第6章膜分离法

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1、第6章膜分离技术§6.1概述§6.2膜材料与膜制备§6.3微滤、超滤与纳滤§6.4反渗透§6.5电渗析§6.6渗透汽化§6.7气体膜分离§6.1概述§6.1概述膜分离（MembraneSeparation）——是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使混合物中的某些组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到浓缩、提纯等目的的分离过程。一、膜的概念膜——具有选择透过性的一层薄薄的凝聚物质。膜可以是固态的，液态的，或气态的；膜具有两个表面，可以是均质的也可是复合体；膜可以有很大的面积，也可仅有微小面积

2、；膜可独立存在于流体相间，也可附着在载体的孔隙中。§6.1概述二、膜分离过程的特点膜分离过程均需要一定能量物质选择透过膜的能量可分为两类：借助外界能量，物质由低位到高位流动；借助本身的化学位差，物质由高位到低位流动推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差§6.1概述三、膜分离过程分类以压力差为推动力：微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、气体分离(GS)以浓度差为推动力：渗析、渗透汽化(PVAP)以电位差为推动力：电渗析（ED）以温度差为推动力：膜蒸馏（MD）§6.1概述微滤、超滤、纳滤和反渗透均为压

3、力推动的分离过程，即在压力差的作用下，溶剂及小分子能通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。微滤膜：孔径为0.05～10μm，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为0.05～0.5MPa。超滤膜：孔径为2～20nm，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为0.1～1MPa；纳滤膜孔径为2～5nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0.7～3MPa；反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为2～10MPa；§6.1概述电渗析采用带电荷的离子交换膜，在电场作

4、用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶液去除离子。气体分离是依据混合气体中各组分在膜中渗透性的差异而实现的膜分离过程。渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。传统的分离单元操作如蒸馏、萃取、吸收等，也可以通过膜来实现，即为膜蒸馏、膜萃取、膜吸收等，实现这些膜过程的设备统称为膜接触器，包括液-液接触器、液-气接触器等§6.1概述过程示意图膜类型推动力传递机理透过物截留物微滤MF多孔膜压力差（~0.1MPa）筛分水、溶剂、溶解物悬浮物各种微粒超滤UF非对称膜压力

5、差（0.1~1MPa）筛分溶剂、离子、小分子胶体及各类大分子反渗透RO非对称膜复合膜压力差（2~10MPa）溶剂的溶解-扩散水、溶剂悬浮物、溶解物、胶体电渗析ED离子交换膜电位差离子在电场中的传递离子非解离和大分子颗粒原料液滤液原料液滤液浓缩液原料液溶剂浓缩液溶剂原料液浓电解质阴膜阳膜阴极阳极气体分离GS均质膜复合膜非对称膜压力差（1～15MPa）气体的溶解-扩散易渗透气体难渗透气体渗透汽化PVAP均质膜复合膜非对称膜浓度差分压差溶解-扩散易溶解或易挥发组分不易溶解或难挥发组分膜蒸馏MD微孔膜由于温度差而产生的蒸汽压差

6、通过膜的扩散高蒸汽压的挥发组分非挥发的小分子和溶剂混合气渗透气渗余气原料液渗透蒸气溶质或溶剂原料液渗透液浓缩液四、膜分离技术的优点与传统的分离操作相比，膜分离具有以下优点：（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便。§6.1概述五、分离膜性能分离膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。

7、分离膜的性能主要包括两个方面：透过性能与分离性能§6.1概述1．透过性能能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率。透过速率——指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。式中：J——透过速率，m3/(m2·h)或kg/(m2·h)；V——透过组分的体积或质量，m3或kg；A——膜有效面积，m2；t——操作时间，h。§6.1概述膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。

8、2．分离性能分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。§6.1概述（1）截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R表示，定义为式中——