膜分离技术-海德能培训资料

膜分离技术及其应用北京海德能公司北京海德能科技有限公司2膜分离发展过程和趋势可用？高增长低增长透析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透汽化双极膜液膜膜反应器闸膜活化传递北京海德能科技有限公司3微滤0.1-10m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤0.005-0.1m：蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤0.0005-0.005m：低聚糖、染料、多价离子反渗透0.0001-0.001m：电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da的有机溶质膜的适用范围北京海德能科技有限公司4膜料液水小分子大分子渗透液定义：具有选择性分离的功能薄膜材料。“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”膜的简介北京海德能科技有限公司5报告内容膜技术简介发展历史专业术语应用实例典型膜过程反渗透超滤微滤陶瓷膜技术北京海德能科技有限公司6膜的发展历史1748年AbbleNelkt发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超滤概念；1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；1960年Loeb和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。北京海德能科技有限公司7我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。国内主要的膜研究和推广单位：1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司）2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司）天津纺织工学院（膜天公司）3）无机膜：南京工业大学（久吾高科）中国科技大学膜的发展历史北京海德能科技有限公司8膜过程国家年代应用微滤超滤血液渗析电渗析反渗透超滤气体分离膜蒸馏全蒸发德国德国荷兰美国美国美国美国德国德国/荷兰192019301950195519601960197919811982实验室用（细菌过滤器）实验室用人工肾脱盐海水脱盐大分子物质浓缩氢回收水溶液浓缩有机溶液脱水/荷兰193019501955196019601979198膜的发展历史北京海德能科技有限公司9膜的简介特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用特点：无相变、低能耗高效率、污染小工艺简单、操作方便便于与其它技术集成浓缩液进料液渗透液北京海德能科技有限公司10膜的分类北京海德能科技有限公司11膜的适用范围分离对象的粒径分布北京海德能科技有限公司12膜元件北京海德能科技有限公司13膜元件北京海德能科技有限公司14膜分离的形式——错流过滤终端过滤污染严重错流过滤污染轻膜过程的一些术语北京海德能科技有限公司15膜过程的一些术语错流过滤FeedRetentateCrossflowmembranemoduleRecirculationloopP1P3P2Permeate北京海德能科技有限公司16错流过滤的优点：(1)便于连续化操作过程中控制循环比；(2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进行；(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。膜过程的一些术语北京海德能科技有限公司17膜过程的一些术语通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.h选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。1）液体分离的选择性常用截留率表示：R＝1－Cp/Cf2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：A/B＝(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示渗透侧各组分的浓度，x表示原料侧的浓度。当A/B等于1，表示无法实现分离目的，大于1表示A组分通过膜的速度大于B组分。北京海德能科技有限公司18通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化膜过程的一些术语北京海德能科技有限公司19膜过程的一些术语推动力：1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3P＝（P1＋P2）/2－P3北京海德能科技有限公司20膜过程的一些术语浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。123CfCmCp浓差膜层渗透侧极化层极化层北京海德能科技有限公司21传递阻力：1）膜阻Rm:与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；2）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。膜过程的一些术语北京海德能科技有限公司22Rm膜管本身阻力Ri膜孔内污染阻力Rg凝胶层阻力Rc浓差极化阻力膜污染CguCbRmRiRgRcC膜污染阻力的概念模型北京海德能科技有限公司23膜过程的一些术语膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。北京海德能科技有限公司24膜的用途浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。北京海德能科技有限公司25膜的应用从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防……等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30％的速度递增着。北京海德能科技有限公司26膜的应用膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧北京海德能科技有限公司27膜技术的工业应用工业领域应用举例金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水北京海德能科技有限公司28膜技术用于生物质资源开发膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15－80倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60％生产装置总投资为传统分离方法总投资的40－80%650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纤维素发酵蒸馏蒸馏脱水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜传统过程:发酵速率低、能耗大膜生物反应器：实现连续生产，降低操作成本北京海德能科技有限公司29膜法海水淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5710国家或地区沙特中国长海中国长岛中国沧化设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75产水成本RMB/m34.886.695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本几种分离方法能耗比较北京海德能科技有限公司30膜法海水淡化嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置北京海德能科技有限公司31膜法自来水厂巴瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水黎北京海德能科技有限公司32典型膜应用过程－反渗透渗透与反渗透的区别：渗透是水通过半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。渗透压的计算：理想水溶液渗透压＝RTCsi实际溶液＝iRTCsiCsi是溶质的浓度，mol/cm3北京海德能科技有限公司33典型膜应用过程－反渗透半透膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗透B、渗透平衡C、反渗透渗透、平衡渗透、反渗透示意图北京海德能科技有限公司34典型膜应用过程－反渗透一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。反渗透不是渗透的逆过程，两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。1784年AbbleNollet用猪膀胱作透过试验，发现渗透现象；1953年C.E.Reid提出用反渗透法淡化海水的方案；1960年Loeb和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜，反渗透技术进入实用化阶段。反渗透过程可以分为三类：高压反渗透（5.6-10.5MPa），低压反渗透（1.0-4.2MPa），纳滤（0.3-1.0MPa）。北京海德能科技有限公司35典型膜应用过程－反渗透分离机理反渗透膜上的微孔孔径约为2nm，而无机盐离子的直径仅为0.1-0.3nm，水合离子的直径为0.3-0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。S.Sourirajan提出了优先吸附－毛细管流动模型来解释非荷电膜的分离；荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。溶解－扩散模型：膜是无孔的“完整的膜”北京海德能科技有限公司36典型膜应用过程－反渗透膜低压渗透侧Jw=水通量Cw=渗透液溶质浓度Qp＝渗透流量＝Jw×ACr＝截留液中溶质浓度Qr＝截留液流量高压侧p-＝膜的推动力Cb＝主体溶质浓度Cm＝膜面溶质浓度供料截留液渗透液Qi=进料流量Ci=溶质浓度反渗透过程示意图反渗透过程用三个参数来评价：R＝表观截留率＝1-w/CiJw=渗透通量＝单位面积上的渗透流量r＝回收率间歇系统：r=JwAt/V连续系统：r=JwA/Qi北京海德能科技有限公司37典型膜应用过程－反渗透反渗透膜：高操作压力：3－10MPa；要求膜必须有高透水率，高脱盐率；耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密；必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜膜组件反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。主要有：管式、板式、中空纤维、卷式卷式组件的