膜分离技术(基础).ppt

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1、膜分离技术 基础篇 目录 一 、膜技术的起源 二 、膜技术的发展 三 、膜的定义 四、膜的分类方法（包括膜厂家介绍） 五、膜的操作方式 六、各种膜的用途及其应用（内外压膜的优缺点） 七、膜技术的发展方向 、膜技术的起源 讲述膜技术的起源及其早期历史 一 、 膜 现象与 研究 A 膜现象的存在 ： 在自然界 在人体 在各个领域 B 膜现象的研究： 1748年 ， Abbe Nollet 发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的 猪膀胱内，第一次揭示膜分离现象。 1861年 Schmide发现用柿胶膜或赛咯玢膜过滤溶液，可以截留细 菌、蛋白质、胶体，首次提出“超过滤”的概念。 1864年 Traube成

2、功地研制出亚铁氰化铜膜，第一个制造出人类 历史上第一片人造膜。 1866年 Thomas Grahamz在一篇“气体通过胶质隔膜的吸收和渗 析分离”的研究论文中，最早提出了气体膜分离的扩散原理 。 20世纪中叶，由于物理化学、聚合物化学、生物学、医学和生 理学的深入发展，新型膜材料和制膜技术的不断开拓，各种膜 分离技术才相继出现和发展。 上世纪 60年代，大规模生产高通量、无缺陷的膜和紧凑高面积 / 体积比膜分离器上取得突破，开发了中脱盐反渗透过程，七八 十年代又将进展转移到其它膜过程取得成功。 目前各种膜过程的发展状况和销售趋势图 3、我国膜技术的发展 A、 我国膜科学技术的发展是从 195

3、8年研究离子交换膜开始的。 60年代进入开创阶段。 B、 1965年着手反渗透的探索， 1967年开始的全国海水淡化会战， 大大促进了我国膜科技的发展。 70年代进入开发阶段。这时期， 微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发 出来， C、 80年代跨入了推广应用阶段。 80年代又是气体分离和其他新 膜开发阶段。 D、 90年代后进入高速发展及自主创新期。 2001年立升公司 PVC合 金中空纤维超滤膜的研制成功是其中最具代表的事件之一。 膜分离过程已成为解决当代能源、资源和环境污染问题的重要高 新技术及可持续发展技术的基础。 商业吸引力 成本上可竞争 技术上先进 无吸引力 高

4、 表面水处理 气体处理 水脱盐 人工胰 空气分离 血浆分离 人工肾 人工肝 移植隔离 中 废水处理 食品工业 生物工程 化工 控制药物释放 超纯水 去内毒素 氯碱电解 燃料电池 隔膜 人工皮肤 低 电池隔膜 亲合膜 生物反应器 传感器 注： 成熟过程； 开发中过程； 待开发过程 各种膜过程的市场评估 二、膜的 定义 A 欧洲膜协会 1996年定义 ： 1、膜是一种中介相，它把两相分隔开 来，并 /或对它相邻两相的传质充当主动或被动的 障碍 。 2、如果在一个流体相或两个流体相之间， 有一具有选择透过性、化学构成和相态稳定的连 续相物质，那么这一连续相物质就是膜。 B 分离膜的定义 ： 两相 之

5、间具有选择性和渗透性的中间 相，在驱动力如压力差、浓度差、温度差、电 位差及其它能位差的推动下，促进或限制两相 之间的特定物质的传递，从而实现混合气体或 液体的分离，这一中间相称为膜。 膜 气相 / 膜 / 气相 液相 / 膜 / 液相 气相 / 膜 / 液相 液相 / 膜 / 混合性溶液 液相 / 膜 / 非混合 性溶液 三、膜分离技术的特点： 膜 分离过程是一个高效、环保的分离过程，它是多 学科交叉的高新技术，它在物理、化学和生物性质上可呈现 出各种各样的特性，具有较多的优势。 与 传统的分离技术如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深 冷分离等相比，膜分离技术具有以下特点。 高效的 分离过程 低能耗

6、 接近室温的工作温度 品质稳定性好 连续化操作 灵活性强 纯物理过程 环保 四 、 膜的 分类 A 按材料分 ： 有机膜（高分子聚合膜）， 无机膜（陶瓷 膜、金属 不锈钢 膜、碳膜、玻璃膜）。 浸润与不浸润： A、无机膜：陶瓷膜、金属膜、玻璃膜和碳膜 陶瓷膜品牌： a、 membraloxmembraflox b、 aafloworelisatechschumacher c、久吾 tamiPCI 金属膜品牌： AccuSep凯发 玻璃膜与碳膜： PCI 陶瓷膜的主要用途：生物制药、油水分离并举例 金属膜的主要用途：生物制药、化工等 陶瓷膜管元件 陶瓷膜的断面结构 一种陶瓷膜组件的装配图 金属膜

7、 B 按功能分： 分离膜， 反应膜 。 C 按分离过程分： 微滤（ MF） 超滤（ UF） 纳滤（ NF） 反渗透 （ RO） 电渗析（ ED） 气体渗透（ GP） 渗透汽化 （ PV） EDI原理图 D 按膜孔径大小分： 微滤膜（ 0.05 10 m） 超滤膜 (0.05 0.002 m) 纳滤膜（ 0.001 0.005 m） 反渗透膜。（ 0.0001 0.001 m） 各种膜过程操作参数对比： E、按膜分离结构分：对称膜与不对称膜 不对称膜： 指膜的化学结构或物理结构随膜的部位而异，即各向异性膜。用 高分子溶液铸膜时，膜是由很薄的致密皮层和比皮层厚得多的由海绵状或指状 微孔层构成的支撑

8、底层共同形成具有分离功能的高分子膜，在膜的厚度方向上 呈现出不对称性。用于反渗透和超滤的就是这种不对称膜。在多孔支撑膜上涂 布其他聚合物溶液，或用界面缩聚，或用等离子体聚合等方法在多孔膜表面形 成均匀致密的薄膜，所构成的复合膜也是非对称膜。 对称膜： 亦称各向同性膜，膜的各部分具有相同的特性，其孔结构不随深度而 变化的膜。膜的化学结构、物理结构在各个方向上是一致的，在所有方向上的 孔隙率相似。（如电渗析中的离子交换膜、气体分离膜和微孔膜） F、按膜元件结构分 ： 缠绕式膜、平板式膜、管式膜、 中空纤维膜、卷式膜 缠绕式膜（包括熔喷或烧结膜）：主要是用于超滤、纳 滤或反渗透膜的前置保安过滤，过滤

9、精度一般是 0.2微 米以上。 平板膜： 最原始的一种膜结构，由于占地面积大，能耗高， 逐步被市场所淘汰，主要用大颗粒物质的分离 。 一般采用死 端过滤方式，如注射液的灌装， SDI测定仪用膜或滤袋等。 SDI也称为淤泥密度指数（ fouling index），是表征反渗透系统进水水质的重要指标。 是 在规定时间内 ,孔径为 0.45 m测试膜片被溶在被测试给水中的淤泥、胶体、黏土、硅胶体、 铁的氧化物、腐植质等污染物堵塞的比率和污染程度。 SDI=1-T0/T1*100/T 氧化还原电位 ORP是表征水体中氧化性物质和还原性物质多少的一种参数。当氧化还原电位 呈正值时表示水体中含氧化性物质，

10、当氧化还原电位呈负值时表示水体中含还原性物质 。 管式膜：包括无机管式膜、有机管式膜及有机无机复合膜；主要用于 解决高浓度、高粘度、高含固量以及高温、高腐蚀性液体的分离过滤。 管式膜组件的主要优点是能有效地控制浓差极化，大范围地调节料 液的流速，膜生成污垢后容易清洗。其缺点是投资和运行费用都高， 单位体积内膜的比 表 面积 较低 。 中空纤维膜： 由于装填密度大，经济性好目前是 微滤、超滤甚至反渗透元件的主要结构形式。中空纤维膜又分 为外压膜和内压膜 。 中空纤维超滤膜组件具有装填密度大、结 构简单、操作方便等 特点 。 立升内压膜 立升外压膜 外压膜与内压膜优缺点比较： 序号 内压膜 外压膜

11、 1 预处理 100300微米 预处理 5001000微米 2 单面积膜通量高 单面积膜通量低 3 断丝后产水污染慢 断丝后产水污染快 4 进料侧光滑 进料侧有死角 5 膜丝不易粘黏 膜丝易粘黏 6 易清洗 清洗相对难 7 反洗效果好 反洗效果相对差 8 一般不气擦洗 可气擦洗 Norit主要有 XIGATM和 AquaFlexTM两 个系列膜，膜丝材料为聚醚砜和 聚乙烯吡咯酮共混材料外筒材料 PVC。 XIGA是诺芮物子公司 X-FLOW生产的卧式内压式 8寸 10nm中空纤维 膜，采用全流过滤操作方式；一般操作 TMP0.30.8bar；可在一个 压力容器内串联安装四支元件；通量在 601

12、35L/m2.h，电耗在 0.10.2KWh/m3；清洗 PH： 113；产水率 8092%。要求进水 SS低于 50ppm。 每个组件长 1.5米，膜丝内径 0.5或 1.5mm，元件膜面积 40m2。 AquaFlexTM 低浊度 超滤膜 （立式） 这种膜平均孔径为 1025nm，膜丝内径 0.8或 1.5mm，内压式； S225为 35平方米， SXL225为 40平方米，操作方式为全流 /错流； 进料液中固体悬浮含量可达 200ppm；不内安装于膜壳内，是 单独立式安装； AquaFlexTM 高浊度 使用 COMPACT管式组件，膜内径： 5或 8毫米； 卷式膜：可以理解为变形的平板

13、膜，由于装填密度高，容易标准化， 因此成为现在膜元件的发展方向，主要用于纳滤、反渗透及少部分 的超滤如 GE和 KOCH的超滤膜。 国内超滤膜品牌分析： 国内 中空纤维式（内压式）超滤膜市场的产品主要 被美国科氏（ PS）、荷兰诺芮特（ PES）、海德能（ PES）、 德国 Inge（ PES）、荷兰 INT（ PES）、深圳立升（ PVC） 、 得 力 满 /Aquasource（ CA），大连欧科（ PES）等品牌所主导 。 国内 中空纤维式 （ 外压式）超滤膜市场主要被日本 旭化成（ PVDF）、西门子 /USFilter（ PE/PD/PVDF）、日本 东丽（ PVDF）、欧美环境 O

14、MEXL/陶氏化学 （ PVDF）、深圳立 升 （ PVC， PVDF）、天津膜天膜（ PVDF）等品牌所主导 。 卷 式超滤膜市场的绝大分额主要被日东电工、美国 科氏、 GE所主导 。 浸没 式超滤膜产品而言，国际以及国内市场主要被 加拿大泽能、日本三菱丽阳、西门子、美国科氏、日本久保 田、日本东丽等品牌所主导。 目前 的市场格局是，以科氏为代表的几个国外知名 品牌占据了国内高端市场，而中低端市场被国内众多超滤厂 家所瓜分，其中的代表企业有欧美环境、天津膜天膜，海南 立升、大连欧科、汇通源泉等企业 。 设备类型 主要工艺参数 备 注 澄清池 1.83 2.07m/h 去除浊度物质，悬浮物和胶

15、体 多介质过滤 器 地表水 5 8m/h 地下水 7 10m/h 精制石英沙和无烟煤；合理级配和填充高度； 要求过滤精度优于 10mm 软化器 15 25m/h 需高质量再生剂，脱除硬度物质 活性炭过滤 器 10 15m/h 精制粒状果壳活性炭，脱除有机物和游离氯 超滤预处理工艺： 各种膜组件优缺点比较： 反渗透原理图： 反渗透发展史： 1748年 Nollet发现渗透现象。 1920年 代 Vant Hoff 和 J.W.Gills 建立了稀溶液的 完整理论。 1953年 美国的 C.E.Reid发现 醋酸纤维素类具有良好 的半透性。 1960年 美国 首次 制成醋酸纤维素反渗透 膜 （ 9

16、8.6%脱 盐率， 10.1MPa下 259L/d.m2，膜厚 100微米） 。 1970年 杜邦公司发明了芳香族聚酰胺中空纤维反渗 透器。 1980年 全芳香族聚酰胺复合膜及其卷式元件问世。 1990年 中压、低压、及超低压高脱盐聚酰胺复合膜 进入市场，从而为反渗透技术的发展开辟了广阔前景。 1998年 低污染膜研发成功，进一步扩大了反渗透的 应用范围。 时代沃顿膜元件选择原则 : 时代沃顿 RO膜元件的设计导则： 膜元件串联数与系统回收率关系： 前后两段比值一般在 4： 33： 1之间，一般在 3： 22： 1之间常见，以 2： 1最多。 几种膜材质的化学结构式： 五、膜的操作运行方式：

17、错流过滤与全流过滤（死端过滤） 反冲洗与不反冲比较 化学清洗 1、膜的发现与发明 过 滤 方式比较 膜 层 进料 浓料 滤液 错流过滤 膜层 常规过滤 膜 层 料液 浓料 透过液 滤饼层 滤料层 Common filtration 依靠 滤饼层内颗粒的架桥作用等 机理 操作 方式：死端 deadend,又称垂直流 crossflow filtration 依靠过滤介质的孔隙筛分 作用。 操作方式：错流又称切线流 操 作 过 程 比 较 膜渗透流率 污染层厚度 时 间 料液 透过液 图 2-11 无流动操作 （ 并流过滤 、 静态过滤 、 死端过滤 ） 示意图 膜渗透流率 污染层厚度 时 间 图

18、 2-12 错流操作 （ 动态过滤 、 ） 示意图 料 液 浓 缩 液 透过液 超滤 机理 膜通量 无反冲 时 间 料 液 浓 缩 液 透过液 随着过滤的进行，膜的通量会有所下降，其原因可能为孔堵塞 、吸附、 浓差极化或凝胶层的形成。此时，若能增强 被截留组分离开膜向溶液本体 的反向扩散，必将使膜的 通量得到提高。通常认为所需的反向扩散是建立 在以下两个基础之上的首先是扩散效应，它由膜上被截留组分浓度的升高 而引起，其次是液体动力学效应，它起因于膜 上速度梯度而造成的剪应力。 这两种效应都起作用，但影响程度有所不同，而且与粒子或分子的大小密 切相关。当微粒尺寸大于 0.1um时，微滤过程主要受

19、液体动力学效应支配， 渗透通量将随着粒子或分子尺寸的增加而增大。 有反冲 平均通量 平均通量 起始通量 终点通量 超滤运行通量与时间关系曲线图 过 滤 、反 冲 过 程 过滤液 反冲过程 膜 层 过滤液 原料液 正常过滤 浓缩液 膜 层 原料液 原料液 化 学 清 洗 过 程 膜 层 清洗液 出口 过滤液 化学清洗周期 : 3 7天 清洗时间 : 2 h 清洗剂 : 酸性 or碱性清洗剂 七、膜科学目前的主要发展方向： （ 1）集成膜过程； （ 2） 杂化过程； （ 3）水的电渗离解； （ 4）细胞培养的免疫隔离； （ 5）膜反应器； （ 6）催化膜； （ 7）手征膜。 反渗透运行管道材质选择

20、原则： 在 RO膜产品市场方面，美国海德能公司 (Hydranautics / Nitto Denko)与美国陶氏化学公司 (Dow Chemical / Filmtec)的膜产 品占据了目前国内市场约 80%，其余国外膜厂商，如美国 Koch / Fluid System、 Osmonics / Desal、 Trisep、韩国世韩 (csm / Saehan)、日本东丽 (Toray)等公司共占据了约 20%的市场。 时间 (小时 ) 细菌数量 (个 ) 时间 (小时 ) 细菌数量 (个 ) 0 0.33 0.67 1 1.33 1.67 2 2.33 2.67 3 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 3.33 3.67 4 5 6 7 8（第 1班） 16（第 2班） 24（第 3班） 1,024 2,048 4,096 32,768 262,144 2,097,152 16,777,216 281,470,000,000,000 4,720,400,000,000,000,000 ,000 溶液中细菌滋生速度与时间的关系： 由于细菌滋生速度惊人，所以膜在停止使用后 都需在一定的时间内采取适当的保护措施。 谢谢大家！