膜分离基础知识普及技术PPt课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《膜分离基础知识普及技术PPt课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 分离 基础知识 普及 技术 PPt 课件
- 资源描述:
-
1、膜分离基础知识普及膜分离基础知识普及内容内容l 膜技术概述膜技术概述l 膜分离装置膜分离装置l 极化、污染现象和控制极化、污染现象和控制l 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域 膜膜( (Membrane) )是什么?有何特性?是什么?有何特性? 膜膜,是指在一种流体相内或是在两种流体相之间,是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相,它把流体相分隔为互不相通的两有一层薄的凝聚相,它把流体相分隔为互不相通的两部分,并能使这两部分之间产生传质作用。部分,并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的特性膜的特性:l 不管膜多薄不管膜多薄, , 它必须有它必须有两个界面两个界面
2、。这两个界面分别。这两个界面分别与两侧的流体相接触。与两侧的流体相接触。l 膜膜传质有选择性传质有选择性,它可以使流体相中的一种或几种,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。物质透过,而不允许其它物质透过。1.膜技术概述膜技术概述 1.1 1.1 基本概念基本概念膜分离过程原理膜分离过程原理:以选择性膜为分离介质,通以选择性膜为分离介质,通过在膜两边施加一个过在膜两边施加一个推动力推动力(如浓度差、压力(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。通常膜原料侧过膜,以达到分离提纯的目的。通常膜原
3、料侧称为称为膜上游膜上游,透过侧称为,透过侧称为膜下游膜下游。膜上游膜上游 膜膜 膜下游膜下游选择性透膜选择性透膜 分离膜种类分离膜种类: :分离膜分离膜高分子膜高分子膜液体膜液体膜生物膜生物膜带电膜带电膜非带电膜非带电膜阳离子膜阳离子膜阴离子膜阴离子膜过滤膜过滤膜精密过滤膜精密过滤膜超滤膜超滤膜纳米滤膜纳米滤膜反渗透膜反渗透膜l 高分子膜的分离功能很早就已发现。高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年,耐克特(年,耐克特(A. Nelkt)发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内,开创了)发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内,开创了膜渗透膜渗透的研究。的研究。l 1861年,施密特(年,施
4、密特(A. Schmidt)首先提出了超过滤的概念。他)首先提出了超过滤的概念。他提出,用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时,若在提出,用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时,若在溶液侧施加压力,使膜的两侧产生压力差,即可分离溶液中溶液侧施加压力,使膜的两侧产生压力差,即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子,其精度比滤纸高得多。的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子,其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看,这种过滤应称为这种过滤可称为超过滤。按现代观点看,这种过滤应称为微微孔过滤孔过滤。 1.2 膜分离技术发展简史膜分离技术发展简史l 50年代初,为从海水或苦咸水中获取淡水
5、,开始了年代初,为从海水或苦咸水中获取淡水,开始了反反渗透膜渗透膜的研究。的研究。l 真正意义上的分离膜出现在真正意义上的分离膜出现在20世纪世纪60年代。年代。1961年,年,米切利斯(米切利斯(A. S. Michealis)等人用各种比例的酸性)等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水和碱性的高分子电介质混合物以水-丙酮丙酮-溴化钠为溶溴化钠为溶剂,制成了可截留不同分子量的膜,这种膜是真正的剂,制成了可截留不同分子量的膜,这种膜是真正的超过滤膜超过滤膜。美国。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。公司首先将这种膜商品化。l 1967年,年,DuPont公司研制成功了以尼龙公司
6、研制成功了以尼龙-66为主要组为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期,丹麦分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期,丹麦DDS公公司研制成功司研制成功平板式反渗透膜组件平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业。反渗透膜开始工业化。化。 自上世纪自上世纪60年代中期以来,膜分离技术真正实年代中期以来,膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜超过滤膜(简称(简称UF膜)、膜)、微孔过滤膜微孔过滤膜(简称(简称MF膜)和膜)和反渗透膜反渗透膜(简(简称称RO膜)。以后又开发了许多其它类型的分离膜。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
7、,其他类型的膜也获在此期间,除上述三大膜外,其他类型的膜也获得很大的发展。得很大的发展。80年代年代气体分离膜气体分离膜的研制成功,使功的研制成功,使功能膜的地位又得到了进一步提高。能膜的地位又得到了进一步提高。l 具有分离选择性的人造具有分离选择性的人造液膜液膜是马丁(是马丁(Martin)在)在60年代初研究反渗透时发现的,这种液膜是覆盖在固体年代初研究反渗透时发现的,这种液膜是覆盖在固体膜之上的,为支撑液膜。膜之上的,为支撑液膜。l 60年代中期,美籍华人黎念之博士发现含有表面活年代中期,美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜,从而发明了不带有固体性剂的水和油能形成界面
8、膜,从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜,并于膜支撑的新型液膜,并于1968年获得纯粹液膜的第一年获得纯粹液膜的第一项专利。项专利。l 70年代初,卡斯勒(年代初,卡斯勒(Cussler)又研制成功)又研制成功含流动载含流动载体的液膜体的液膜,使液膜分离技术具有更高的选择性。,使液膜分离技术具有更高的选择性。1.3 膜的分类膜的分类1. 按膜的材料分类按膜的材料分类表表1 1 膜材料的分类膜材料的分类类类 别别膜材料膜材料举举 例例纤维素酯类纤维素酯类纤维素衍生物类纤维素衍生物类 醋酸纤维素,硝酸纤维素,乙基纤维素等醋酸纤维素,硝酸纤维素,乙基纤维素等非纤维素酯非纤维素酯类类聚砜类聚砜类聚砜,
9、聚醚砜,聚芳醚砜,磺化聚砜等聚砜,聚醚砜,聚芳醚砜,磺化聚砜等聚酰聚酰(亚亚)胺类胺类聚砜酰胺,芳香族聚酰胺,含氟聚酰亚胺等聚砜酰胺,芳香族聚酰胺,含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类聚酯、烯烃类涤纶,聚碳酸酯,聚乙烯,聚丙烯腈等涤纶,聚碳酸酯,聚乙烯,聚丙烯腈等含氟含氟(硅硅)类类聚四氟乙烯,聚偏氟乙烯,聚二甲基硅氧烷聚四氟乙烯,聚偏氟乙烯,聚二甲基硅氧烷其他其他壳聚糖,聚电解质等壳聚糖,聚电解质等2. 按膜的分离原理及适用范围分类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,可将根据分离膜的分离原理和推动力的不同,可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗其分为微孔膜、超过
10、滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。3. 按膜的形态分类按膜的形态分类 按膜的形状分为平板膜按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管、管式膜式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜和中空纤维膜(Hollow Fiber membrane)。4. 按膜的结构分类按膜的结构分类 按膜的结构分为:按膜的结构分为: 对称膜对称膜( (Symmetric Membrane) ) 非对称膜非对称膜( (Asymmetric Membrane) ) 复合膜复合膜( (Composite Membrane) )1.4 膜过滤的基础理论
11、膜过滤的基础理论通透量理论通透量理论:一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。的毛细管理论。水通量(水通量(Jw)和截留率()和截留率(R):):W透水量,透水量,A膜的有效面积,膜的有效面积,t时间时间c1料液中溶质浓度,料液中溶质浓度, c2透过透过液中溶质浓度液中溶质浓度tAWJw121cccR膜分离基本原理膜分离基本原理 1.5 1.5 膜分离过程的类型膜分离过程的类型 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质,如颗粒、分子、离子等。或者说,物质的分离是通过膜的选择质,如颗粒、分
12、子、离子等。或者说,物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2 2所示。所示。表表2 2 几种主要分离膜的分离过程几种主要分离膜的分离过程膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力差压力差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解物水、溶剂溶解物悬浮物颗粒悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤压力差压力差分子特性大小形状分子特性大小形状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过截留胶体和超过截留分子量的分子分子量的分子非对称性膜非对称性膜纳滤纳滤压力差压力差离子大小及电荷离子
13、大小及电荷水、一价离子、水、一价离子、多价离子多价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散传递溶剂的扩散传递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜非对称性膜复合膜复合膜膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散传溶质的扩散传递递低分子量物、低分子量物、离子离子大分子物大分子物非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质,非电解质,大分子物大分子物质质离子交换膜离子交换膜气体分气体分离离压力差压力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气
14、体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性难渗透性气体或蒸气体或蒸汽汽均相膜、复均相膜、复合膜,非对合膜,非对称膜称膜渗透蒸渗透蒸发发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或溶易渗溶质或溶剂剂难渗透性难渗透性溶质或溶溶质或溶剂剂均相膜、复均相膜、复合膜,非对合膜,非对称膜称膜液膜分液膜分离离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质待分离物待分离物乳状液膜、乳状液膜、支撑液膜支撑液膜续上表续上表1.6 膜材料膜材料 用作分离膜的材料包括天然的与人工合成的用作分离膜的材料包括天然的与人工合成的有有机高分子材料机高分子材料和和无机材料无机材料。 原则上讲,凡能成膜的高分子材料和无机材料原则上讲,凡能成
15、膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上,真正成为工业化均可用于制备分离膜。但实际上,真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求,如分离效率、分离速度等。此外,也取决于膜求,如分离效率、分离速度等。此外,也取决于膜的制备技术。的制备技术。3 3 目前,实用的有机高分子膜材料有:目前,实用的有机高分子膜材料有:纤维素酯纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说,。从品种来说,已有成百种以上的膜被制备出来,其中约已有成百种以上的膜被制备出来,其中约40多种已多种已被用于工业和实验室中。以
16、日本为例,纤维素酯类被用于工业和实验室中。以日本为例,纤维素酯类膜占膜占53,聚砜膜占,聚砜膜占33.3,聚酰胺膜占,聚酰胺膜占11.7,其,其他材料的膜占他材料的膜占2,可见纤维素酯类材料在膜材料中,可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。 1. 纤维素酯类膜材料纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过椅式构型的葡萄糖基通过1, 4-甙链甙链连接起来的天然线性高分子化合物,其结构式为:连接起来的天然线性高分子化合物,其结构式为:OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH H
17、OHHOCH2OHHn_22 从结构上看,每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂(如从结构上看,每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂(如硫酸、高氯酸或氧化锌)存在下,能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化硫酸、高氯酸或氧化锌)存在下,能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应,得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。反应,得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维素性能醋酸纤维素
18、性能稳定,但在高温和酸、碱存在下易发生水解。稳定,但在高温和酸、碱存在下易发生水解。 纤维素醋类材料纤维素醋类材料易受微生物侵蚀,易受微生物侵蚀,pH值适应范围较窄,不值适应范围较窄,不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类因此发展了非纤维素酯类(合成高分子类)膜。(合成高分子类)膜。醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜的结构示意图醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层表皮层孔径孔径 0.00080.001 m过渡层过渡层孔径孔径 0.02 m多孔层多孔层孔径孔径 0.10.4 m1%显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片2. 非纤维素酯类膜材料非纤维素酯
19、类膜材料 常用于制备分离膜的合成高分子材料有常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物物等。等。 聚砜类树脂聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性,具有良好的化学、热学和水解稳定性,强度也很高,强度也很高,pH值适应范围为值适应范围为113,最高使用温度,最高使用温度达达120,抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。为重要的膜材料之一。 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺,如尼龙,如尼龙-4、尼龙尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的
20、分等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在离率在8090之间,但透水率很低,仅之间,但透水率很低,仅0.076 ml/cm2h。 以后发展了以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺,用它们制成的分离膜,用它们制成的分离膜,pH适用范围为适用范围为311,分离率可达,分离率可达99.5(对盐(对盐水),透水速率为水),透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。长期使用稳定性好。由于由于酰胺基团易与氯反应,故这种膜对水中的游离酰胺基团易与氯反应,故这种膜对水中的游离氯有较高要求。氯有较高要求。 聚酰亚胺聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力,因此是一类较好
21、的膜材料。例如,下列结能力,因此是一类较好的膜材料。例如,下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。NCCOONCCOOArn 离子性聚合物离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同,离子交换膜也可分为子交换树脂相同,离子交换膜也可分为强酸型阳离强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜阴离子膜等。在淡化海水的应用中,主要使用的是等。在淡化海水的应用中,主要使用的是强酸型阳离子交换膜。强酸型阳离子交换膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是
22、最常用的两种离是最常用的两种离子聚合物膜。子聚合物膜。 用作膜材料的用作膜材料的乙烯基聚合物乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括:聚丙烯醇聚丙烯酰胺等。共聚物包括:聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、苯乙烯磺酸、聚乙烯醇聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。作膜材料。常见材料的最高允许使用温度常见材料的最高允许使用温度 名名 称称温度温度C
23、A(Cellulose Acetate) 聚酰胺聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚磺化聚苯醚 磺化聚砜磺化聚砜聚醚砜酮聚醚砜酮35 35 35 35 909070 70 70 70 120 120 160160l无机膜多以无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。孔膜和复合非对称修正膜三种。1.7 膜的制备膜的制备1. 分离膜制备工艺类型分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料,由于
24、不同的制作工艺和控制条件,其性能的材料,由于不同的制作工艺和控制条件,其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。能分离膜的重要保证。 目前,国内外的制膜方法很多,其中最实用的目前,国内外的制膜方法很多,其中最实用的是是相转化法相转化法(流涎法和纺丝法)和(流涎法和纺丝法)和复合膜化法复合膜化法。2. 相转化制膜工艺相转化制膜工艺 相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液,使液相转变为固向溶液加入非溶剂或加热制膜液,使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最
25、重要的方法是相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是LS型制膜法型制膜法。它是由加拿大人劳勃(。它是由加拿大人劳勃(S. Leob)和索里)和索里拉金(拉金(S. Sourirajan)发明的,并首先用于制造醋)发明的,并首先用于制造醋酸纤维素膜。酸纤维素膜。 将制膜材料用溶剂形成均相制膜液,在模具中将制膜材料用溶剂形成均相制膜液,在模具中流涎成薄层,然后控制温度和湿度,使溶液缓缓蒸流涎成薄层,然后控制温度和湿度,使溶液缓缓蒸发,经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜,发,经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜,其工艺框图可表示如下:其工艺框图可表示如下:聚合物聚合物溶剂溶剂添加剂添加剂均质制
展开阅读全文