7.7分离膜

稀土学院7.7概述7.7.1分离膜分离膜：能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。基本功能：从物质群中有选择地透过或输送特定的物质。膜的形式：固态；液态。被膜分割的流体物质：液态；气态。特性：高透过速率和高的分离系数。膜材料：天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料。稀土学院类别膜材料举例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素,硝酸纤维素,乙基纤维素等非纤维素酯类聚砜类聚砜,聚醚砜,聚芳醚砜,磺化聚砜等聚酰(亚)胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他壳聚糖，聚电解质等分类•按膜材料分类稀土学院•按膜的分离原理及适用范围分类微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。•按膜断面的物理形态分类对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。稀土学院•按功能分类分离功能膜（气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）；能量转化功能膜（浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜）；生物功能膜（探感膜、生物反应器、医用膜）。稀土学院•按分离膜的孔径大小及其疏密性（1）致密膜：孔径为0~1.5nm（2）多孔膜：孔径5nm~1μm（3）纤维质膜：孔径2μm稀土学院稀土学院7.7.2致密膜（1）反渗透膜用于实施反渗透操作的膜。特征：大部分为不对称膜；孔径0.5nm；可截留溶质分子，分离的物质的分子量一般小于500；操作压力为2～100MPa。稀土学院渗透与反渗透原理示意图稀土学院反渗透膜的分离机理——至今尚有争论*氢键理论*溶解扩散理论*选择吸附—毛细管流动理论制备反渗透膜的材料醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。稀土学院反渗透膜技术应用领域（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。稀土学院稀土学院7.7.2致密膜（2）超薄膜用于实施反渗透操作的膜。特征：对称膜；孔半径0.9~2nm;单独使用困难，一般是将其装在多孔质基底材料上使用，形成复合膜。稀土学院A+B溶液A溶液B溶液7.7.3多孔膜（1）超滤膜实施超滤操作的膜，是超滤技术的核心部件。特征：均为不对称膜；粒子直径5～10nm；可截留可溶性大分子；操作压力为0.1～0.5MPa。稀土学院超滤膜的结构——三层结构组成。•最上层：表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，细孔孔径一般小于10nm；•中间层：过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；•最下层：支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。稀土学院制备超滤膜的材料聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件•醋酸纤维素超滤膜适用于pH=3～8;•三醋酸纤维素超滤膜适用于pH=2～9;•芳香聚酰胺超滤膜适用于pH=5～9,温度0～40℃;•聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过100℃。稀土学院超滤膜技术应用领域超滤技术主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分离。（1）纯水的制备；（2）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理；（3）食品工业中的废水处理；（4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清；（5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质；（6）造纸厂的废水处理。稀土学院(2)微孔膜实施微孔过滤的膜称为微孔膜。微孔过滤以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。浓缩液原料液渗透液错流操作稀土学院特征：•均匀的多孔薄膜；•厚度在90～150μm左右；•过滤粒径在0.025～10μm之间；•操作压在0.01～0.2MPa。微孔膜的主要优点•孔径均匀，过滤精度高；•孔隙大，流速快；•无吸附或少吸附；•无介质脱落。稀土学院微孔膜的缺点•颗粒容量较小，易被堵塞；•使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。微孔过滤技术应用领域•微粒和细菌的过滤；•微粒和细菌的检测；•气体、溶液和水的净化；•食糖与酒类的精制。•药物的除菌和除微粒。稀土学院7.7.4离子交换膜（1）离子交换膜的分类按可交换离子性质分类•阳离子交换膜•阴离子交换膜•双极离子交换膜阴离子交换膜+固定离子Cl-Na+-稀土学院（2）离子交换膜的工作原理电渗析：在盐的水溶液中置入阴、阳电极，并在两极之间插入一张离子交换膜，则阳离子或阴离子会选择性地通过膜的过程。电渗析的核心是离子交换膜稀土学院食盐生产电渗析器示意图A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室稀土学院++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜稀土学院电渗析技术应用领域•苦咸水淡化，•饮用水及工业用水制备•食品工业、化工及工业废水的处理•氯碱工业——氟磺酸膜（Nafion）•全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。——磺化芳杂环高分子膜稀土学院7.7.5渗透气化膜（1）渗透蒸发液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。渗透蒸发膜：致密高分子膜特点：一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等。适用体系：恒沸物及近沸点物系的分离。稀土学院（2）渗透蒸发原理渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。图1渗透蒸发分离示意图(真空气化)液相室气相室膜真空泵冷凝液冷凝器稀土学院稀土工程学院图2渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫)液相室气相室膜冷凝液冷凝器惰性气体惰性气体净化利用稀土学院（3）渗透蒸发技术应用领域•工业化：无水乙醇的生产•实验室阶段：预计有较好应用前景的领域，工业废水处理去除少量有毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；气体分离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱除少量的水或从水中除去少量有机物；石化工业用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、同系物、同分异构体等的分离等。稀土学院7.7.6气体分离膜1.气体分离膜的分离机理（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理气体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一侧逸出。渗透物残留物原料气气体膜分离过程示意图稀土学院（2）多孔膜的透过扩散机理用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。稀土学院2.气体分离膜的应用领域（1）H2气体分离膜对组成为70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分离，可获得含90％H2的分离效果。（2）富氧膜分离N2，CO2，SO2，H2S等气体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分离氮，从合成氨尾气中回收氢，从空气中分离N2或CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或CO2等。稀土学院实例：水果保鲜系统外界气氛%O221CO20N279仓库气氛%3O25CO292N2硅氧烷膜