第4章膜分离技术.ppt
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1、第四章 膜分离技术,2,第一节 概述 第二节 膜分类和定义 第三节 膜与膜组件的技术原理 第四节 膜分离技术特点及应用,第四章 膜分离技术,3,第一节 概 述,4,铝膜,纳米管膜,聚酰胺转相膜,5,4.1.1膜分离技术发展简史,高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年,耐克特(A. Nelkt)发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内,开创了膜渗透的研究。 1861年,施密特(A. Schmidt)首先提出了超过滤的概念。他提出,用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时,若在溶液侧施加压力,使膜的两侧产生压力差,即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子,其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超
2、过滤。按现代观点看,这种过滤应称为微孔过滤。,6,真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年,米切利斯(A. S. Michealis)等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮溴化钠为溶剂,制成了可截留不同分子量的膜,这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。 50年代初,为从海水或苦咸水中获取淡水,开始了反渗透膜的研究。1967年,DuPont公司研制成功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。,7,自上世纪60年代中期以来,膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜、微孔过滤膜和反渗透膜。以后又开发了许多其它类型的分离膜。 在
3、此期间,除上述三大膜外,其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功,使功能膜的地位又得到了进步提高。,8,具有分离选择性的人造液膜是马丁(Martin)在60年代初研究反渗透时发现的,这种液膜是覆盖在固体膜之上的,为支撑液膜。 60年代中期,美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜,从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜,并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。 70年代初,卡斯勒(Cussler)又研制成功含流动载体的液膜,使液膜分离技术具有更高的选择性。,9,4.1.2 膜分离技术的地位和影响,美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程,而20世纪膜技术
4、将改变整个面貌”,“目前没有一种技术,能像膜技术这么广泛地被应用” 日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发 “谁掌握了膜技术,谁就掌握了化学工业的未来”- Norman N. Li,美国科学院院士,著名华裔科学家 膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世纪,膜技术将扮演重要角色,10,4.1.3 膜分离技术的优点,适用范围广; 膜分离过程为物理过程,不需加入化学药剂; 膜分离技术分离装置简单,占地面积小,系统集成容易 ; 膜分离过程系统简单、操作容易,且易控制,便于维修,有利于生产自动化的推广与普及。,11,4.1.4 膜与膜分离技术的概念?,膜分离法实际上是一般过滤
5、法的发展和延续。一般过滤法不是分子级水平的,它是利用相的不同将固体从液体或气体中分离出来;膜分离的对象往往是分子水平的物质,如原子,分子,离子等,属于小尺度精细分离,该法关键在于过程中使用的过滤介质:膜。 膜,是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相,它把流体相分隔为互不相通的两部分,并能使这两部分之间产生传质作用(传质是体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程.)。 膜分离技术:生产中对膜的应用。,12,第二节 膜分类和定义,13,4.2.1 膜的特性?,必须有两个界面:膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递; 膜传质有选择性:它可以使流体相中的一种或几种物质透过
6、,而不允许其它物质透过。 分离膜对流体可以是完全透过性的,也可以是半透过性的,但不能是完全不透过性的。,14,4.2.2 膜分离过程原理?,以选择性透膜为分离介质,通过在膜两边施加一个推动力(如浓度差、压力差或电位差等)时,使原料侧组分选择性地透过膜,以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游,透过侧称为膜下游。,15,4.2.3 膜的分类,1. 按膜的材料分类,16,2. 按膜的孔径、传质动力和传递机理,17,3.按动力本质,以静压力差为推动力的过程 微滤(microfiltration, MF) 超滤(ultrafiltration, UF) 反渗透(reverse osmosis, R
7、O) 纳滤(nanofiltration, NF),18,膜蒸馏(membrane distillation, MD) 渗透蒸发(pervaporation, PV),以蒸汽分压为推动力的过程,19,以浓度差为推动力的过程 渗析(dialysis, D),以电位差为推动力的过程 电渗析(electrodialysis, ED),20,平板膜 管式膜 和中空纤维膜,4. 按膜的形态分类,21,5.按膜的结构分,对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜(Composite Membrane),22,第三节 膜与膜组件的技术原理,23
8、,4.3.1 膜的结构特征,孔道结构,具有多样性 不同的膜具有不同的孔结构 同一张膜也会具有不同的孔结构,对称膜,不对称膜,24,又称为均质膜,是一种均匀的薄膜,膜两侧截面的结构及形态完全相同。 一般对称膜的厚度在10200 m之间,传质阻力由膜的总厚度决定,降低膜的厚度可以提高透过速率。 缺点:传质阻力大,通透性低,且容易污染阻塞,清洗困难。,对称膜,25,非对称膜的横断面具有不对称结构。 一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度为0.10.5 m的致密皮层和50150 m的多孔支撑层(惰性层)构成,其支撑层结构具有一定的强度,在较高的压力下也不会引起很大的形变。,不对称膜,26,非对称膜的多
9、孔支撑层上覆盖一层不同材料的致密皮层构成复合膜。 优选不同的膜材料制备致密皮层与多孔支撑层,使每一层独立的发挥最大作用。,27,表皮层,过渡层,多孔层支撑层,28,用于表征孔道特征的参数?,超滤膜和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观测到。 膜的孔径: 膜内孔的直径,有最大孔径和平均孔径之分 孔径分布: 某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数 孔密度: 单位膜面积上孔的数目 孔隙率: 所有孔体积占整个膜体积的百分数,29,4.3.2 膜过滤的基础理论-表征膜性能的参数,4.3.2.1 表征膜的性能,透过性能透过速率,对于水溶液体系,又称透水率或水通量,以Jw表示。在一定条件下(一
10、般为0.1 MPa,温度20C),单位时间单位膜面积的水的通过量(m3/m-2.h-1)。,30,水通量(Jw),W透水量,A膜的有效面积,t时间,透过速率 (J),J透过速率,m3/(m2h)或kg/(m2h) V透过组分的体积或质量,m3或kg A膜有效面积,m2 t操作时间,h。,31,分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力,即具有分离能力,这是膜分离过程得以实现的前提。,(2)分离性能截留率、截留分子量,32,浓度极化,在膜分离过程中,一部分溶质被截留,在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高,造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度,这一现象称为“浓差极化”。,超滤液,边界层
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