1、Chapter 7 膜過濾F 膜過濾又稱膜分離方法，是以外界能量差為推動力，利用特殊的薄膜使溶液中的某一或某些組分選擇性透過，從而實(shí)現(xiàn)分離、分級、提純或富集的一類方法的統(tǒng)稱。F 根據(jù)膜的種類、功能和過程推動力的不同，常見的膜分離方法有滲析（Dialysis）、反滲透（Reverse Osmosis）、電滲析（Electrodialysis）、納濾（Nanofiltration）、超濾（Ultrafiltration）和微濾（Microfiltration）。F 原液：經(jīng)膜處理前的物料； 濃縮液：溶質(zhì)在其中被濃縮的部分溶液； 透過液：透過膜而使得濃度降低的部分溶液。7.1 滲析和電滲析用膜將不同

2、濃度的溶液隔開，溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)透過膜而擴(kuò)散到濃度低的一側(cè)，這一過程成為滲析，又稱擴(kuò)散滲析、濃差滲析。推動力：濃度差。 主要應(yīng)用：血液透析血漿分離酸回收堿回收(1)其他凈化過程7.1.1 滲析7.1.2 電滲析原理F 在直流電場的作用下，離子選擇性透過離子交換膜而遷移，從而使電解質(zhì)離子 自溶液中部分分離出來的過程稱為電滲析。7.1.3 電滲析膜F陽離子交換膜（Cation exchange membrane，CEM） 膜中存在帶酸性的離子交換基團(tuán)，固定離子帶負(fù)電荷，構(gòu)成強(qiáng)烈的負(fù)電場，只選擇性透過陽離子，幾乎不透過陰離子。如： 磺酸型膜（R-SO3H） （強(qiáng)酸性膜） 磷酸型膜（R-PO3H2）

3、 （中等酸性膜） 羧酸型膜（R-COOH） （弱酸性膜）F 陰離子交換膜（Anion Exchange Membrane，AEM） 膜中存在帶堿性的離子交換基團(tuán)，固定離子帶正電荷，構(gòu)成強(qiáng)烈的正電場，只選擇性透過陰離子，幾乎不透過陽離子。如： 季銨型膜 【 R-CH2N(CH3)3OH)】 （強(qiáng)堿性膜） 叔銨型膜 【 R-CH2NH(CH3)2OH)】 （中等堿性膜） 仲銨型膜 【 R-CH2NH2CH3OH)】 （弱堿性膜）離子交換膜的分類：根據(jù)組成的不同，離子交換膜可分為有網(wǎng)膜、無網(wǎng)膜和襯底膜三類：(1) 有網(wǎng)膜 這種膜由樹脂和網(wǎng)材相組成 網(wǎng)材相：無機(jī)網(wǎng)襯（玻璃纖維布、石棉網(wǎng)布等） 或合成網(wǎng)

4、材（滌綸、錦綸等） 樹脂相：離子交換樹脂（含活性交換基團(tuán)的主鏈高聚物或交換共聚物） 成膜添加劑：粘合劑、防老劑、抗氧化劑、填充劑、著色劑等(2) 無網(wǎng)膜 在膜組成上僅有樹脂部分，而沒有襯底和增強(qiáng)網(wǎng)，這種膜又稱完全均勻膜。往往是通過單體聚合或使用單體澆鑄在夾套中聚合成膜。它最大的特點(diǎn)是交換容量高，電化學(xué)性能好。(3) 襯底膜 以聚烯烴或其衍生物的薄膜為底材，通過化學(xué)法或輻照法使含浸的單體接枝聚合，再導(dǎo)入活性基而制成的離子交換膜屬于襯底膜。這種膜具有良好的電化學(xué)性能，但是尺寸穩(wěn)定性較差。7.1.4 電滲析特點(diǎn)與用途 主要特點(diǎn)：只對電解質(zhì)離子起選擇性遷移作用，對非電解質(zhì)不起作用；電滲析過程無物相變化

5、，能量消耗低；電滲析過程無需從外界添加任何物質(zhì)，可保證被分離物質(zhì)的純度；對進(jìn)水預(yù)處理要求低；無法除去有機(jī)物質(zhì)；脫鹽效率較低；設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對組裝工藝要求高。 主要應(yīng)用：從電解質(zhì)溶液中分離出部分離子，如海水、苦咸水淡化；工業(yè)用初級純水的制備；放射性廢水的處理等；把溶液中部分電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移到另一溶液中，使其濃度增高，如海水濃縮制鹽；化工產(chǎn)品的精制；工業(yè)廢液有用成分的回收等；從有機(jī)溶液中出去電解質(zhì)離子，如乳清脫鹽；糖類脫鹽等；(1) 電解質(zhì)溶液中同電性不同電荷離子的分離。7.1.5 影響電滲析的因素 電流密度 流速和壓力 濃縮倍數(shù) 進(jìn)、出水水質(zhì)(1)溫度7.2 反滲透(RO)7.2.1 反滲透原理F

6、 任何溶液都具有相應(yīng)的滲透壓，但只有半透膜才能表現(xiàn)出來。F Vant Hoff 滲透壓公式： F 反滲透過程滿足條件(1) 有一種高選擇性和高透過率的選擇性透過膜；(2) 操作壓力必須高于溶液的滲透壓。sCRTV7.2.2 反滲透膜和膜組件膜的性能決定著反滲透裝置的性能。一般來說，反滲透膜要具備以下條件：高的截留率和高的水通量；高的抗微生物的侵蝕性能；高的柔韌性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度；抗污染性能好，壽命長，適合pH范圍廣；運(yùn)行操作壓力低；制備簡單，便于工業(yè)化生產(chǎn)；致密性好，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，能在較高溫度下應(yīng)用；耐污染，可長期保持膜的性能。 反滲透組件是將膜組裝成能付諸于實(shí)際應(yīng)用的最小基本單元，是反滲透裝

7、置的核心組件。 根據(jù)膜的幾何形狀，至今商品化的組件主要有以下四種基本形式：板框式(PF),管式(T),卷式(SW),和中空纖維式(HF)。組件填充密度投資費(fèi)用操作費(fèi)用流動控制膜清洗PF400-600高低較好較難T25-50高高好易SW800-1000很低低較差較難HF8000-15000低低較差難7.2.3 反滲透組件的排列組合在膜分離工藝中常會遇到“段”與“級”的概念。所謂“段”是指膜組件的濃縮液（濃水）進(jìn)入下一組膜組件處理。所謂“級”，指膜組件的產(chǎn)品水（淡水）再經(jīng)泵到下一組膜組件處理。（1）一級一段連續(xù)式 回收率不高，在工業(yè)中較少采用。（2）一級一段循環(huán)式 使得原液中溶質(zhì)濃度升高，產(chǎn)水水質(zhì)

8、有所下降。 (3) 一級多段連續(xù)式適合大處理量的場合，它能得到高的水回收率。(4) 一級多段循環(huán)式能獲得高濃度的濃縮液。其中一級多段錐形排列見下圖，該方式可使反滲透裝置達(dá)到給定的回收率，且溶液流動狀態(tài)大致相同。(5) 膜組件的多級多段組合多級多段即提高了水的回收率又提高了產(chǎn)水的水質(zhì)。而且多級多段循環(huán)分離可降低操作壓力，設(shè)備要求較低，同時對膜的脫鹽性能要求也較低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。7.2.4 反滲透工藝參數(shù)（1）去除率常用作表示對溶質(zhì)的脫除效率，稱為去除率或截留率。（2）回收率表示透過液（產(chǎn)水）與原液流量之比。（3）膜的通量在一定的產(chǎn)水水質(zhì)條件下，單位面積的膜在單位時間內(nèi)透過的產(chǎn)水量，一般用J

9、表示，單位是L/(m2d）。（4）水通量衰減系數(shù)膜通量隨運(yùn)行時間變化關(guān)系。（5）鹽通量單位膜面積在單位時間內(nèi)透過的溶質(zhì)質(zhì)量，單位g/(m2d）。（6）工作壓力反滲透工作時在原液一側(cè)所施加的實(shí)際壓力，一般為理論滲透壓的3-10倍。%100fpfmCCCR%100fpQQY7.2.5 反滲透的應(yīng)用(1) 海水淡化反滲透技術(shù)是20世紀(jì)50年代為海水淡化提出來，現(xiàn)已成為海水淡化最經(jīng)濟(jì)的方法。用反滲透進(jìn)行海水淡化時，因其含鹽量高，除需特殊高脫鹽膜外，一般均需采用二級反滲透淡化。目前世界上最大反滲透廠是Du pont公司在Al Jubail建造的2105m3/d的淡化工廠，能耗約9.5kwh/m3。(2)

10、 苦咸水淡化反滲透雖為海水淡化提出，但最早卻用于苦咸水的淡化?？嘞趟}量一般比海水低很多，淡化成本也低。通常的反滲透膜組件大多可直接用于苦咸水的淡化，反滲透已經(jīng)稱為苦咸水淡化最經(jīng)濟(jì)的方式之一。(3) 純水和超純水生產(chǎn) 實(shí)驗(yàn)室純水和超純水系統(tǒng) 血液透析用純水系統(tǒng) 制劑用無菌、無熱原純水系統(tǒng) 電子工業(yè)超純水系統(tǒng) 中高壓鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng) 瓶裝飲用純凈水系統(tǒng)(4) 反滲透脫水濃縮 用于食品濃縮（如制糖過程中對清凈汁的濃縮；食品加工中對乳漿進(jìn)行濃縮） 發(fā)射性廢水的濃縮(5) 工業(yè)廢水處理 用于電鍍廢液、化工廢液、造紙廢液、醫(yī)藥廢液、礦業(yè)廢水、影印廢液以及生活廢水的處理。7.3 超濾和微濾7.3.1 超濾

11、（UF）超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離或者濃縮的膜透過法分離技術(shù)。超濾介于納濾和微濾之間，它的定義域?yàn)榻亓舴肿恿?00500000左右，相應(yīng)孔徑大小約201000。超濾如同篩濾，只允許溶劑和小于膜孔徑的溶質(zhì)透過，而阻止大于孔徑的溶質(zhì)透過。超濾的原理超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程。以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定壓力下，只允許水、無機(jī)鹽及小分子物質(zhì)透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠體、蛋白質(zhì)和微生物等大分子物質(zhì)通過，以達(dá)到溶液的凈化、分離與濃縮的目的。超濾過程的特點(diǎn)無相際間的變化，可在常溫及低壓力下進(jìn)行，耗能低，約為蒸發(fā)法和冷凍法的1/21/5；設(shè)備體積小，

12、結(jié)構(gòu)簡單，投資費(fèi)用低，建設(shè)周期快；超濾分離過程只是簡單加壓輸送流體，流程簡單，易于操作管理；物質(zhì)濃縮過程不發(fā)生質(zhì)的變化，適合于保味和熱敏性物質(zhì)的處理；適合稀溶液中微量貴重大分子的回收和低濃度大分子的濃縮；可將不同分子量的物質(zhì)分級分餾(1) 超濾膜為高分子聚合成的均勻連續(xù)體，可以保證超濾液的純凈。超濾的應(yīng)用超濾主要作用可歸結(jié)為凈化、分離、濃縮三大功能，主要應(yīng)用為：作為反滲透裝置的前處理設(shè)備。過濾大量懸浮物、微粒、膠體物質(zhì)和細(xì)菌、海藻等雜質(zhì)。天然水凈化。如自來水廠前處理，礦泉水的凈化等。無菌液體食品制造。過濾白酒、果啤、啤酒，凈化茶汁制備速溶茶。醫(yī)療醫(yī)藥方面應(yīng)用。如血液超濾凈化，注射液除熱原等。濃

13、縮。在食品、發(fā)酵工業(yè)中濃縮酶制劑、蛋白質(zhì)濃縮；在乳品工業(yè)中濃縮乳清回收乳清蛋白。(1)廢水處理。處理肉類加工廠廢水，從中提取蛋白質(zhì)，從豆制品工業(yè)廢水中回收蛋白質(zhì)等。7.3.2 微濾（MF）微濾是以靜壓差為推動力，利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的壓力驅(qū)動型膜過程。在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在濾面上。微濾膜由于空隙率大（約70-80%），因此阻力小，過濾速度較快。微濾的分離機(jī)理（1）膜表層截留 （a）機(jī)械截留作用 （b）物理作用或吸附截留作用 （c）架橋作用（2）膜內(nèi)部截留微濾的應(yīng)用領(lǐng)域：(1) 在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的應(yīng)用 包括各種清潔用水、注射用水和各類藥液及需要凈化的氣體、蒸汽等。(2) 在生物化學(xué)中的應(yīng)用 溶液的澄清、細(xì)胞與培養(yǎng)基的分離、酶活性測定等。(3) 在食品、飲料工業(yè)中的應(yīng)用 用于食品、飲料、酒類的過濾。(4) 在電子行業(yè)中的應(yīng)用 用于電子工業(yè)中氣體和液體的過濾。(5) 油田注水方面的應(yīng)用(6) 在民用保健方面應(yīng)用 用于飲用水處理、室內(nèi)空氣凈化等。7.4 膜的污染與改善措施膜污染的種類可逆膜污染濃差極化不可逆膜污染膜空隙的機(jī)械堵塞在膜處理過程中，由于膜的選擇性透過