第7章 膜分离.ppt

* 聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定 性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使 用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因 此已成为重要的膜材料之一。 * 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙— 4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水 的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅 0.076 ml/cm2·h。 以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。 * 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能 力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的 聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。 * 离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子 交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子 膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴 离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强 酸型阳离子交换膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离 子聚合物膜。 * 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。 * 常见材料的最高允许使用温度 名称 温度 CA 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 35 35 90 70 70 120 160 * 无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。 * 4.10 膜的制备 1. 分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性 能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的 是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。 * 2. 相转化制膜工艺 相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或 向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固 相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L—S 型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S. Leob）和索里 拉金（S. Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋 酸纤维素膜。 * 将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中 流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸 发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜， 其工艺框图可表示如下： * 聚合物 溶剂 添加剂 均质制膜液 流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维 蒸出部分溶剂 凝固液浸渍 水洗 后处理 非对称膜 图 L—S法制备 分离膜工艺流程框图 * 3. 复合制膜工艺 由L—S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气 的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.25～ 1μm，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可 知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L—S法 制备表面层小于0.1μm的膜极为困难。为此，发展 了复合制膜工艺，其方框图如图3所示。 * 多孔支持膜 涂覆 交联 加热 形成超薄膜 亲水性高分子溶液的涂覆 复合膜 形成超薄膜的溶液 交联剂 图 复合制膜工艺流程框图 * 4.4 操作特性 浓度极化模型 浓度极化现象： 定义：膜分离操作中，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于料液主体浓度的现象。 影响：膜两侧渗透压差增大，透过通量降低。 凝胶极化现象： 定义：当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层；分离含有菌体细胞或其他固形成分料液时，也会在膜表面形成凝胶层。 影响：产生附加的传质阻力，透过通量降低。 考虑了浓差极化和凝胶极化的透过通量的一般表示式为： 其中：?p和??分别为操作压差和渗透压差； Rm、Rc和Rg分别为膜、浓度极化层和凝胶层的阻力； ?L为料液粘度。 浓度极化模型： 边界条件： 积分上式可得浓度极化模型方程： 其中：D为溶质的扩散系数；?为浓度极化层厚度； cm、cb和cp分别为膜表面、料液主体和透过液 的溶质浓度；k为传质系数 。 稳态条件下，对系统进行物料衡算得： 当压力很高时，溶质在膜表面形成凝胶极化层，由上式可得出