膜分離過程及設備課件

第五節

膜分離過程及設備膜分離技術膜分離技術是20世紀60年代以后發展起來的高新技術。與傳統的分離方法相比，具有設備簡單、節約能源、分離效率高、容易控制等優點膜分離通常在常溫下操作，不涉及相變化，這對處理熱敏性物料，顯得十分重要膜分離技術一般可除去1μm以下的固體粒子。膜分離技術應用1925年以來，差不多每十年就有一項新的膜過程在工業上得到應用30年代微孔過濾40年代滲析50年代電滲析60年代反滲透70年代超濾80年代氣體分離90年代滲透汽化現代EDI技術膜的應用膜海水淡化工業廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質利用能源水資源傳統工業生態環境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒膜分離概述膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質,當膜兩側存在某種推動力時，原料側組分選擇性透過膜，以達到分離、提純、富集的目的膜分離的推動力可以是多種多樣的，一般有濃度差Δc，壓力差Δp，電位差Δv等膜分離過程的實質是小分子物質透過膜，而大分子物質或固體粒子被阻擋。因此，膜必須是半透膜。基本傳質形式在膜分離過程中，存在3種基本傳質形式，即被動傳遞、促進傳遞和主動傳遞。最常見的為被動傳遞，即物質由高化學位相側向低化學位相側傳遞

，這一化學位差即為其推動力。被動傳遞組分從高化學位向低化學位的被動傳遞促進傳遞、主動傳遞促進傳遞是由于某種流動載體的存在，在高化學位一側載體與被傳遞物質發生反應，而在低化學位一側又將被傳遞物質釋放，使傳遞過程得到強化。此種傳遞過程具很高選擇性。主動傳遞主要發生在細胞膜中。膜分離過程機理模型溶解－擴散模型優先吸附－毛細管流動模型從不可逆熱力學導出的模型①溶解－擴散模型：適用于液體膜、均質膜或非對稱膜表皮層內的物質傳遞。在推動力作用下，滲透物質先溶解進入膜的上游側，然后擴散至膜的下游側，擴散是控制步驟。例如氣體的滲透分離過程中，推動力是膜兩側滲透物質的分壓差。當溶解服從亨利定律（見相平衡關聯）時，組分的滲透率是組分在膜中的擴散系數和溶解度系數的乘積?；旌蠚怏w的分離依賴于各組分在膜中滲透率的差異。溶解-擴散模型用于滲透蒸發（又稱汽滲，上游側為溶液，下游側抽真空或用惰性氣體攜帶，使透過物質汽化而分離）時，還須包括膜的汽液界面上各組分的熱力學平衡關系。

②優先吸附－毛細管流動模型

由于膜表面對滲透物的優先吸附作用，在膜的上游側表面形成一層該物質富集的吸附液體層。然后，在壓力作用下通過膜的毛細管，連續進入產品溶液中。此模型能描述多孔膜的反滲透過程。③從不可逆熱力學導出的模型膜分離過程通常不只依賴于單一的推動力，而且還有伴生效應（如濃差極化）。不可逆熱力學唯象理論統一關聯了壓力差、濃度差、電位差對傳質通量的關系，采用線性唯象方程描述這種具有伴生效應的過程，并以配偶唯象系數描述伴生效應的影響。膜

膜分離過程的核心是膜本身。工業應用的膜應具有較大的透過速度和較高的選擇性，這是選擇膜的兩個最重要的技術特性。還應具備機械強度好、耐熱、化學性能穩定，不被細菌污染等條件。膜的分類(1)對稱膜：結構與方向無關的膜，孔經可一致，結構可不規則；(2)非對稱膜：分離層很薄，較致密，為活性膜，孔徑的大小和表皮的性質決定分離特性，厚度決定傳遞速度，朝向待濃縮液；多孔的支持層只起支撐作用，使膜具有必要的機械強度。(3)復合膜：選擇性膜層(活性膜層)沉積于具有微孔的底膜(支撐層)表面上，表層與底層是不同的材料，膜的性能不僅取決于有選擇性的表面薄層而且受微孔支撐層的影響。(4)荷電膜：離交膜，含有高度的溶脹膠載著固定電荷的對稱膜。(5)液膜：將在有關章節中討論。(6)微孔膜：孔徑為0.05—20微米的膜。(7)動態膜：在多孔介質(如陶瓷管)上沉積一層顆粒物(如氧化鋯)作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動態平衡。圖1對稱膜圖2非對稱膜圖3對稱膜圖4非對稱膜幾種常用膜的適用范圍

膜分離的特點①操作在常溫下進行；②是物理過程，不需加入化學試劑；③不發生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個步驟內完成；⑥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

膜分離也有很多缺點，比如膜面易發生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應的膜面清洗方法；穩定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；單獨的膜分離技術功能有限，需與其他分離技術連用。＜0.5

離子、有機物

溶解擴散

滲透蒸發＜0.5

離子、有機物

溶解擴散

反滲透＜２

離子、分子量＜100的有機物

溶解擴散

納濾2~501000~1000,000Da的大分子

體積大小

超濾50~100000.05~10μm的固體粒子

體積大小

微濾＞10000固體粒子

體積大小

粒子過濾孔徑/nm分離對象

分離機理

膜過程各種膜分離范圍膜分離過程膜分離過程的類型濃度梯度電位差濃度梯度壓力（1~10MPa)壓力（0.2~1MPa)壓力（0.05~0.5MPa)驅動力醇與水分離，乙酸與水分離，有機溶劑脫水，有機液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等小分子有機物與水的分離致密膜或復合膜滲透蒸發苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生產工藝用水離子脫除、氨基酸分離離子交換膜電滲析除去小分子有機物或無機離子，奶制品脫鹽，蛋白質溶液脫鹽等小分子有機物和無機離子的去除對稱的或不對稱的膜透析低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、海水淡化，超純水制備小分子溶質脫除與濃縮帶皮層的不對稱膜、復合膜（＜１nm)反滲透溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、除菌，酶及蛋白質分離、濃縮與純化，含油廢水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等

細粒子膠體去除可溶性中等或大分子分離不對稱微孔膜（１~５0nm)超濾溶液除菌、澄清，果汁澄清、細胞收集、水中顆粒物去除清毒、澄清、細胞收集對稱微孔膜（0.05~10μm)微濾示例應用對象

膜結構名稱幾種主要膜分離技術特征膜分離過程(membraneseparation)膜分離過程的類型膜分離的孔徑范圍膜分離過程的類型膜分離過程的實質是物質透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據濾膜孔徑大小而達到物質分離的目的，故而可以按分離粒子大小進行分類。膜分離過程的類型1.透析：用具有一定孔徑大小的、高分子溶質不能透過的親水膜將溶質溶液與純水分隔，在濃差的作用下，小分子溶質透向水側，水透向溶液一側。透析膜：孔徑5-10nm,實驗室中常用透析袋應用：脫鹽，血液透析特點：以濃差為推動力，膜透過通量很小，不適于大規模生物分離過程，多在實驗室中應用。透析原理圖膜分離過程的類型水分子大分子小分子透析膜膜分離過程(membraneseparation)透析法的應用膜分離過程的類型膜分離過程(membraneseparation)透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于大分子溶液的脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質推動力，膜的透過量很小，不適于大規模生物分離過程、但在實驗室中應用較多。透析法的應用膜分離過程的類型膜分離過程(membraneseparation)蛋白質透析

透析袋透析簡單裝置。A:透析夾，B:透析，C:透析示意圖

2.微濾（Microfiltration,MF）：

以多孔細小薄膜為過濾介質，壓力為推動力，使不溶性物質得以分離的操作。孔徑分布范圍在0.025~14μm之間，截留直徑為0.02μm~10μm大小的粒子。

可應用于消毒、澄清、細胞收集等。如培養基液菌體分離與濃縮，產品消毒。

微濾(Microfiltration，MF)

一種靜態過濾，隨過濾時間延長，膜面上截流沉積不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；3.超濾（Ultrafiltration,UF）：分離介質同上，但孔徑更小，為0.001-0.02μm，分離推動力仍為壓力差，截斷分子量可變化。適合于酶、蛋白質等生物大分子物質的分離、濃縮，超濾親和純化，血漿分離，脫鹽，去熱原，在生物工程中應用最廣。

一種動態過程，由泵提供推動力，在膜表面產生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。

超濾原理的示意圖

一種動態過程，由泵提供推動力，在膜表面產生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。

超濾原理的示意圖

常規過濾(A)和超濾(B)的示意圖

AB4.反滲透（Reverseosmosis,RO）:

滲透和滲透壓：滲透：膜（不能透過溶質）兩側壓力相等時，在濃度差作用下，溶劑從溶質濃度低的一側向溶質濃度高的一側透過的現象。滲透壓：滲透現象中，促使水分子透過的推動力。反滲透：定義：在溶質濃度高的一側施加超過滲透壓的壓力，使溶劑透過膜的操作。是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑范圍在0.1~1nm之間。其基本原理為溶解擴散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機物及無機物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。其基本原理為溶解擴散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機物及無機物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10幾種分離方法能耗比較嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水

微濾超濾反滲透○:微粒子●:大分子＋:小分子……..：水5.電滲析：以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作。在直流電場的作用下，由于離子交換膜的阻隔作用，實現溶液的淡化和濃縮，分離推動力是靜電引力。1-半透膜2-攪拌器3-溶液4-鉑電極5,6-進出水管電滲析的應用：海水和苦水的淡化、廢水處理，氨基酸和有機酸等小分子的分離純化6.氣體滲透：氣體膜分離是利用膜對某些氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達到氣體分離和純化的目的。其滲透機理為：氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側接觸，然后是吸附、溶解、擴散、脫溶、逸出。應用:空氣中各種氣體在透過膜壁時具有不同的滲透速率，使得當壓縮空