第九章功能高分子材料膜分离材料课件.ppt

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1、第九章功能高分子材料膜分离材料2022-9-111第1页，此课件共137页哦第三节第三节 膜分离材料膜分离材料 一一 概述概述1 分离膜与膜分离技术的概念分离膜与膜分离技术的概念 分离膜分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。的分隔两相或两部分的界面。膜的形式可以是固态膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行膜通过这两个界面与被分割的两侧流

2、体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。产和研究中的使用技术被称为膜技术。第2页，此课件共137页哦 随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异种物质的分离；不同物质状态的分离等。种物质的分离；不同物质状

3、态的分离等。在化工单元操作中，常见的分离方法有在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、筛分、过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。等。然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。实用价值。第3页，此课件共137页哦 具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上述的分离问题迎刃而解。膜分离

4、过程的述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点主要特点是是以以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程。膜分离过程的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过程可概述为以下三种形式：程可概述为以下三种形式：渗析式膜分离渗析式膜分离 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等

5、；属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等；第4页，此课件共137页哦 过滤式膜分离过滤式膜分离 利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；液膜分离液膜分离 液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从

6、液膜进入接受液相当于反萃取。受液相当于反萃取。第5页，此课件共137页哦 膜分离技术膜分离技术是是利用膜对混合物中各组分的选择利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。离技术。膜分离过程的共同优点是成本低、能耗膜分离过程的共同优点是成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中能代替蒸馏

7、、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用，使技术投资更为经济。起来使用，使技术投资更为经济。第6页，此课件共137页哦 膜分离过程膜分离过程没有相的变化没有相的变化(渗透蒸发膜除外渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和富集

8、物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地

9、应用于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。轻纺、海水淡化等领域。第7页，此课件共137页哦2 功能膜的分类功能膜的分类（1）按膜的材料分类按膜的材料分类 膜材料的分类膜材料的分类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素酯类纤维素酯类纤维素衍生物类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类非纤维素酯类聚砜类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰聚酰(亚亚)胺类胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰

10、亚胺等聚酯、烯烃类聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟含氟(硅硅)类类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他其他壳聚糖，聚电解质等壳聚糖，聚电解质等第8页，此课件共137页哦（2）按膜的分离原理及适用范围分类按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。（3）按膜断面的物理形态分类按膜断面的物

11、理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。空纤维膜等。第9页，此课件共137页哦（4）按功能分类）按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、

12、电能转化膜，导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生转化膜，导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。物反应器、医用膜）等。第10页，此课件共137页哦二二 膜材料及膜的制备膜材料及膜的制备1 膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料。成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。这主要决定

13、于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。的制备技术。第11页，此课件共137页哦 目前，实用的有机高分子膜材料有：目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料

14、的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。第12页，此课件共137页哦2 膜的制备膜的制备（1）分离膜制备工艺类型）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。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

15、法。是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。第13页，此课件共137页哦（2）相转化制膜工艺）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相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是LS型制膜法。它是由加拿大人劳勃（型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S.Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。酸纤维素膜。将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模

16、具中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，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：其工艺框图可表示如下：第14页，此课件共137页哦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LS法制备分离膜工艺流程框图法制备分离膜工艺流程框图第15页，此课件共137页哦（3）复合制膜工艺复合制膜工艺 由由L-S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一

17、层，称为表面致密层。它的厚度约的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.251m，相当于总厚度的，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用LS法法制备表面层小于制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图所示。了复合制膜工艺，其方框图如图所示。第16页，此课件共137页哦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复合制膜工艺流程框图复合制膜工艺流程框图第17页，此课件共137页哦三三 典型的膜分离技术及

18、应用领域典型的膜分离技术及应用领域 典型的膜分离技术有微孔过滤典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤、超滤(UF)、反渗透反渗透(RO)、纳滤、纳滤(NF)、渗析、渗析(D)、电渗析、电渗析(ED)、液膜、液膜(LM)及渗透蒸发及渗透蒸发(PV)等，下面分别介绍之。等，下面分别介绍之。1 微孔过滤技术微孔过滤技术（1）微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤和微孔膜的特点 微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分筛分”作用进行分作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。离的膜过程。实施

19、微孔过滤的膜称为微孔膜。第18页，此课件共137页哦 微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90150m左右，过滤粒径在左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在之间，操作压在0.010.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有膜约有13类，总计类，总计400多种。多种。微孔膜的主要优点为：微孔膜的主要优点为：孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔孔/cm2，微孔

20、体积占膜总体积的，微孔体积占膜总体积的7080。由。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；几十倍；第19页，此课件共137页哦 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤液。微孔膜的缺点：微孔膜的缺点：颗粒容量较小，易被堵塞；颗粒容量较小，易被堵塞；使用时必须有前道

21、过滤的配合，否则无法正使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。常工作。第20页，此课件共137页哦（2）微孔过滤技术应用领域）微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。第21页，此课

22、件共137页哦p气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。粒和微生物，都可借助微孔膜去除。p食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类清澈度，延长

23、存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。产品变味。第22页，此课件共137页哦p 药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的

24、受热破坏和变性。许多液态药物，如注射不会引起药物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。用微滤技术。第23页，此课件共137页哦2 超滤技术超滤技术（1）超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤技术始于超滤技术始于 1861 年，其过滤粒径介于微滤和年，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约反渗透之间，约510 nm，在，在 0.10.5 MPa 的静压的静压差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于、酶等相对分子质量大

25、于500的大分子及胶体，形成的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。和形状决定膜的分离效率。第24页，此课件共137页哦 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构式和中

26、空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为为0.11.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm；中；中间的过渡层，具有大于间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为110m；最下面的支撑层，厚度为；最下面的支撑层，厚度为50250m，具有具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。活性层和过度层。第25页，此课件共137页哦 中空

27、纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为0.52m。特点是。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。的内表面积很大，能有效提高渗透通量。制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH=38，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素

28、超滤膜适用于pH=29，芳香聚酰胺超滤，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH=59，温度，温度040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过膜的使用温度则可超过100。第26页，此课件共137页哦（2）超滤膜技术应用领域）超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。超滤技术主要用于含分

29、子量超滤技术主要用于含分子量500500,000的微粒的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面。要可归纳为以下方面。第27页，此课件共137页哦p 纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。p 汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装

30、淋汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有洗水中常含有12的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。p 食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。量的乳糖。p 果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂

31、质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。便，成本较低。p 在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。药物等。p 造纸厂的废水处理。造纸厂的废水处理。第28页，此课件共137页哦三三 反渗透技术反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物就已经自觉

32、或不自觉地使用渗透或反渗透分离物质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。法不可比拟的优势。第29页，此课件共137页哦 渗透和反渗透的原理如图所示。如果用一张只能透过水而不能透渗透和反渗透的原理如图所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从

33、低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透透（图（图 a）。）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图（图 b）。）。渗透过程达到平衡后，水渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透

34、通量为零。不再有渗透，渗透通量为零。如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图 c）。）。第30页，此课件共137页哦渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图第31页，此课件共137页哦 反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为操作压力为 2100MPa。用于实施反渗透操作的

35、膜为反渗透膜。反渗透膜用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质，可截留溶质分子。分子。第32页，此课件共137页哦 制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有氢键理论、选择吸附氢键理论、选择吸附毛细管流动理论、溶解扩散毛细管流动理论、溶解扩散理论等。理论

36、等。第33页，此课件共137页哦2.反渗透与超滤、微孔过滤的比较反渗透与超滤、微孔过滤的比较 反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来说，分离溶液中分子量低于般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500的大的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶分子或极细的胶体粒子可以选

37、择超滤膜，而分离溶液中的直径液中的直径0.110m的粒子应该选微孔膜。以上的粒子应该选微孔膜。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。重叠。第34页，此课件共137页哦微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较如下表所示。微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较如下表所示。反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较分离技术类型分离技术类型反渗透反渗透超滤超滤微孔过滤微孔过滤膜的形式膜的形式表

38、面致密的非对称膜、复合膜等表面致密的非对称膜、复合膜等非对称膜，表面有微孔非对称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纤维素、聚酰胺等纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、纤维素、PVC等等操作压力操作压力/MPa21000.10.50.010.2分离的物质分离的物质分子量小于分子量小于500的小分子物质的小分子物质分子量大于分子量大于500的大分子和的大分子和细小胶体微粒细小胶体微粒0.110m的粒子的粒子分离机理分离机理非简单筛分，膜的物化性能对分离非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用起主要作用筛分，膜的物化性能对分离筛分，膜的物化性能对分离起一定作用起一定作用筛分，

39、膜的物理结构筛分，膜的物理结构对分离起决定作用对分离起决定作用水的渗透通量水的渗透通量/(m3.m-2.d-1)0.12.50.5520200第35页，此课件共137页哦3.反渗透膜技术应用领域反渗透膜技术应用领域 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。定了它以下的应

40、用范围。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。了其优越性。第36页，此课件共137页哦（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和

41、营养等均不受影响。疗效、风味和营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。收利用废业中有用的物质等。第37页，此课件共137页哦四四 离子交换膜离子交换膜1.离子交换膜的分类离子交换膜的分类（1）按可交换离子性质分类）按可交换离子性质分类 与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子

42、和阴阳离子。为阳离子、阴离子和阴阳离子。第38页，此课件共137页哦（2）按膜的结构和功能分类）按膜的结构和功能分类 按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳要用于酸或碱的制备；镶嵌膜

43、由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。有机物质的分离等。第39页，此课件共137页哦2.离子交换膜的工作原理离子交换膜的工作原理（1）电渗析）电渗析 在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换

44、膜），则阳离子或阴离子会子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。第40页，此课件共137页哦 电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。解，制备氯气和氢氧化钠等。第41页，此课件共137页哦食盐生产

45、电渗析器示意图食盐生产电渗析器示意图A：阴离子膜，：阴离子膜，K：阳离子膜；：阳离子膜；D：稀室，：稀室，C：浓室：浓室Na+ClNa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ClClClClClClClClAKKKKKAAAADCDDDDCCC阳极水阴极水咸水Cl2NaOH脱盐水浓缩液第42页，此课件共137页哦（2）膜电解）膜电解 膜电解的基本原理可以通过膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许

46、允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反应是：向阴极的运动，在阳极室的反应是：2 Na+2 H2O+2 e=2 NaOH+H2 在阴极室的反应为：在阴极室的反应为：2 Cl 2 e=Cl2第43页，此课件共137页哦 用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器已成用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的方法。氢氧化钠的方法。如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加

47、上一定的电一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。氧气。第44页，此课件共137页哦3.电渗析技术应用领域电渗析技术应用领域 自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的离子交换膜产量就占到了世

48、界的1/3。我国的电渗析。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。规模的海水淡化装置。第45页，此课件共137页哦 电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。纯水制备中扮演重要角色。此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业。全此外，离子交换膜还大量

49、应用于氯碱工业。全氟磺酸膜（氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著称，是目前为）以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐止唯一能同时耐40NaOH和和100温度的离子交换温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。隔膜。第46页，此课件共137页哦 全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，可料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，可能成为能成为21世纪的主要能源方式之一。经多年研制，世纪的主要能源方式之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢氧燃

50、料电池的实用性质子交膜已被证明是氢氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运行。但换膜，并已有燃料电池样机在运行。但Nafion膜价膜价格昂贵（格昂贵（700美元美元/m2），故近年来正在加速开发磺），故近年来正在加速开发磺化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以期降低燃料电池的成本。期降低燃料电池的成本。第47页，此课件共137页哦五五 渗透蒸发技术渗透蒸发技术1.渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点 渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。渗透蒸发是指液体混合物在