膜分离原理技术与设备

第9章膜分离设备第1节膜分离概述一、膜分离的基本原理1、什么是膜分离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，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。2、膜分离的推动力（1）借助外界能量，物质发生由低位到高位的流动；（2）借助本身的化学位差，物质发生由高位到低位的流动。3、膜分离方法（1）压力推动反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。——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；——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；——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；——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。（2）其他推动力——电渗析采用带电的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、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。膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤（MF）压差0.05～0.5筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差0.1～1.0筛分蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差1.0～10筛分盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造渗析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机酸分离渗透气化压差、温差溶质与膜的亲和作用有机溶剂与水的分离，共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范围二、膜材料及分类1、常用膜材料有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物、聚烯烃等无机分离膜：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等2、膜的种类（1）对称膜：又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同。包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。——传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。（2）非对称膜：横断面具有不对称结构。包括一体化非对称膜和复合膜两类。——分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。醋酸纤维素膜的结构示意图三、膜分离的特点（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；（5）处理能力和规模选择性强；（6）体积小，占地少。第2节膜分离装置一、膜分离系统组成1、膜分离系统的构成膜器件、泵、过滤器、阀、仪表、管路等2、常用膜器件的类型板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式二、常用的膜器件（一）板框式膜器件1、基本部件平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部件相互交替、重叠、压紧。2、特点①组装比较简单，可以简单地增加膜的层数以提高处理量；②操作比较方便。③板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度要求较高。3、应用超滤（UF）、微滤（MF）、反渗透（RO）、电渗析（ED）4、板框式反渗透膜组件季紧螺栓型-装配图（1）结构单元承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板（2）结构形式多层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固定。进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜（3）工作过程板式超滤膜装置（二）圆管式膜器件1、基本部件管状膜、圆筒形支撑体、管束板、不锈钢外壳、端部密封2、特点①流动状态好，流速易控制；②结构简单，容易清洗，安装、操作方便；③装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；④耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液，比其他形式应用更为广泛。3、类型与结构管式膜组件又分为内压型和外压型两种。内压型有单管式和管束式两种。（三）螺旋卷式膜器件1、基本部件膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而形成螺旋卷式膜器件。密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层2、特点①结构紧凑，装填密度高②制作简单，安装、操作方便③适合低流速、低压下操作④制作工艺复杂，膜清洗困难3、工作过程原料从端部进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出，浓液则从组件另一端排出。进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液4、膜组件的结构与组装（四）中空纤维式膜器件1、基本构成（1）中空纤维膜将膜材料制成外径为80～400μm、内径为40～100μm的空心管，即为中空纤维膜。（2）中空纤维膜组件将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件。2、特点①结构紧凑，装填密度很高；②清洗困难；③中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；④液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。3、工作过程（1）内压式料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维管膜流出管外，这是常用的操作方式。（2）外压式料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维膜管内流出。4、中空纤维膜设备操作（1）操作过程过滤、浓缩→反洗→清洗→正洗（2）操作注意事项中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液保存。三、电渗析器（一）电渗析原理和特点1、电渗析的基本原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。离子交换膜的选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上的孔隙容许离子进出和通过。膜上的离子基团容许电性相反的离子通过。2、电渗析法的特点（1）耗电能与盐溶液的浓度成正比，不适合与浓溶液（2）不能除去不带电荷的杂质（二）电渗析器的结构1、构造电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。（1）膜堆膜堆是由相当数量的膜对组装而成的。膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）组成。（2）极区包括电极、极框和导水板。（3）压紧装置压紧装置是用来压紧电渗析器，使膜堆、电极等部件形成一个整体，不致漏水。2、组装方式电渗析器的组装是用“级”和“段”来表示，一对电极之间的膜堆称为“一级”。水流同向的每一个膜堆称为“一段”。增加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。一般有以下几种组装形式：一级一段；一级多段；多级一段；多级多段。（三）电渗析工艺流程1.循环操作流程2.三级连续操作（四）应用1.水的纯化生产制药工艺用水2.盐溶液浓缩3.脱除有机物和有机物脱酸4.废水处理第3节超滤与微滤1、超滤过程膜:非对称性膜,表面活性层孔径1~20nm微孔,能截留分子量500以上大分子或胶体微粒。原理:原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压侧，大分子物质被截留。机理:筛分2、微滤过程(微孔过滤)膜:微孔,均质的多孔膜,孔径0.02-10μ微孔,能截留直径为0.05-10μ的微粒或分子量大于106的高分子原理:原料液在压差作用下，小分子物质与小分子量物质透过膜上微孔，流到低压侧，悬浮微粒和分子胶体被截留。机理:筛分3、浓差极化（1）概念膜传质过程中，靠近膜表面的边界层处会存在浓度梯度或分压差，对于给定的主体流体浓度，边界层阻力的存在降低了膜分离的传质推动力，渗透物的通量也降低。由于传质阻力而引起边界层组分浓度的增加或降低的现象被称为浓差极化。（2）浓差极化对膜分离过程的不利影响①引起渗透压的增大，减小传质推动力；②增加透过阻力；③改变膜的分离特性；④恶化膜的性能；⑤严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。（3）减轻浓差极化的方法①改变流向、提高流速；②设置湍流促进器；③脉冲加料法；④搅拌法；⑤适当提高原料侧温度。4、切向流概念：料液流向与膜平面平行。5、超滤的影响因数（1）操作压差(推动力)压差大，通量大，能耗大;（2）料液流速采用错流装置，使料液与膜面平行流动，流速高，传质系数大，有利于提高渗透通量。5、超滤的影响因数（3）温度温度高,料液粘度小，扩散系数大，有利于提高渗透通量。（4）截留液浓度浓度增加，浓度边界层增厚，易形成凝胶层，使渗透通量减小。6、应用（1）水纯化纯化水、注射用水、眼药水（2）废水处理，回收有用的物质（3）产品加工各种大分子物质分离，浓缩。