膜技術 專業知識課件

膜分離法(MembraneSeparationProcesses)1第1頁教學內容：一、膜定義和分類二、膜分離概述三、擴散滲析（diffusiondialysis）四、電滲析(electrodialysis)五、反滲入（reverseosmosis)六、超出濾(ultrafiltration)2第2頁一、膜定義和分類1、膜（分離膜）定義

分離膜可看作是分離兩相和作為選擇性傳遞物質屏障。它能夠是固態、液態或氣態，目前使用分離膜絕大多數是固膜。膜能夠存在于兩流體之間或附著于支撐體或載體微孔隙上，膜厚度要遠不大于其比表面積。2、膜分類

按膜構造分：有對稱膜和不對稱膜按膜材料分：有機膜：纖維素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等

無機膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化鋁膜等

按分離機理分：多孔膜、無孔膜和載體膜按幾何形狀分：平板式、管式、毛細管式和中空纖維式膜

3第3頁二、膜分離概述1．膜分離概念2、膜分離技術特點3．膜分離法分類4．膜分離法應用4第4頁1．膜分離概念用一張特殊制造、具有選擇透過性能薄膜（分離膜），在外力推進下對雙組分或多組分溶質和溶劑進行分離、提純、濃縮辦法，統稱為膜分離法。膜分離可用于液相和氣相，對液相分離，能夠用于水溶液體系、非水溶液體系、水溶膠體系以及具有其他微粒水溶液體系等。5第5頁膜分離過程推進力有兩類：

①借助外界能量，物質發生由低位向高位流動；

②以化學位差為推進力，物質發生由高位向低位流動。某些主要膜分離過程推進力6第6頁2、膜分離技術特點（a）膜分離過程不發生相變，因此能量轉化效率高。例如在目前多種海水淡化辦法中反滲入法能耗最低；（b）膜分離過程在常溫下進行，因而尤其適于對熱敏性物料，假如汁、酶、藥品等分離、分級和濃縮；（c）裝置簡單，操作簡單，控制、維修容易，且分離效率高。與其他水處理辦法相比，具有占地面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點；（d）由于目前膜成本較高，因此膜分離法投資較高，有些膜對酸或堿耐受能力較差。因此目前膜分離法在水處理中一般用于回收廢水中有用成份或水回用處理。7第7頁

3．膜分離法分類

膜分離法種類很多，現已應用膜過程有反滲入、納濾、超濾、微濾、擴散滲析、電滲析、氣體分離、滲入蒸發、控制釋放、液膜、膜蒸餾等。目前，在廢水處理中常用有擴散滲析、電滲析、反滲入、超濾等四種膜分離技術。

廢水處理中幾個常用膜分離法特點如下表所示。

8第8頁大家有疑問，能夠問詢和交流能夠互相討論下，但要小聲點9第9頁10第10頁4、膜分離應用領域

（1）化學/染料工業

活性染料脫鹽、純化、濃縮與回收食品染料脫鹽、純化、濃縮與回收催化劑與貴金屬回收利用脫氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脫氫反應中液體分離、純化甘油/己內酰胺/苯/染料活性劑等有機化工原料回收汽車/儀表及其他工業涂漆濃縮回收（2）食品/飲料工業

啤酒/果酒/黃酒/葡萄酒澄清除菌過濾蘋果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁澄清除菌過濾蘋果、梨、鳳梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、檸檬等果汁脫水濃縮葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香氣味濃縮保存豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/單糖/多糖溶液澄清與濃縮乳清、奶酶及其他乳品澄清、脫鹽與濃縮蔬菜抽提汁/西紅柿汁脫水濃縮

11第11頁（3）制藥/生物工程

抗生素、維生素、有機酸、氨基酸、酶等發酵液澄清除菌過濾抗生素、維生素、有機酸、氨基酸等發酵液蛋白剔除酶、蛋白質、多糖制備過程中細胞碎片剔除抗生素、氨基酸、維生素、有機酸、酶、多糖、蛋白質純化與濃縮6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素脫鹽濃縮中成藥、保健品口服液澄清除菌過濾動物血漿、血清濃縮精制其他有關脫鹽濃縮、澄清除菌、蛋白剔除、細胞搜集等分離過程（4）空氣過濾

噴霧干燥過程中染料、抗生素、奶粉等回收

電池廠金屬鎘、氧化鉛粉塵搜集

粉碎過程中磷酸鹽、氧化鎂、二氧化鈦、碳粉、水泥、碳酸鈣回收包裝過程中砂糖、染料、奶粉、味精等回收干燥過程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等回收合成氨尾氣中氫氣回收利用

其他一切有關粉塵搜集及空氣除塵過程

12第12頁（5）水處理

飲用純水（太空水）制備

醫藥工業中注射用水/洗瓶水及其他無菌水制備

電子工業中超純水制備

火力發電廠鍋爐補給水制備

飲料與化裝品工業中產品配方用水制備

制造業中終端洗滌水制備

飲用水純化/苦堿水脫鹽/海水淡化

廢水循環與再生利用（零排放）

BOD/COD最小化

垃圾填埋場滲出水濃縮處理

染料、顏料、油漆、含油廢水處理

紙漿與造紙廢水處理及木素磺酸鹽回收

金屬、食品、皮革、農藥和除草劑廢水處理

紡織印染廢水處理及絲光廢水回收利用

13第13頁三、擴散滲析（diffusiondialysis）1、滲析：把水溶液中溶質透過半透膜而溶質被截留現象稱為滲析。 半透膜：起滲析作用薄膜，對溶質具有選擇性。半透膜發展：動物膀胱膜、腸膜、羊皮紙；離子交換膜：陽離子交換膜、陰離子交換膜2、擴散滲析原理

利用離子交換膜選擇透過性，以濃度差為推進力來實現酸與鹽或者堿與酸分離。14第14頁擴散滲析回收酸原理示意圖(1)—原液室；(2)—回收液室；A—陰離子交換膜殘液/滲析液H2O回收液/擴散液廢酸液A（2）（1）H+H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-

擴散滲析法回收酸原理⑴為原液室，⑵為回收室，向⑴室自下而上引入料液(H2SO4和FeSO4混合液)，另向⑵室自上而下引入水流。由于⑴室中酸及鹽濃度較大，其中Fe2＋、H＋、SO42-都有向⑵室擴散趨勢，因陰離子交換膜對離子具有選擇透過性，只允許陰離子SO42-通過而不讓陽離子透過，因此Fe2＋受到陰膜阻擋而不能進入⑵室，而H＋則因性質特殊，其水合離子半徑小，遷移速度快，也能跟隨SO42-一起進入⑵室，以保持溶液電中性。這樣，⑴室中H2SO4就不停擴散進入(2)室，而FeSO4被阻擋在⑴室中，從而實現了酸與鹽分離。

15第15頁3、優缺陷：長處：能耗小，設備構造簡單，操作方便，不需要對膜進行酸堿再生，分離過程中不需要加入其他化學藥劑。缺陷滲析速度慢，分離效率低。4、應用：在生物醫學上應用最為廣泛，主要用途是血液滲析法（又稱為人工腎），另外尚有人工肺。在工業方面應用從鋼鐵工業酸洗廢液中回收硫酸及在其他廢酸液中回收硝酸等；從化工廠人造絲漿壓液中回收NaOH16第16頁四、電滲析（electrodialysis，簡稱ED）

1．電滲析基本原理電滲析是在直流電場作用下，以電位差為推進力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中溶質與水分離一種物理化學過程。從而實現溶液濃縮、淡化、精制和提純一種膜過程。17第17頁++++++陽極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽膜陽極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽膜陰膜電滲析過程原理圖18第18頁陽極反應：陰極反應：19第19頁2．離子交換膜離子交換膜具有與離子交換樹脂相同組成，具有活性基團和能使離子透過細孔。常用離子交換膜按其選擇透過性可分為陽膜、陰膜、復合膜等數種。陽膜(cationexchangemembrane)具有陽離子交換基團，在水中交換基團發生離解，使膜上帶有負電，能排斥水中陰離子，吸引水中陽離子并使其通過。20第20頁陰膜(anionexchangemembrane)具有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過。復合膜復合膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄網布做成，具有方向性電阻。當陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時，正、負離子都不能透過膜，顯示出很高電阻。當膜朝向與上述相反時，膜電阻減少，膜兩側對應離子進入膜中。21第21頁離子交換膜是一種由高分子材料制成具有離子交換基團薄膜，其因此具有選擇透過性主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團作用。膜上孔隙作用是，在膜高分子鍵之間有一足夠大孔隙，以容納離子進出和通過。是離子通過膜大門和通道。膜上離子基團作用是，在膜高分子鏈上，連接著某些能夠發生解離作用活性基團。在水溶液中，膜上活性基因會發生解離作用，解離所產生離子(或稱反離子）進入溶液。于是，在膜上就留下了帶有一定電荷固定基團。存在于膜微孔中帶一定電荷固定基團，好比在一條狹長通道中設置一種個關卡或“警衛”，以鑒別和選擇通過離子。離子交換膜為何具有選擇透過性呢？注意：離子交換膜作用并不是起離子交換作用，而是起離子選擇透過性作用。22第22頁離子交換膜功能示意圖23第23頁3、電滲析器電滲析器由膜堆、極區和夾緊裝置三部分組成。膜堆位于電滲析器中部，由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）水室隔板交替排列成濃水室和淡水室。極區位于膜堆兩側，包括電極、極水框和保護室，其作用是供應電滲析器直流電，將原水導入膜堆配水孔，將淡水和濃水排出電滲析器，并通入和排出極水。壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將極區和膜堆組成不漏水電滲析器整體，可采取壓板和螺栓拉緊，也可采取液壓壓緊。

24第24頁（1）電滲析器組裝電滲析器組裝依其應用不一樣而有所不一樣。其組裝情況是用級和段來表達。級：一對正、負電極之間膜堆稱為一級。段：具有同一水流方向并聯膜堆稱為一段。電滲析器組裝示意圖25第25頁（2）電滲析器級與段一級一段一級兩段兩級一段兩級兩段一對正、負電極之間膜堆稱為一級具有同一水流方向并聯膜堆稱為一段26第26頁（3）實際應用電滲析器27第27頁4、電滲析在廢水處理中應用目前，電滲析在廢水處理實踐中應用最普遍有：⑴造紙工業廢水處理，利用電滲析法處理造紙工業亞硫酸紙漿廢液和洗漿廢水及堿法造紙黑液，從中回收化學藥品，已得到工業應用。⑵從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉。⑶從酸洗廢液中制取硫酸和沉淀重金屬離子。⑷電鍍廢水和廢液處理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金屬離子和氰化物電鍍廢水都合適用電滲析法處理，其中應用最成熟是含鎳廢水處理。⑸從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋。

28第28頁

五、反滲入（RO）

ReverseOsmosis1、概述2、反滲入基本原理3、反滲入膜及其透過機理4、反滲入裝置5、反滲入工藝流程29第29頁1、概述反滲入是一項高新膜分離技術，其孔徑很小，大都≤10×10–10（10A），它能清除濾液中離子范圍和分子量很小有機物，如細菌、病毒、熱源等。它已廣泛用于海水或苦咸水淡化、電子、醫藥用純水、飲用蒸餾水、太空水生產，還應用于生物、醫學工程。

特點常溫條件下，能夠對溶質和水進行分離或濃縮，因而能耗低；雜質清除范圍廣，可清除無機鹽和各類有機物雜質；較高水回用率；

分離裝置簡單，容易操作和維修。30第30頁應用范圍太空水、純凈水、蒸餾水等制備；

酒類制造及降度用水；

醫藥、電子等行業用水前期制備；

化工工藝濃縮、分離、提純及配水制備；

鍋爐補給水除鹽軟水；

海水、苦咸水淡化；

造紙、電鍍、印染等行業用水及廢水處理。31第31頁2、反滲入原理滲入和反滲入原理示意圖半透膜開始時兩邊液面相同由于濃度差存在，半透膜又不允許溶質通過，因此水透過膜，使濃水一邊液面升高，產生滲入壓在濃水邊加壓，當壓力超出滲入壓時，則水透過半透膜，即反滲入，實現凈化過程。32第32頁

一種只能透過溶劑而不能透過溶質膜稱為半透膜。當把溶劑和溶液(或把兩種不一樣濃度溶液)分別置于此膜兩側時，純溶劑將自然穿過半透膜而自發地向溶液(或從低濃度溶液向高濃度溶液)一側流動，這種現象叫做滲入。此H稱為該溶液滲入壓Π。Π=iRTc若在溶液液面上再施加一種大于Π壓力P時，溶劑將與本來滲入方向相反，開始從溶液向溶劑一側流動，這就是所謂反滲入。凡基于此原理所進行濃縮或純化溶液分離辦法，一般稱之為反滲入工藝。

反滲入是滲入一種反向遷移運動，它主要是在壓力推進下，借助半透膜截留作用，迫使溶液中濟劑與溶質分開。33第33頁3．反滲入膜及其透過機理（1）對反滲入膜性能要求選擇性好，單位膜面積上透水量大，脫鹽率高；機械強度好，能抗壓、抗拉、耐磨；熱和化學穩定性好，能耐酸、堿腐蝕和微生物侵蝕，耐水解、輻射和氧化；構造均勻一致，盡也許地薄，壽命長，成本低。34第34頁（2）反滲入膜分類按成膜材料可分為有機膜和無機高聚物膜；按膜形狀可分為平板狀、管狀、中空纖維狀膜；按膜構造可分為多孔性和致密性膜，或對稱牲(均勻性)和不對稱性(各向異性)構造膜；按應用對象可分為海水淡化用海水膜、咸水淡化用咸水膜及用于廢水處理、分離提純等膜。35第35頁1）醋酸纖維素膜構造及性能①膜構造醋酸纖維素是沒有強烈氫鍵無定形鏈狀高分子化合物。制膜過程是將其溶解在丙酮中并加入甲酰胺作添加劑，經混合調制、過濾、鑄塑成型，然后再經蒸發、冷水浸漬、熱處理，即可得到醋酸纖維素(celluloseacetate,CA)膜。外觀為乳白色、半透明，有一定韌性，膜厚l00－250

m。36第36頁這種膜有不對稱構造，表面構造致密，孔隙很小，通稱為表皮層或致密層、活化層；下層構造較疏松，孔隙較大，通稱為多孔層或支撐層。示意CA膜是被水充足溶脹了凝膠體。由于鑄膜液中所有添加劑及溶劑在制膜過程中先后被除去，膜中僅含水分。鏈接37第37頁38第38頁醋酸纖維素膜構造示意圖99％表皮層，孔徑（8－10）×10－10m過渡層，孔徑200×10－10m多孔層，孔徑（1000－4000）×10－10m1%39第39頁顯微鏡下膜照片40第40頁在相對濕度為100％時，膜含水量高達60％，其中表皮層只含10％－20％，且主要是以氫鍵形式結合所謂一級結合水和少許二級結合水。多孔層中除上述兩種結合水外，較大孔隙中還充滿著毛細管水，此層中含水率較高。正由于膜中存在這幾個不一樣性質水，決定了CA膜具有良好脫鹽性能和合適透水性能。膜必須保存在水中。41第41頁②CA膜性質（a）膜方向性：由于CA膜是一種不對稱膜，因此，在進行反滲入時，必須保持表層與待處理溶液或廢水接觸，而決不能倒置，不然達不到處理目標。（b）選擇透過性：CA膜對無機電解質和有機物具有選擇透過性。42第42頁對電解質，離子價越高，或同價離子水合半徑越大，則脫除效果越好。陽離子脫除次序為：Sr2+>Ba2+>Li+>Na+>K+。陰離子脫除次序為：檸檬酸根>酒石酸根>SO42->CH3COO->Cl->Br->NO3->I->SCN-。對有機物，一般是水溶性好、非解離性、分子量小脫除效果較差。而解離性大、分子量大于200有機物，則脫除效果較好。對同一類有機物，隨分子量增大，脫除效率增加。對同分子量有機物，隨分子支鏈增加，脫除效果變得更加好。43第43頁（c）壓密效應：CA膜在壓力作用下，外觀厚度一般減少25％―50％，同步，透水性及對溶質脫除率也對應減少，這種現象稱為膜壓密效應。這種塑性變形是不可逆，因此膜性能在壓力消失后不會恢復。（d）膜水解作用和生物分解作用：CA膜是一種酯，易于水解，水解速率與pH值和水溫度有關。一般在堿性介質中水解速率比在酸性介質中大，在pH4.5－5.2時最低。44第44頁（3）反滲入膜透過機理1）氫鍵理論該理論以為，水透過膜是由于水分子和膜活化點形成氫鍵及斷開氫鍵過程。即在高壓作用下，溶液中水分子和膜表皮層活化點締合，原活化點上結合水解離出來，解離出來水分子繼續和下一種活化點締合，又解離出下一種結合水。水分子通過一連串締合－解離過程，依次從一種活化點轉移到下一種活化點，直至離開表皮層，進入多孔層。45第45頁2)優先吸附－毛細管流理論該理論把反滲入膜看作一種微細多孔構造物質，它有選擇性吸附水分子而排斥溶質分子化學特性。當水溶液同膜接觸時，膜表面優先吸附水分子，在界面上形成一層不含溶質純水分子層，其厚度視界面性質而異，或為單分子層或為多分子層。在外壓作用下，界面水層在膜孔內產生毛細管流連續地透過膜。46第46頁3）溶解-擴散機理

溶劑與溶質透膜機理是由于溶劑與溶質在膜中溶解，然后在化學位差推進力下，從膜一側向另一側進行擴散，直至透過膜。47第47頁4．反滲入裝置工業生產中使用膜分離設備是由多種構造相同單個裝置組合而成，一般把組成設備相同裝置稱為膜組件（membranemodule）。反滲入膜組件有板框式（plateandframe)、管式(tubularmodules)、螺旋卷式(spiralswound)和中空纖維式(hollowfiber)等四種。48第48頁四種反滲入裝置性能及操作特點

49第49頁（1）板框式反滲入膜組件裝配圖50第50頁進水透過水濃縮水耐壓容器透水板半透膜板框式膜組件工作過程示意圖特點：構造簡單，體積比管式小。缺陷：裝卸復雜，單位體積膜表面積小。51第51頁（2）管式反滲入膜組件管式膜組件又分為內壓式和外壓式52第52頁內壓式管式膜組件內部構造示意圖特點:水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。能耐高壓，能夠處理高粘度原水。缺陷是膜有效面積小，裝置體積大，并且兩端要較多聯結裝置。淡水淡水膜表皮層玻璃纖維管進水53第53頁束式外壓式膜組件1－檔圈；2－集水密封環；3－聚氯乙烯燒結板；4－錐形多孔橡膠塞；5－密封管接頭；6－進水口；7－殼體；8－橡膠膽；9－出水口；10－膜元件；11－網套；12－O形密封圈；13－檔圈槽；14－淡水出口54第54頁（3）螺旋卷式反滲入膜組件55第55頁密封密封密封螺旋卷式膜組件一種膜葉構造示意圖多孔透水材料膜，上下兩層56第56頁膜葉透水網狀材料透過水濃水進水螺旋卷式膜組件組合示意圖57第57頁膜組件組裝示意圖進水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過液濃縮液58第58頁工業應用反滲入裝置59第59頁工業應用反滲入裝置膜組件之間連接60第60頁螺旋卷式反溶透裝置特點：構造緊湊，單位容積膜面積大。處理能力高，占地面積小，操作方便。缺陷是不能處理具有懸浮物液體，原水流程短，壓力損失大，濃水難于循環以及密封長度大，清洗、維修不方便，易堵塞。61第61頁（4）中空纖維式反滲入膜組件中空纖維膜組件是由中空纖維膜制成。中空纖維外徑50―200

m，內徑25

42

m。將數萬至數十萬根中空纖維制成膜束，膜束外側覆以保護性格網，內部中間放置供分派原水用多孔管，膜束兩端用環氧樹脂加固。將其一端切斷，使纖維膜呈開口狀，并在這一側放置多孔支撐板。將整個膜束裝在耐壓筒內。62第62頁中空纖維反滲入組件簡圖

進水濃水透過水多孔進水管濃水出口淡水出口密封中空纖維膜外徑50－200μ內徑25－42μ密封耐壓容器63第63頁（4）中空纖維式反滲入膜組件64第64頁中空纖維為U形膜組件65第65頁中空纖維式膜組件特點：單位體積膜表面積大。制造和安裝簡單，不需要支撐物。缺陷是不能用于處理具有懸浮物廢水，預處理必須通過濾處理。難以發覺損壞膜。66第66頁5．反滲入工藝流程反滲入工藝一般包括預處理和膜分離兩部分。預處理能夠用物理化學法，也能夠用化學法。所采取預處理辦法與原水物理、化學性質及生物學特性有關，還與膜裝置構造有關。67第67頁制定工藝流程應考慮原因：對溶液分離有不一樣質量要求。膜元件使用壽命。反滲入工藝中級與段：段（concentratestaging)：指膜組件濃縮液(濃水)流到下一組膜組件處理。流經n組膜組件，即稱為n段。級(permeatestaging)：指膜組件產品水再經下一組膜組件處理。透過液產品水經n次膜組件處理，稱為n級。68第68頁一級一段不一樣方式一級一段連續式一級一段循環式可確保出水水質，但水回收率低能夠提升水回收率，但出水水質有也許下降69第69頁一級多段連續式水回收率高，濃縮液量少，濃度高，有助于回收其中有用物質。但出水水質差。70第70頁一級多段循環式濃縮液濃度高，出水水質較好。71第71頁二級五段連續式第二級72第72頁六、超出濾（Ultrafiltration)1、超出濾與反滲入異同2、超出濾原理3、超濾膜及膜組件4、超濾基本工藝流程5、超濾特點及應用領域73第73頁1、超出濾與反滲入異同超出濾簡稱超濾，它同反滲入同樣，都是利用膜來分離廢水中溶解物質。兩種辦法共同點在于：兩種過程動力同是溶液壓力，在溶液壓力下，溶劑分子通過薄膜，而溶解物質被阻滯在膜表面上。74第74頁二者區分在于：（1）膜不一樣：超出濾所用膜(超濾膜)較疏松，透水量大，除鹽率低，一般用超出濾分離高分子和低分子有機物以及無機離子等，能夠分離溶質分子最少要比溶劑分子大10倍，在這種系統中滲入壓已經不起作用了。反滲入所用膜(反滲入膜)致密，透水量低，除鹽率高，具有選擇透過能力，用以分離分子大小大體相同溶劑和溶質，75第75頁（2）機理不一樣：超出濾清除機理主要是篩濾作用。在反滲入膜上分離過程伴隨有半透膜、溶解物質和溶劑之間復雜物理化學作用。（3）工作壓力不一樣：超出濾工作壓力低(0.07－0.7MPa