膜的定義
膜是分離兩相和選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。
膜的分類
1.按膜的結(jié)構(gòu)分類
2.按化學(xué)組成分類
3.按分離機(jī)理分類
4.按幾何形狀分類
按膜的結(jié)構(gòu)分類
按化學(xué)組成分類
按分離機(jī)理分類
膜分離的定義和分類
1.反滲透和納濾
2.超濾和微濾
3.滲析和電滲析
4.載體促進(jìn)傳遞
5.滲透汽化
6.膜精餾和膜萃取
7.氣體分離
反滲透原理
膜的遷移方程
反滲透膜與納濾膜及其組件
1.高壓反滲透膜
2.低壓反滲透膜
3.超低壓反滲透膜
反滲透和納濾應(yīng)用
反滲透與納濾工藝流程
反滲透和納濾應(yīng)用
反滲透:1.水純化 2.溶質(zhì)濃縮
納濾:溶質(zhì)濃縮
超濾原理
膜結(jié)構(gòu)：超濾膜多為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由一層極薄(通常小于1μm)并具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常為125μm左右)并具備海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成。前者起分離作用，后者起支撐作用。
“篩分”理論
膜的截留效果取決于膜的孔徑大小。
比較全面的解釋
在超濾膜分離過(guò)程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學(xué)性質(zhì)等將分別起著不同的截留作用。
超濾膜
超濾膜的性能指標(biāo)主要有以下兩個(gè)：
①滲透通量：純水滲透速率 (一般在0.1~0.3MPa下測(cè)定)；
②截留率：截留分子量曲線。
另外，超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對(duì)于工業(yè)應(yīng)用也是非常重要的。
制備方法
目前商品化的有機(jī)材質(zhì)的超濾膜都是采用相轉(zhuǎn)化法制得的，所采用的材質(zhì)有磺化聚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、纖維素類、聚丙烯腈、磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚醚酮。此外還有陶瓷超濾膜，主要是由Al2O3、ZrO2用Sol—Gel法制得。
超濾操作工藝
重過(guò)濾操作：用于大分子和小分子的分離。
間歇操作：常用于小規(guī)模生產(chǎn)。
連續(xù)式操作：常用于大規(guī)模生產(chǎn)。連續(xù)式操作時(shí)組件的配置有單級(jí)和多級(jí)兩類。
超濾應(yīng)用
超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分離的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。超濾裝置可單獨(dú)運(yùn)行，也可與其他處理設(shè)備結(jié)合應(yīng)用于各種分離過(guò)程。
超濾濃縮的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)相變、一般不需加熱、工序簡(jiǎn)單、適用pH范圍寬和防止失活等，很適于熱敏性物質(zhì)的分離濃縮。
主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：工業(yè)廢水處理；城市污水處理；如資源化應(yīng)用。飲用水的生產(chǎn)；高純水的制備；生物制劑的提純；食品工業(yè)；醫(yī)藥工業(yè)。
微濾原理
微濾又稱為精過(guò)濾，其基本原理屬于篩網(wǎng)狀過(guò)濾(物理截留)。除此以外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留，如圖7所示。
通過(guò)微濾膜的體積通量可由Darcy定律描述：J＝AΔp
滲透常數(shù)A決定于滲透液粘度和膜的厚度、孔隙率、孔徑及其分布等因素。
若膜由直的毛細(xì)管構(gòu)成，根據(jù)Hagen—Poiseulle關(guān)系式計(jì)算：
若膜是球形顆粒的聚集體，根據(jù)Kozenry—Carman公式計(jì)算：
以上兩式中，ε——孔隙率；r——孔半徑；
ΔX——膜厚； η——?jiǎng)恿W(xué)粘度；
τ——彎曲因子；
K——與孔幾何形狀有關(guān)的無(wú)因次常數(shù)；
S——單位體積中球顆粒的表面積。
因此，為了使微濾膜性能得到優(yōu)化，應(yīng)盡可能使膜表面孔隙率高，孔徑分布窄。
微濾操作工藝
對(duì)于含固量低于0.1%的物料通常采用死端過(guò)濾；
在分離含固量在0.1%一0.5%的料液時(shí)，通常要對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理或在膜面上加玻璃纖維的預(yù)過(guò)濾裝置；
對(duì)含固量高于0.5％的料液通常采用錯(cuò)流過(guò)濾操作。
微濾應(yīng)用
工業(yè)上，微濾主要用于將大于0.1μm的粒子與溶液分開的場(chǎng)合。
制藥行業(yè)的除菌過(guò)濾；
電子工業(yè)用高純水的制備；
食品工業(yè)；
在各種與生物、生理有關(guān)的分析中對(duì)細(xì)胞的捕獲、各種顆粒的富集；
飲用水生產(chǎn)和城市污水處理成為微濾過(guò)程的兩個(gè)潛在的大市場(chǎng)；
最新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
膜組件
板框式膜組件
板框式膜組件的基本部件是：平板膜、支撐盤、間隔盤。三種部件以圖40所示的順序相互交替、重疊、壓緊。
板框式膜組件
突出優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，其主要特點(diǎn)有：
① 可以簡(jiǎn)單地增加膜的層數(shù)實(shí)現(xiàn)增大處理量；
② 組裝簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，對(duì)壓力變動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可靠性較大；
③每?jī)善ぶg的滲透物都是被單獨(dú)地引出來(lái)的，可以通過(guò)關(guān)閉個(gè)別膜對(duì)來(lái)消除操作中的故障，而不必使整個(gè)組件停止運(yùn)行。
板框式膜組件
突出優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，其主要特點(diǎn)有：
① 可以簡(jiǎn)單地增加膜的層數(shù)實(shí)現(xiàn)增大處理量；
② 組裝簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，對(duì)壓力變動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可靠性較大；
③每?jī)善ぶg的滲透物都是被單獨(dú)地引出來(lái)的，可以通過(guò)關(guān)閉個(gè)別膜對(duì)來(lái)消除操作中的故障，而不必使整個(gè)組件停止運(yùn)行。
缺點(diǎn)是：
①板框式膜組件中需要個(gè)別密封的數(shù)目太多，因此裝置越大對(duì)各零部件的加工精度要求也就越高，盡管組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本較高；
②裝填密度僅能達(dá)到100—400m2/m3。
卷式膜組件
卷式膜組件是由美國(guó)GulfGeneral Atomic公司于1964年研制成功的，是目前反滲透、超濾及氣體分離過(guò)程中最重要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過(guò)程。
由于螺旋卷式膜組件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、裝填密度較高(可達(dá)1000m2/m3)，同時(shí)還具有一定的抗污染性，所以盡管它也有明顯的缺點(diǎn)(如不易清洗)，但還是取得了很大的成功。目前在反滲透領(lǐng)域占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額(高達(dá)75％左右)，在超濾與氣體分離過(guò)程中也占有重要的地位。
管式膜組件
管式膜組件是由圓管式的膜及膜的支撐體構(gòu)成(不包括毛細(xì)管式膜和中空纖維膜)。由于膜本身的強(qiáng)度不高，因此在壓力下工作時(shí)需要具有良好透水性和高強(qiáng)度的材料來(lái)支撐。當(dāng)膜處于支撐管的內(nèi)壁或外壁時(shí)，分別構(gòu)成了內(nèi)壓管式和外壓管式組件。多數(shù)場(chǎng)合下分離皮層在膜的內(nèi)側(cè)，管狀膜直徑在6—24mm。
陶瓷管式膜多采用一種特殊的蜂窩結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，陶瓷載體中開有若干個(gè)孔，用溶膠—凝膠法在這些管的內(nèi)表面制備分離皮層，如圖45所示為管式膜蜂窩結(jié)構(gòu)截面。
管式膜的流道較大，對(duì)料液中雜質(zhì)含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學(xué)方法，而且也可以用海綿球之類的機(jī)械清洗方法。為了改進(jìn)流動(dòng)狀態(tài)，還可以安裝湍流促進(jìn)器。管式膜組件的進(jìn)料體積通量較大，通常需要彎頭連接(壓力損失較大)，裝填密度不高(＜300m2/m3)。
毛細(xì)管膜組件
毛細(xì)管膜組件的結(jié)構(gòu)類似于管式膜。由于膜的孔徑較小(0.5—6mm)，能承受高壓，所以不用支撐管。通常將很多的毛細(xì)管按圖47的方式安裝在一個(gè)組件中。毛細(xì)管膜的自由端一般用環(huán)氧樹脂、聚氨酯和硅橡膠封裝。如圖47。
毛細(xì)管式膜組件的運(yùn)行方式有兩種：
① 料液流經(jīng)毛細(xì)管管內(nèi)，在毛細(xì)管外側(cè)收集滲透物；
② 原料液從毛細(xì)管外側(cè)進(jìn)入組件，滲透物從毛細(xì)管管內(nèi)流出。
這兩種方式的選擇取決于具體應(yīng)用場(chǎng)合。
毛細(xì)管式膜組件裝填密度較大(600—1200m2/m3)，制造費(fèi)用低，但壓縮強(qiáng)度較小，在多數(shù)情況下料液的流動(dòng)為層流。目前用于超濾、滲析、滲透汽化過(guò)程以及某些氣體滲透過(guò)程(通過(guò)在滲透?jìng)?cè)制造真空，在進(jìn)料邊保持環(huán)境壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)推動(dòng)力的工藝情況)。
中空纖維膜組件
中空纖維膜組件與毛細(xì)管膜組件的形式相同，差別在于膜的規(guī)格不同。通常中空纖維的外徑約40－250μm，外徑與內(nèi)徑之比為2 ~ 4。
根據(jù)下式，膜的耐壓強(qiáng)度決定于外徑和內(nèi)徑之比，與管壁的絕對(duì)厚度無(wú)關(guān)。
式中，K是材料的抗拉強(qiáng)度；r是管徑。中空纖維具有較大的外徑內(nèi)徑之比，因而具有較大的耐壓性。
組件形式
污染和濃差極化對(duì)中空纖維膜分離性能產(chǎn)生很大的影響，通過(guò)改變流動(dòng)方式可以改善膜的污染和濃差極化現(xiàn)象。
對(duì)于皮層在外側(cè)的中空纖維，根據(jù)料液流動(dòng)方式可把組件分為三種：
① 軸流式；
② 放射流式；
③ 纖維卷筒式。
后兩種組件中料液相對(duì)于中空纖維作橫向流動(dòng)，這種流動(dòng)強(qiáng)化了邊界層的傳質(zhì)過(guò)程。
特點(diǎn)：
中空纖維最主要的優(yōu)點(diǎn)是裝填密度很高，可達(dá)16000—30000m2/m3，對(duì)反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜等單位面積滲透通量很小的過(guò)程是非常有利的。但它也有許多缺點(diǎn)：
① 清洗困難，只能采用化學(xué)清洗；
② 中空纖維膜一旦損壞無(wú)法更換；
③ 液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力很大，導(dǎo)致壓力損失較大。
適用場(chǎng)合
目前中空纖維膜主要用于反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜以及超濾和滲析等領(lǐng)域。
膜組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基本操作方式
膜分離系統(tǒng)按其基本操作方式可分為兩類：
① 單程系統(tǒng)；
② 循環(huán)系統(tǒng)。
在單程系統(tǒng)中原料液僅通過(guò)單一或多種膜組件一次；而在循環(huán)系統(tǒng)中，原料液通過(guò)泵加壓多次流過(guò)每一級(jí)。
多級(jí)裝置的連接
如果單級(jí)膜分離裝置不能獲得合乎要求的產(chǎn)物，截留物或滲透物必須在第二級(jí)中進(jìn)一步處理。這種系統(tǒng)被稱為多級(jí)裝置(膜級(jí)聯(lián))。
通常膜過(guò)程的級(jí)聯(lián)裝置分為無(wú)回流和有回流兩大類，可利用圖解和數(shù)值計(jì)算的方法確定級(jí)聯(lián)式膜裝置級(jí)數(shù)和梯級(jí)尺寸。是否采用循環(huán)回流取決于各段的截留物與滲出物中組分是否有回收的價(jià)值。這是因?yàn)椴粠г傺h(huán)會(huì)造成產(chǎn)物損失，而帶有再循環(huán)需要較高的投資和操作費(fèi)用。
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