膜处理技术学习.pptx

膜技术发展简史18世纪初，人们就已经注意到了膜分离现象；19世纪末20世纪初，细致深入地了解了渗透现象；20世纪50年代，Juda成功试制了高选择透过性阴阳离子交换膜，使得电渗析(ED)进入实用；微滤也进入工业化阶段；60年代，Loeb和Sourirajan制备了不对称反渗透膜，使得反渗透技术在海水淡化技术进入了实用阶段；70年代，超滤技术；80年代，气体分离；90年代，渗透蒸发；超低压反渗透膜得以研制成功 膜分离技术特点使其受到广泛重视，发展迅速。21世纪将是膜技术全面发展的阶段，对工业技术的改造将起到深远的影响。第1页/共46页水处理领域的膜分离技术饮用水工业用水工业废水市政污水第2页/共46页膜的分类膜的定义膜是分离两相和选择性传递物质的屏障。膜的分类v按膜的结构分类v按化学组成分类v按分离机理分类v按几何形状分类第3页/共46页按膜的结构分类第4页/共46页按化学组成分类有有机机材材料料纤维素类纤维素类二醋酸纤维素二醋酸纤维素/三醋酸纤维素三醋酸纤维素/醋酸丙酸纤维素醋酸丙酸纤维素/硝酸纤维素硝酸纤维素聚酰胺类聚酰胺类尼龙尼龙66，芳香聚酰胺，芳香聚酰胺酰肼等，芳香聚酰胺，芳香聚酰胺酰肼等芳香杂环类芳香杂环类聚哌嗪酰胺，聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚苯并咪唑酮等聚哌嗪酰胺，聚酰亚胺，聚苯并咪唑，聚苯并咪唑酮等聚砜类聚砜类聚砜，聚醚砜，磺化聚砜，磺化聚醚枫等聚砜，聚醚砜，磺化聚砜，磺化聚醚枫等聚烯烃类聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚丙烯酸等聚乙烯，聚丙烯，聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚丙烯酸等硅橡胶类硅橡胶类聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷/聚三甲基硅烷丙炔聚三甲基硅烷丙炔/聚乙烯基三甲基硅烷聚乙烯基三甲基硅烷含氟聚合物含氟聚合物聚全氟磺酸，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯等聚全氟磺酸，聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯等其他其他聚碳酸酷，聚电解质聚碳酸酷，聚电解质无无机机材材料料陶瓷陶瓷氧化铝，氧化硅，氧化锆等氧化铝，氧化硅，氧化锆等玻璃玻璃硼酸盐玻璃硼酸盐玻璃金属金属铝、钯、银等铝、钯、银等第5页/共46页按分离机理分类膜过程膜过程膜过程膜过程分离体系分离体系分离体系分离体系相相相相1 1 相相相相2 2推动力推动力推动力推动力分离机理分离机理分离机理分离机理渗透物渗透物渗透物渗透物截留物截留物截留物截留物微滤LL压力差(0.010.2MPa)筛分水、溶剂、溶解物悬浮物、颗粒、纤维和细菌(0.0110m)超滤LL压力差(0.10.5MPa)筛分水、溶剂、离子和小分子(分子量1000)生化制品、胶体和大分子(分子量1000300000)纳滤LL压力差(0.52.5MPa)筛分+溶解/扩散水和溶剂(分子量200)溶质、二价盐、糖和染料(分子量2001000)反渗透LL压力差(1.010.0MPa)溶解/扩散水和溶剂全部悬浮物、溶质和盐电渗析LL电位差离子交换电解离子非解离和大分子物质渗析LL浓度差扩散离子、低分子量有机质、酸和碱分子最大于1000的溶解物和悬浮物分离体系中L表示液相，G表示气相或蒸汽第6页/共46页按分离机理分类渗透蒸发LG分压差溶解/扩散溶质或溶剂(易渗透组分的蒸气)溶质或溶剂(难渗透组分的液体)复 合 膜 和均质膜膜蒸馏LL温度差气-液平衡溶质或溶剂(易汽化与渗透的组分)溶质或溶剂(难汽化与渗透的组分)多孔膜气体分离GG压力差(1.010.0MPa),浓度差(分压差)溶解/扩散易渗透的气体和蒸气难渗透的气体和蒸气复 合 膜 和均质膜液膜LL化学反应与浓度差反应促进和扩散传递电解质离子非电解质离子载体膜膜接触器LLGLLG浓度差浓度差(分压差)浓度差(分压差)分配系数易扩散与渗透的物质难扩散与渗透的物质多 孔 膜 和无孔膜分离体系中L表示液相，G表示气相或蒸汽第7页/共46页膜分离的定义和分类膜分离的定义膜分离的分类1.反渗透和纳滤2.超滤和微滤3.渗析和电渗析4.载体促进传递5.渗透汽化6.膜精馏和膜萃取7.气体分离第8页/共46页反渗透原理第9页/共46页膜的迁移方程 优先吸附毛细孔流理论第10页/共46页反渗透膜与纳滤膜及其组件I.高压反渗透膜II.低压反渗透膜III.超低压反渗透膜第11页/共46页反渗透和纳滤应用zz反渗透与纳滤工艺流程反渗透与纳滤工艺流程第12页/共46页vv反渗透反渗透1.1.水纯化水纯化2.2.溶质浓缩溶质浓缩vv纳滤纳滤1.1.溶质浓缩溶质浓缩反渗透和纳滤应用返回返回第13页/共46页超滤(Ultrafiltration,UF)z历史1861年，Schmidt用牛心包膜截留阿拉伯胶，可作为世界上第一 次超滤试验。1963年，Michaels开发了不同孔径的不对称CA超滤膜。19651975年是超滤工艺大发展的阶段：v膜材料从初期的不对称CA膜扩大到现在的聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)以及各种高分子合金膜等；v膜组件有板式、卷式和中空纤维式等；v超滤膜的孔径范围在150nm，能从水溶液中分离分子量大于数千的大分子和胶体物质。第14页/共46页z超滤原理v膜结构：超滤膜多为不对称结构，由一层极薄(通常小于1m)并具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚(通常为125m左右)并具备海绵状或指状结构的多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用。v“筛分”理论膜的截留效果取决于膜的孔径大小。v比较全面的解释在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等将分别起着不同的截留作用。第15页/共46页z超滤膜 v超滤膜的性能指标主要有以下两个：渗透通量：纯水渗透速率 (一般在0.10.3MPa下测定)；截留率：截留分子量曲线。另外，超滤膜的耐压性、耐清洗性、耐温性等性能对于工业应用也是非常重要的。v制备方法目前商品化的有机材质的超滤膜都是采用相转化法制得的，所采用的材质有磺化聚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、纤维素类、聚丙烯腈、磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚醚酮。此外还有陶瓷超滤膜，主要是由Al2O3、ZrO2用SolGel法制得。第16页/共46页z超滤操作工艺v重过滤操作用于大分子和小分子的分离。v间歇操作常用于小规模生产。v连续式操作常用于大规模生产。连续式操作时组件的配置有单级和多级两类。第17页/共46页z超滤应用超滤在需将尺寸较大的分子或微粒与低分子物质或溶剂分离的领域得到了广泛应用。超滤装置可单独运行，也可与其他处理设备结合应用于各种分离过程。超滤浓缩的优点是无相变、一般不需加热、工序简单、适用pH范围宽和防止失活等，很适于热敏性物质的分离浓缩。主要应用在以下领域：v工业废水处理；v城市污水处理；如资源化应用。v饮用水的生产；v高纯水的制备；v生物制剂的提纯；v食品工业；v医药工业。返回返回第18页/共46页微滤(Microfiltration,MF)z概述1907年Bechhold制得系列化多孔火棉胶膜。二战后美国的Sartorius公司制得CN膜，应用于微生物污染检测，之后发展为Millipore公司。60年代后微滤工艺的大发展：随着聚合物材料的开发，膜品种扩大；制膜工艺从完全挥发相转化，扩大到凝胶相转化、控制拉伸致孔、核辐照刻蚀致孔等；孔径范围从0.1m至75m系列化；组件形式从单一的膜片滤器到褶筒式、板式、中空纤维式和卷式等；应用范围从实验室的微生物检测迅速发展到制药、医疗、饮料、生物工程、超纯水、饮用水、石化、环保、废水处理和分析检测等广阔的领域。第19页/共46页z微滤原理微滤又称为精过滤，其基本原理属于筛网状过滤(物理截留)。除此以外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留，如图7所示。通过微滤膜的体积通量可由Darcy定律描述：JAp渗透常数A决定于渗透液粘度和膜的厚度、孔隙率、孔径及其分布等因素。第20页/共46页若膜由直的毛细管构成，根据HagenPoiseulle关系式计算：若膜是球形颗粒的聚集体，根据KozenryCarman公式计算：以上两式中，孔隙率；r孔半径；X膜厚；动力学粘度；弯曲因子；K与孔几何形状有关的无因次常数；S单位体积中球颗粒的表面积。因此，为了使微滤膜性能得到优化，应尽可能使膜表面孔隙率高，孔径分布窄。第21页/共46页v死端过滤v错流过滤z微滤操作工艺v对于含固量低于0.1%的物料通常采用死端过滤；v在分离含固量在0.1%一0.5%的料液时，通常要对料液进行预处理或在膜面上加玻璃纤维的预过滤装置；v对含固量高于0.5的料液通常采用错流过滤操作。第22页/共46页z微滤膜目前市场上的微滤膜的材质可分为有机和无机两大类。有机材质主要将聚合物通过相转化、拉伸、烧结、径迹刻蚀等方法制备。迄今为止，已用于制备微孔膜的聚合物有纤维素、聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等。陶瓷、金属等无机材料无机膜有良好的化学和热稳定性，而且它的孔径可以被很好地控制，孔径分布通常较窄。比较重要的制备方法有烧结、溶胶-凝胶、阳极氧化。目前主要用氧化铝、氧化锆制备陶瓷膜。第23页/共46页z微滤应用工业上，微滤主要用于将大于0.1m的粒子与溶液分开的场合。制药行业的除菌过滤；电子工业用高纯水的制备；食品工业；在各种与生物、生理有关的分析中对细胞的捕获、各种颗粒的富集；饮用水生产和城市污水处理成为微滤过程的两个潜在的大市场；最新的应用领域是生物技术和生物医学技术领域。返回返回第24页/共46页膜组件 板框式膜组件卷式膜组件 管式膜组件 毛细管膜组件中空纤维膜组件 第25页/共46页z板框式膜组件板框式膜组件的基本部件是：平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部件以图40所示的顺序相互交替、重叠、压紧。第26页/共46页第27页/共46页板框式膜组件突出优点是操作灵活，其主要特点有：可以简单地增加膜的层数实现增大处理量；组装简单、坚固，对压力变动和现场作业的可靠性较大；每两片膜之间的渗透物都是被单独地引出来的，可以通过关闭个别膜对来消除操作中的故障，而不必使整个组件停止运行。缺点是：板框式膜组件中需要个别密封的数目太多，因此装置越大对各零部件的加工精度要求也就越高，尽管组件结构简单，但成本较高；装 填 密 度 仅 能 达 到100400m2/m3。返回返回第28页/共46页z卷式膜组件 卷式膜组件是由美国GulfGeneral Atomic公司于1964年研制成功的，是目前反渗透、超滤及气体分离过程中最重要的膜组件形式，也有少量用于渗透汽化过程。第29页/共46页对于不同的处理对象，可对卷式膜组件的结构作相应的改进。第30页/共46页由于螺旋卷式膜组件的结构简单、造价低廉、装填密度较高(可达1000m2/m3)，同时还具有一定的抗污染性，所以尽管它也有明显的缺点(如不易清洗)，但还是取得了很大的成功。目前在反渗透领域占据了大部分市场份额(高达75左右)，在超滤与气体分离过程中也占有重要的地位。返回返回第31页/共46页z管式膜组件 管式膜组件是由圆管式的膜及膜的支撑体构成(不包括毛细管式膜和中空纤维膜)。由于膜本身的强度不高，因此在压力下工作时需要具有良好透水性和高强度的材料来支撑。当膜处于支撑管的内壁或外壁时，分别构成了内压管式和外压管式组件。多数场合下分离皮层在膜的内侧，管状膜直径在624mm。陶瓷管式膜多采用一种特殊的蜂窝结构，在这种结构中，陶瓷载体中开有若干个孔，用溶胶凝胶法在这些管的内表面制备分离皮层，如图45所示为管式膜蜂窝结构截面。第32页/共46页管式膜的流道较大，对料液中杂质含量的要求不高，可用于处理高固含量的料液。膜面的清洗不仅可以用化学方法，而且也可以用海绵球之类的机械清洗方法。为了改进流动状态，还可以安装湍流促进器。管式膜组件的进料体积通量较大，通常需要弯头连接(压力损失较大)，装填密度不高(300m2/m3)。返回返回第33页/共46页z毛细管膜组件 毛细管膜组件的结构类似于管式膜。由于膜的孔径较小(0.56mm)，能承受高压，所以不用支撑管。通常将很多的毛细管按图47的方式安装在一个组件中。毛细管膜的自由端一般用环氧树脂、聚氨酯和硅橡胶封装。如图47。第34页/共46页毛细管式膜组件的运行方式有两种：料液流经毛细管管内，在毛细管外侧收集渗透物；原料液从毛细管外侧进入组件，渗透物从毛细管管内流出。这两种方式的选择取决于具体应用场合。毛细管式膜组件装填密度较大(6001200m2/m3)，制造费用低，但压缩强度较小，在多数情况下料液的流动为层流。目前用于超滤、渗析、渗透汽化过程以及某些气体渗透过程(通过在渗透侧制造真空，在进料边保持环境压力来实现推动力的工艺情况)。返回返回第35页/共46页中空纤维膜组件与毛细管膜组件的形式相同，差别在于膜的规格不同。通常中空纤维的外径约40250m，外径与内径之比为2 4。根据下式，膜的耐压强度决定于外径和内径之比，与管壁的绝对厚度无关。式中，K是材料的抗拉强度；r是管径。中空纤维具有较大的外径内径之比，因而具有较大的耐压性。z中空纤维膜组件 第36页/共46页第37页/共46页v组件形式污染和浓差极化对中空纤维膜分离性能产生很大的影响，通过改变流动方式可以改善膜的污染和浓差极化现象。对于皮层在外侧的中空纤维，根据料液流动方式可把组件分为三种：轴流式；放射流式；纤维卷筒式。后两种组件中料液相对于中空纤维作横向流动，这种流动强化了边界层的传质过程。第38页/共46页v特点中空纤维最主要的优点是装填密 度 很 高，可 达 1600030000m2/m3，对反渗透、气体分离、膜接触器、液膜等单位面积渗透通量很小的过程是非常有利的。但它也有许多缺点：清洗困难，只能采用化学清洗；中空纤维膜一旦损坏无法更换；液体在管内流动时阻力很大，导致压力损失较大。v适用场合目前中空纤维膜主要用于反渗透、气体分离、膜接触器、液膜以及超滤和渗析等领域。返回返回第39页/共46页膜组件系统设计 基本操作方式膜组件的连接方式多级装置的连接第40页/共46页z基本操作方式 膜分离系统按其基本操作方式可分为两类：单程系统；循环系统。在单程系统中原料液仅通过单一或多种膜组件一次；而在循环系统中，原料液通过泵加压多次流过每一级。第41页/共46页z膜组件的连接方式 第42页/共46页z多级装置的连接 如果单级膜分离装置不能获得合乎要求的产物，截留物或渗透物必须在第二级中进一步处理。这种系统被称为多级装置(膜级联)。通常膜过程的级联装置分为无回流和有回流两大类，可利用图解和数值计算的方法确定级联式膜装置级数和梯级尺寸。是否采用循环回流取决于各段的截留物与渗出物中组分是否有回收的价值。这是因为不带再循环会造成产物损失，而带有再循环需要较高的投资和操作费用。第43页/共46页返回返回第44页/共46页谢谢！第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页