分离工程⁻第七章
2022-04-22 15:23:11 0 举报AI智能生成
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膜技术
作者其他创作
大纲/内容
一、膜技术发展简史
一种具有选择性透过的介质，允许某些物质通过，而截留另外一些物质
膜menbrance的定义
两个界面
选择性
膜的主要特点
膜
材料
结构
几何形状
微滤、超滤、纳滤、...
分离过程
过程推动力
分类
有机高分子材料
广泛性、多样性、低成本性
最主要的分离膜材料
硝化纤维素CN
纤维素衍生物类
聚酯类
聚乙烯PE
聚烯烃类
聚氯乙烯、聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE
乙烯类
常用举例
有机膜
化学稳定性好(耐酸碱、有机溶剂)
耐高温、机械强度大
造价较高、脆性大、弹性小
Al2O3、SiO2、TiO2
陶瓷类
碳分子筛
分子筛类
无机膜
含有高分子相和无机相
可兼顾各自优势
复合膜
膜材料分类
支持层、过渡层、分离层
流速低、易阻塞，孔越多越薄越好
a.对称膜(早期)
膜薄，决定速率
支持层增大机械强度
解决流速和机械强度矛盾问题
b.非对称膜(现代)
膜材料结构
分离效率
渗透速率
渗透性
耐、抗性、机械强度
稳定性
膜材料性能
膜材料
二、膜的分类与膜材料
似板框式压滤机
不易污染
板框式
寿命长、机械强度大，流速易控制
圆管式
难以清洗
螺旋卷式
损坏时，需调整整个组件
中空纤维式
三、膜组件
第一节 概述
滤膜孔径0.1-10μm
又称机械截流
筛分
尺寸小于膜孔的微粒
吸附
架桥
孔内部截留
分离机理
1.过滤精度高
2.通量大
3.膜厚度小，物质吸附少
4.稳定性好
分离特点
非流动状态，t↑，截留物↑，渗透率↓
适于物料浓度较低
死端过滤
流动状态，剪切力将沉积于膜表面的部分微粒冲走
适于浓度高、粘度大
错流过滤
中药物料的固液分离、高分子杂质去除、液体制剂澄清过滤等
应用
一 微滤MF
截流大分子物质、细菌、病毒等
截留分子量500-500000Da
膜孔径0.002-0.1μm.2-20nm
常具有不对称结构，皮层致密
机械截流、架桥、吸附等共同作用
同微滤
1.无相变化，能耗低
2.体积小，简单，费用低，便于工程放大
3.不发生质的变化，适于保味和热敏性物质
4.稀溶液微量贵重大分子物质回收，低浓度大分子物质浓缩
5.不同分子量分级分离，无二次污染
溶液纯化、分离、浓缩
二、超滤UF
截留分子量200-2000Da(道尔顿)，膜孔径0.5-2.0nm
适宜分离约1nm的溶质分子
与反渗透相比，操作压力更低，1-2MPa，“低压反渗透”“疏松反渗透”
介于超滤和反渗透之间
具有特殊的孔径范围和制备时的特殊处理(如复合化、荷电化)
1.筛分效应
2.电荷效应
分离原理
二价＞单价
1.不同价态离子截留效果不同
2.截留受离子半径影响
3.截留分子量200-2000Da，适用1nm溶质
4.较强抗污染性
5.压力低，水通量大，截留分子量低
三、纳滤NF
去除水中无机离子、0.1-2nm有机小分子、压力2-10MPa
利用仅允许水透过的半透膜，分离小分子物质与溶剂(水)
高于溶液渗透压，压力差为推动力，使溶剂过膜，达到脱盐
1.效率高，海水平均脱盐率99%
2.分离范围广，无机盐、有机物
3.物料不发生相变，不需Δ，适于热敏性
海水、苦咸水淡化
纯水、超纯水制备
浓缩
四、反渗透RO
膜具有较大孔隙率70%-80%
疏水微孔膜0.2-0.4μm
需蒸发
足够的机械强度
良好的热稳定性
疏水性微孔膜分解含有非挥发性溶质的水溶液
膜技术与蒸发过程相结合
④膜两侧温差所产生的蒸汽压力为推动力
①疏水性多孔膜
②膜不能被浸润
③挥发性组分以蒸汽形式通过膜孔
⑤膜孔中不发生毛细冷凝现象
⑥膜不改变气-液平衡
⑦膜至少有一侧与待处理液体直接接触
处理反渗透的浓水、垃圾渗滤液的浓缩液、重金属废水
1.不受渗透压限制
可利用太阳能、地热、工厂余热能量
2.温度较低，有利于热敏性物质分离浓缩
只有水蒸气能透过膜孔
3.产水十分纯净
海水和苦咸水淡化、物料的回收与浓缩、纯水和超纯水的制备
热利用效率较低
1.直接接触式
增加热传导阻力，降低热量损失，膜通量相对较小
2.空气间隙式
降低了水蒸气传质阻力，提高膜通量
3.吹扫式
增大了两侧的蒸气压差，提高膜通量
4.真空式
膜蒸馏过程的类型
五、膜蒸馏MD
膜两侧蒸汽压差为推动力，利用溶解和扩散速率不同
过膜前加热，过膜后减压
选择适宜的膜材料
1.分离选择性高
适用于精馏方法难以分离的恒沸物和近沸物
2.不受气液平衡限制
3.能耗低
热敏性物质
4.操作温度低
5.简单方便，附加处理少，可靠性和稳定性高
挥发性成分的分离富集
低含量成分分离
恒沸物、近沸物
六、渗透汽化PV
电化学和渗析过程的结合
两个基本条件
离子交换膜
直流电场
直流电场作用，荷电离子选择性定向迁移
阳离子会被阴离子交换膜阻挡，反之亦然
书上P105
电渗析装置图
1.同时对电解质水溶液淡化、浓缩、分离、提纯
2.可用于蔗糖等非电解质的提纯，去除电解质
3.电渗析器:带隔膜的电解池，可利用电极上的氧化还原反应，效率高
特点
海水脱盐淡化、纯水制备、酸碱废液处理、煤化工废水处理、物料脱盐、贵重金属回收
七、电渗析ED
污水处理
生物反应与膜过程结合，集微生物降解与膜的高效分离于一体
1.膜生物反应器MBR
溶解度与扩散系数不同
2.液膜LM
渗透压差为驱动力
不需要压力，能耗低、产水率高、污染小
3.正渗透FO
由分子印迹聚合物(MIPs)制备或包含此物的膜
对特定目标分子及其结构类似物
具有特异性识别和选择性吸附的高分子聚合物
用于固相萃取
学科交叉:中药分析
eg.黄曲酶毒素
4.分子印迹膜MIM
八、其他膜技术
第二节常用的膜技术
在压力驱动膜过程中，溶剂透过膜，溶质被截留，在膜表面形成凝胶层，溶质流动形成边界层，形成梯度浓度，向溶液扩散，传质推动力下降，膜通量下降，膜被污染
概念
截留率变化
降低膜通量，影响膜性能
导致结晶析出，阻塞膜通道
危害
提高流速(湍流):湍流促进器(如卷式膜组件中设置隔网)
增加附加力场
膜组件流道结构优化设计
1.改善膜表面流体力学条件
降低料液中颗粒物浓度
提高料液温度
降低压力
2.优化膜运行操作条件
控制方法
一、浓差极化
不可逆变化
与膜发生物理化学相互作用或因浓差极化使溶质吸附或堵塞
蛋白质、脂肪、糖类、有机胶体、腐殖酸等
1.有机污染物
无机颗粒和离子，CaSO4、CaSO4、铁盐、磷酸钙复合物、无机胶体等
2.无机污染物
膜表面富集繁殖
3.生物活性污染物
膜污染物的种类
溶质或粒子尺寸与膜孔的相对大小
溶质与膜的相互作用
膜及料液的理化性质
膜操作参数
影响因素
除去产生膜污染的污染物
1.料液预处理
2.膜的筛选
工艺优化研究
3.操作参数
反冲洗(剪切压力和反向压力)
水力清洗
超声波清洗
机械刮除
1.物理清洗
酸洗、碱洗、氧化剂清洗、络合剂清洗、盐洗、表面活性剂清洗
2.化学清洗
酶
生物活性的清洗剂
3.生物清洗
膜的清洗
二、膜污染
第三节 膜技术应用中的相关问题
微滤、超滤膜技术
如口服液
(部分)替代传统醇沉工艺
不消耗有机溶剂，节能环保
1.分离纯化
超滤、纳滤、反渗透、膜蒸馏等
(部分)替代传统热蒸发浓缩
不发生质的变化，适合热敏性物料
2.浓缩
超滤膜技术
损失少、效率高
3.注射热原的去除
微滤、超滤
4.挥发油的分离富集
5.采用膜技术制备中药有效部位与有效成分
提高浓度、回收率，降低能耗，绿色环保
中药制药现代化
第四节 应用与展望
第七章 膜技术
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