第二章-膜分离技术应用课件.ppt

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1、1第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 2.1 概述概述2.1.1 分离膜与膜分离技术的概念分离膜与膜分离技术的概念 分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质分离膜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体接触并进行传递。分离膜对流体可以是

2、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。是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生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。2第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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

3、状态的分离等。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。3第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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

4、的出现，使上述的分离问题迎刃而解。述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是膜分离过程的主要特点是以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质以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的推动力有浓度差、压力差和电位差浓度差、压力差和电位差等。膜分离过等。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

5、出去。属于渗析式膜分离的有属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析渗析和电渗析等；等；4第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 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离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透超滤、微滤、反渗透和气体渗透等；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。液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质溶质

6、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，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取受液相当于反萃取。6第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 膜分离过程没有相的变化膜分离过程没有相的变化(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

7、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，越来越广泛地应用于于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化轻纺、海水淡化等领域。等领域。7第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术2.1.2 膜分离技术发展简史膜分离技术发

8、展简史 高分子膜的分离功能很早就已发现。高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，年，耐克特（耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了精的猪膀胱内，开创了膜渗透膜渗透的研究。的研究。1861年，施年，施密特（密特（A.Schmidt）首先提出了）首先提出了超过滤超过滤的概念。他的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶

9、体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤微孔过滤。8第二章第二章 高分子分离膜与膜分离技术高分子分离膜与膜分离技术 然而，真正意义上的分离膜出现在然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪世纪60年年代。代。1961年，米切利斯（年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮丙酮溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的

10、膜，这种膜是真正的超过滤膜超过滤膜。美国。美国Amicon公司首公司首先将这种膜商品化。先将这种膜商品化。50年代初，为从海水或苦咸水年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了中获取淡水，开始了反渗透膜反渗透膜的研究。的研究。1967年，年，Du Pont公司研制成功了以尼龙公司研制成功了以尼龙66为主要组分的中空为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制公司研制成功成功平板式反渗透膜组件平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。反渗透膜开始工业化。10第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 具有分离选择性的人造具有分离选

11、择性的人造液膜液膜是马丁（是马丁（Martin）在在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。在固体膜之上的，为支撑液膜。60年代中期，美籍年代中期，美籍华人华人黎念之博士黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。年获得纯粹液膜的第一项专利。70年年代初，卡斯勒（代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功）又研制成功含流动载体的含流动载体的液膜液膜，使液膜分离技

12、术具有更高的选择性。，使液膜分离技术具有更高的选择性。由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多由于膜分离技术具有高效、节能、高选择、多功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为功能等特点，分离膜已成为上一世纪以来发展极为迅速的一种功能性高分子。迅速的一种功能性高分子。11第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.1.3 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 表表21 膜材料的分膜材料的分类类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维纤维素素酯类酯类纤维纤维素衍生物素衍生物类类醋酸醋酸纤维纤维素，硝酸素，硝酸纤维纤维素，乙基素，乙基纤维纤维素等素等非非纤维纤

13、维素素酯类酯类聚聚砜类砜类聚聚砜砜，聚，聚醚砜醚砜，聚芳，聚芳醚砜醚砜，磺化聚，磺化聚砜砜等等聚聚酰酰(亚亚)胺胺类类聚聚砜酰砜酰胺，芳香族聚胺，芳香族聚酰酰胺，含氟聚胺，含氟聚酰亚酰亚胺等胺等聚聚酯酯、烯烃类烯烃类涤纶涤纶，聚碳酸，聚碳酸酯酯，聚乙，聚乙烯烯，聚丙，聚丙烯腈烯腈等等含氟含氟(硅硅)类类聚四氟乙聚四氟乙烯烯，聚偏氟乙，聚偏氟乙烯烯，聚二甲基硅氧，聚二甲基硅氧烷烷等等其他其他壳聚糖，聚壳聚糖，聚电电解解质质等等13第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术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

14、离功能膜分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜能量转化功能膜（包括浓（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、电能转化膜，导电膜）、转化膜，导电膜）、生物功能膜生物功能膜（包括探感膜、生（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。物反应器、医用膜）等。15第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术表表22 几种主要分离膜的分离几种主要分离膜的分离过过程程膜膜过过程程推推动动力力传递传递机理机理透透过过物物截留物截留物膜膜类类型型微微滤滤

15、压压力差力差颗颗粒大小形状粒大小形状水、溶水、溶剂剂溶解物溶解物悬悬浮物浮物颗颗粒粒纤维纤维多孔膜多孔膜超超滤滤压压力差力差分子特性大小形状分子特性大小形状水、溶水、溶剂剂小分子小分子胶体和超胶体和超过过截留分子量截留分子量的分子的分子非非对对称性膜称性膜纳滤纳滤压压力差力差离子大小及离子大小及电电荷荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压压力差力差溶溶剂剂的的扩扩散散传递传递水、溶水、溶剂剂溶溶质质、盐盐非非对对称性膜复称性膜复合膜合膜16第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术膜膜过过程程推推动动力力传递传递机理机理透透过过物

16、物截留物截留物膜膜类类型型渗析渗析浓浓度差度差溶溶质质的的扩扩散散传递传递低分子量物、离子低分子量物、离子溶溶剂剂非非对对称性膜称性膜电电渗析渗析电电位差位差电电解解质质离子的离子的选择传递选择传递电电解解质质离子离子非非电电解解质质，大分子物大分子物质质离子交离子交换换膜膜气体分离气体分离压压力差力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩扩散渗透散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难难渗透性气渗透性气体或蒸汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非膜，非对对称膜称膜渗透蒸渗透蒸发发压压力差力差选择传递选择传递易渗溶易渗溶质质或溶或溶剂剂难难渗透性溶渗透性溶质质或溶或溶剂剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非膜，非对对称膜

17、称膜液膜分离液膜分离浓浓度差度差反反应应促促进进和和扩扩散散传递传递杂质杂质溶溶剂剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑液膜撑液膜续上表续上表18第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.2 典型的膜分离技术及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。2.2.1 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

18、过滤技术始于十九世纪中叶，是以微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为静压差为推动力推动力，利用筛网状过滤介质膜的，利用筛网状过滤介质膜的“筛分筛分”作用进行作用进行分分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜微孔膜。19第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 微孔膜是均匀的多孔薄膜，微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在厚度在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

19、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；20第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 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

20、，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。21第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术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：（1）微粒和细菌的过滤。）微粒和细菌

21、的过滤。可用于水的高度净化、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。净化和除菌等。（2）微粒和细菌的检测。）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细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。菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。22第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（3）气体、溶液和水的净化。）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在纤维、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

22、膜去除。的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖与酒类的精制。）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、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、酒类黄酒等酒类进行过滤，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清澈度，延长存放期。由于是常温操酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。作，不会使酒类产品变味。24第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.2.2 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

23、技术始于 1861 年，其年，其过滤粒径介于微滤和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差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质，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技术的核心部件是超滤膜超滤膜，分离截留的原理，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

24、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。25第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 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式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构三层结构组成组成。即最上层的。即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度，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；中间的间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度

25、一般为110m；最下面的；最下面的支撑层支撑层，厚度为，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。26第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 中空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

26、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制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的等。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。28第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（1）纯

27、水的制备。）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、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。子工业超净水和医用无菌水等。（2）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有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。电泳涂装。（3）食品工业中

28、的废水处理。）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超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。滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。29第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，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。作方便，成本较低。（5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，）在医药和生化工业中用于处理热敏性物

29、质，分分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（6）造纸厂的废水处理。）造纸厂的废水处理。31第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 渗透和反渗透的原理如渗透和反渗透的原理如图图24所示。如果用一所示。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，水会自然地透过半透膜渗透从浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透称渗透（图（图24a）。这一过程的推动力是低浓度溶。这一

30、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，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，高浓度水溶液表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图（图24b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。通量为零。32第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术图图24 渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图33第

31、二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液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，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（图这一过程就称为反渗透（图24c）。）。反渗透技术反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于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膜为用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜反渗透膜。反渗透膜。反渗透膜大部分为不对

32、称膜，大部分为不对称膜，孔径小于孔径小于0.5nm，可截留溶质，可截留溶质分子。分子。34第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 制备反渗透膜的材料主要有制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香醋酸纤维素、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、聚四氟乙烯醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。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。理论等。35第二章高分子分离膜与膜分离技术第

33、二章高分子分离膜与膜分离技术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，般来说，分离溶液中分子量低于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择超

34、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的粒子应该选微孔膜。以上。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。36第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特点比较如表点比较如表23所示。所示。表表23 反渗透、超反渗透、超滤滤和微孔和微孔过滤过滤技技术术的原理和操作特点比的原理和操作特点比较较分离技分离技术类术类型型反渗透反渗

35、透超超滤滤微孔微孔过滤过滤膜的形式膜的形式表面致密的非表面致密的非对对称膜、复合膜等称膜、复合膜等非非对对称膜，表面有微孔称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纤维纤维素、聚素、聚酰酰胺等胺等聚丙聚丙烯腈烯腈、聚、聚砜砜等等纤维纤维素、素、PVC等等操作操作压压力力/MPa21000.10.50.010.2分离的物分离的物质质分子量小于分子量小于500的小分子物的小分子物质质分子量大于分子量大于500的大分子和的大分子和细细小胶体微粒小胶体微粒0.110m的粒子的粒子分离机理分离机理非非简单筛简单筛分，膜的物化性能分，膜的物化性能对对分离分离起主要作用起主要作用筛筛分，膜的物化性能分，膜的物

36、化性能对对分离分离起一定作用起一定作用筛筛分，膜的物理分，膜的物理结结构构对对分离起决定作用分离起决定作用水的渗透通量水的渗透通量/(m3.m-2.d-1)0.12.50.552020037第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术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

37、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，高纯水的制备制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技。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。38第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（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、咖啡浸液等啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工。与常用的冷冻干燥和

38、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）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回，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。39第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.2.4 纳滤技术纳滤技术1.纳滤膜的特点纳滤膜的特点 纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被

39、称作早期被称作低压反渗透膜低压反渗透膜或或松散反渗透膜松散反渗透膜。目前，。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。离技术。40第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 纳滤膜主要用于纳滤膜主要用于截留粒径在截留粒径在0.11nm，分子量，分子量为为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（过，具有较小的操作压（0.51MPa）。其被分离。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。

40、两种膜有所交叉。目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺，不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺，研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜的分离效果研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜的分离效果与清洗周期。与清洗周期。41第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.纳滤膜及其技术的应用领域纳滤膜及其技术的应用领域 纳滤技术最早也是应用于纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化海水及苦咸水的淡化方面。由于该技

41、术对低价离子与高价离子的分离特方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业中，纳滤膜可用于中，纳滤膜可用于果汁生产果汁生产，大大节省能源；在医，大大节省能源；在医药行业可用于药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收氨基酸生产、抗生素回收等方面；在等方面；在石化生产的石化生产的催化剂分离回收催化剂分离回收等方面更有着不可比拟等方面更有着不可比拟的作用。的作用。42第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术2.2.5

42、 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离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。为阳离子、阴离子和阴阳离子。43第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（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按膜的结构与功能可将离子交换膜分

43、为普通离普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。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。44第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高

44、分子分离膜与膜分离技术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，这一过程称为阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳电泳。如。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，这一过程就称为选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析电渗析。45第

45、二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 电渗析的核心是离子交换膜电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作。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。图图25为用于为用于食盐生产的电渗析器的示意图。食盐生产的电渗析器的示意图。46第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术图图25

46、 食盐生产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47第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术（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

47、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=Cl248第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 用用氟代烃单极或双极膜氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器已成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

48、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。49第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术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，其在自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。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界的1/3。我国的电渗析。我国的电渗析装置主要由国家

49、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。50第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 电渗析技术在电渗析技术在食品工业、化工及工业废水食品工业、化工及工业废水的处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此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业氯碱工业。全。

50、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。51第二章高分子分离膜与膜分离技术第二章高分子分离膜与膜分离技术 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