固體膜分離技術(shù)

1、固體膜分離技術(shù),（超濾、納濾、滲析、反滲透）,四種主要分離技術(shù)的比較,固體膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介,膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特征，因此，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。,膜分

2、離的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展,1748年 膜分離現(xiàn)象19世紀(jì)60年代 第一張膜的產(chǎn)生20世紀(jì)30年代 微孔滲透(Microfiltration)20世紀(jì)40年代 滲析(Dialysis)20世紀(jì)60年代 反滲透(Reverse Osmosis)20世紀(jì)70年代 超濾(Ultrafuiltration),固體膜分離技術(shù)的原理,膜分離是指在外界能量或化學(xué)位差（壓力差，濃度差等）形成的推動(dòng)作用下，用天

3、然或人工合成的具有選擇性的半透膜對(duì)混合組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離，分級(jí)，提純，濃縮的方法。,膜分離技術(shù)的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),耗能少常溫操作，方便簡(jiǎn)單適用范圍廣，適用性強(qiáng),缺點(diǎn),濃差極化膜污染預(yù)處理要求高,膜的分類,膜過(guò)程的分類,,超濾（UItrafiltration）,發(fā)展:1748年，Schmidt用棉花膠膜或璐膜分濾溶液，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加一定壓力時(shí)，溶液（水）透過(guò)膜，而蛋白質(zhì)、膠體等物質(zhì)則被截留下來(lái)，其過(guò)濾精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)濾紙，于是他提出超

4、濾一語(yǔ)。1896年，Martin制出了第一張人工超濾膜，其20世紀(jì)60年代，分子量級(jí)概念的提出，是現(xiàn)代超濾的開(kāi)始，70年代和80年代是高速發(fā)展期，90年代以后開(kāi)始趨于成熟。,超濾的原理,超濾膜，是一種孔徑規(guī)格一致，額定孔徑范圍為0.001-0.02微米的微孔過(guò)濾膜。在膜的一側(cè)施以適當(dāng)壓力，就能篩出小于孔徑的溶質(zhì)分子，以分離分子量大于500道爾頓(原子質(zhì)量單位）、粒徑大于10納米的顆粒。以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過(guò)濾介質(zhì)，

5、在一定的壓力下，當(dāng)原液流過(guò)膜表面時(shí)，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過(guò)，而大分子溶質(zhì)則不能透過(guò)，留在膜的一邊。,超濾膜具有選擇性的主要因素：具有一定大小和形狀的空的表層；聚合物的化學(xué)性質(zhì),超濾的特點(diǎn),無(wú)相變?cè)O(shè)備體積小工藝流程簡(jiǎn)單無(wú)質(zhì)的變化，適于熱敏性物質(zhì)適合稀溶液中微量貴重大分子的回收和低濃度大分子物質(zhì)的濃縮無(wú)雜質(zhì)脫落,超濾膜,常用超濾膜是由一層非常薄的、具有一定孔徑的多孔"皮膚層"（厚

6、約0.1mm～1.0mm），和一層相對(duì)厚得多的（約1mm）更易通滲的、作為支撐用的"海綿層"組成的一種各向異性擴(kuò)散膜。皮膚層決定了膜的選擇性，而海綿層增加了機(jī)械強(qiáng)度。由于皮膚層非常薄，因此高效、通透性好、流量大，且不易被溶質(zhì)阻塞而導(dǎo)致流速下降?；拘阅苤笜?biāo)：水通量[cm3/(cm2·h)]；截留率（以百分率%表示）；化學(xué)物理穩(wěn)定性（包括機(jī)械強(qiáng)度）等。,超濾膜污染,濃差極化超濾膜污染膜污染機(jī)理研究

7、現(xiàn)狀,濃差極化現(xiàn)象,在超濾過(guò)程中，由于被截留的雜質(zhì)在膜表面上不斷積累，會(huì)產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，當(dāng)膜面溶質(zhì)濃度達(dá)到某一極限時(shí)即生成凝膠層，使膜的透水量急劇下降。而超濾法處理的液體多數(shù)是含有水溶性生物大分子、有機(jī)膠體、多糖及微生物等。這些物質(zhì)極易粘附和沉積于膜表面上，造成嚴(yán)重的濃差極化和堵塞。為了克服濃度極化現(xiàn)象，增加流速，通常可加大液體流量，加強(qiáng)湍流和加強(qiáng)攪拌。,超濾膜污染,可逆膜污染 不可逆膜污染,,研制抗污染膜的主要方法,膜材料改

8、造,接枝共聚共混,膜表面改造,等離子體改性輻照接枝表面化學(xué)反應(yīng)表面活性劑改性,應(yīng)用——凈水器,配套設(shè)備：,超濾膜、增壓泵、減壓閥、物理清洗和化學(xué)清洗系統(tǒng)、消毒滅菌系統(tǒng)、自動(dòng)化計(jì)量、監(jiān)控和儀表,納濾（Nanofiltration）,發(fā)展：與其他壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離技術(shù)相比，納濾出現(xiàn)較晚?？勺匪莸?0年代末J.E. Cadotte的NS-3 0 0膜的研究。之后，納濾發(fā)展得很快，膜組器于80年代中期商品化，而納濾膜大多從反滲透膜衍化而

9、來(lái)。,納濾的原理,一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程。濾膜的分離機(jī)理為篩分和溶解擴(kuò)散并存，但是納濾膜本體帶有電荷性，所以同時(shí)又具有電荷排斥效應(yīng)。這使它在低壓力下仍具有較高脫鹽性能，可以有效地去除二價(jià)和多價(jià)離子、去除分子量大于200的各類物質(zhì)，可部分去除單價(jià)離子和分子量低于200的物質(zhì)。,納濾膜的兩大特征,1.對(duì)于液體中分子量為數(shù)百的有機(jī)小分子具有分離性能。2.因?yàn)榧{濾膜是荷電膜，能進(jìn)行電性吸附。對(duì)于不同價(jià)態(tài)的陰離子存在道南

10、效應(yīng)。所以物料的荷電性，離子價(jià)數(shù)和濃度對(duì)膜的分離效應(yīng)有很大影響。,納濾技術(shù)的分離規(guī)律,納濾的分離特性評(píng)判主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是表觀截留率(Robv％)，；另一個(gè)是膜通量Jv(L.m-2．h-1)[15].納濾膜分離針對(duì)這兩個(gè)特性，有以下的規(guī)律性：(1)截留的分子相對(duì)分子質(zhì)量為200-1000，適于分子大小為1nm的溶解組分的分離；(2)對(duì)于多價(jià)陰離子具有高截留率，而對(duì)一、二價(jià)離子有良好的選擇性；(3)對(duì)于陽(yáng)離子，依H+、Na+

11、、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+的順序，截留率遞增,納濾技術(shù)的分離規(guī)律,(4)對(duì)于陰離子，依NO3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-的順序，截留率遞增，而膜的表面帶有負(fù)電荷，所以多價(jià)的陰離子因受到排斥而無(wú)法進(jìn)入膜中，當(dāng)濃度高時(shí)，可以發(fā)生屏蔽；(5)一般來(lái)說(shuō)，濃度越高，膜的截留率越低，一是由于屏蔽作用；另一方面，破壞了平衡；,應(yīng)用——工業(yè)廢水處理,應(yīng)用——純水機(jī),,,,滲透法（D）,由來(lái)：人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)，一些動(dòng)物膜，如膀胱膜

12、、羊皮紙（又稱工業(yè)羊皮紙，是一種半透明的包裝紙，它主要供包裝儀表、機(jī)器零件、化工藥品等。）有分隔水溶液中某些溶解物質(zhì)（溶質(zhì)）的作用。而這，也正是滲透法最早的雛形。,,,指兩種不同濃度的溶液隔以半透膜水分子或其它溶劑分子從低濃度的溶液通過(guò)半透膜進(jìn)入高濃度溶液中的現(xiàn)象。在膜滲析中,單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)膜的溶質(zhì)分子數(shù)(通量) 與膜的面積和厚度、溶質(zhì)的濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)等因素有關(guān)。而擴(kuò)散系數(shù)又由樣品的粘度、溫度、膜的孔徑大小等因素決定。,滲透法原理

13、,,滲透的影響因素,溫度的影響：溫度升高會(huì)降低水的粘度,從而提高擴(kuò)散系數(shù),最終使得水通量增大但并不是越高越好,為水通量增大到一定程度后會(huì)加重濃差極化。膜方位的影響：根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的膜朝向,一般的在水純化與脫鹽的應(yīng)用中,正滲透膜的朝向多為活性分離層面向原料液。,滲透的影響因素,流速的影響：在運(yùn)行時(shí)要采用錯(cuò)流的方式,提高流速,減小邊界層的厚度,以削弱外濃差極化的影響。原料液和汲取液的濃度的影響：當(dāng)原料液的濃度一定時(shí),汲取

14、液濃度增大,會(huì)使得滲透壓差加大,從而提高水通量,但當(dāng)濃度增大到一定值時(shí),水通量會(huì)下降,這是因?yàn)闈舛群芨邥r(shí),濃差極化會(huì)加劇。,應(yīng)用—海水淡化,進(jìn)料溶液0.5mol/LNaCl,驅(qū)動(dòng)溶液為6mol/L銨鹽,膜兩側(cè)的滲透壓差高達(dá) 22.5MPa膜通量 25 L/(m2·h )鹽的截留率大于95%通過(guò)適度加熱(約 60℃),將銨鹽分解成氨和 CO2并循環(huán)使用,剩余的液體就是稀鹽水。該稀鹽水蒸餾或膜蒸餾即可獲得純凈水。節(jié)能,廢水

15、與垃圾滲濾液的處理,垃圾滲濾液的處理,TDS達(dá)到100mg/L一下,也可用于污泥濃縮,總磷去除完全,氨氮總凱氏氮去除90%膜通量 25 L/(m2·h )抗污能力很強(qiáng),通過(guò)測(cè)定鹽度確定受污染程度,膜材料的要求和發(fā)展趨勢(shì),(1)具有致密的皮層，對(duì)溶質(zhì)有高截留率；(2)膜的皮層具有較好的親水性，實(shí)現(xiàn)較高的水通量和水回收率，同時(shí)又能降低膜污染趨勢(shì)；(3)膜的支撐層盡量薄，并且孔隙率盡量大，以便能減小內(nèi)濃差極化；(4)具有較

16、高的機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)較高的膜強(qiáng)度，增加膜壽命；(5)具有一定的耐酸、堿、鹽等腐蝕的能力以便能夠在較寬的 pH 值范圍以及各種不同組成的溶液條件下正常運(yùn)行。,反滲透的由來(lái),海鷗嗉囊[sù náng]位置有一層薄膜，該薄膜構(gòu)造非常精密，海鷗可利用這薄膜把海水過(guò)濾為可飲用的淡水，而含有雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外，這是以后逆滲透法（Reverse Osmosis ，簡(jiǎn)稱 R.O）的基本理論架構(gòu)。,最早使用于美國(guó)太空人將

17、尿液回收為純水使用；醫(yī)學(xué)界還以反滲透法的技術(shù)用來(lái)洗腎（血液透析）。,反滲透原理,在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的溶劑會(huì)向稀溶液流動(dòng)，此種溶劑的流動(dòng)方向與原來(lái)滲透的方向相反，這一過(guò)程稱為反滲透。它的驅(qū)動(dòng)力是外加的壓力，分離所需的能量與溶液的濃度有關(guān)，鹽溶液濃度越高產(chǎn)生同體積水越困難。,反滲透工作原理,反滲透機(jī)理模型：1.優(yōu)先吸附毛細(xì)孔模型：當(dāng)水溶液與高分子多孔膜接觸時(shí)，若膜的化學(xué)性質(zhì)使膜對(duì)溶質(zhì)負(fù)吸附，對(duì)水是優(yōu)先的正吸附，

18、則在膜與溶液界面上將形成一層被膜吸附的一定厚度的純水層，它在外壓作用下，將通過(guò)膜表面的毛細(xì)孔，從而可獲取純水。2.溶解擴(kuò)散模型：溶質(zhì)和溶劑溶解于膜—在各自化學(xué)位差的推動(dòng)下以分子擴(kuò)散方式通過(guò)活性層—在膜的透過(guò)液側(cè)表面解吸。,反滲透預(yù)處理的必要性,懸浮顆粒沉積在膜上—堵塞進(jìn)水流道、增加摩擦阻力-難溶鹽超過(guò)飽和極限時(shí)沉積在膜面上形成結(jié)垢—膜污染—增加運(yùn)行壓力、水質(zhì)下降,反滲透預(yù)處理,（1）加酸：降低濃水的pH從而可降低碳酸鈣結(jié)垢的傾向