化工单元操作任务五 膜分离技术

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1、任务五 膜分离技术任课教师：苏小莉任务五 膜分离技术 膜分离的原理 膜和膜组件 膜分离技术膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。（一）膜分离原理 将含有A、B两种组分的原料液置于膜的一侧，然后对该侧施加某种作用力，若A、B两种组分的分子大小、形状或化学结构不同，其中A组分可以透过膜进入到膜的另一侧，而B组分被膜截留于原料液中，则A、B两种组分即可分离开来。 一、膜分离的原理膜分离原理 1.1.膜的分类膜的分类 1)1)按膜的孔径大小分按膜的孔径大小分 微滤膜微滤膜0.0250.02510m10m；超滤膜超滤膜0.0010.0010.0

2、2m0.02m；反渗透膜；反渗透膜0.00010.00010.001m0.001m；纳滤膜，平均直接；纳滤膜，平均直接2nm2nm。 2)2)按膜结构分按膜结构分 对称性膜、对称膜、复合膜对称性膜、对称膜、复合膜 3)3)按材料分按材料分 合成聚合物膜、无机材料膜等合成聚合物膜、无机材料膜等 4)4)按来源和形态分类分按来源和形态分类分二、膜和膜组件二、膜和膜组件膜膜合成膜合成膜生物膜生物膜液膜液膜带支撑层的液膜带支撑层的液膜乳状液膜乳状液膜固膜固膜不对称膜不对称膜不对称膜不对称膜多孔膜多孔膜无孔膜无孔膜无机膜无机膜有机膜有机膜对称膜对称膜多孔膜多孔膜不对称膜不对称膜对称膜对称膜荷电膜荷电膜不

3、荷电膜不荷电膜复合膜复合膜转相膜转相膜复合膜复合膜转相膜转相膜(原生质、细胞膜原生质、细胞膜)分类依据分类依据 分类分类来源来源天然膜、合成膜天然膜、合成膜状态状态固体膜、液膜、气膜固体膜、液膜、气膜材料材料有机膜、无机膜有机膜、无机膜结构结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜电性电性非荷电膜、荷电膜非荷电膜、荷电膜形状形状平板膜、管式膜、中空纤维膜平板膜、管式膜、中空纤维膜制备方法制备方法 烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨形成墨分离体系分离体系 气气- -气、气气、气- -液、气液、气

4、- -固、液固、液- -液、液液、液- -固分离膜固分离膜分离机理分离机理 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜非选择性膜分离过程分离过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜析膜、渗透蒸发膜膜的分类膜的分类 2. 膜材料的性能膜材料的性能 耐压耐压 耐温耐温 耐酸碱性耐酸碱性 化学相容性化学相容性 生物相容性生物相容性 低成本低成本3.3.膜组件膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)(spacer)以及收纳这些部件的容器构以及收纳这

5、些部件的容器构成的一个单元成的一个单元(unit)(unit)称为膜组件称为膜组件(membrane module)(membrane module)或膜装置或膜装置。膜组件。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商的结构根据膜的形式而异，目前市售商品品膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷式和中空纤维式和中空纤维( (毛细管毛细管) )式等四种式等四种。 （1 1）平板膜组件）平板膜组件 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜以由多枚圆形或长方形平板膜以1mm1mm左有的间左有的间隔重叠加工而成，膜间

6、衬设多孔薄膜，供料隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤波流动液或滤波流动( (图图b)b)。平板膜组件比管式膜。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。在实验室中，经常使组件比表面积大得多。在实验室中，经常使用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式过滤器。过滤器。 （2 2）管式膜组件）管式膜组件 管式膜组件是将膜固定在内径管式膜组件是将膜固定在内径101025mm25mm，长约，长约3m3m的圆管状多孔支撑体上构成的，的圆管状多孔支撑体上构成的，l0l02020根管根管式膜并联式膜并联( (图图8.10a)8.10a)，或用管线串联，收纳在，或用管线

7、串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积但是管式膜组件单位体积的过滤表面积( (即比即比表面积表面积) )在各种膜组件中最小。在各种膜组件中最小。 （3 3）螺旋卷式膜组件）螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图螺旋卷式膜组件如图c c所示。将两张平板膜固定所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上在多孔性滤液隔网上( (隔网为滤液流路隔网为滤液流路)

8、)，两端，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网( (为为料液流路料液流路) )，卷绕在空心管上，空心管用于滤液，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。的回收。 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。液时容易发生堵塞现象。（4 4）中空纤维）中空纤维( (毛细管毛细管) )式膜组件式膜组件中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成空纤维膜固定在

9、圆筒形容器内构成( (图图8.10d)8.10d)。严格地讲，内径为严格地讲，内径为404080m80m的膜称中空纤维膜，的膜称中空纤维膜，而内径为而内径为0.250.252.5mm2.5mm的膜称毛细管膜。由于两的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。装置统称为中空纤维膜组件。中空纤维超滤膜组件中空纤维超滤膜组件膜断面图膜断面图 外压式膜组件结构外压式膜组件结构内压式膜组件结构内压式膜组件结构型型 式式优优 点点缺缺 点点管式管式易清洗，无死角适于处理易清洗，无死角适于处理含固体较多的料液，单根含固体较多

10、的料液，单根管子可以调换管子可以调换保留体积大，单位保留体积大，单位体积中所含过滤面体积中所含过滤面积较小，压降大积较小，压降大中空纤维式中空纤维式 保留体积小，单位体积中保留体积小，单位体积中所含过滤面积较大，可以所含过滤面积较大，可以逆洗，操作压力较低，动逆洗，操作压力较低，动力消耗较低力消耗较低料液需预处理，单料液需预处理，单根纤维损坏时，需根纤维损坏时，需调换整个膜件调换整个膜件螺旋卷式螺旋卷式单位体积中所含过滤面积单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易大，换新膜容易料液需预处理，压料液需预处理，压降大，溶液污染降大，溶液污染平板式平板式保留体积小，能耗介于管保留体积小，能耗介于管式和螺

11、旋卷式之间式和螺旋卷式之间死体积较大死体积较大各种膜组件的优缺点各种膜组件的优缺点三、膜分离技术三、膜分离技术 微滤微滤 超滤超滤 透析透析 电渗析电渗析 反渗透反渗透（一）微（一）微 滤滤 微滤的基本概念和分离范围微滤的基本概念和分离范围 微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，利用膜的利用膜的“筛分筛分”作用进行分离的膜分离过程。作用进行分离的膜分离过程。微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜