第一章膜材料与膜过程绪论

2020/7/17王海涛膜材料与膜过程2020/7/17膜材料与膜过程一、引言二、膜的定义三、膜的发展历史四、膜分离技术的特点及原理五、膜的分类六、膜分离技术在资源、能源、环境中的关键作用第一章绪论2020/7/17膜材料与膜过程一、引言2020/7/17膜材料与膜过程对象与目的如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事情。化学工程研究的是如何把化学家们的小试实验成果，开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工生产之间架起的桥梁，是直接为人类服务创造价值的劳动。放大2020/7/17膜材料与膜过程2020/7/17膜材料与膜过程2020/7/17膜材料与膜过程膜科学与基础科学的关系膜材料选择与改性--材料化学与物理；无机膜--无机化学；高分子膜--高分子物理与化学；膜材料合成--有机化学；膜制备--相图与相图平衡--物理化学；膜分离--化学工程、传递过程、分析化学；膜组件及装置设计--数学、机械、系统工程、自控；膜应用领域--物理、电子、生物、环境、食品、航空航天、军事、医疗等。2020/7/17膜材料与膜过程膜分离技术已被国际公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的重大生产技术，是世界各国研究的热点。美国官方文件曾表示“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”。在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。世界著名的化工与膜专家黎念之博士在1994年访问我国时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。2020/7/17膜材料与膜过程二、膜及相关定义膜membrane表面有一定物理或化学特性的薄的屏障物，它使相邻两个流体相之间构成了不连续区间并影响流体中各组分的透过速度。◆不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触；◆膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜分离指借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。2020/7/17膜材料与膜过程截留率或者脱除率，retentionorrejection表示脱除特定组分的能力。它们的关系式如下：R=(1-CP/CF)×100%式中：R-脱除率或截留率；CP-透过液中特定组分的浓度；CF-进料液中特定组分的浓度。膜面积membranearea制作膜元件实际所用的面积。膜污染membranefouling料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜性能下降的过程。通量flux单位时间单位膜面积透过组分的量。注：上述概念摘自GB/T20103-2006膜分离技术术语。2020/7/17膜材料与膜过程膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游透膜膜下游选择性透膜2020/7/17膜材料与膜过程1.世界膜历史发展概况1748年，纳尔克特（A.Nelkt)发现水能自发扩散到装有酒精的猪膀胱内，第一次揭示了膜分离现象，并首次实用“osmosis”一词；1854年，Greham关于可利用膜渗透现象分离混合物的文章发表；1864年，Traube制成人类历史上第一张人造膜--亚铁氰化铜膜；1918年，齐格芒迪（Zsigmondy)制成了用于分离和富集微生物和极细粒子的微孔滤膜；20世纪二次世界大战后聚合物化学的发展促进了膜的研究；1960年，美国加利福尼亚大学Loeb和Sourirajan公布了著名的L-S膜制备工艺，首次制成非对称醋酸纤维素膜；L-S膜；从20世纪60年代开始，随着聚合物材料的开发、成膜机理的研究和制膜技术的进步，微滤膜和超滤膜的发展进入一个飞跃发展的阶段。三、膜的发展历史2020/7/17膜材料与膜过程自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进—步提高。2020/7/17膜材料与膜过程2.我国膜历史发展概况1958年，开始研究离子交换膜，分三个阶段；第一阶段：起步阶段。1967年，上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产；1965年，开始探索反渗透膜；20世纪80年代，醋酸纤维素膜在湖州水处理设备厂投产。第二阶段：开发阶段。自二十世界80年代到1995年中国膜工业协会成立，国家把开发膜技术列入科技攻关和发展计划，成熟的膜技术开始应用。第三阶段：发展阶段。1995年中国膜工业成立以后，国内成立大批膜及相关技术工程公司，同时国外知名公司纷纷进入中国市场，膜技术迅速发展繁荣起来。2020/7/17膜材料与膜过程四、膜分离技术的特点1、膜分离过程的能耗比较低；2、适合热敏性物质分离；3、分离装置简单、操作方便；4、分离系数大、应用范围广；5、工艺适应性强；6、便于回收；7、没有二次污染。2020/7/17膜材料与膜过程MTM-CMF应用实例天津某污水厂中水项目原水：市政污水厂达标排放水设计规模：CMF15,000m3/dRO6,000m3/d2009年3月投入运行2020/7/17膜材料与膜过程1.按膜的材料分类表1膜材料的分类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，聚电解质等金属、无机不锈钢、石英五、膜的分类2020/7/17膜材料与膜过程2.按膜的分离原理及适用范围分类根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。3.按膜的形态分类按膜的形状分为平板膜(FlatMembrane)、管式膜(TubularMembrane)和中空纤维膜(HollowFiber)。2020/7/17膜材料与膜过程4.按膜的结构分类对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)复合膜(CompositeMembrane)2020/7/17膜材料与膜过程六、膜分离技术在资源、能源、环境中的关键作用1、膜技术是缓解北方资源型缺水危机的重要技术【反渗透法海水淡化技术】；2、膜技术实现城市生活污水的完全回用；3、膜技术是解决水质型缺水、提高饮用水水质的保障；4、膜技术是先进的环境治理技术；5、膜技术是改造传统产业、推进相关行业技术进步的高新技术；6、膜技术是国防建设的需要；7、膜技术的医疗作用。