精编制作第五章-膜分离(修订)PPT课件

1、第五章膜分离 5 1膜分离概述 5 3反渗透 5 4液膜分离 5 5其它膜分离技术 5 2微滤 超滤和纳滤 一 膜分离的概念 5 1膜分离概述 膜分离是借助一特殊制造的 具有选择透过性能的薄膜 在某种推动力的作用下 利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作 二 膜分离的特点 优点 膜分离过程属于速率分离过程 一般不发生相变 因此与有相变的平衡分离方法相比能耗低 多数膜分离过程在常温下进行 特别适用于热敏性物质的分离 膜分离过程一般不耗或少耗化学试剂 对产品无二次污染 且成本低 操作方便 设备结构紧凑 维护费用低 应用范围广 适合于无机物 有机物及生物物质的制备 工艺适用性强 其处理规模可大可小 膜分离被国际公认为20世纪末21世纪中期最有发展前途的前沿技术 是世界各国研究的热点 缺点 在膜的运行过程中可能会发生浓差极化和膜污染 使其分离性能劣化 使用寿命有限 固膜分离存在选择性低 因而在高纯度分离的应用中受到限制 三 膜分离的发展历程 1748年 AbbleNelkt首次揭示了膜分离现象 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱中 1864年 Traube研制出了人类历

2、史上第一张人造膜 亚铁氰化铜膜 1918年 Zsigmondy研制出了用于分离和富集微生物和极细粒子的微孔滤膜 并揭示了其微观结构 1925年 德国成立了世界上第一个滤膜公司 1750年 JudaW 首次发表了合成高分子离子交换膜 1970年代初 CusslerE L 研制成功了含流动载体的液膜 1960年代初 Martin首次发现了具有选择性的人造液膜 首张带支撑体液膜 1960年代 美籍华人黎念之首次发现了不带支撑体液膜 膜发展的三个阶段 各种离子交换膜 醋酸纤维素膜 液膜等均出现于此阶段 同时 反渗透 渗析超滤 控制释放等膜方法也产生于此阶段 20世纪60 70年代为发展阶段 20世纪50年代为奠定基础阶段 20世纪80年代至今为深化阶段 膜科学的发展趋势 探索开发新型膜材料和改进膜的制备工艺 不同膜过程相结合的集成膜过程研究 膜分离与其它分离过程相结合的新型膜分离方法研究 四 膜分离的常用方法 按推动力的不同 膜分离可分为 由压力差而引起的膜分离 由浓度差而引起的膜分离 由温度差而引起的膜分离 由电压差而引起的膜分离 由化学反应而引起的膜分离 由化学反应加浓度差而引起的膜分离

3、1 由压力差而引起的膜分离 微 孔过 滤 使用0 02 10 m的微孔滤膜 根据颗粒大小和形状不同进行分离 截留悬浮大颗粒物质 0 02 10 m 超 过 滤 使用1nm 0 02 m的非对称膜 根据分子特征大小和形状不同进行分离 截留大分子溶质 1 20nm 反渗透 高滤 使用0 1nm 1nm的反渗透膜 非对称或复合膜 根据溶剂分子的扩散传质速度及渗透系数分离 截留小分子溶质 0 1 1nm 气体分离 使用 1nm的均质膜或复合膜 根据气体扩散传质速度的不同分离 截留难渗透及较大的气体分子 膜孔减小 外压增加 2 由浓度差而引起的膜分离 渗析 使用离子交换膜或非对称膜 孔径1nm 3nm 根据溶质的扩散传递速度不同进行分离 截留的是分子量 1000的溶剂 渗透蒸发 使用均质膜 复合膜 非对称性膜 根据组分的选择传递进行分离 截留难渗透组分的蒸气 控制扩散 3 由电压差而引起的膜分离 电渗析 使用的膜 离子交换膜 分离机制 电解质离子的选择性传递 截留的是 非电解质 大离子及带相反电荷离子 4 由温度差而引起的膜分离 膜蒸馏 使用的膜 微多孔膜 分离机制 组分的沸点和蒸气的扩散传递

4、截留的是 高沸点及难渗透组分的蒸气 5 由化学反应而引起的膜分离 反应膜分离 使用的膜 催化剂等固定化膜 6 由化学反应和浓度差而引起的膜分离 液膜分离 使用的膜 各种类型的液膜 分离机制 反应促进和扩散传质 五 膜 Membrane 的有关概念 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔开来成为两部分 那么这一薄层物质就是膜 1 膜的定义 2 膜必须具备的两个特性 膜不管薄到什么程度 至少必须具有两个界面 膜正是通过这两个界面分别与被膜分开于两侧的流体物质互相接触 膜应具有选择透过性 膜可以是完全透过性的 也可以是半透过性的 3 膜的种类及结构 1 按来源分 膜 合成膜 天然膜 固膜 液膜 气膜 已经实现大规模工业应用 已经实现工业应用 主要还在实验室研究阶段 包括纤维素酯类 原生质 细胞膜等 2 固膜的分类与结构 按相态分 按材料分 包括 有机膜和无机膜 按膜的形状分 平板膜 FlatMembrane 管式膜 TubularMembrane 中空纤维膜 HollowFiber 和螺旋卷式膜 包括 多孔膜致密膜 无孔膜 按膜孔径的大小分 包括 对称膜 Symme

5、tricMembrane 非对称膜 AsymmetricMembrane 复合膜 CompositeMembrane 按膜的结构分 包括 3 对称膜的结构与特点 膜两侧截面的结构及形态相同 且孔径与孔径分布也基本一致的膜称为对称膜 对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜 膜的厚度大致在10 200 m范围内 致密的均相膜由于膜较厚而导致渗透通量低 目前已很少在工业过程中应用 孔径 50nm 称为大孔 孔径介于1 50nm 称为中孔 孔径 2nm 称为微孔 非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成 膜上下两侧截面的结构及形态不相同 致密层厚度约为0 1 0 5 m 支撑层厚度约为50 150 m 4 非对称膜的结构与特点 由于非对称膜的表皮层比致密膜的厚度 10 200 m 薄得多 故其渗透通量比致密膜大得多 被除去的物质基本富集于膜的表面 因而易于清洗 复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称膜 但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同 皮层可以多层叠合 通常超薄的致密皮层可以用化学或物理等方法在非对称膜的支撑层上直接复合制得 5 复合膜 复合型超薄膜剖面示意图 4 制备膜的

6、常用材料 1 对膜材料的基本要求 目前的膜材料大多是通过已有的高分子材料和无机材料筛选得到 通用性强 专用性差 因此 要得到能同时满足上述条件的膜材料往往非常困难 常采用膜材料改性或膜表面改性的办法 使膜具有某些需要的性能 具有良好的成膜性能和理化稳定性 耐酸 碱 微生物侵蚀和耐氧化等 反渗透 纳滤 超滤 微滤用膜最好为亲水性 以得到高水通量和抗污染能力 气体分离 尤其是渗透蒸发 要求膜材料对透过组分优先吸附溶解和优先扩散 电渗析用膜则特别强调膜的耐酸 碱性和热稳定性 膜萃取等过程 要求膜耐有机溶剂 2 常用的有机高分子膜材料及其主要应用 是最早应用的高分子膜材料 也是目前应用最多的膜材料 主要用于反渗透 纳滤 微滤 超滤 在气体分离和渗透蒸发中也有应用 纤维素膜材料 聚酰亚胺是近年开发应用的耐高温 化学稳定性好的膜材料 目前已用于超滤 反渗透 气体分离膜的制造 芳香聚酰胺类和杂环类膜材料 目前主要用于反渗透 是超滤 微滤膜的主要材料 由于其性能稳定 机械强度好 所以可用作许多复合膜的支撑材料 聚砜类膜材料 也是超滤 微滤膜的常用材料 它的亲水性使膜的水通量比聚砜大 聚丙烯腈 硅橡胶类

7、 聚烯烃 聚乙烯醇 尼龙 聚碳酸酯 聚丙烯腈 聚丙烯酸 含氟高分子多用作气体分离和渗透气化膜材料 3 无机膜材料 金属及其氧化物 多孔玻璃 陶瓷 分子筛 常用材料 无机膜的种类 从结构上可分为致密膜 多孔膜和复合非对称修正膜三种 无机膜的特点 优点 耐高温 化学稳定性好 有很宽的pH使用范围 无老化问题 寿命长 分离极限和选择性可调 可反向冲洗 缺点 制备较难 价格高 机械强度差 5 膜性能的表示法 膜的性能包括膜的分离透过特性和理化稳定性两方面 膜的分离透过特性包括分离效率 渗透通量和通量衰减系数三个方面 膜的理化稳定性指膜对压力 温度 pH值以及对有机溶剂和各种化学药品的耐受性 对于不同的膜分离过程和分离对象可以用不同的表示方法 对于溶液中盐 微粒和某些高分子物质的脱除等可以用脱盐率 或截留率R 表示 1 分离效率 原液中被分离物质 盐 微粒或高分子物质 的浓度 透过液中被分离物质的浓度 对于混合物的分离 可以用分离因子 或分离系数 表示 原液 气 中组分A的摩尔分数 透过液 气 中组分A的摩尔分数 分离因子 分离系数 通常用单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示 2 渗透通量 J

8、w 透过液的体积或重量 膜的有效面积 运转时间 因为过程的浓差极化 膜的压密以及膜孔堵塞等原因 膜的渗透通量将随时间而衰减 可以用下式表示 3 通量衰减系数 m 初始时间的渗透通量 时间t的渗透通量 运转时间 衰减系数 一般而言 膜的分离效率高 其渗透通量小 渗透通量大的膜 则分离效率低 即 6 膜的污染和劣化 1 污染 定义 由于在膜表面上形成了覆盖层或膜孔堵塞等外部因素而引起膜的通量和分离效果持续下降的现象 引起原因 覆盖层 滤饼层 附着了料液中的凝胶性悬浮物或微生物等 结垢层 附着了难溶物主要为无机物 吸附层 吸附水溶性大分子 膜孔堵塞 包括空间位阻 悬浮物 表面吸附 难溶物的析出等 预防和消除方法 预防方法 料液预处理 消除方法 清洗 清洗方法 物理清洗法 水冲洗法 水 气联合清洗法 反冲洗法 化学清洗法 海绵球擦洗法 酸溶液或螯合剂清洗 碱溶液清洗 对有机物 油脂污染及硅垢有效 针对无机污垢 氧化性试剂洗涤 对有机物 油脂及水溶性高分子污染有效 2 劣化 定义 膜因自身发生了不可逆转的变化等内部原因而导致膜性质改变的现象 引起原因 化学劣化 预防方法 采用预处理的方法预防 膜

9、材料发生了水解 氧化还原反应等 物理劣化 膜因压密 干燥等原因 生物劣化 膜因发生生物降解等反应 本章主要参考书 1 陆九芳等 分离过程化学 北京 清华大学出版社 1993 2 化学分离富集方法及应用 编委会 化学分离富集方法及应用 湖南 中国工业大学出版社 1997 3 胡之德等 化学科学与技术概论 成都 四川科学技术出版社 1996 4 张启修 冶金分离科学与工程 北京 科学出版社 2004 5 安树林 膜科学技术实用教程 北京 化学工业出版社 2005 5 2微滤 超滤和纳滤 以压力差为推动力 筛孔分离 纳滤膜对离子还有静电相互作用 一 微滤 开发最早 应用最广 市场最大 分离微米及亚微米级的悬浮物 微生物 细菌等 超纯水的制备 除去细菌污染 性质和特点 膜厚度薄 10 200微米 多孔膜 空隙率高 截留的0 02 10微米的粒子 膜通量大 过滤速度快 吸附小 使用方便 寿命较长 比表面小 颗粒容纳量小 堵塞 分离机理 1 固液分离 筛分截留 吸附 架桥 网络 静电 2 固气分离 直接截留 惯性沉积 扩散沉积 拦集作用 操作模式 常规过滤 固体含量0 5 原料液以切线方向流过膜表

10、面 集成电路厂高纯水系统 自来水 预过滤 微滤或超滤 反渗透 阴阳离子交换树脂混合床 超滤 分配系统微滤 使用点微滤 使用 二 超滤 截留1 20纳米的粒子 500 1000000分子量的大分子 胶体和微粒 制膜方法与材料与微滤膜不同 相转化法 非对称膜 复合膜 错流操作 食品工业和乳清处理 三 纳滤 在反渗透基础上发展起来 截留分子量介于超滤和反渗透之间 1纳米以上 复合膜 分离机理 截留筛分和静电作用 分离行为与其带电性能 溶质的带电状态 pH等有较大关系 阴离子NO3 Cl OH SO42 CO32 阳离子H Na K Ca2 Mg2 Cu2 截留率递增 5 3反渗透膜分离过程 一 渗透与渗透压的概念 半透膜 不对称膜或复合摸 盐水 纯水 纯水侧水的化学势为 o水 盐水侧的化学势为 水 o水 RTlnXw 渗透系数 水的摩尔分数 o水 水 渗透 渗透 溶剂透过半透膜由低浓度端向高浓度端迁移的现象 h 对应的压力称为渗透压 渗透压 渗透达到平衡时 低浓度端高出高浓度端的液柱高h对应的压力 渗透平衡 渗透压的数学表达式 按Van tHoff方程 对单一组分体系有 溶质的浓度 对多组分

《精编制作第五章-膜分离(修订)PPT课件》由会员ahu****ng3分享，可在线阅读，更多相关《精编制作第五章-膜分离(修订)PPT课件》请在金锄头文库上搜索。