膜过滤技术原理及应用

膜过滤技术原理及应用天津大学化工学院王志教授内容1、固液分离膜2、微滤过程3、超滤过程4、渗滤过程5、纳滤过程6、膜过滤通量衰减及其防治7、膜器及膜过程设计1、固液分离膜¾微滤膜：膜孔径0.02-10μm¾超滤膜：膜孔径1-100nm膜结构¾膜结构的层次形态结构结晶态结构分子态结构形态结构表层支撑层过渡层典型非对称膜的三层结构表层结构¾无孔，致密，平滑¾球形小瘤¾聚集体，凹凸¾开放的网络孔¾孔洞，针孔，亮点过渡层与支撑层结构¾近似球形孔（海绵状结构）¾指状孔或大孔穴不同类型膜横断面示意图不对称聚砜超滤膜横截面——海绵状（蜂窝状）孔结构指状孔结构陶瓷微滤膜（a）阳极氧化法（表面）（b）烧结法（图上部为横断面）微孔陶瓷膜扫描电镜照片聚合物微滤膜(a)相转化法,（b）拉伸法；（c）径迹蚀刻法中空纤维超滤膜2微滤过程2.1特性1.分离目的:得到不含粒子的液体或气体2.截留物的尺寸与性质:0.02-10mm粒子3.透过膜的物质:不含粒子的液体或气体4.推动力:压力差,∼0.2MPa5.传质/选择性机理:筛分6.供料和渗透物的相态:液体或气体7.流动形式:“死端过滤(dead-endfiltration)”或“错流过滤(cross-flowfiltration)”2.2死端过滤与错流过滤的比较•死端过滤:透过液流向与原料液流向一致.•错流过滤:透过液流向与原料液流向垂直.膜原料液透过液死端过滤膜原料液透过液错流过滤理想的错流过滤特性曲线滤饼厚度时间通量时间死端过滤特性曲线滤饼厚度时间通量时间错流过滤可在长时间内保持较大的透过速率。死端过滤可得到高的浓缩度。2.3微滤应用¾制药工业的消毒：制药产品中细菌的去除；去除制药产品及其原料中的有机和无机粒子。¾抗生素的澄清¾哺乳动物细胞的微过滤¾饮料的澄清：啤酒，葡萄酒，矿泉水。¾半导体生产工业中流体的纯化：空气过滤，化学试剂过滤，去离子水过滤。¾分析化验：微生物化验，粒子污染的监测，微孔膜上细胞生长的研究。¾反渗透或超滤的预处理。3超滤过程3.1特性1.分离目的：得到无大分子溶质的溶液，无小分子溶质的大分子溶质溶液，或大分子溶质的分级。2.截留物的尺寸与性质:1-100nm的大分子溶质，对应分子量300-500000。3.透过膜的物质:微小溶质溶液。4.推动力:压力差，0.2∼1MPa5.传质/选择性机理:基本上是筛分6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:多数是“错流过滤”3.2超滤应用¾分离电泳漆过程的淋洗水把漆循环到浸渍槽、使淋洗水再利用。¾酪乳清浓缩／分离乳糖中的蛋白质、无机物¾果汁澄清去除苹果汁中的浊雾成分¾纺织定径剂纺织品洗净后去除聚乙烯醇¾酒澄清去除红、白酒中的浊雾成分¾油/水乳化从焚化废水中浓缩金属切割油（润滑剂）¾聚合物胶乳从废水中浓缩的胶乳化液¾脱蜡分离低烷烃中的蜡¾脱沥青重油脱沥青中溶剂回收/循坏¾蛋白预浓缩喷雾干燥前的部分脱水¾发酵液从细胞或细胞屑中分离低分子量有机物／治疗剂¾高岭土浓缩离心前粘土泥浆部分脱水¾水处理污泥脱水前的浓缩¾亲合性膜截留非络合蛋白质中的配位络合物¾反渗透的预处理截留胶体硅、细菌4渗滤/洗滤过程4.1过程描述间歇过程：（1）稀释溶液（2）超滤（3）再稀释（4）再超滤。连续过程：稀释（加水）和超滤同时连续进行。1.分离目的一样，都是为了脱除低分子量物质。2.推动力不同。DF为压差，D为浓度差。3.DF实际是一种超滤过程。4.2DF与D的比较5纳滤过程5.1纳滤特性¾“低压反渗透”或“低截留分子量超滤”¾压差：~1MPa¾截留物的尺寸：1-10nm，(氨基酸，抗生素，染料)¾膜：荷电膜，中性膜¾截留数百分子量有机物或无机物，高价离子(大小与低价离子相当，0.1-0.2nm)5.2纳滤的应用¾废水处理：电镀废水，纸浆和造纸废水，染料废水，食品加工废水，其它有害废水。¾地表水和地下水处理——饮用水生产。¾海水软化与淡化¾食品、药物、染料等的分离与提纯。6、膜过滤通量衰减及其防治通量衰减的原因¾滤饼形成¾浓差极化¾膜污染6.1浓差极化¾浓差极化的概念及产生原因¾浓差极化的数学模型6.2膜污染¾概念及产生原因¾膜污染的影响¾膜污染的防治¾料液预处理¾膜组件和膜系统设计¾操作策略¾膜清洗7膜器及膜工程设计板框式膜器卷式膜器毛细管膜器中空纤维膜器管状（粗管）膜器7.1膜器类型及特点7.1.1板框式膜器的特点1、优点¾制造、组装比较简单；¾膜的更换、清洗较易；¾坚固、耐用、可靠性好；¾原液流道截面积较大→压力损失较小；不易堵塞，对预处理要求较低。¾适用范围较广。2、缺点¾对膜的机械强度要求高（由安装、更换和流体湍动造成的对膜的冲击）。¾密封边界长（增加了加工成本）¾流程短，流道截面积大→单程回收率低→在一定的浓缩比下，循环量和循环次数较多→泵的能耗增加，间隙操作时还容易造成温度上升。3、适用场合¾原料液成分复杂¾原料液粘度大平板膜及导流板平板膜装置（板框式膜装置）7.1.2卷式膜器的特点¾比板框膜器的装填密度高(单位体积中的膜面积称为装填密度)。¾单个膜器的压力损失相对中空纤维膜器较小。¾对预处理的要求较板框式高。卷式膜组件结构卷式膜元件卷式膜元件的生产与质量检验7.1.3中空纤维膜器的特点1、优点¾无支撑体；¾膜器能做得非常小，也能很大；¾装填密度很高（16000-30000m2/m3)。2、缺点¾纤维中的压力损失较大。¾纤维外的压力损失大（因纤维间距太小，阻力大）。¾膜面污染去除较难，难以进行机械清洗，多采用化学清洗）。¾对原料液的预处理要求严格。¾纤维损坏后，无法更换。7.1.4毛细管膜器的特点¾无支撑体；¾膜器能做得非常小，也能很大；¾装填密度高¾对原料液的预处理要求比中空纤维膜器低。¾细管中的压力损失较中空纤维小。¾细管外的压力损失比中空纤维小（因细管间距较大）。¾膜面污染去除较中空纤维易。中空纤维膜组件结构中空纤维膜组件7.1.5管状（粗管）膜器的特点优点¾原料液流道较大，不易堵塞，对预处理的要求不高。¾清洗较易（可采用化学方法，物理方法，机械方法）。缺点¾装填密度低陶瓷膜元件陶瓷膜组件玻璃钢膜壳（内装膜元件）玻璃钢膜壳端部结构示意图7.2膜过程其它设备1、提供推动力的设备¾离心泵，柱塞泵，螺杆泵¾真空泵¾压缩机¾提供电场的设备¾稳压罐2、冷却设备，冷凝设备3、加热设备7.3膜过程工艺流程基本流程原料泵（压缩机）预处理膜组件透过物浓缩物后处理后处理多段流程（得到更浓的溶液）多级流程（得到更纯的透过液）膜分离氮氧制造装置工艺流程图小型纯水装置