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1、无机膜液相分离技术及其应用作者：魏营，梁恒国，李齐全，汪 麟发布人：mxlly发布时间：2006-12-18【关键词】无机膜,微滤超滤,吸附浓差极化【摘要】无机膜是一种新兴的高新技术。综述了无机膜在液相分离中的过滤特性,包括其基本原理、基本现象和分离过程影响因素等,并介绍无机膜技术在液相分离上的应用。 无机膜及其特点 无机膜是固体膜的一种,它是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。 无机膜在液体分离方面的应用研究,始于20世纪70年代中期。20世纪80年代初,无机膜在液体分离
2、中的应用取得了实质性的进展,实现了产业化应用,尤其是陶瓷膜,成功地在法国的奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业推广使用后,其技术和产业地位逐步确立。无机膜在液相分离方面的应用主要是两方面,即孔径在100～1000nm范围内的微滤和孔径在几个到100nm范围内的超滤。 与聚合分离膜相比,无机膜具有以下一些优点:①化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂;②机械强度大,担载无机膜可承受几十个大气压的外压,并可反向冲洗;③抗微生物能力强,不与微生物发生作用,可以在生物工程及医学科学领域中应用;④耐高温,一般均可以在400℃下操作,
3、最高可达800℃以上;⑤孔径分布窄,分离效率高。2无机膜过滤特性2.1基本原理 无机膜技术在液相分离中基本原理是:在压力差下,利用膜孔的筛分特性,使混合物组分得到分级或分离。产品可以是渗透液、截留液或两者皆是。无机膜的分离特性以渗透通量和渗透选择性为衡量指标,二者均与膜结构、分离对象体系性质及操作条件等密切相关。2.2基本现象2.2.1吸附 凡大分子与膜表面接触都会发生强弱不同的相互作用,此现象通称为吸附。吸附的直接结果就是导致膜孔减小而使渗透通量衰减。膜表面上形成吸附层的趋势与其表面性质有密切的关系。例如,当过滤液中
4、存在有机物时,常常观测到憎水表面的吸附比亲水表面强的多。吸附总是从单分子层开始,即使是单层吸附,也可能降低渗透通量20%～30%。在高的溶质浓度下,容易形成多层吸附,更会引起渗透通量进一步衰减,以至失去原有渗透通量的80%～90%,严重者几乎全部丧失。由于孔径级别的差异,超滤膜比微滤膜更容易因吸附而被阻塞。2.2.2浓差极化 在膜分离过程中,溶质被膜截留而在膜表面附近积累,使得局部浓度高于主体浓度,这种浓度累积会导致溶质向原料液主体的反向扩散运动,这种浓差极化现象经过一定时间会成为定态。浓差极化会使膜的截留率和膜通量发生变
5、化。对于溶质为盐等低分子量物质时,往往因为膜表面处溶质浓度升高,实测的截留率会低于真实或本征截留率。而对于大分子溶质混合物,往往会出现被完全截留的高分子量溶质形成动态膜,而使得小分子量溶质的截留率升高的现象。浓差极化往往造成膜通量的下降。在超滤过程中浓差极化显得特别显著,当膜表面溶质浓度增大时,局部浓度达到最大的凝胶值,称为凝胶极化,凝胶层成为决定通量的制约因素,此时操作压差增大使得凝胶阻力增大,推动力的增大为阻力的增大所抵消,渗透通量不变。2.3分离过程影响因素2.3.1膜结构参数对分离过程的影响 (1)膜孔径是影响膜通
6、量和截留率等分离性能的主要因素。一般来说,孔径越小,对粒子或溶质的截留率越高而相应的通量往往越低。对于纯溶剂介质而言,膜孔径越大,通量越高,但在实际体系分离中,由于浓差极化、吸附、堵塞等膜污染现象的影响,实际体系过滤渗透通量值很少能与膜的纯溶剂渗透通量值相比拟。 (2)膜厚度的影响 膜厚度对膜性能的影响主要表现在渗透通量上,由于膜厚度的增加必然使流体透过的路程增加,因此过滤阻力增加,通量下降。在应用中期望所采用的膜厚度越小越好,但实际膜的制备中,由于支撑体表面、制备控制技术等多方面影响,在减小膜厚度的同时,必须考虑膜的
7、完整性。 (3)膜的孔隙率的影响 孔隙率高的膜具有较多的开孔结构,所以在相同的孔径下具有高的渗透通量。一般来说,多孔无机膜特别是陶瓷膜,其膜层的孔隙率在20%～60%之间,支撑体孔隙率应高于分离层,对微滤而言,希望孔隙率大于30%。2.3.2体系性质对分离过程的影响 影响膜分离性能的体系性质主要包括两方面:一是黏度、成分、pH值等溶液性质,二是所含溶质或颗粒的大小、荷电性质、分散状态等。这些性质中,溶质或颗粒的性质直接关系到其对膜的污染方式、程度等,从而影响膜的分离性能。另外,由于陶瓷膜都带有电荷,而且其ζ电位受溶
8、液性质影响,因此溶液性质改变往往改变膜的表面荷电性质,使得膜与溶质或颗粒、膜与溶剂的相互作用发生变化,进而对膜分离性能产生影响。2.3.3操作参数对分离过程的影响 (1)操作压力 对于压力推动的膜过滤过程,操作压力差将直接影响膜通量,无机膜过滤过程中存在一临界压力,在
