1、20192019年年3 3月月膜分別技術簡介膜分別技術簡介目錄目錄l1 膜技術概述膜技術概述l2 膜分別安裝膜分別安裝l3 極化、污染景象和控制極化、污染景象和控制l4 典型的膜分別技術及運用領域典型的膜分別技術及運用領域l5 膜工程前沿技術膜工程前沿技術1 膜技術概述膜技術概述1.1 1.1 根本概念根本概念(Membrane)(Membrane)是什么？有何特性？是什么？有何特性？膜是具有選擇性分別功能的資料。膜是具有選擇性分別功能的資料。利用膜的選擇性分別實現料液的不同組分的分別、純化、濃縮的過利用膜的選擇性分別實現料液的不同組分的分別、純化、濃縮的過程稱作膜分別。它與傳統過濾的不同在于

2、，膜可以在分子級范圍內程稱作膜分別。它與傳統過濾的不同在于，膜可以在分子級范圍內進展分別，并且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加進展分別，并且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑。膜的孔徑普通為微米或納米級，根據其孔徑的不同或稱為助劑。膜的孔徑普通為微米或納米級，根據其孔徑的不同或稱為截留分子量，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反浸透膜截留分子量，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反浸透膜 等等等。等。 膜上游膜上游 膜膜 膜下游膜下游選擇性膜選擇性膜1.2 1.2 膜分別的優點膜分別的優點在常溫下進展在常溫下進展 有效成分損失極少，特別適用于熱敏性物質，如醫藥、果汁、

3、酶、有效成分損失極少，特別適用于熱敏性物質，如醫藥、果汁、酶、蛋白的分別與濃縮蛋白的分別與濃縮 無相態變化無相態變化 堅持原有的風味，能耗低，其費用約為蒸發濃縮或冷凍濃縮的堅持原有的風味，能耗低，其費用約為蒸發濃縮或冷凍濃縮的1/3-1/8 無化學變化無化學變化 典型的物理分別過程，不用化學試劑和添加劑，產品不受污染典型的物理分別過程，不用化學試劑和添加劑，產品不受污染 選擇性好選擇性好 可在分子級內進展物質分別，具有普遍濾材無法取代的杰出性能可在分子級內進展物質分別，具有普遍濾材無法取代的杰出性能 順應性強順應性強處置規模可大可小，可以延續也可以間隙進展，工藝簡單，操作方處置規模可大可小，可

4、以延續也可以間隙進展，工藝簡單，操作方便，易于自動化便，易于自動化 1.2 膜分別技術開展簡史膜分別技術開展簡史 膜在大自然中，特別是在生物體內是廣泛存在的，但我們人類對它的認識、膜在大自然中，特別是在生物體內是廣泛存在的，但我們人類對它的認識、利用、模擬直至如今人工合成的歷史過程卻是漫長而曲折的。我國膜科學技術的利用、模擬直至如今人工合成的歷史過程卻是漫長而曲折的。我國膜科學技術的開展是從開展是從1958年研討離子交換膜開場的。年研討離子交換膜開場的。60年代進入開創階段。年代進入開創階段。1965年著手反年著手反浸透的探求，浸透的探求，1967年開場的全國海水淡化會戰，大大促進了我國膜科技

5、的開展。年開場的全國海水淡化會戰，大大促進了我國膜科技的開展。70年代進入開發階段，微濾、電滲析、反浸透和超濾等各種膜和組器件都相繼年代進入開發階段，微濾、電滲析、反浸透和超濾等各種膜和組器件都相繼研討開發出來，研討開發出來，80年代跨入了推行運用階段。年代跨入了推行運用階段。80年代又是氣體分別和其他新膜年代又是氣體分別和其他新膜開發階段。開發階段。 1.3 膜的分類膜的分類a. 按膜的資料分類按膜的資料分類 類類 別別膜材料膜材料舉舉 例例纖維素酯類纖維素酯類纖維素衍生物類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素非纖維素酯類酯類聚砜類聚

6、砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰( (亞亞) )胺類胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等等聚酯、烯烴類聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟( (硅硅) )類類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等烷等其他其他殼聚糖，聚電解質等殼聚糖，聚電解質等b. 按膜的分別原理及適用范圍分類按膜的分別原理及適用范圍分類 根據分別膜的分別原理和推進力的不同，可將根據分別膜的分別原理和推進力的不同，可將其分為微孔膜、超越濾膜、反浸透膜

7、、納濾膜、滲其分為微孔膜、超越濾膜、反浸透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、浸透蒸發膜等。析膜、電滲析膜、浸透蒸發膜等。c. 按膜的形狀分類按膜的形狀分類 按膜的外形分為平板膜按膜的外形分為平板膜(Flat Membrane)、管式、管式膜膜(Tubular Membrane)和中空纖維膜和中空纖維膜(Hollow Fiber)。d. 按膜的構造分類按膜的構造分類 按膜的構造分為：按膜的構造分為： 對稱膜對稱膜(Symmetric Membrane) 非對稱膜非對稱膜(Asymmetric Membrane) 復合膜復合膜(Composite Membrane)1.4 膜分別過程的類型膜分別過程的

8、類型 分別膜的根本功能是從物質群中有選分別膜的根本功能是從物質群中有選擇地透過或保送特定的物質，如顆粒、分擇地透過或保送特定的物質，如顆粒、分子、離子等。或者說，物質的分別是經過子、離子等。或者說，物質的分別是經過膜的選擇性透過實現的。幾種主要的膜分膜的選擇性透過實現的。幾種主要的膜分別過程及其傳送機理如表別過程及其傳送機理如表2所示。所示。表表2 2 幾種主要分別膜的分別過程幾種主要分別膜的分別過程膜過程膜過程推動推動力力傳遞機理傳遞機理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力壓力差差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解水、溶劑溶解物物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾

9、壓力壓力差差分子特性大小形分子特性大小形狀狀水、溶劑小分水、溶劑小分子子膠體和超過膠體和超過截留分子量截留分子量的分子的分子非對稱性膜非對稱性膜納濾納濾壓力壓力差差離子大小及電荷離子大小及電荷水、一價離子、水、一價離子、多價離子多價離子有機物有機物復合膜復合膜反滲透反滲透壓力壓力差差溶劑的擴散傳遞溶劑的擴散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質、鹽溶質、鹽非對稱性膜非對稱性膜復合膜復合膜膜過程膜過程推動力推動力傳遞機理傳遞機理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差溶質的擴散傳溶質的擴散傳遞遞低分子量物、離低分子量物、離子子溶劑溶劑非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質離子的電解

10、質離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質離子電解質離子非電解質，非電解質，大分子物質大分子物質離子交換膜離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴散滲透擴散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性氣難滲透性氣體或蒸汽體或蒸汽均相膜、復均相膜、復合膜，非對合膜，非對稱膜稱膜滲透蒸發滲透蒸發壓力差壓力差選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質或溶劑易滲溶質或溶劑難滲透性溶難滲透性溶質或溶劑質或溶劑均相膜、復均相膜、復合膜，非對合膜，非對稱膜稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應促進和反應促進和擴散傳遞擴散傳遞雜質雜質溶劑溶劑乳狀液膜、乳狀液膜、支撐液膜支撐液膜續上表續上表1.5 膜資料膜資料 用作分別膜的資料包

11、括廣泛的天然的和人工合成的有機高分子資料和無機資料。 原那么上講，凡能成膜的高分子資料和無機資料均可用于制備分別膜。但實踐上，真正成為工業化膜的膜資料并不多。這主要決議于膜的一些特定要求，如分別效率、分別速度等。此外，也取決于膜的制備技術。 目前，適用的有機高分子膜資料有：纖維素酯目前，適用的有機高分子膜資料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他資料。從種類來說，類、聚砜類、聚酰胺類及其他資料。從種類來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業和實驗室中。據粗略統計，纖維素酯類被用于工業和實驗室中。據粗略統計，纖維素酯類膜占膜占53，

12、聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他資料的膜占他資料的膜占2，可見纖維素酯類資料在膜資料中，可見纖維素酯類資料在膜資料中占主要位置。占主要位置。a. 纖維素酯類膜資料纖維素酯類膜資料 纖維素是由幾千個椅式構型的葡萄糖基經過纖維素是由幾千個椅式構型的葡萄糖基經過1, 4甙鏈銜接起來的天然線性高分子化合物，甙鏈銜接起來的天然線性高分子化合物，其構造式為：其構造式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 從構造上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。從構造上看，

13、每個葡萄糖單元上有三個羥基。在催化劑如硫酸、高氯酸或氧化鋅存在下，能在催化劑如硫酸、高氯酸或氧化鋅存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進展酯化反響，得到二醋酸纖維與冰醋酸、醋酸酐進展酯化反響，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。素或三醋酸纖維素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 醋酸纖維素是當今最重要的膜資料之一。醋酸纖維素是當今最重要的膜資料之一。 醋酸醋酸纖維素性能穩定，但在高溫暖酸、堿存在下易發生纖維素性能穩定，但在高溫暖酸、堿存在下易發生水解。水解。 纖維

14、素醋類資料易受微生物侵蝕，纖維素醋類資料易受微生物侵蝕，pH值順應值順應范圍較窄，不耐高溫暖某些有機溶劑或無機溶劑。范圍較窄，不耐高溫暖某些有機溶劑或無機溶劑。因此開展了非纖維素酯類合成高分子類膜。因此開展了非纖維素酯類合成高分子類膜。醋酸纖維素膜的構造表示圖99表皮層，孔徑表皮層，孔徑8101010m過渡層，孔徑過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑100040001010m1%顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片b. 非纖維素酯類膜資料非纖維素酯類膜資料 常用于制備分別膜的合成高分子資料有聚常用于制備分別膜的合成高分子資料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環聚合物和離子聚合砜、聚酰胺、芳香雜

15、環聚合物和離子聚合物等。物等。 聚砜類樹脂具有良好的化學、熱學和水解穩定聚砜類樹脂具有良好的化學、熱學和水解穩定性，強度也很高，性，強度也很高，pH值順應范圍為值順應范圍為113，最高使，最高使用溫度達用溫度達120，抗氧化性和抗氯性都非常優良。因，抗氧化性和抗氯性都非常優良。因此已成為重要的膜資料之一。此已成為重要的膜資料之一。 早期運用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍早期運用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍4、尼龍、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產品對鹽水等制成的中空纖維膜。這類產品對鹽水的分別率在的分別率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076 ml/cm2h。 以

16、后開展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分別膜，以后開展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分別膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分別率可達，分別率可達99.5對鹽水，對鹽水，透水速率為透水速率為0.6 ml/cm2h。長期運用穩定性好。由。長期運用穩定性好。由于酰胺基團易與氯反響，故這種膜對水中的游離氯于酰胺基團易與氯反響，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。有較高要求。常見資料的最高允許運用溫度名稱名稱溫度溫度CA CA 聚酰胺聚酰胺 聚苯并咪唑聚苯并咪唑 聚苯并咪唑酮聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚磺化聚苯醚 磺化聚砜磺化聚砜 聚醚砜酮聚醚砜酮40 40 35 35 909070 70 70 70 120 1

17、20 160160l無機膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為無機膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為資料。從構造上可分為致密膜、多孔膜和復合非資料。從構造上可分為致密膜、多孔膜和復合非對稱修正膜三種。對稱修正膜三種。1.6 膜的保管膜的保管 分別膜的保管對其性能極為重要。主要應防止分別膜的保管對其性能極為重要。主要應防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發生在醋酸纖維素膜；微生物的破壞主要發生在醋酸纖維素膜； 而水解和冷凍破壞那么對任何膜都能夠發生。而水解和冷凍破壞那么對任何膜都能夠發生。溫度、溫度、pH值不適當和水中

18、游離氧的存在均會呵斥膜值不適當和水中游離氧的存在均會呵斥膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的構造。的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的構造。 膜的收縮主要發生在濕態保管時的失水。收縮膜的收縮主要發生在濕態保管時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴重變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴重時還會呵斥膜的破裂。當膜與高濃度溶液接觸時，時還會呵斥膜的破裂。當膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中分散而失水，也會呵由于膜中水分急劇地向溶液中分散而失水，也會呵斥膜的變形收縮。斥膜的變形收縮。2 膜分別安裝膜分別安裝將膜、固定膜的支撐資料、間隔物或管式外殼等組裝將膜、固定膜的支撐

19、資料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個單元稱為膜組件。膜組件的構造及型式取決成的一個單元稱為膜組件。膜組件的構造及型式取決于膜的外形于膜的外形, ,工業上運用的膜組件主要有中空纖維式、工業上運用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內壓式和外壓式兩種。維式組件也可以分為內壓式和外壓式兩種。 膜組件膜組件(Membrane Module)(Membrane Module)(1)、板框式、板框式(Plate-and-Frame)膜組件膜組件 板框式是最早運用的一種膜組件。其設計類似于板框式是最早運用的一

20、種膜組件。其設計類似于常規的板框過濾安裝常規的板框過濾安裝, 膜被放置在可墊有濾紙的多孔膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一同構成的料液兩塊多孔的支撐板疊壓在一同構成的料液流道空間流道空間,組成一個膜單元組成一個膜單元,單元與單元之間可并聯或單元與單元之間可并聯或串聯銜接。不同的板框式設計的主要差別在于料液流串聯銜接。不同的板框式設計的主要差別在于料液流道的構造上。道的構造上。(2)、管式、管式(Tubular)膜組件膜組件 管式膜組件有外壓式和內壓式兩種。對內壓式膜管式膜組件有外壓式和內壓式兩種。對內壓式膜組件組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內或用玻璃纖

21、維膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內或用玻璃纖維加強的塑料管內。加壓的料液流從管內流過加強的塑料管內。加壓的料液流從管內流過,透過膜的透過膜的浸透溶液在管外側被搜集。對外壓式膜組件浸透溶液在管外側被搜集。對外壓式膜組件,膜那么被膜那么被澆鑄在多孔支撐管外側面。加壓的料液流從管外側流澆鑄在多孔支撐管外側面。加壓的料液流從管外側流過過,浸透溶液那么由管外側浸透經過膜進入多孔支撐管浸透溶液那么由管外側浸透經過膜進入多孔支撐管內。無論是內壓式還是外壓式內。無論是內壓式還是外壓式,都可以根據需求設計成都可以根據需求設計成串聯或并聯安裝。串聯或并聯安裝。(3)、螺旋卷式、螺旋卷式(Spiral Wound)膜

22、組件膜組件 目前目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地運用于多種膜分螺旋卷式膜組件被廣泛地運用于多種膜分別過程。別過程。 膜、料液通道網、以及多孔的膜支撐體等經過適膜、料液通道網、以及多孔的膜支撐體等經過適當的方式被組合在一同當的方式被組合在一同,然后將其裝人能接受壓力的外然后將其裝人能接受壓力的外殼中制成膜組件。經過改動料液和過濾液流動通道的殼中制成膜組件。經過改動料液和過濾液流動通道的方式方式,這類膜組件的內部構造也可被設計成多種不同的這類膜組件的內部構造也可被設計成多種不同的方式。方式。(4)、中空纖維、中空纖維(Hollow Fiber)膜組件膜組件 中空纖維膜組件的最大特點是單位裝填膜面積比中

23、空纖維膜組件的最大特點是單位裝填膜面積比一切其他組件大一切其他組件大, 最高可到達最高可到達30000m2/m3。中空纖。中空纖維膜組件也分為外壓式和內壓式。將大量的中空纖維維膜組件也分為外壓式和內壓式。將大量的中空纖維安裝在一個管狀容器內安裝在一個管狀容器內,中空纖維的一端以環氧樹脂與中空纖維的一端以環氧樹脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流人端流人, 沿纖維外側平行于纖維束流動沿纖維外側平行于纖維束流動,透過液那么浸透過液那么浸透經過中空纖維壁進入內腔透經過中空纖維壁進入內腔,然后從纖維在環氧樹脂的然后從纖維在環氧樹脂的固封頭

24、的開端引出固封頭的開端引出,原液那么從膜組件的另一端流出。原液那么從膜組件的另一端流出。 各種膜組件的傳質特性和綜合性能的比較分別見下表。各種膜組件的傳質特性和綜合性能的比較分別見下表。3、 濃差極化、污染景象和控制濃差極化、污染景象和控制 在膜分別操作中，一切溶質均被透過液傳送到在膜分別操作中，一切溶質均被透過液傳送到膜外表上，不能完全透過膜的溶質遭到膜的截留作膜外表上，不能完全透過膜的溶質遭到膜的截留作用，在膜外表附近濃度升高。這種在膜外表附近濃用，在膜外表附近濃度升高。這種在膜外表附近濃度高于主體濃度的景象稱為濃度極化或濃差極化度高于主體濃度的景象稱為濃度極化或濃差極化(concentr

25、ation polarization)(concentration polarization)。濃差極化特性濃差極化特性 它是一個可逆過程。只需在膜運轉過程中產它是一個可逆過程。只需在膜運轉過程中產 生存在，停頓運轉，濃差極化逐漸消逝。生存在，停頓運轉，濃差極化逐漸消逝。 它與操作條件相關，可經過降低膜兩側壓差，它與操作條件相關，可經過降低膜兩側壓差，減小料液中溶質濃度，改善膜面流膂力學條件，減小料液中溶質濃度，改善膜面流膂力學條件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流量。來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流量。l膜外表附近濃度升高，增大了膜兩側的浸透膜外表附近濃度升高，增大了膜兩側的浸透壓差，使

26、有效壓差減小，透過通量降低。當壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當膜外表附近的濃度超越溶質的溶解度時，溶膜外表附近的濃度超越溶質的溶解度時，溶質會析出，構成凝膠層。當分別含有菌體、質會析出，構成凝膠層。當分別含有菌體、細胞或其他固構成分的料液時，也會在膜外細胞或其他固構成分的料液時，也會在膜外表構成凝膠層。這種景象稱為凝膠極化表構成凝膠層。這種景象稱為凝膠極化(gel (gel polarization)polarization) 膜分別過程中遇到的最大問題是膜污染膜分別過程中遇到的最大問題是膜污染(membrane fouling)(membrane fouling)，膜污染的主要緣由來，

27、膜污染的主要緣由來自以下幾個方面。自以下幾個方面。凝膠極化引起的凝膠層凝膠極化引起的凝膠層; ;溶質在膜外表的吸附層溶質在膜外表的吸附層; ;膜孔堵塞膜孔堵塞; ; 膜孔內的溶質吸附膜孔內的溶質吸附. .膜污染不僅呵斥透過通量的大幅度下降，膜污染不僅呵斥透過通量的大幅度下降，而且影響目的產物的回收率。為保證膜分而且影響目的產物的回收率。為保證膜分別操作高效穩定地進展，必需對膜進展定別操作高效穩定地進展，必需對膜進展定期清洗，除去膜外表及膜孔內的污染物，期清洗，除去膜外表及膜孔內的污染物，恢復膜的透過性能。恢復膜的透過性能。 膜的清洗普通選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、膜的清洗普通選用水、鹽溶液、稀

28、酸、稀堿、外表活性劑、絡合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗外表活性劑、絡合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗劑。詳細用何種清洗劑應根據膜的性質和污染物劑。詳細用何種清洗劑應根據膜的性質和污染物的性質而決議，運用的清洗劑要具有良好的去污的性質而決議，運用的清洗劑要具有良好的去污才干，同時又不能損害膜的過濾性能。才干，同時又不能損害膜的過濾性能。假設用清水清洗就恢復膜的透過性能，那么假設用清水清洗就恢復膜的透過性能，那么不需運用其他清洗劑。對于蛋白質的嚴重吸不需運用其他清洗劑。對于蛋白質的嚴重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶附所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白酶、如胃蛋白酶、胰蛋白酶等胰蛋白酶等)溶液清洗，效果較好

29、。溶液清洗，效果較好。l 清洗操作是膜分別過程不可短少的步驟，但清洗操作是呵斥膜分別過程本錢增高的重要緣由。因此，在采用有效的清洗操作的同時，得采取必要的措施防止或減輕膜污染。例如，選用高親水性膜或對膜進展適當的預處置(如聚砜膜用乙醇溶液浸泡)，均可緩解污染程度。l此外，對料液進展適當的預處置(如進展預過濾、調理pH值)，也可相當程度地減輕污染的發生。 如何防止膜污染以及開發高效節能的污染去除如何防止膜污染以及開發高效節能的污染去除技術是進一步普及膜分別技術的關鍵之一。研討闡技術是進一步普及膜分別技術的關鍵之一。研討闡明，膜分別過程存在臨界操作壓力，在臨界壓力以明，膜分別過程存在臨界操作壓力，

30、在臨界壓力以下進展膜分別操作，可長時間維持較高的透過通量。下進展膜分別操作，可長時間維持較高的透過通量。降低對清洗操作的依賴程度，提高膜分別效率。降低對清洗操作的依賴程度，提高膜分別效率。膜分別技術運用中需留意的幾個問題膜分別技術運用中需留意的幾個問題 膜資料的選擇膜資料的選擇 膜孔徑或截留分子量的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇 膜構造選擇膜構造選擇 組件構造選擇組件構造選擇 溶液溶液 pH pH 控制控制 溶液溫度影響溶液溫度影響溶質濃度，料液流速與壓力的控制溶質濃度，料液流速與壓力的控制膜過濾運用常識及本卷須知膜過濾運用常識及本卷須知典型的膜分別技術運用領域：典型的膜分別技術運用領域： 典型

31、的膜分別技術有微孔過濾典型的膜分別技術有微孔過濾(MF)、超濾、超濾(UF)、反浸透、反浸透(RO)、納濾、納濾(NF)、滲析、滲析(D)、電滲析電滲析(ED)、液膜、液膜(LM)及浸透蒸發及浸透蒸發( PV)等。等。NF 納濾4.1 超濾技術超濾技術1. 超濾和超濾膜的特點超濾和超濾膜的特點 超濾技術始于超濾技術始于 1861 年，其過濾粒徑介于微濾和年，其過濾粒徑介于微濾和反浸透之間，約反浸透之間，約510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的靜壓的靜壓差推進下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質差推進下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于、酶等相對分子質量大于50

32、0的大分子及膠體，構成的大分子及膠體，構成濃縮液，到達溶液的凈化、分別及濃縮目的。濃縮液，到達溶液的凈化、分別及濃縮目的。 超濾技術的中心部件是超濾膜，分別截留的原理超濾技術的中心部件是超濾膜，分別截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一同透過膜上的微為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一同透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒那么被截留。膜上微孔的尺孔，而大于孔徑的微粒那么被截留。膜上微孔的尺寸寸和外形決議膜的分別效率。和外形決議膜的分別效率。 超濾膜均為不對稱膜，方式有平板式、卷式、超濾膜均為不對稱膜，方式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。管式和中空纖維狀等。 超濾膜的構造普通由三層構造組成。超濾膜的

33、構造普通由三層構造組成。 即最上層的外表活性層，致密而光滑，厚度為即最上層的外表活性層，致密而光滑，厚度為0.11.5m，其中細孔孔徑普通小于，其中細孔孔徑普通小于10nm； 中間的過渡層，具有大于中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度普的細孔，厚度普通為通為110m； 最下面的支撐層，厚度為最下面的支撐層，厚度為50250m，具有，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的機械強度。 膜的分別性能主要取決于外表活性層和過度層。膜的分別性能主要取決于外表活性層和過度層。 中空纖維狀超濾膜的外徑為中空纖維狀超濾膜的外徑為0.

34、52m。特點是。特點是直徑小，強度高，不需求支撐構造，管內外能接受直徑小，強度高，不需求支撐構造，管內外能接受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內外表積很大，能有效提高浸透通量。的內外表積很大，能有效提高浸透通量。 制備超濾膜的資料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制備超濾膜的資料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的任務條件取決于膜的腈和醋酸纖維素等。超濾膜的任務條件取決于膜的材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH = 38，三醋，三醋酸纖維素超濾膜適用于酸纖維素超濾膜適用于pH = 29，芳香聚酰胺超濾

35、，芳香聚酰胺超濾膜適用于膜適用于pH = 59，溫度，溫度040，而聚醚砜超濾，而聚醚砜超濾膜的運用溫度那么可超越膜的運用溫度那么可超越100。超濾膜截留分子量確實定中空纖維超濾膜構造單單 內內 皮皮 層層雙雙 皮皮 層層4.2 反浸透技術反浸透技術1. 反浸透原理及反浸透膜的特點反浸透原理及反浸透膜的特點 浸透是自然界一種常見的景象。人類很早以前浸透是自然界一種常見的景象。人類很早以前就曾經自覺或不自覺地運用浸透或反浸透分別物就曾經自覺或不自覺地運用浸透或反浸透分別物質。目前，反浸透技術曾經開展成為一種普遍運用質。目前，反浸透技術曾經開展成為一種普遍運用的現代分別技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡

36、化、超的現代分別技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處置等方面，反浸透技術有其他方純水制備、廢水處置等方面，反浸透技術有其他方法不可比較的優勢。法不可比較的優勢。假設用一張只能透過水而不能透過溶質的半透假設用一張只能透過水而不能透過溶質的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會自然地透過半透膜浸透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷半透膜浸透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側遷移，這一景象稱浸透圖移，這一景象稱浸透圖a。這一過程的推進力是。這一過程的推進力是低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學低濃度溶液中水的化學位與高濃度溶液中水的化學

37、位之差，表現為水的浸透壓。位之差，表現為水的浸透壓。 隨著水的浸透，高濃度水溶液一側的液面升高，隨著水的浸透，高濃度水溶液一側的液面升高，壓力增大。當液面升高至壓力增大。當液面升高至H時，浸透到達平衡，兩時，浸透到達平衡，兩側的壓力差就稱為浸透壓圖側的壓力差就稱為浸透壓圖b。浸透過程到達。浸透過程到達平衡后，水不再有浸透，浸透通量為零。平衡后，水不再有浸透，浸透通量為零。 假設在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液假設在高濃度水溶液一側加壓，使高濃度水溶液側與低濃度水溶液側的壓差大于浸透壓，那么高濃側與低濃度水溶液側的壓差大于浸透壓，那么高濃度度水溶液中的水將經過半透膜流向低濃度水溶液側，水溶

38、液中的水將經過半透膜流向低濃度水溶液側，這一過程就稱為反浸透圖這一過程就稱為反浸透圖c。 反浸透技術所分別的物質的分子量普通小于反浸透技術所分別的物質的分子量普通小于500，操作壓力為操作壓力為 2100MPa。 用于實施反浸透操作的膜為反浸透膜。反浸透用于實施反浸透操作的膜為反浸透膜。反浸透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于膜大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶，可截留溶質分子。質分子。 制備反浸透膜的資料主要有醋酸纖維素、制備反浸透膜的資料主要有醋酸纖維素、芳香芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。醚酮

39、、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反浸透膜的分別機理至今尚有許多爭論，反浸透膜的分別機理至今尚有許多爭論，主要有主要有氫鍵實際、選擇吸附氫鍵實際、選擇吸附毛細管流動實際、溶毛細管流動實際、溶解分散解分散實際等。實際等。 普通來說，分別溶液中分子量低于普通來說，分別溶液中分子量低于500的低分子的低分子物質，應該采用反浸透膜；分別溶液中分子量大于物質，應該采用反浸透膜；分別溶液中分子量大于500的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而的大分子或極細的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分別溶液中的直徑分別溶液中的直徑0.110m的粒子應該選微孔膜。的粒子應該選微孔膜。 表表3 3 反浸透、超濾和微孔過濾技術的

40、原反浸透、超濾和微孔過濾技術的原理和操作特點比較理和操作特點比較分離技術類型分離技術類型反滲透反滲透超濾超濾微孔過濾微孔過濾膜的形式膜的形式表面致密的非對稱膜、復合表面致密的非對稱膜、復合膜等膜等非對稱膜，表面有微孔非對稱膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纖維素、聚酰胺等纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、纖維素、PVCPVC等等操作壓力操作壓力 /MPa/MPa2 21001000.10.10.50.50.010.010.20.2分離的物質分離的物質分子量小于分子量小于500500的小分子物質的小分子物質分子量大于分子量大于500500的大分的大分子和細小膠體微粒子和

41、細小膠體微粒0.10.110m10m的粒的粒子子分離機理分離機理非簡單篩分，膜的物化性能非簡單篩分，膜的物化性能對分離起主要作用對分離起主要作用篩分，膜的物化性能對篩分，膜的物化性能對分離起一定作用分離起一定作用篩分，膜的物理篩分，膜的物理結構對分離起決結構對分離起決定作用定作用水的滲透通量水的滲透通量 /(m/(m3 3.m.m-2-2.d.d-1-1) )0.10.12.52.50.50.55 520202002004.3 納濾技術納濾技術nanofiltration, NF1. 納濾膜的特點納濾膜的特點 納濾膜是八十年代在反浸透復合膜根底上開發納濾膜是八十年代在反浸透復合膜根底上開發出來

42、的，是超低壓反浸透技術的延續和開展分支，出來的，是超低壓反浸透技術的延續和開展分支，早期被稱作低壓反浸透膜或松散反浸透膜。目前，早期被稱作低壓反浸透膜或松散反浸透膜。目前，納濾膜已從反浸透技術中分別出來，成為獨立的分納濾膜已從反浸透技術中分別出來，成為獨立的分離技術。離技術。l納濾膜的孔徑為納米級，介于反浸透膜納濾膜的孔徑為納米級，介于反浸透膜(RO)(RO)和超和超濾膜濾膜(UF)(UF)之間，因此稱為之間，因此稱為“納濾。納濾。l納濾膜的表層較納濾膜的表層較RORO膜的表層要疏松得多，但較膜的表層要疏松得多，但較UFUF膜的要致密得多。因此其制膜關鍵是合理調理表膜的要致密得多。因此其制膜關

43、鍵是合理調理表層的疏松程度，以構成大量具納米級的表層孔。層的疏松程度，以構成大量具納米級的表層孔。 納濾膜主要用于截留粒徑在納濾膜主要用于截留粒徑在0.11nm，分子量，分子量為為1000左右的物質，可以使一價鹽和小分子物質透左右的物質，可以使一價鹽和小分子物質透過，具有較小的操作壓過，具有較小的操作壓0.51MPa。其被分別。其被分別物質的尺寸介于反浸透膜和超濾膜之間，但與上述物質的尺寸介于反浸透膜和超濾膜之間，但與上述兩種膜有所交叉。兩種膜有所交叉。 納濾恰好填補了超濾與反浸透之間的空白納濾恰好填補了超濾與反浸透之間的空白, ,它能截它能截留透過超濾膜的那部分小分子量的有機物留透過超濾膜的

44、那部分小分子量的有機物, ,透析被反浸透析被反浸透膜所截留的無機鹽。而且，納濾膜對不同價態離子透膜所截留的無機鹽。而且，納濾膜對不同價態離子的截留效果不同的截留效果不同, ,對單價離子的截留率低對單價離子的截留率低(10%-80%),(10%-80%),對對二價及多價離子的截留率明顯高于單價離子二價及多價離子的截留率明顯高于單價離子(90%)(90%)以上。以上。MF蛋白質細菌MW 1umROUFFNFNF正好介于正好介于UFUF和和RORO之間，截留分子量大約在之間，截留分子量大約在300 - 1000300 - 1000。4.4 離子交換膜離子交換膜1.離子交換膜的分類離子交換膜的分類1按

45、可交換離子性質分類按可交換離子性質分類 與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應為陽離子、陰離子和陰陽離子。為陽離子、陰離子和陰陽離子。2按膜的構造和功能分類按膜的構造和功能分類 按膜的構造與功能可將離子交換膜分為普通離按膜的構造與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。 普通離子交換膜普通是均相膜，利用其對一價普通離

46、子交換膜普通是均相膜，利用其對一價離子的選擇性浸透進展海水濃縮脫鹽；雙極離子交離子的選擇性浸透進展海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復合組成，主換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由陳列整齊的陰、陽要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由陳列整齊的陰、陽離子微區組成，主要用于高壓滲析進展鹽的濃縮、離子微區組成，主要用于高壓滲析進展鹽的濃縮、有機物質的分別等。有機物質的分別等。2. 離子交換膜的任務原理離子交換膜的任務原理 電滲析電滲析 在鹽的水溶液如氯化鈉溶液中置入陰、陽在鹽的水溶液如氯化鈉溶液中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，那么溶液中的陽離子將移

47、兩個電極，并施加電場，那么溶液中的陽離子將移向向陰極，陰離子那么移向陽極，這一過程稱為電泳。陰極，陰離子那么移向陽極，這一過程稱為電泳。如如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜陽離果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜陽離子交換膜或陰離子交換膜，那么陽離子或陰離子子交換膜或陰離子交換膜，那么陽離子或陰離子會會選擇性地經過膜，這一過程就稱為電滲析。選擇性地經過膜，這一過程就稱為電滲析。 電滲析的中心是離子交換膜。在直流電場的作電滲析的中心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推進力，利用離子交換膜的選擇用下，以電位差為推進力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分別出來，實現溶液

48、的透過性，把電解質從溶液中分別出來，實現溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可經過電滲析實現鹽的電淡化、濃縮及鈍化；也可經過電滲析實現鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。解，制備氯氣和氫氧化鈉等。 +陽極陽極陰極陰極Cl-Na陽膜陽極室陽極室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa濃縮室淡化室淡化室濃縮室陰極室陰極室陰膜陽膜陰膜v電滲析過程原理圖電滲析過程原理圖實踐運用的實踐運用的電滲析器電滲析器4.5 浸透蒸發技術浸透蒸發技術1. 浸透蒸發技術和浸透蒸發膜的特點浸透蒸發技術和浸透蒸發膜的特點 浸透蒸發是近十幾年中頗受人們關注的膜分別浸透蒸發是近十幾年中頗受人們關注的膜分別技術。浸透蒸發

49、是指液體混合物在膜兩側組分的蒸技術。浸透蒸發是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣分壓差的推進力下，透過膜并部分蒸發，從而達氣分壓差的推進力下，透過膜并部分蒸發，從而達到分別目的的一種膜分別方法。可用于傳統分別手到分別目的的一種膜分別方法。可用于傳統分別手段較難處置的恒沸物及近沸點物系的分別。具有一段較難處置的恒沸物及近沸點物系的分別。具有一次分別度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。次分別度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。 浸透蒸發的本質是利用高分子膜的選擇性浸透蒸發的本質是利用高分子膜的選擇性透過透過來分別液體混合物。其原理如圖來分別液體混合物。其原理如圖6所示。由高分所示。由高分子膜將安裝

50、分為兩個室，上側為存放待分別混子膜將安裝分為兩個室，上側為存放待分別混合物合物的液相室，下側是與真空系統相銜接或用惰性的液相室，下側是與真空系統相銜接或用惰性氣體氣體吹掃的氣相室。混合物經過高分子膜的選擇浸吹掃的氣相室。混合物經過高分子膜的選擇浸透，透，其中某一組分浸透到膜的另一側。由于在氣相其中某一組分浸透到膜的另一側。由于在氣相室中室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因此在該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因此在膜表膜表面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統，經過液氮將面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統，經過液氮將蒸氣蒸氣冷凝下來即得浸透產物。浸透蒸發過程的推進冷凝下來即得浸透產物。浸透蒸發過程的推進力

51、是力是膜內浸透組分的濃度梯度。膜內浸透組分的濃度梯度。圖圖6a 浸透蒸發分別表示圖浸透蒸發分別表示圖(真空氣化真空氣化)液相室氣相室膜真空泵冷凝液冷凝器圖圖6b 浸透蒸發分別表示圖浸透蒸發分別表示圖(惰性氣體吹掃惰性氣體吹掃)液相室氣相室膜冷凝液冷凝器惰性氣體惰性氣體凈化利用 如以透水為目的的浸透蒸發膜，應該有良好的如以透水為目的的浸透蒸發膜，應該有良好的親水性，因此聚乙烯醇親水性，因此聚乙烯醇PVA和醋酸纖維素和醋酸纖維素CA都是較好的膜資料；而當以透過醇類物質為目的時，都是較好的膜資料；而當以透過醇類物質為目的時，憎水性的聚二甲基硅氧烷憎水性的聚二甲基硅氧烷PDMS那么是較理想那么是較理想

52、的膜資料。的膜資料。4.7 氣體分別膜氣體分別膜1. 氣體分別膜的分別機理氣體分別膜的分別機理 氣體分別膜有兩種類型：非多孔均質膜和多氣體分別膜有兩種類型：非多孔均質膜和多孔膜。它們的分別機理各不一樣。孔膜。它們的分別機理各不一樣。1非多孔均質膜的溶解分散機理非多孔均質膜的溶解分散機理 該實際以為，氣體選擇性透過非多孔均質膜分該實際以為，氣體選擇性透過非多孔均質膜分四步進展：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解四步進展：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進展活性分散，分子在膜的另的分子由于濃度梯度進展活性分散，分子在膜的另一側逸出。一側逸出。2多孔膜的透過分散機理多孔膜的透過分散機理 用多孔膜分別混合氣體，是借助于各種氣體流用多孔膜分別混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細孔時產生的速度差來進展的。過膜中細孔時產生的速度差來進展的。2. 制備氣體分別膜的資料制備氣體分別膜的資料1影響氣體分別膜性能的要素影響氣體分別膜性能的要素 1化學構造的影響化學構造的影響 2形狀構造的影響形狀構造的影響 富氧膜、分別富氧膜、分別N2，CO2，SO2，H2S等等氣氣體的膜，都已有工業化的運用。例如從天然體的膜，都已有工業化的運用。例如從天然氣中分氣中分離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分別別N2