63+膜分离过程2011.ppt

内容简介 6.3.1 膜概述 膜的分类和形态结构 膜材料 膜的制备方法 膜的分离性能 膜中的传递过程 6.3.2 膜组件 6.3.3 膜分离过程 膜分离过程简介 压力推动膜过程-微滤、超滤、纳滤和反渗透 浓度差推动膜过程-渗透蒸发 电推动膜过程-电渗析 6.3.1 膜概述 膜科学与技术的发展背景 分离及反应领域中存在的问题： 分子级别的分离分级 恒沸体系 带电离子的分离 过程的连续与偶合？ 化学平衡的局限？ 膜分离过程的概念和特征 膜分离过程是用具有选择透过性的天然或合成薄膜为分离介质，在膜两侧的一定推动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）作用下，原料液体混合物或气体混合物中的某个或某些组分选择性地透过膜，使混合物达到分离、分级、提纯、富集和浓缩的过程。通常将膜的原料侧称为膜上游侧，将透过侧称为膜下游侧。 膜分离过程的概念和特征 原料被分成两股物流，即截留物和渗透物，这两股物流均可为产物。 ---目的为浓缩时：截留物为产物； ---目的为纯化或者分离时，则截留物和渗透物都可能是产物； ---目的是促进生化反应时，选用适当的膜过程可以除去某一产物，从而改变化学平衡向有利方向进行，同时还可消除产物的抑制作用，如在醇发酵过程中可用膜除去乙醇。 膜技术的优点可概括为： ① 通常无相变，能耗低； ② 可在室温或低温条件下操作，适宜于热敏性物质的分离浓缩； ③分离过程一般不需添加其它化学物质，化学强度与机械损害小，避免过多失活，同时有利于节约资源和环境保护； ④膜性能可调，通过选择合适的膜性能和操作参数可得到较高回收率； ⑤设备易于放大，处理规模和能力可在很大范围内变化； ⑥膜组件结构紧凑，操作方便，可频繁启停，易自控和维修； ⑦系统可密闭循环，可实现连续分离，防止外来污染； ⑧易于和其它分离过程相结合，实现过程耦合和集成，从而使分离与浓缩、分离与反应同时实现，可大大提高分离效率。 膜分离过程也有其局限性，如存在浓差极化和膜污染，膜寿命有限，有些膜过程选择性较低等。膜过程的上述特点仅是定性的，不同的膜过程和应用场合有很大差别，因此在选择膜过程时要从技术和经济可行性上综合考虑。 膜过程的发展历程 1748年 Nollet发现选择性渗透现象：水自发扩散穿过猪膀胱而进入到酒精中去 19世纪中叶Graham发现了透析（dialysis)现象后人们正式开始了膜分离过程的研究 1960年Loeb-Sourirajan共同发明了第一张高透水率和高脱盐率的可实用的醋酸纤维素反渗透膜，从此多数膜过程进入了工业化开发：微滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、乳化液膜等。目前这些膜过程已有很多成熟的大规模工业化应用。 1980年以后，不断出现更多的新型膜过程：膜萃取、膜吸收、膜蒸馏、促进传递、膜色谱、膜反应器和膜控制释放等。这些膜过程大多仍处于应用基础研究阶段。 膜-membrane 膜是膜过程的“心脏”。 膜还没有一个精确完整的定义。一种通用的广义上的定义是“膜”是两相之间的不连续区间，更准确地说是两相之间一个具有选择透过性的屏障或隔层，有一定的三维结构，相态上可分为固相、液相和气相。 膜的两个特性（1）透过通量-flux（分离效率） （2） 选择性-selectivity（分离程度） 膜的分类 按结构分： 膜的分类 按功能分： 分离型－以分离为目的 反应型－控制反应物的输入或生成物的输出 按膜材料来源分： 天然型－天然物质改性或再生而成 合成型－无机膜、有机膜、无机-有机复合膜 膜的分类 按形状分： 板式膜 管式膜 中空纤维式膜 蜂窝状膜 膜材料选择 膜材料的基本物化稳定性和选择透过性 膜具有高选择性、高渗透通量 膜具有足够的机械强度和化学及热的稳定性 膜的材料来源有生物膜和合成膜，生物膜在结构、功能和传质机理方面都与可用于工程技术目的的合成膜有很大差别，这里的膜分离过程主要指利用合成膜的分离过程。 合成膜包括无机膜和聚合物膜两大类，二者各有其特点，其中聚合物膜占主要地位 。 1．聚合物膜 聚合物膜材料种类较多，包括各种纤维素酯类（常用的有再生纤维素、硝酸纤维素、醋酸纤维素）、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜类（磺化聚砜、聚醚砜）、聚醚酮类、聚酯类、聚烯烃类（聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯）、硅橡胶等，这些材料的亲疏水性、机械强度、耐高温性、耐水解性、耐有机溶剂性和抗氧化性等都有很大差别，可根据分离过程的要求选择合适的膜材料。 纤维素类 结构示意图 结构：纤维素的分子结构中每个重复单元含有三个游离醇羟基 ，一个是伯羟基 ,两个是仲羟基 ,因此使纤维素具有高度亲水性。 来源：纤维素是天然高分子化合物，主要来