1、膜分離過程課件第七章第七章 膜分離過程膜分離過程膜分離過程課件膜的應用膜海水淡化海水淡化工業廢水處理工業廢水處理城市廢水資源化城市廢水資源化天然氣天然氣生物質利用生物質利用能源能源水資源水資源傳統工業傳統工業生態環境除塵除塵COCO2 2 控制控制制制 藥藥食食 品品化工與石化化工與石化電電 子子冶冶 金金燃料電池燃料電池潔凈燃燒潔凈燃燒膜分離過程課件膜膜料液料液水水小分子小分子大分子大分子滲透液滲透液定義：定義：具有選擇性分離的功能具有選擇性分離的功能薄膜材料。薄膜材料。 “21“21世紀的多數工業中，世紀的多數工業中，膜技術扮演著戰略的角色膜技術扮演著戰略的角色”“誰掌握了膜技術，誰就誰掌

2、握了膜技術，誰就掌握了掌握了2121世紀的未來世紀的未來”膜的簡介膜分離過程課件 膜的發展歷史1748年Abble Nelkt 發現水能自然地擴散到裝有酒精的豬膀胱內，首次揭示了膜分離現象；1827年Dutrochet引入名詞滲透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超濾概念；1864年Traube成功研制了人類歷史上第一張人造膜（亞鐵氰化銅膜）1918年Zsigmondy提出了商品微濾膜的制備方法，并將其應用于微生物、微粒等方面的分離和富集；1950年W.Juda成功研制了第一張具有實用價值的離子交換膜；1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一張不對稱的醋酸纖維素反滲透

3、膜，導致了膜分離技術進入了實用和裝置的研制階段；1967年以后在美國、丹麥、日本等國出現了多家膜及其組件的生產廠家，逐漸開始了膜分離技術的規模應用。膜分離過程課件膜過程國家年代應用微濾超濾血液滲析電滲析反滲透超濾氣體分離膜蒸餾全蒸發德國德國荷蘭美國美國美國美國德國德國/荷蘭192019301950195519601960197919811982實驗室用（細菌過濾器）實驗室用人工腎脫鹽海水脫鹽大分子物質濃縮氫回收水溶液濃縮有機溶液脫水/荷蘭 19301950195 519601960197 9198 膜的發展歷史膜分離過程課件 我國1958年開始研究離子交換膜和電滲析，1966年開始研究RO、U

4、F、MF、液膜、氣體分離等膜分離過程應用與開發研究。80年代后期又陸續開展了滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾和膜反應等新膜過程的研究，并著手進行膜技術的推廣應用工作。 國內主要的膜研究和推廣單位：1）氣體分離：大連化學物理研究所（天邦膜公司）2）液體分離：杭州水處理技術中心（西斗門公司） 天津紡織工學院（膜天公司）3）無機膜：南京工業大學（久吾高科） 中國科技大學 膜的發展歷史膜分離過程課件膜的簡介 特征特征：具有選擇性分具有選擇性分離的功能薄膜材料，離的功能薄膜材料，以及以其為核心的裝以及以其為核心的裝置、過程、工藝的集置、過程、工藝的集成與應用成與應用濃縮液濃縮液進料液進料液滲透液滲透液膜分離過程

5、課件膜分離的特點膜分離的特點 操作在常溫下進行；操作在常溫下進行； 是物理過程，不需加入化學試劑；是物理過程，不需加入化學試劑； 不發生相變化（因而能耗較低）；不發生相變化（因而能耗較低）； 在很多情況下選擇性較高；在很多情況下選擇性較高； 濃縮和純化可在一個步驟內完成；濃縮和純化可在一個步驟內完成； 設備易放大，可以分批或連續操作。設備易放大，可以分批或連續操作。 因而在生物產品的處理中占有重要地位因而在生物產品的處理中占有重要地位膜分離過程課件 多孔膜與致密膜：多孔膜與致密膜：前者前者膜分離過程課件常見膜分離方法常見膜分離方法按分離粒子大小分類：按分離粒子大小分類：透析（透析（Dialys

6、isDialysis，DSDS）微濾（微濾（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超濾（超濾（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF）納濾（納濾（NanofiltrationNanofiltration，NFNF）反滲透（反滲透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）電滲析（電滲析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED） 滲透氣化（滲透氣化（PervaporationPervaporation，PVPV）膜分離過程課件截留分子量：截留分子量：微濾微濾 0.021

7、0m透析透析 3000 Dalton 幾萬幾萬Dalton超濾超濾 5010或或500050萬萬Dalton納濾納濾 2001000Dalton或或1nm反滲透反滲透 200Dalton膜分離過程課件膜分離法與物質大小（直徑）的關系膜分離法與物質大小（直徑）的關系RONFUFMFF膜分離過程課件膜元件 膜分離過程課件膜元件膜分離過程課件膜分離的形式膜分離的形式錯流過濾錯流過濾 終端過濾 污染嚴重污染嚴重錯流過濾污染輕污染輕膜過程的一些術語膜分離過程課件膜過程的一些術語 通量：在一定操作條件下，單位時間通過單位面積膜的體積流量。單位L/m2.h 選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。膜分離過程

8、課件 通量衰減系數m：由于過程的濃差極化、膜的壓密、膜污染等的影響，使得通量隨時間的變化膜過程的一些術語膜分離過程課件膜過程的一些術語 推動力： 1）對多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質推動力是膜兩側的壓力差。 膜壓降：P1-P2，是由于流體流動引起的。 2）對致密膜而言，推動力為膜兩側的化學勢之差。P1P2P3P（P1P2）/2P3膜分離過程課件膜過程的一些術語濃差極化：濃差極化：在膜分離過在膜分離過程中，一部分溶質被截程中，一部分溶質被截留，在膜表面及靠近膜留，在膜表面及靠近膜表面區域的濃度越來越表面區域的濃度越來越高，造成從膜表面到本高，造成從膜表面到本體溶液之間產生濃度梯體溶液之間產

9、生濃度梯度，這一現象稱為度，這一現象稱為“濃濃差極化差極化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 濃差 膜層 滲透側 極化層 極化層膜分離過程課件膜過程的一些術語 膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生滲透通量與分離特性的不可逆變化現象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內的阻塞，這與膜孔結構、膜表面的粗糙度、溶質的尺寸和形狀等有關。化學污染包括膜表面和膜孔內的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質的荷電性、親水性、溶解度等有關。 膜分離過程課件膜的用途 濃縮：目的產物以低濃度形

10、式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產物） 純化：除去雜質； 分離：將混合物分成兩種或多種目的產物； 反應促進：把化學反應或生化反應的產物連續取出，能提高反應速率或提高產品質量。膜分離過程課件膜的應用膜分離過程課件膜技術的工業應用工業領域工業領域應用舉例應用舉例金屬工藝金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒金屬回收；污染控制；富氧燃燒 紡織及制革工業紡織及制革工業余熱回收；藥劑回收；污染控制余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業造紙工業代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業食品及生化工業凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產品回收凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副

11、產品回收化學工業化學工業有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫藥及保健醫藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業國防工業艦艇淡水供應；戰地醫院污水凈化；低放射性水處理；野戰供水艦艇淡水供應；戰地醫院污水凈化；低放射性水處理；野戰供水膜分離過程課件膜技術用于生物質資源開發膜生物反應器技術取得間歇發酵可提高反應器效率膜生物反應器技術取得間歇發酵可

12、提高反應器效率15158080倍倍滲透汽化膜分離技術比傳統共沸蒸餾節能滲透汽化膜分離技術比傳統共沸蒸餾節能6060生產裝置總投資為傳統分離方法總投資的生產裝置總投資為傳統分離方法總投資的404080%80% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纖維素纖維素發酵發酵蒸餾蒸餾蒸餾蒸餾脫水脫水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜傳統過程傳統過程:發酵速發酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物

13、反應膜生物反應器：器：實現連實現連續生產，降續生產，降低操作成本低操作成本膜分離過程課件膜法海水淡化分離方法分離方法反滲透反滲透低溫多效低溫多效多級閃蒸多級閃蒸能耗能耗(kWh/m3)3.5710國家或地區國家或地區沙特沙特中國中國長海長海中國中國長島長島中國中國滄化滄化設備能力設備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗能耗kwh/m3754.52.75產水成本產水成本RMBRMB/m34.886.695.131.83反滲透淡化廠的能耗及產水成本反滲透淡化廠的能耗及產水成本 幾種分離方法能耗比較幾種分離方法能耗比

14、較膜分離過程課件膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000噸噸/日反滲透海水淡化裝置日反滲透海水淡化裝置膜分離過程課件膜法自來水廠巴黎瓦茲河梅巴黎瓦茲河梅里市里市1414萬立方萬立方米米/ /天的納濾天的納濾廠，每天為巴廠，每天為巴黎附近黎附近5050萬居萬居民提供民提供1414萬噸萬噸飲用水飲用水膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透 反滲透的特征： 高操作壓力：310MPa； 要求膜必須有高透水率，高脫鹽率； 耐一定的酸堿、耐微生物、耐壓密； 必須滿足工藝要求、性質穩定，能長期使用。 形狀：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜 主要膜材料：醋酸纖維素、芳香聚酰胺、聚砜膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透 一

15、般而言，無機鹽溶液的滲透壓很高，含1g/l氯化鈉的天然水，滲透壓為0.07MPa，含35g/l氯化鈉的海水，滲透壓為2.5MPa。 反滲透是以壓力差為推動力的分離操作，其功能是截留離子物質而僅透過溶劑。 反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質濃度增高，稱為濃縮液。膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透原理 半透膜半透膜純純水水鹽鹽水水純純水水鹽鹽水水純純水水鹽鹽水水h hP PA A、滲透、滲透B B、滲透平衡、滲透平衡C C、反滲透、反滲透滲透、平衡滲透、反滲透示意圖滲透、平衡滲透、反滲透示意圖膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透 滲透與反滲透的區

16、別：滲透與反滲透的區別： 滲透是水通過半透膜，從低溶質濃度一側到高溶質濃度一側，直到兩側的水的化學位達到平衡。而反滲透是在推動力作用下，溶劑（水）從高溶質濃度一側到低溶質濃度一側，克服的是滲透壓。 滲透壓的滲透壓的 計算：計算： 理想水溶液滲透壓RTCsi膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透分離機理數學模型 S.Sourirajan提出了優先吸附毛細管流動模型來解釋反滲透過程； 溶解擴散模型：把膜看成均質，都可通過，傳遞過程分為3步，根據溶劑和溶質在膜中的溶解度不同而分離膜分離過程課件 滲透通量公式 Jw=Kw（p ） Js=Ks（Cs Cs） 脫鹽率 例題膜分離過程課件膜組件 反滲透過程的經

17、濟性和應用性，取決于各種廉價的反滲透膜組件。 組件必須滿足：1）機械強度：必須承受高壓，及周期性的減壓與膜清洗；2）水力性能好：組件設計必須使膜的污染和濃差極化最小；3）經濟性：組件壽命必須長；4）制造費用低，易于替換。膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透反 滲 透 膜 組 件 的 一 般 特 性組 件 類 型特 性卷 式中 空 纖 維管 式板 框 式裝 填 密 度 （ m2/m3）800600070500供 料 速 度 (m 3/m 2.s)0.250.50.005150.250.5料 液 側 壓 力 降 （ psi）43851.44.328434385膜 污 染 趨 勢高高低中 等清 洗差

18、 好差最 好好料 液 過 濾 要 求10 25 m過 濾 5 10 m過 濾 不 需 要 過 濾10 25 m過 濾相 對 耗 費低低高高膜分離過程課件典型膜應用過程 反滲透大 型 卷 式 組 件 在 三 類 應 用 中 的 操 作 條 件應 用膜 種 類最大供料溫 度 /度PH范 圍允 許 氯 濃度 /ppm壓 力/psi醋 酸 纖 維 素454 70.22800海 水 淡 化復 合 膜452 110.1800醋 酸 纖 維 素403 70.22400苦 咸 水 淡 化復 合 膜452 110.1400醋 酸 纖 維 素403 70.22200生 產RO水復 合 膜403 100.1150膜

19、分離過程課件反滲透膜分離性能六條規律：1、離子電荷越大，脫除越容易2、對于堿金屬的鹵化物3、不能脫除的鹽類4、低分子量非電解質不易脫除5、有機物脫除順序6、分子量大于130的易脫除7、溫度升高滲透通量增大膜分離過程課件反滲透工藝1、一級一段連續式、一級一段連續式2、一級一段循環式、一級一段循環式3、一級多段連續式、一級多段連續式4、一級多段循環式、一級多段循環式5、多級式、多級式膜分離過程課件反滲透應用反滲透工業應用包括：反滲透工業應用包括：海水和苦咸水脫鹽制飲用水；海水和苦咸水脫鹽制飲用水；制備醫藥、化學工業中所需的超純水；制備醫藥、化學工業中所需的超純水；用于處理重金屬廢水用于處理重金屬廢水用于濃縮過程，用于濃縮過程，不會破壞生物活性，不會改變風味、香味。包括：食品工業中果汁、糖、包括：食