搜索
大学《膜分离技术》课程论文专业姓名学号论文题目膜分离强化过程的研究二〇一四年十一月二日膜分离强化过程的研究Theresearchofstrengtheningtheprocessofmembraneseparation李妍枫10203030116摘要：膜过程在人类的生活和生产实践中广泛应用。近些年来，膜过程不断地得到开发和研究，如渗透汽化、膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜及生物膜等过程。膜分离作为一种新型的化工分离技术，有多方面的优点。由于浓差极化和膜污染等问题的存在，造成的渗透量衰减，阻碍了膜技术在工业领域内的大规模应用。所以，必须采取各种有效的强化措施，减轻或避免浓差极化和膜污染，从而提高渗透通量。关键词：膜分离、浓差极化、膜污染、强化Abstract:Membraneprocessiswidelyusedinthehumanlifeandproductionpractice.Inrecentyears,membraneprocessconstantlygetdevelopmentandresearch,suchasthepervaporation,membranedistillation,supportedliquidmembrane,membraneextraction,MBR,controlledreleasemembrane,bionicmembraneandbiologicalmembraneandsoon.Asanewtypeofchemicalseparationtechnology,membraneseparationhasavarietyofadvantages.Becauseofthepresenceofconcentrationpolarizationandmembranefouling,thecausingthedecayoftheinfiltrationcapacityhinderthelarge-scaleapplicationofmembranetechnologyintheindustrialfield.So,wemusttakevariouseffectivereinforcementmeasureswhichcanreduceoravoidtheconcentrationpolarizationandmembranefouling,toincreasepermeateflux.Keyword:membraneseparation,concentrationpolarization,membranefouling,reinforcement膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。它有很多优点，如可以再常温下进行，过程一般较简单，经济性较好，无相变及化学变化，节能、高效、无二次污染等。因此在现代经济发展和人民的日常生活中也扮演着重要的角色。1.膜分离概念膜分离技术是利用天然或人工制备的具有选择透过性的膜，以外界能量或化学单位差为推动力对双组分的溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和浓缩的方法。2.膜分离原理在膜分离过程中，由于膜具有选择透过性，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等），原料侧组分选择性的透过膜以达到分离提纯的目的。其传递过程极为复杂，通过多孔型的膜有孔模型、微孔扩散模型、优先吸附-毛细管流动模型；通过非多孔膜的主要是溶解-扩散模型等。因而不同的莫过程使用的膜不用，推动力不同，其传递机理也不同。3.膜分离技术的特点优点：1）能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异；2）分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要；3）操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。缺点：1）膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；2）稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限；3）单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。4.膜技术的应用1）细胞培养基的除菌；2）发酵液或培养液中细胞的收集和除去；3）细胞破碎后碎片的除去；4）目标产物部分纯化后的浓缩或滤除小分子溶质；5）最终产品的浓缩和洗滤除盐；6）蛋白质的回收、浓缩和纯化；7）制备用于调制生物产品和清晰产品容器的无热源水。5.常见膜分离方法及材料透析：透析法是利用小分子物质在溶液中可通过半透膜，而大分子物质不能通过半透膜的性质，达到分离的方法。主要用醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺。微滤膜：膜微滤是膜分离技术的重要组成部分，占整个膜过程工业应用近40%。在食品、化工、轻工、医药和环境治理中，存在大量高难度、需高效分离的问题，膜微滤是解决这些难题的有效方法之一。膜微滤是一种精密过滤技术，它的孔径为0.05~10μm，介于常规过滤和超滤之间。超滤膜：超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿(原子质量单位）、粒径大于2～20纳米的颗粒。主要用聚砜、硝酸纤维、醋酸纤维；反渗透膜：反渗透膜是实现反渗透的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料制成。表面微孔的直径一般在0.5～10nm之间，透过性的大小与膜本身的化学结构有关。主要用醋酸纤维素衍生物、聚酰胺；纳滤膜：是允许溶剂分子或某些低分子量溶质或低价离子透过的一种功能性的半透膜。它是一种特殊而又很有前途的分离膜品种，它因能截留物质的大小约为纳米而得名，它截留有机物的分子量大约为150－500左右，截留溶解性盐的能力为2－98%之间，对单价阴离子盐溶液的脱盐低于高价阴离子盐溶液。被用于去除地表水的有机物和色度，脱除地下水的硬度，部分去除溶解性盐，浓缩果汁以及分离药品中的有用物质等。主要用聚电解质+聚酰胺、聚醚砜；电渗析：电渗析利用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析。主要用离子交换树脂；渗透蒸发：是在膜的渗透边侧形成真空，以膜的前后两侧的化学位差为推动力伴随着相变，由膜选择吸附及在膜中渗透速率不同而进行分离。本质原因是料液中各组分在膜中的溶解度和扩散速度存在差异。奋力推动力是组分在膜两侧的蒸汽压差。分压差越大，推动力越大。尽可能提高膜两侧的蒸汽压差。主要用弹性态或玻璃态聚合物、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺。但是，膜分离过程中由于浓差极化和膜污染等问题的存在，导致渗透通量衰减，即随渗透通量时间的延长而下降，严重阻碍了膜分离技术的更大规模的工业应用。另外，一旦发生浓差极化和膜污染现象，还将会对膜过程产生其他的危害，如形成沉积层或凝胶层，增加传质阻力；引起渗透压增大，从而减小传质推动力；降低膜分离的性能；增加操作过程中的能耗等。1.膜分离过程强化的原因浓差极化（可逆）；膜污染（不可逆）膜污染使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化过程。1.1浓差极化的危害降低水通量；降低脱盐率；导致膜表面沉积而引起膜污染，缩短膜使用寿命；增加流通阻力。1.2浓差极化的防治加强进料的预处理；选择合适膜组件；合理的过程设计；合适的操作参数的选择。1.3膜污染的原因1.3.1膜污染原因1）膜孔堵塞：机械堵塞；架桥；吸附。2）浓差极化及凝胶层；3）溶质吸附；4）微生物污染。1.3.2影响膜污染的因素1）颗粒或溶质尺寸；2）膜结构：对称结构的膜耐污染不如相同孔径的不对称膜，两面双皮层的膜耐污染不如相同孔径的单皮层的膜，膜孔径分布窄膜耐污染性好，表面光滑的膜耐污染性好；3）膜、溶质和溶剂直接的相互作用：静电作用力，范德华力，溶剂化作用，空间立体作用；4）膜的性质。1.3.3膜污染程度判定1）分离过程；2）所用膜的类型；3）溶液的物理和化学参数。1.3.4污染物有机沉淀；无机沉淀；颗粒。1.3.5膜劣化：指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能的变化。包括：1）化学劣化：水解反应；氧化反应。2）物理劣化：致密化；干燥。3）微生物劣化：降解。1.4膜污染的控制1）膜材料的选择、注意材料的亲水性和荷电性等；2）选择合适结构的膜，包括膜的对称性，皮层结构，孔径大小及其分布，膜表面粗糙度等；3）选择合适的膜组件，合适的操作参数，如压力、流速、回收率等；4）选择合适的进料的浓度，pH，温度，离子强度等。2.膜分离强化过程技术2.1一般措施：（1）增高流速—加大流体流过膜表面的线速度；（2）搅拌法；（3）膜器和系统的条件。2.2原料液预处理:预处理是指在原料液过滤前向其中加入一种或几种物质，使原料液的性质或溶质的特性发生变化，如进行絮凝或混凝、预过滤、或改变溶液的pH值等方法，以脱除一些与膜相互作用的物质，从而提高过滤通量。恰当的预处理有助于降低膜污染，提高渗透通量和膜的截留性能。2.3膜的清洗2.3.1膜清洗的必要性：消除污染物，使水通量恢复，使膜寿命延长，能耗降低等。2.3.2膜清洗的注意事项：1）膜的物化特性，如耐温，耐酸、碱，耐氧化性等；2）污染物特性，如种类，可溶解性，可氧化性，可酶解性等。2.3.3膜清洗的方法物理法：是利用高流速的水或空气和水的混合体冲洗膜表面具有不引入新污染物、清洗步骤简单等特点，但是该法仅对污染初期的膜有效，清洗效果不能持久。主要有告诉流水冲洗，气水反冲洗，海绵球机械清洗，抽吸清洗，电脉冲清洗等。化学法：是在水流中加入某种合适的化学药剂，连续循环清洗，能清洁复合污垢，迅速恢复膜通量，但是连续冲洗会造成膜劣化。主要有酸、碱、表面活性剂、络合剂、杀菌剂、酶、氧化剂和其他添加剂等。生物法：是借助微生物、酶等生物活性剂的生物活动去除膜表面及膜内部污染物。化学清洗和生物清洗都存在向系统引入新污染物的可能性，且运行与清洗之间转换步骤较多，膜材料受pH和含氧化剂清洗剂浓度的限制。2.3.4膜清洗的清洗效果：通量恢复，流程压差降减少等。2.4膜表面改性与改变膜结构膜表面改性可分为物理和化学改性。可采用光诱导接枝方法，靠镶接单体纤维，单体甲基丙烯酸盐，二甲基酸盐或丙烯酸，在膜表面分别得到中性、阳性或阴性的电荷，使憎水聚丙烯膜呈现亲水性。也可利用低温等离子体进行聚砜膜表面改性，改性后膜表面净电荷减少，抗污染特性提高。然而当膜表面一旦形成沉积层后，膜表面改性将不会起作用。人们研制了孔径沿径向从管外壁到管内壁逐渐减小，梯度变化的氧化铝膜管。用它对生活污水及空气进行过滤净化处理。由于走管内的污水，首先要透过最小孔径的控制层（内管壁为控制层），污水中所含的细菌、微生物、藻类等为例子都被控制层截留，沉积在控制层表面，形成滤饼，不进入膜的空隙内，能有效防止和延缓膜孔堵塞，大大减少膜污染程度，容易清洗。采用机械清洗方法，就能使膜管的过滤通量得到近100%恢复，并不影响膜管的过滤精度，可大大延长膜管的使用寿命。2.5附加场强化附加场的方法包括电场、超声场、脉动亚声场等方法。直流电场作用下的横流过滤是一个多效应的过程。它既有颗粒在电场下的电泳迁移，又有溶剂在电场作用下的电渗效应，还有横流的剪切效应，这些效应减少了颗粒在膜表面上的沉积和浓差极化作用。但在电膜滤中，膜滤速率大幅度增加是以消耗电能为代价的，而且对膜装置及所过滤料浆中的悬浮粒子有要求，即要求其应具有相同的电性和大小一致的zeta电位，使用的物料种类比较少，物料导电率要低，否则就需要加入高压电场，导致大量的电能消耗。2.6利用流体不稳定流动强化：不稳定二次流、脉动流以及离心失稳等，都可以强化传质过程。利用流体不稳定流动强化主要有以下几种方式。2.6.1设置湍流促进器一般是指可强化过滤的多种障碍物。简单的方法是微滤