《膜技术及其应用-第一章 分离膜和膜分离过程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜技术及其应用-第一章 分离膜和膜分离过程.ppt（53页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第一章 分离膜和膜分离过程,本章主要内容,分离膜和膜分离 分离膜的种类 分离膜的制备 膜的分离特性,第一节 分离膜和膜分离,分离膜广义上指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质，有选择性的膜。,膜分离是指借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。,一、定义,二、膜分离技术与传统分离技术区别 机械分离过程 颗粒大小不同，如筛分和过滤； 重力和离心分离 物体密度不同，如重力沉降、旋风分离等； 平衡分离过程 体系处于平衡状态时不同相态（气液、气固、液固）中浓度不同，如蒸馏、萃取、结晶、吸附、吸收等 速率控制分离过程 物质分子在外力作用下迁移速率不同，
2、如膜分离和电泳；,各种分离法及适用范围, 膜中分布微细孔穴，不同孔穴选择性渗透 膜中存在电荷，吸附、排斥产生选择性渗透 被分离物在膜中的溶解、扩散作用产生选择渗透性, 膜材料能够选择渗透的原因,三、膜分离过程的特点,多数无相变，对能量要求低； 分离条件较温和，适合于热敏性物质分离； 操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化。, 膜在分离过程中具有如下功能,物质的识别与透过 使混合物中各组分之间实现分离的内在因素 界面 膜将透过液和保留液(料液)分为互不混合的两相 反应场 膜从表面到孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度,
3、四、膜分离过程的分类,五、膜分离的应用领域,化学/染料工业 活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收 食品染料的脱盐、纯化、浓缩与回收 催化剂与贵金属的回收利用 脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化 甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料的回收 汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收,食品/饮料工业 啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤 苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的澄清除菌过滤 苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬等果汁的脱水浓缩 葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留 豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩 乳清、奶酶及
4、其他乳品的澄清、脱盐与浓缩 蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩,制药/生物工程 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除 酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除 抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩 中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤 动物血浆、血清的浓缩精制 其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、 细胞收集等分离过程,空气过滤 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收 电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收
5、干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收 合成氨尾气中氢气的回收利用 其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程,水处理 饮用纯水的制备 医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备 电子工业中超纯水的制备 火力发电厂锅炉补给水的制备 饮料与化妆品工业中产品配方用水的制备 饮用水纯化/苦碱水脱盐/海水淡化 废水循环与再生利用（零排放） 染料、颜料、油漆、含油废水的处理 纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收 金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理 纺织印染废水的处理及丝光废水的回收利用,六、国内膜分离技术主要应用,海水淡化 污水再生 净化水,第二节分离膜的种类,一、高分子膜,高分子膜的性能
6、与高分子材料的特性密切相关 高分子的结构特征由以下因素决定 相对分子量； 高分子的化学结构与空间排列（构造、主侧链等） 不同的大分子间的相互作用（氢键、偶极距等）,亲水性好，孔径范围较宽，较高通量，成本低，无毒； 操作温度窄（30），pH窄（3-6)，压实现象，易生物降解 包括天然纤维素、醋酸纤维素（二、三CA、CTA）、硝化（CN ）、乙基（EC）、混合（CN-CA）,1、纤维素类膜,聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高； pH值适应范围为113，最高使用温度达120； 抗氧化性和抗氯性都十分优良； 孔径范围较宽，超滤、微滤； 疏水性，易被溶质污染,2、聚砜类膜,3、聚酰胺
7、类膜,反渗透复合膜，多孔、力学强度和热稳定性良好、pH（3-11）；对氯离子抵抗能力差，易受蛋白质污染,4、聚烯烃类膜 PE、PP、PVC、PS、PAN、PMMA，国内最早开发的膜材料 5、其他类聚合物膜 聚偏氟乙烯膜、再生纤维素膜、芳香杂环类、离子型聚合物、共混和嵌段、接枝共聚物膜,二、无机膜,陶瓷膜、玻璃膜、金属膜（含碳）和沸石膜等。 耐温，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物腐蚀，适用寿命长； 无弹性、脆、不适用于热强碱体系,第三节分离膜的制备,膜的制备工艺有化学的和物理的方法或者二者结合。西村正人从高分子材料的选择和膜材料的化学结构方面，总结出具有分离孔径膜的10种化学方法和9种物理方法
8、。,10种化学方法,9种物理方法,一、均质对称膜的制备 对称膜是指膜主体具有均一的结构。 1. 致密均质膜 溶剂浇铸法 适于可溶性聚合物，将聚合物用溶剂溶解，然后用刮刀或压延辊将聚合物溶液刮在平整的玻璃板或不锈钢板上，然后让溶剂挥发，对不同的聚合物找到合适的溶剂是关键。 挤压法 适于不溶于溶剂的聚合物，将聚合物置于两 加热板间，加热温度在聚合物软化点以上， 在高压下保持一段时间，冷却即可。,2. 微孔均质膜 拉伸法 在接近聚合物熔点温度下，挤压聚合物膜，并配合以很快的拉出速度，在迅速冷却下制成高度定向的结晶膜，冷却后对膜进行第二次拉伸，使膜的结晶结构破坏，并产生裂缝状的孔隙。 烧结法 将粉状的
9、聚合物加热，控制温度及压力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但不全熔，相互粘结形成多孔的薄层或块状物，再加工成滤膜。,溶出法 在制膜基材中混入某些可溶出的高分子材料，或其他可溶的溶剂，或与水溶性固体细粉混炼。成膜后用溶剂将可溶性物质溶出，从而形成多孔膜。,核刻蚀法 将均质聚合物膜置于核反应器的荷电离子束照射下，荷电粒子通过膜时，打断了膜内聚合物链节，留下感光径迹，然后膜通过一刻蚀浴，其内溶液优先刻蚀掉聚合物中感光的核径迹，形成孔。,膜受照射时间的长短膜孔数目 刻蚀时间的长短决定膜孔的大小 特点: 孔径分布均匀，孔为圆柱形或圆锥 形毛细管,二、非对称膜的制备 非对称膜是指膜主体具有两种或
10、两种以上的形貌结构 比对称膜具有高得多的透过速率，是工业上用的最多的膜类 致密的或具有微小细孔的选择性透过薄层支撑在多开放孔的底膜上,相转化膜制备过程： 相转化是一种以某种控制方式使聚合物从液态转变为固体的过程，这种过程通常是由一个均相液态转变成两个液态而引发。通过控制相转化的初始阶段，可以控制膜的形态。 1）配制具有适当的均相聚合物溶液； 2）将聚合物溶液流涎成薄膜； 3）蒸发部分溶剂； 4）聚合物凝胶（沉淀）； 5）热处理。,在沉淀过程中形成液膜的聚合物溶液分为两相，富聚合物的固相形成膜的皮层，富溶液的液相形成膜孔。,根据沉淀方式，又分为热凝胶法和非溶剂凝胶法。,热凝胶法 适合于聚合物在溶
11、液中的溶解度受温度变化较大的铸膜液体系。,非溶剂凝胶法 适用于聚合物的溶解度受温度影响不大，而且能在室温或低温溶解的情况。,1. 热凝胶法,将加热配制的均相制膜液流涎成膜后，然后冷却，液膜发生沉淀、分相，温度进一步降低，沉淀分相进一步进行。,孔的体积主要决定于制膜液的初始组成， 孔的大小分布基本取决于冷却速度，通常快速冷却得到的较小孔径的膜。,聚合物、溶剂与非溶剂的配伍关系,2. 非溶剂凝胶法 非溶剂又称凝胶剂，指对膜材料不溶而对溶剂能互溶的溶剂。,非溶剂凝胶法又分为溶剂蒸发凝胶法、吸入蒸气凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法,浸渍凝胶法（L-S法） 最常用有机高分子膜制备方法，将聚合物溶液刮涂
12、在适当的支撑体上，浸入含非溶剂的凝固浴中，溶剂/非溶剂的交换导致沉淀，得到膜的结构由传质和相分离两者共同决定。,溶剂蒸发凝胶法（目前CA膜使用最多） 吸入蒸气凝胶法 控制蒸发凝胶法,三、复合膜制备工艺 由同一种材料构成皮层和多孔亚层；另一种是由不同的聚合物材料构成皮层和亚层。,层压、浸涂、喷涂、旋转涂敷；界面聚合、原位聚合、离子聚合、接枝等。,界面聚合 将支撑体浸入含有活泼单体或预聚物水溶液中，然后将此膜浸入另一个含有另一种活泼单体的与水不溶的溶剂中，则两种单体或预聚物在两相界面处发生反应，形成皮层。 浸涂法 将不对称膜浸入含有聚合物、预聚物或单体的涂膜液中，然后取出支撑体，一薄层溶液附着其上
13、，加热使溶剂蒸发并发生交联，从而使皮层固定在亚层上。,四、无机膜制备工艺,分离膜的制备,均质对称膜 非对称膜相转移法 复合膜 无机膜,致密均质膜,微孔均质膜,拉伸法、烧结法核刻蚀、溶出法,溶液浇铸法、挤压法,溶剂蒸发凝胶法、蒸气相凝胶法、热凝胶法、控制蒸发凝胶法、浸渍凝胶法,浸涂、喷涂、旋转涂覆、界面聚合、原位聚合、等离子聚合、接枝,烧结法、溶胶-凝胶法、刻蚀法、高温分解法、沉积法,液膜的制备,面,（a）油包水型液膜,（b）水包油型液膜,第四节膜的分离特性,1. 膜的分离透过性能：分离效率和渗透通量,脱除率或截留率 R = 1-cp/cb （cb原液浓度，cp透过液浓度） 分离系数或分离因子（
14、） 渗透通量单位时间内、单位面积膜上透过的溶液量，JV = V/At, 孔径是决定膜的分离透过性能的 主要因素,孔径,力学强度,化学和热稳定性,厚度、密度 、孔隙率等等 膜孔径测量方法：直接观测法和间接法 电子显微镜、泡点法、液体流速法等,2. 膜的物理化学性能,膜断面图,本章习题,理解分离膜的定义和膜分离过程 膜分离技术与传统分离技术的区别主要在哪里？ 膜选择性渗透的原因？ 简单概括膜分离过程的特点？ 膜在分离过程中具有哪些功能？ 膜分离过程的推动力有哪几种？各适用于哪些过程？ 国内膜分离技术主要用于哪三大领域？,常见高分子膜材料和无机膜材料有哪些？它们各有哪些突出优点？ 掌握分离膜（对称膜、非对称膜、复合膜和无机膜）常用的制备方法 复合膜的组成 膜的性能指标有哪些？分离透过性能包括什么性能？,