页数：59页文件大小：4.67 MB来源： 生化分离工程ppt课件
本课件系统讲解膜分离技术：从膜分离定义、膜的种类与材料分类、表征膜性能的参数入手，梳理膜科学与膜工业发展史，介绍优先吸附毛细管流动模型与溶解扩散模型、间歇与连续操作方式及膜组件比较，并给出膜污染成因、清洗判据与方法。
第6章 膜分离技术
1. 膜分离概述
常用膜分离技术的基本特征：微滤、超滤、纳滤与反渗透在膜孔径、操作压力、分离机理与截留物质上存在系统差异，孔径依次减小、操作压力依次升高。
膜分离原理：以膜为选择性屏障，在压力差、浓度差或电位差推动下，使部分组分优先透过而另一些组分被截留，从而实现分离、浓缩与纯化。
纳滤在工业上的应用：纳滤截留分子量介于超滤与反渗透之间，可在较低压力下实现一价盐与多价盐的分离、小分子有机物脱盐浓缩以及工艺用水的软化处理。
2. 膜分离材料分类
高分子分离膜材料的种类与具体分类
| 种类 | 具体分类 |
|---|---|
| 纤维素衍生物类 | 再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物 |
| 聚砜类 | 双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮 |
| 聚酰胺类 | 脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺 |
| 聚酰亚胺类 | 脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺 |
| 聚酯类 | 涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯 |
| 聚烯烃类 | 聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯 |
| 乙烯类聚合物 | 聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯 |
| 含硅聚合物 | 聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷 |
| 含氟聚合物 | 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯 |
| 甲壳素类 | 无 |
3. 膜分离技术的发展历史
| 年代 | 科学家 | 主要内容 |
|---|---|---|
| 1748 | Abbe Nollet | 水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象 |
| 1827 | Dutrochet | 名词渗透作用（Osmosis）的引入 |
| 1831 | J. V. Mitchell | 气体透过橡胶膜的研究 |
| 1855 | Fick | 发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制备了早期的人工半渗透膜 |
| 1861—1966 | Graham | 发现气体通过橡皮有不同的渗透率，发现渗析（Dialysis）现象 |
| 1860—1977 | Van't Hoff，Tranbe，Preffer | 渗透压定律 |
| 1906 | Kahlenbery | 观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜 |
| 1917 | Kober | 引入名词渗透气化（Pervaporation） |
原文“Pervaporqtion”按标准拼写修正为“Pervaporation”（渗透气化）。
| 年代 | 科学家 | 主要内容 |
|---|---|---|
| 1911 | Donnan | Donnan 分布定律。研究了分子带电荷体的形成、电荷分布，Donnan 电渗析和伴生传递的平衡现象 |
| 1922 | Zsigmondy，Bachman，Fofirol 等 | 微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维） |
| 1920 | Mangold，Michaels，Mobain 等 | 用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象 |
| 1930 | Teorell，Meyer，Sievers | 进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础 |
| 1944 | William Kolff | 初次成功使用了人工肾 |
| 1950 | Juda，Mcrae | 合成膜的研究，发明了电渗析、微孔过滤和血液透析等分离工程 |
| 1960 | Loeb-Sourirajan | 相转化法制出了非对称反渗透膜 |
| 1968 | N. N. Li | 发明了液膜 |
| 1980 | Cadotte | 制出了界面反应聚合复合膜 |
| 分离过程 | 年代 | 目前主要厂商 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 微滤 | 1925 | Millipore Corp，Pall corp.，Asahi Chemical | 微电子、医学、食品、化工等 |
| 电渗析 | 1960 | Oonics Ins.，Tokuyama Soda，Asahi Glass | 苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业 |
| 反渗透 | 1965 | Film Tech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，Du Pont | 海水脱盐、饮用水生产、食品工业、造纸工业等 |
| 渗析 | 1965 | Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical | 血液渗析、工业废液等 |
| 超滤 | 1970 | Amicon Corp.，Koch Eng. Inc.，Nittl Denko | 制药工业、乳品工业等 |
| 气体分离 | 1980 | Permea/Air Prod.，Ube Ind.，Hoechst/Celanese | 医疗、燃烧过程等 |
| 渗透汽化 | 1990 | GFT GmbH | 无水乙醇生产 |
原文厂商名“Ddu Pont”按标准名称修正为“Du Pont”（杜邦）。
4. 膜分离机理和传递理论
优先吸附—毛细孔流动模型：膜表面因化学特性优先吸附一层溶剂分子，该吸附层在压力驱动下于毛细孔中连续流动，溶质被排斥于孔外而实现分离。
溶解—扩散模型具体过程包括：
| 组件 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 板框式 | 保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟 | 投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间 |
| 螺旋卷式 | 设备投资低，操作费用也低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易 | 料液需经预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制 |
| 管式 | 易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制，无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒 | 高的设备投资和操作费用，保留体积大，单位体积中所含有过滤面积较小，压力降大 |
| 中空纤维式 | 保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆流操作，压力较低，设备投资低 | 料液需要预处理，单根纤维管损坏时，需调换整个组件，不够成熟 |
膜分离设备流程图：料液经供料泵增压进入膜组件，浓缩液部分回流循环、部分排出，透过液汇集后送出，阀门与仪表用于调节压力和流量。
6. 膜的污染、防治及清洗
膜污染的预防
膜的清洗方法分为物理方法与化学方法：物理方法包括水力方法、气—液脉冲、反冲洗涤与循环洗涤；化学方法所用清洗剂包括酸碱液、表面活性剂、螯合剂、氧化剂与酶。
7. 膜分离技术的应用
膜技术在牛乳和乳清加工中的应用：利用超滤与反渗透实现乳蛋白浓缩、乳糖分离与乳清回收利用，同时降低能耗并回收功能性组分。
膜法处理乳清：乳清先经超滤截留回收乳清蛋白，透过液再经纳滤或反渗透脱盐浓缩，得到可回用的乳糖液并减少废水排放。
抗生素的制备：发酵液经微滤或超滤去除菌体与悬浮物，再经纳滤或反渗透常温浓缩，可减少热敏性抗生素的失活并提高收率。
纯净水处理工艺流程：原水经多介质过滤与活性炭吸附预处理后进入反渗透脱盐，再经臭氧或紫外线消毒制得纯净水，膜单元是核心脱盐环节。
膜分离水处理设备装置：由预处理单元、高压泵、膜组件阵列、清洗系统与自控仪表构成，按产水量与水质的要求配置段数与排列方式。
果汁澄清：采用超滤或微滤直接去除果汁中的悬浮固形物、果胶与微生物，可省去助滤剂、实现常温澄清并较好保留风味物质。
电镀废水处理：经中和、氧化预处理后采用纳滤或反渗透截留重金属离子，透过液回用于漂洗工序，浓缩液进一步回收金属。
8. 膜分离技术的展望与趋势
膜科学的将来路径（膜科学树形示意图，文献[3]）：膜材料、膜过程、传递机理与应用技术相互支撑，构成膜科学发展的主干与分支体系。
作业
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