13014 2) 作者简介: 吴 景( 1983 ) , 男, 硕士研究生, 山东曲阜人, 从 事膜分离和 水科学技 术研究. * 通 讯联系 人, 0571 88320863,
D e 是表述二次流流动状态的重要参数, 这最早 出现在 Dean 对流体流动状态的分析研究中[ 10] :
De= Re
di dc
( 1)
式中, R e 为雷诺数, di 为管内径, dc 为螺旋直径.
由于缠绕式膜组件的特殊性, 螺旋半径并不真
正等于 dc/ 2, 需要引进有效螺旋直径和 螺距对 D e
E mail: g uoliang z@ zjut. edu. cn
第1期
练习_膜分离实验报告
1. 了解膜分离技术的原理和应用；2. 掌握膜分离实验的操作步骤；3. 分析实验结果，探讨膜分离技术在实际应用中的可行性。
二、实验原理膜分离技术是一种利用半透膜的选择透过性，对溶液中的组分进行分离、浓缩或提纯的方法。
根据膜孔径的大小，膜分离技术可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等。
本实验采用超滤膜进行实验，其孔径大小约为0.1-0.5微米。
实验过程中，溶液中的大分子物质被截留，而小分子物质则透过膜，从而达到分离的目的。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 模拟废水- 超滤膜- 滤瓶- 离心泵- 采样瓶- 实验试剂2. 实验仪器：- 超滤装置- 电子天平- pH计- 酒精灯- 恒温水浴锅- 移液管1. 准备实验材料：将模拟废水、超滤膜、滤瓶、离心泵、采样瓶等实验材料准备好。
2. 超滤膜预处理：将超滤膜浸泡在水中，用刷子轻轻刷洗，去除膜表面的杂质。
然后用蒸馏水冲洗干净，晾干备用。
3. 装配超滤装置：将滤瓶、离心泵、超滤膜等依次连接，确保连接处密封良好。
4. 实验操作：a. 将模拟废水通过离心泵泵入超滤装置，使废水在超滤膜表面形成压力差；b. 打开超滤装置，让废水通过超滤膜进行分离；c. 收集透过超滤膜的滤液，记录滤液体积。
5. 数据处理：a. 计算滤液浓度，分析超滤效果；b. 对比模拟废水和滤液，分析膜分离技术在废水处理中的应用前景。
五、实验结果与分析1. 实验结果：a. 滤液体积：根据实验记录，滤液体积为1000毫升；b. 滤液浓度：通过测定滤液中的污染物浓度，计算得出滤液浓度为50mg/L。
2. 结果分析：a. 超滤膜对模拟废水的处理效果较好，滤液体积较大，说明膜分离技术在废水处理中具有较高的可行性；b. 滤液浓度相对较低，说明膜分离技术可以有效去除废水中的污染物，具有良好的应用前景。
六、实验结论本实验通过膜分离技术对模拟废水进行处理，结果表明，膜分离技术在废水处理中具有较高的可行性。
在今后的实际应用中，可根据具体需求选择合适的膜分离技术，以实现废水的有效处理和资源化利用。