《膜科学与技术》导论.ppt

第1章 导 论 1.1 概述 1.1.1 膜的广义定义 膜为介于两相之间的一个不连续区间(域) A region of discontinuity interposed between two phases.? 1．膜不是单纯的隔板或栅栏，而是具有分离功能的区域（薄层）； 2．膜可以是固体、气体、液体或溶胶等； 3．膜对不同物质具有选择渗透性； 4．膜具有良好的机械强度和化学稳定性。 1.1.2 膜分离过程 膜分离过程是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。 膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等。 膜分离过程可分为以下三种形式： 1.1.3 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。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。 图1-2 历史上膜的一些主要发展 图1-3 膜发展状况、发展速度和销售额示意图 较成熟的膜分离过程 Microfiltration （微滤，MF） Ultrafiltration （超滤，UF） Nanofiltration （纳滤，NF） Reverse Osmosis （反渗透，RO） Gas Separation （气体分离，GS） Pervaporation （渗透汽化，PV） Electrodialysis （电渗析，ED） Membrane Electrolyses(膜电解,ME) 发展中的膜分离技术 Bipolar Membrane (双极膜） Membrane Bioreactor (膜生物反应器,MBR） Catalytic Membrane （催化膜） Affinity Membrane （亲和膜） Vapor permeation （蒸汽渗透） Membrane Distillation （膜蒸馏） Membrane-based Absorption （膜基吸收） Membrane-based Extraction （膜基萃取） Supported Liquid Membrane （液膜） Controlled Release （控制释放） Facilitated Transport （促进传递） 1.1.4 传递模型 膜的传质模型有筛孔模型，溶解扩散模型，离子交换或排斥模型以及优先吸附模型等。 筛孔模型基本上将膜视为多孔的介质，由孔径的大小来决定分离的效果，对微孔膜和大孔超滤膜基本上是这一情况。 溶解扩散模型认为被分离物料各成分先以不同比例溶于膜中，而后又以不同的速度向膜的另一侧扩散，该模型适于渗透汽化、气体分离等。 优先吸附模型主要是对反渗透膜提出；水（溶剂）优先吸附在膜的表面上，而后通过微细的孔传递到膜的另一侧。 而荷电膜一般是通过离子交换或电荷排斥而发挥作用的。 1.1.5 驱动力 传质的驱动力是多种多样的，有电能、化学能、位能、热能和光能等，如图1-4所示的，可以看出， 目前以压力和浓度为驱动力的过程较多，发展潜力还很大。 图1-4 膜过程和有关驱动力 1.4 膜的应用 研究的最终目的是应用，一些应用的新要求也为研究提出了新任务，表1-3中列出了各种膜主要的和潜在应用领域和具体应用。 表1-3 各种膜的应用 1.5 膜科技展望 在第一部分中已图示了各种膜过程开发的程序和市场供求情 况，下面几点供参考： 重点研究与开发内容 高温气体分离膜， 催化反应膜 纳滤膜，渗透汽化膜（有机混合物分离） 亲和膜， 固载活性基团膜 凝胶膜、刷膜、闸膜（敏感性智能膜） 分子识别与分子印迹膜，分子自组装膜 双极膜，燃料电池（质子交换膜） 人工肝， 免疫分离膜 1.5.2 材料－膜―组件―装置应用，整个链锁的革新与加强。 这里有两种方式：一是专业化，材料，膜，组件……等分别由不同的专业部门生产，另一种是整个过程基本上由一单位或部门进行。前者专业化程度高，后者前后相互结合和促进好。 1.5.3 开拓新的应用领域 除新开发膜品种外，现有膜品种的应用领域不断扩大也是很重要的。如微孔膜在生物工程、天然气和石油开发方面，超滤在生物工程方面，反渗透和电渗透在其他流体处理方面，渗透汽化在去除微量杂质和异物分离