03-高分子分离膜.ppt

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1、第三章第三章 高分子分离膜高分子分离膜1 1膜料液水小分子大分子渗透液定义：定义：具有选择性分离功具有选择性分离功能的薄膜材料。能的薄膜材料。“2121世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了谁掌握了膜技术，谁就掌握了2121世纪化工的世纪化工的未来未来”膜简介膜简介2 2膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2控制制 药食 品化工石化电子冶 金燃料电池洁净燃烧3 3反渗透以压力差为推动力，截留离子物质仅透过溶剂4 4血液透析尿毒症将体内堆积的毒素及时通过半透膜排出体外，净化血液

2、药物中毒患者5 5主要内容l 概述l 高分子分离膜的分离原理l 高分子膜材料l 高分子分离膜的制备方法l 典型的膜过程及应用6 63.1 3.1 概 述 l 膜分离技术的发展历史 l 膜分离的特点l 高分子分离膜的定义和分类l 膜组件7 71.1.膜分离技术的发展历史膜分离技术的发展历史1748174817481748年年年年Abble Nelkt Abble Nelkt Abble Nelkt Abble Nelkt 发现水能自发现水能自发现水能自发现水能自发发发发地扩散到装有酒地扩散到装有酒地扩散到装有酒地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；

3、精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1864186418641864年年年年TraubeTraubeTraubeTraube成功研制了人类历史上第一张人造膜成功研制了人类历史上第一张人造膜成功研制了人类历史上第一张人造膜成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）（亚铁氰化铜膜）（亚铁氰化铜膜）（亚铁氰化铜膜）1918191819181918年年年年ZsigmondyZsigmondyZsigmondyZsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并提出了商品微滤膜的制备方法，并提出了商品微滤膜的制备方法，并提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物

4、、微粒等方面的分离和富集；将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；8 81950195019501950年年年年W.JudaW.JudaW.JudaW.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离成功研制了第一张具有实用价值的离成功研制了第一张具有实用价值的离成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；子交换膜；子交换膜；子交换膜；1960196019601960年年年年Loeb Loeb Loeb Loeb 研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗研制

5、出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；阶段；阶段；阶段；1967196719671967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模

6、应用。模应用。模应用。模应用。9 9与蒸馏、分馏、沉淀、萃取、吸附等传统与蒸馏、分馏、沉淀、萃取、吸附等传统与蒸馏、分馏、沉淀、萃取、吸附等传统与蒸馏、分馏、沉淀、萃取、吸附等传统的分离方法相比的分离方法相比的分离方法相比的分离方法相比,膜分离具有以下膜分离具有以下膜分离具有以下膜分离具有以下优点优点优点优点：没有相变化，不需要液体沸腾；也不需要气体液没有相变化，不需要液体沸腾；也不需要气体液没有相变化，不需要液体沸腾；也不需要气体液没有相变化，不需要液体沸腾；也不需要气体液化，不需要投加化学物质，是化，不需要投加化学物质，是化，不需要投加化学物质，是化，不需要投加化学物质，是低能耗低能耗低能

7、耗低能耗、低成本低成本低成本低成本的的的的分离技术；分离技术；分离技术；分离技术；分离过程在分离过程在分离过程在分离过程在常温下常温下常温下常温下进行，特别适用于热敏感物进行，特别适用于热敏感物进行，特别适用于热敏感物进行，特别适用于热敏感物质如质如质如质如:蛋白质、酶、药品的分离、分级、浓缩和蛋白质、酶、药品的分离、分级、浓缩和蛋白质、酶、药品的分离、分级、浓缩和蛋白质、酶、药品的分离、分级、浓缩和富集；分离浓缩同时进行，能回收有价值的物富集；分离浓缩同时进行，能回收有价值的物富集；分离浓缩同时进行，能回收有价值的物富集；分离浓缩同时进行，能回收有价值的物质；质；质；质；2.膜分离的特点膜分

8、离的特点1010膜分离膜分离膜分离膜分离装置简单装置简单装置简单装置简单、操作容易、制造方便，、操作容易、制造方便，、操作容易、制造方便，、操作容易、制造方便，不产生二次污染；易于实现自动化。不产生二次污染；易于实现自动化。不产生二次污染；易于实现自动化。不产生二次污染；易于实现自动化。应用范围广应用范围广应用范围广应用范围广,对无机物、有机物及生物制品都可对无机物、有机物及生物制品都可对无机物、有机物及生物制品都可对无机物、有机物及生物制品都可适用适用适用适用,还适用于许多特殊溶液体系的分离还适用于许多特殊溶液体系的分离还适用于许多特殊溶液体系的分离还适用于许多特殊溶液体系的分离,如如如如:

9、溶溶溶溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物及近液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物及近液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物及近液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物及近沸点物系的分离等沸点物系的分离等沸点物系的分离等沸点物系的分离等;11113.3.高分子分离膜的定义与分类高分子分离膜的定义与分类所所谓谓的的膜膜，是是指指在在一一种种流流体体相相内内或或是是在在两两种种流流体体相相之之间间有有一一层层薄薄的的凝凝聚聚相相，它它把把流流体体相相分分隔隔为为互互不不相相通通的的两部分，并能使这两部分之间产生两部分，并能使这两部分之间产生传质传质作用。作用。膜的膜的特性：特性：u 有有两个界面两个界

10、面。这两个界面分别与两侧的流体相接触。这两个界面分别与两侧的流体相接触u 膜膜传传质质有有选选择择性性，它它可可以以使使流流体体相相中中的的一一种种或或几几种种物质透过，而不允许其它物质透过。物质透过，而不允许其它物质透过。1212 膜的种类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能固体膜1313 固体膜固体膜根据膜断面根据膜断面的物理形态的物理形态根据固体根据固体膜的形态膜的形态对称膜对称膜不不对称膜对称膜复合膜复合膜平板膜平板膜管式膜管式膜中空纤维膜中空纤维膜核径蚀刻膜核

11、径蚀刻膜14144.4.膜组件膜组件膜的性能在膜分离技术上的实现，必须以合理的膜的性能在膜分离技术上的实现，必须以合理的膜组件为载体。膜组件为载体。由膜、固定膜的支撑体、间隔物由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜以及容纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件。组件。平平板框式膜组件板框式膜组件 卷式膜组件卷式膜组件 管式膜组件管式膜组件 中空纤维膜组件中空纤维膜组件 15151-轴芯2-O型环3-垫圈4-固定材5-网6-护罩7-外层材8-膜9-内层材10-固定材板框式板框式1616特点：特点：特点：特点：比表面积比表面积比表面积比表面积大，易于大，易于大，易于

12、大，易于更换膜，更换膜，更换膜，更换膜，适于微滤、适于微滤、适于微滤、适于微滤、超滤。超滤。超滤。超滤。1717圆管式圆管式圆管式膜组件的机圆管式膜组件的机构主要将膜和支撑构主要将膜和支撑体均制成管状。体均制成管状。1818内压管式：内压管式：多孔管多孔管膜膜料液料液外压管式：外压管式：料液料液1919螺旋卷式膜组件是将做好的平板膜密封成膜袋，在两螺旋卷式膜组件是将做好的平板膜密封成膜袋，在两膜袋间衬以网状间隔材料并紧密地卷绕在多孔中心管膜袋间衬以网状间隔材料并紧密地卷绕在多孔中心管上制成。上制成。螺旋式膜组件螺旋式膜组件透析液的收集系统浓缩液浓缩液料液料液2020将几十万根或更多的中空纤将几

13、十万根或更多的中空纤维束的一端封死，另一端固维束的一端封死，另一端固定在板上，再装入圆筒型耐定在板上，再装入圆筒型耐压容器内制成。压容器内制成。中空纤纬式膜组件中空纤纬式膜组件2121222223232424膜膜分分离离过过程程原原理理：以以选选择择性性透透膜膜为为分分离离介介质质，通通过过在在膜膜两两边边施施加加一一个个推推动动力力（如如浓浓度度差差、压压力力差差或或电电压压差差等等）时时，使使原原料料侧侧组组分分选选择择性性地地透透过过膜膜，以以达达到到分分离离提提纯纯的的目目的的。通通常常膜膜原原料料侧侧称称为为膜膜上上游游，透透过过侧侧称称为为膜下游膜下游。膜上游膜上游 透膜透膜 膜下

14、游膜下游选择性透膜选择性透膜3.2 3.2 高分子分离膜的分离原理高分子分离膜的分离原理2525多孔膜多孔膜致密膜致密膜筛分原理筛分原理溶解扩溶解扩散作用散作用微滤（微滤（0.1-10m）超滤（超滤（2-100nm）纳滤（纳滤（0.5-5nm）反渗透（反渗透（P 反渗透渗透（3）典型膜过程反渗透5656反渗透：以压力差为推动力，功能是截留离子物质而仅透过溶剂。无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。分离物质的

15、分子量：一般小于500，操作压力为 2-100MPa。5757反渗透膜：高操作压力：2-100MPa；要求膜必须有高透水率，高脱盐率；耐一定的酸碱、耐微生物、耐压；大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜 主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜5858反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论l 反渗透膜上的微孔孔径约为 0.5nm，而无机盐离子的直径仅为0.10.3nm，水合离子的直径为0.30.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。l 氢键理论l 选择吸附毛细管流动理论l 溶解扩散模型5959MF：溶液中直径溶液中直径0.1

16、-10m的粒子RO：Mw500的大分子或极细的胶体粒子的大分子或极细的胶体粒子l 分界不严格，互相重叠l 新型的NF正好介于UF和RO之间，截流 分子量大概在300-1000。RO与与MF、UF的区别的区别6060 反渗透过程已成功使用30多年，据统计，在全世界所有淡化过程生产1.15107m3/d的饮用水中，反渗透占23.4%。优点：能耗和投资运行费用低，占地小，设备腐蚀轻，易建造、操作、维修，建厂时间短。海水淡化在沙特至少有6套，产水2300-57000m3/d，苦咸水淡化13套，3500-53000m3/d。反渗透技术的应用反渗透技术的应用（1）海水、苦咸水的淡化）海水、苦咸水的淡化61

17、61海水液氯灭菌硫酸铝絮凝砂滤硫酸调pH=6反渗透二级反渗透活性炭脱氯饮用水6262（2）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艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的风味和营养不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废液中有用的物质等。6363牛奶加工牛奶MFUFRO脂肪和细菌脱脂牛奶UF截留物UF渗透物RO浓缩物水高脂奶油饮料生产奶酪特殊奶制品全蛋白乳糖生产发酵食品蒸发干燥全奶粉奶罐运输特殊奶品6464脱脂奶脱脂奶固含量固含量9.2蛋白质蛋白质3.6乳糖乳糖4.7%灰份灰份0.7预预处处理理UF渗透液渗透液乳糖乳糖4.

18、7灰份灰份0.7RO渗透液渗透液排出排出浓缩液浓缩液乳糖乳糖17.4%灰份灰份2.6%动动物物饲饲料料浓缩液浓缩液固含量固含量28.7蛋白质蛋白质21.2%乳糖乳糖4.7%灰份灰份0.7奶酪前体奶酪前体固含量固含量42%添加剂添加剂奶油奶油酵母酵母凝乳素凝乳素青霉素青霉素奶酪奶酪生产生产奶酪奶酪固含量固含量47.5%蛋白质蛋白质16.9%UF巴氏杀菌脱脂乳生产奶酪巴氏杀菌脱脂乳生产奶酪6565果汁澄清66662.浓度差驱动l 气体分离膜l 渗透蒸发膜l 透析l 控制释放装置分子主动从高浓度区向低浓度区转移的自发趋势6767（1）气体分离膜分离机理l 致密膜：没有宏观的孔洞，溶解-扩散作用l 多

19、孔膜：有固定孔洞，孔径，筛分膜材料lH2的分离：醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等的分离：醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等lO2的分离富集：聚二甲基硅氧烷及其改性产品的分离富集：聚二甲基硅氧烷及其改性产品和含三甲硅烷基的高分子和含三甲硅烷基的高分子lCO2分离：富氧膜可作为分离：富氧膜可作为CO2分离膜，在膜材料分离膜，在膜材料中引入亲中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环等，可大大提的基团，如醚键、苯环等，可大大提高高CO2的透过性。的透过性。lSO2的分离：引入亲的分离：引入亲SO2的亚砜基团分离性能。的亚砜基团分离性能。6868气体分离膜的应用气体分离膜的应用（1）特殊气体的富集：富氧空气主要用于医用

20、和工业燃烧（2）CO2、SO2、H2O的回收和脱除。天然气的净化：天然气：开采石油的伴生气，主要成分为甲烷，含少量乙烷、丁烷、戊烷、CO2、CO、H2S危害：造成管路及设备腐蚀；降低天然气热值，浪费管输能力；对于液化天然气还可能引起冻结。管输标准：CO23%；H2S20mg/m3；6969l三次采油注CO2伴生气回收采油过程中，将二氧化碳以大于1000大气压大气压的压力注入油井驱油以提高采收率，利用超临界萃取的原理、提高三次采油率。伴生气中的二氧化碳分离浓缩后，再循环注入油井中，此法已得到了广泛应用。体系为CO2/CH4分离，提浓为目的7070l 生物气脱除CO2来源：来源：城市垃圾处理场。城

21、市垃圾处理场。一个中等规模的垃圾场，沼气的生产能力为一个中等规模的垃圾场，沼气的生产能力为3200m3/h。预测至。预测至2010年仅苏浙沪地区城市垃年仅苏浙沪地区城市垃圾的甲烷产量达圾的甲烷产量达260多万吨，相当于多万吨，相当于300万吨煤炭万吨煤炭的能源潜力，直接经济价值达的能源潜力，直接经济价值达4.2亿元，同时环亿元，同时环保效益很大。保效益很大。一般含CH4：50-70%深圳盐田垃圾场：CO2：30-40%；CH4：45-55%以脱除CO2，提高热值为目的，CO2/CH4分离7171l 烟道气净化烟道气中大量的二氧化碳排放是造成大气温室效应的主要原因，富集和利用这些二氧化碳是保护环

22、境、节省资源的一个重要课题。来源：电厂等燃烧烟道气的主要成分：CO210-15%N270-85%O23-8%其它 （略）7272NATCOGroup日东电工:7373（2）渗透蒸发膜l 分离液体混合物l 原理：溶解扩散l 步骤：原料侧膜的选择性吸附 通过膜的选择性扩散 在另一侧脱附到蒸汽相l 驱动力：膜内渗透组份的浓度梯度l 可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及 近沸点物系的分离。l 优点：一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点7474液相室气相室膜真空泵冷凝液冷凝器渗透蒸发分离示意图(真空气化)7575膜材料l 只有对需要分离的某组分有亲和性的高分子物质才能作为膜材料l 以透水为目的的

23、渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤维素（CA）都是较好的膜材料；l 当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）则是较理想的膜材料。最成功的例子：无水乙醇的生产，工业化7676（4）控制释放装置以半透膜做为控制释放装置，延长作用时间和作用效果l 将药物用膜封闭，封闭药物的释放必须经过药物分子透过分离膜的过程，利用膜对药物分子迁移的阻碍作用，达到延缓释放的目的。l 激素类药物、计划生育类药物、长效杀虫剂、长效除草剂、长效化肥77773.电位差驱动l 电渗析l 膜电解l 膜电池离子交换膜，电场力7878 电渗析是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和

24、其他不带电组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。l 用于海水淡化、纯水制备和废水处理l 在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐l 溶解的电离物质和中性物质的分离。l 食品处理：婴儿奶制品脱矿物质，利用钙、镁与钠离子交换制备低钠奶制品电渗析7979正极正极阴离子交换膜阴离子交换膜负极负极+固定离子Cl-Na+-8080浓溶液稀溶液电极冲洗液原料液阳极阴极CACA电渗析过程原理柠檬汁脱酸8181l 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，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。l 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产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。8282谢 谢！8383