第十四章 新型膜分离技术

2020/1/21第十四章膜蒸馏与膜接触器MembraneDistillation&MembraneContactors31.膜蒸馏概述膜蒸馏（MembraneDistillation）是20世纪60年代中期由MEFindly提出，80年代发展起来的一种新型膜分离技术。其原理是以微孔疏水膜将两种不同温度的水溶液分开，由膜两侧温度差造成二侧蒸气压差，使易挥发组分的蒸气分子通过膜孔从高温侧向低温侧扩散，并冷凝；其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。膜蒸馏（MD）是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程。属热驱动膜过程。实现MD需要有两个条件：①所用膜必须是疏水微孔膜（对分离水溶液而言）；②膜两侧要有一定的温度差存在，以提供传质所需的推动力。4膜蒸馏示意图整个传递过程包括三个步骤：1）高温侧蒸发；2）蒸气分子通过疏水膜孔进行传递；3）低温低冷凝。53.膜蒸馏的特点①该过程几乎是在常压下进行的，设备简单，操作容易，在技术力量比较薄弱的地区也有实现的可能性；②在该过程和运行中，无需把溶液加热到沸点，只要使膜两侧维持适当的温差就可以。这就有可能利用太阳能、地热及温泉等廉价的天然能源以及工厂的余热等；③在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能透过膜孔，所以膜蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；④该过程可以用来处理极高浓度的水溶液；⑤膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收的形式，并具有以高效率的小型组件构成大规模生产体系的灵活性。6膜蒸馏的弱点：①膜蒸馏是一个有相变的膜过程，汽化潜热降低了热能的利用率，所以在组件的设计上必须考虑到潜热的回收。与其他膜过程相比，膜蒸馏在有廉价能源可利用的情况下才更有实用意义；②膜蒸馏与制备纯水的其他膜过程相比通量较小，所以目前尚未实现在工业生产中应用，如何提高膜蒸馏的通量也就成了一个重要的研究课题；③膜蒸馏采用疏水性微孔膜，与亲水膜相比在膜材料和制备工艺的选择方面都十分有限。74.膜蒸馏用膜材料膜蒸馏所用膜材料应满足疏水性和多孔性两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。另外，足够的机械强度、良好的热稳定性、化学稳定性以及低的热导率也是膜蒸馏用膜材料所必需的。近年来，膜蒸馏过程的膜材料的研究开发集中于三种膜材料，即：聚四氟乙烯（PTFE）聚偏氟乙烯（PVDF）聚丙烯（PP）85.膜蒸馏的应用I.海水或苦咸水的淡化II.强酸、强碱中水的分离III.甘蔗榨汁液的浓缩IV.人参露和洗参水的分离浓缩V.分离提纯天然盐水中的食盐和芒硝VI.超纯水的制备VII.废水的处理VIII.共沸混合物及有机溶液的分离IX.化学物质的浓缩和回收9渗透蒸馏的概念及原理上世纪80年代提出了渗透蒸馏(osmoticdistillation)的过程，这是一种与膜蒸馏十分类似过的程。使用的也是疏水性微孔膜，膜两侧也是不润湿膜孔的水溶液，且也是利用膜两侧的蒸汽压差将料液侧水蒸汽传递到膜的另一侧。但不同的是，膜蒸馏两侧有压差是由膜两侧的温度差产生的，而渗透蒸馏两侧的压差是由腊两侧溶液的渗透压产生的（也称为等温膜蒸馏）。应用：膜的一侧是含盐量很低的稀溶液，另一侧为电解质浓溶液，这样即可对低盐溶液进行脱水浓缩。该方法特别适用于新鲜牛奶、水果汁等热敏物质的脱水浓缩。10膜接触器（MembraneContactors）除蒸馏过程可以用膜外，传统的吸收（及解吸）过程、萃取过程也可以通过膜来实现。在这里膜仅提供传质的相界面，以实现气-液或液-液之间的传质，因此统称为膜接触器。根据相间传质体系的不同，膜接触器可分为：①气~液（G-L）膜接触器。类似于吸收；②液~气（L-G）膜接触器。类似于解吸；③液~液（L-L）膜接触器。类似于萃取与反萃取。1112Liquid-gascontactor:toremovedissolvedgasesfromliquidsGas-liquidcontactor:toseparateolefin/paraffinmixtures13Liquid-liquidcontactorwithtwoimmiscibleliquids:toremovedissolvedVOCsfromwaterLiquid-liquidcontactorwithtwomiscibleliquids(membranedistillation):toremovepurewaterfromasaltsolution14FlowschematicofthemembranecontactorprocessdevelopedbyBritishPetroleumtoseparateethylene/ethanemixturesbyabsorptionintosilvernitratesolution膜反应器MembraneReactors161.膜反应器（MR）概述膜反应器（MembraneReactors）是膜和化学反应或生化反应相结合的系统或设备。也可这样定义：依靠膜的功能、特点改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。膜反应器中膜的功能：A.分离功能即膜有选择性透过不同物质的能力；B.载体功能指膜可以作为催化剂或生物催化剂的载体，用于制备具有催化活性的功能膜；C.分隔功能和复合功能分隔功能是指膜具有两个表面，并可将系统分隔为独立的依靠膜相关联的两部分；复合功能是指利用复合技术制备出具有不同功能的功能型复合层膜系统。173.膜反应器的类型膜催化反应器(membranecatalyticreactor)——将膜分离与催化反应结合，可突破化学平衡的限制，提高反应转化率。膜生物反应器(membranebioreactorMBR)——将膜分离与生物反应结合，可控制产物抑制作用，回收生物催化剂，提高生化反应转化率。它按生物催化剂类型又可分：酶膜生物反应器、膜发酵器和膜组织培养。18半乳糖醛酸胶质Examplesofthethreetypesofmembranereactor（1）果胶酶19204.膜反应器所用膜材料无机催化膜反应器中的钯膜反应器，用真空蒸镀法或飞溅涂膜法使钯超薄覆盖于无机陶瓷多孔膜的表面上，形成Pd-多孔陶瓷复合膜。有机催化膜反应器中酶膜反应器的膜材料常用聚砜、芳香聚酰胺；膜生物反应器常用聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚偏氟乙烯等。215.膜反应器的应用钯膜反应器的应用：由天然气或CO制造氢；环已烷的脱氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。酶膜反应器的应用：蔗糖的水解；生物大分子水解；低聚肽合成；手性化合物的生产研究；辅酶的再生；酶法生产L-氨基酸。膜生物反应器的应用：细胞循环发酵；动/植物细胞培养；城市污水和工业废水的处理。22浙江大学凯华公司MBR工程123浙江大学凯华公司MBR工程2浙江大学凯华公司MBR工程3MBR实际上是一种膜分离与活性污泥法组合的新型污水处理技术.膜控制释放ControlRelease251.膜控制释放概述控制释放就是将药物或其他生物活性物质和基材（通常为高分子材料）结合在一起，使药物通过扩散等方式在一定的时间内，以某一速率释放到环境中的技术。药物的释放速率取决于基材和药物性质以及它们之间的结合方式、环境条件等。膜控制释放是一类新兴的交叉学科，它涉及化学、化工、材料学、生物学、药物学等诸多学科，已在医学、生物、农业、环保、船舶涂料等领域得到广泛应用。262.膜控制释放的特点药物的控制释放与常规释放相比有以下优点：释放到环境中的药物浓度比较稳定；能最有效地利用药物；可使药物的释放部位尽可能接近病源，提高了药效，减小可能的副作用；减少了用药次数，极大地方便了用药者。272.1扩散控制释放系统扩散控制药物释放体系有贮存器(reservoir)型和混合药膜(monolithic)两种①贮存器型：药物被聚合物基材包埋，药物由聚合物膜中的孔道或网络间的空隙扩散释放出来。②混合药膜型：药物是以溶解或分散的形式和聚合物基材结合在一起的。28Reservoirdevice贮存器型Monolithicdevice混合药膜型292.2化学控制释放系统化学控制药物释放体系是目前最使人感兴趣的膜控制释放体系。其中，聚合物基材可在释放环境中降解，当药物释放完毕后，基材可完全降解以致消失，不需要手术将基材从体内取出。药物的释放速率是以聚合物基材的降解反应速率来控制的。该体系可分为：A.混合药膜降解体系B.降解大分子药物体系30Principleofthethree-chamberRose–Nelsonosmoticpump31用于溶剂渗透控制释放体系的聚合物：其半透膜应有一定的渗透性、强度和刚度。主要有：①纤维素及其衍生物②甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯甲酯的共聚物③EVA共聚物④交联PVA323.膜控制释放技术的应用A.在医药工业中的应用膜控制释放在医药工业领域应用得最多，现已广泛用于临床，解决一些疑难杂症。按给药部位和方式不同，分为口服型、透皮吸收型、植入型、宫腔给药等。B.在农药工业中的应用体现多种优点，如可防止农药挥发、分解、流失，延长药效，提高防治效果；减少施药次数和施药量；将农药对环境污染的程度降低到最大限度。具体方式有①微胶囊；②塑料压层；③吸收混合；④种子包衣法；⑤高分子载体。33C.在化肥工业中的应用化肥的控制释放是提高肥料利用率，减少环境污染的必要手段。具体方式有以下三种：①聚合物包膜②无机物包膜如用硫磺包裹尿素③肥料包裹肥料利用此法可获得多元复合肥，可同时供给农作物多种营养，而又不会引入其他聚合物或无机物载体破坏土壤结构。如磷肥包裹碳铵的控释肥料在我国农业生产中已民用有大量应用。34D.在其他领域的应用①膜控释香料用于室内芳香、食品添加剂、化妆品等②防污涂料膜用于船舶防污③防鼠涂料膜用于保护飞机场、铁路、工厂等单位的计算机设备、附属电缆等。