《氫化工基礎(chǔ)》課件-9、膜分離技術(shù)

氫化工基礎(chǔ)

膜技術(shù)概述

基本概念

膜(Membrane)是什么？有何特性？

膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。

膜的特性：

不管膜多薄,它必須有兩個(gè)界面。這兩個(gè)界面分別與兩側(cè)的流體相接觸。

膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。

膜技術(shù)概述

基本概念

膜分離過程原理：以選擇性膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個(gè)推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電位差等）時(shí)，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為膜下游。膜上游膜膜下游選擇性透膜

膜技術(shù)

分離膜種類:

分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜陽離子膜陰離子膜過濾膜精密過濾膜超濾膜納米濾膜反滲透膜

膜技術(shù)

1、按膜的材料分類

類別膜材料舉例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等

膜技術(shù)2.按膜的分離原理及適用范圍分類根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3.按膜的形態(tài)分類按膜的形狀分為平板膜(FlatMembrane)、管式膜(TubularMembrane)和中空纖維膜(HollowFibermembrane)。

膜技術(shù)按膜的結(jié)構(gòu)分為：對稱膜(SymmetricMembrane)

非對稱膜(AsymmetricMembrane)

復(fù)合膜(CompositeMembrane)

膜技術(shù)概述

分離膜種類:

分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜陽離子膜陰離子膜過濾膜精密過濾膜超濾膜納米濾膜反滲透膜

分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等。或者說，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表2所示。表2幾種主要分離膜的分離過程膜過程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾壓力差分子特性大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子非對稱性膜納濾壓力差離子大小及電荷水、一價(jià)離子、多價(jià)離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)合膜

膜分離過程的類型膜過程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型滲析濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子大分子物非對稱性膜電滲析電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜液膜分離濃度差反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)待分離物乳狀液膜、支撐液膜續(xù)上表

膜分離過程的類型

用作分離膜的材料包括天然的與人工合成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。

膜材料3

膜材料

目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。

膜材料

1.纖維素酯類膜材料

纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1,4-β-甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：

膜材料

從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。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(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH

醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。

膜材料醋酸纖維素膜

膜材料醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99％表皮層孔徑

0.0008~0.001m過渡層孔徑

0.02m多孔層孔徑

0.1～0.4

m1%

膜材料顯微鏡下膜的照片

膜材料2.非纖維素酯類膜材料常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達(dá)120℃，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍-4、尼龍-66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在80％～90％之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2·h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為3～11，分離率可達(dá)99.5％（對鹽水），透水速率為0.6ml/cm2·h。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。

膜材料

聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。

膜材料

離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜?；腔郾矫涯ず突腔垌磕な亲畛Ｓ玫膬煞N離子聚合物膜。

膜材料

用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。

膜材料常見材料的最高允許使用溫度

名稱溫度CA（CelluloseAcetate）

聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮磺化聚苯醚磺化聚砜聚醚砜酮3535907070120160

膜材料無機(jī)膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多孔膜和復(fù)合非對稱修正膜三種。

膜材料

膜分離技術(shù)

膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)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工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒

紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學(xué)工業(yè)有機(jī)物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理海水、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(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水

膜分離技術(shù)

膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

膜分離技術(shù)

膜分離操作的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的分離操作相比，膜分離具有以下特點(diǎn)：1、膜分離是一個(gè)搞笑高效分離過程，可以實(shí)現(xiàn)高純度的分離；2、大多數(shù)膜分離過程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；3、膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；4、膜分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性高，操作、維護(hù)十分方便；膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率15－80倍滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60％生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40－80%

650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纖維素發(fā)酵蒸餾蒸餾脫水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本

膜分離技術(shù)

膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開發(fā)脫鹽裝置的共同單元：供給水吸入系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)反滲透膜產(chǎn)品水后處理動(dòng)力回收系統(tǒng)水源供水泵預(yù)處理系統(tǒng)高壓泵反滲透膜單元后處理系統(tǒng)分配汽提、消毒能量回收系統(tǒng)濃液排放典型脫鹽系統(tǒng)單元可降低能耗25～40％沖擊式水輪泵反轉(zhuǎn)泵

膜分離技術(shù)

典型膜應(yīng)用過程－反滲透重力過濾器海水氯氣FeClSO4陽離子聚電介質(zhì)攪拌槽絮凝槽活性炭過濾器氯氣0.5m筒式過濾器阻垢劑

加酸（H2SO4）去膜組件海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)0.5m筒式過濾器去膜組件深進(jìn)水加酸阻垢劑軟化水處理中的預(yù)處理

膜分離技術(shù)

典型膜應(yīng)用過程－反滲透應(yīng)用1、海水和苦咸水淡化2、廢水和有害廢水的處理工業(yè)廢水市政廢水3、化學(xué)加工工業(yè)的應(yīng)用電鍍和金屬拋光工業(yè)造紙工業(yè)紡織工業(yè)石油工業(yè)電力工業(yè)4、食品加工工業(yè)的應(yīng)用水處理產(chǎn)品回收濃縮和脫水分餾5、地下水和地表水的處理6、納濾的應(yīng)用廢水處理產(chǎn)品脫鹽濃縮

膜分離技術(shù)

典型膜應(yīng)用過程－反滲透操作方式批式濃縮：全循環(huán)、部分循環(huán)供料－排放全過濾供料槽供料泵調(diào)節(jié)閥滲透液全循環(huán)V0C0=VtCt+A

0tJ(t)Cp(t)dtRi=1-Cp/CrVCF=V0/VrCr=C0(VCF)Ri

膜分離技術(shù)

典型膜應(yīng)用過程－超濾應(yīng)用牛奶中的應(yīng)用：牛奶脫脂、蛋白預(yù)濃縮、降低乳糖含量果汁澄清：替代離心過濾、果膠酶處理、用硅藻土預(yù)涂地真空過濾等，果汁產(chǎn)量高。發(fā)酵液處理：回收抗生素等排放液處理：造紙工業(yè)回收磺化木質(zhì)素、脫油、脫脂等

膜分離技術(shù)

典型膜應(yīng)用過程－超濾終端微濾的應(yīng)用1、制藥溶液的消毒2、飲料的澄清60年代初，聚合物膜在啤酒業(yè)得以應(yīng)用，90％以上應(yīng)用于啤酒、果汁飲料、礦泉水等過程中。3、