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膜分離技術(shù)簡(jiǎn)述

文章出處：未知發(fā)表時(shí)間：2021-06-21 14:31:18

       膜分離是借助一種特殊制造的、具有選擇透過(guò)性的薄膜，通過(guò)在膜兩側(cè)施加一種或多種推動(dòng)力，利用流體中各組分對(duì)膜的滲透速率的差異而使原料中的某組分選擇性地優(yōu)先透過(guò)膜，從而達(dá)到混合物分離和產(chǎn)物提取、濃縮、純化等目的的單元操作。膜分離過(guò)程一般不發(fā)生相變，與有相變的平衡分離方法相比能耗低，屬于速率分離過(guò)程。多數(shù)膜分離過(guò)程在常溫下進(jìn)行，特點(diǎn)適用于熱敏性物質(zhì)的分離。

1、概述
     膜是指分隔兩相界面的一個(gè)具有選擇透過(guò)性的屏障，它的形態(tài)很多，有固態(tài)和液態(tài)、均相和非均相、對(duì)稱和非對(duì)稱、帶電和不帶電等之分。一般膜很薄，其厚度可以從幾微米到幾毫米。所有不同形式的膜均具有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即滲透性或半滲透性。
     （1）幾種主要的膜分離過(guò)程
       膜分離的過(guò)程有多種，不同的分離過(guò)程所采用的膜及施加的推動(dòng)力不同。依據(jù)膜分離的推動(dòng)力和傳遞機(jī)理，可將膜分離過(guò)程進(jìn)行分類，具體結(jié)果如表1所示。
表1   幾種主要的膜分離過(guò)程
過(guò)程 推動(dòng)力 傳遞機(jī)理 透過(guò)組分 截留組分 膜類型
微濾（MF） 壓力差 0～100kPa 顆粒大小、形狀 溶液、微粒（0.02～10μm） 懸浮物（膠體、細(xì)菌）、粒徑較大的微粒 多孔膜
超濾（UF） 壓力差 100～1000kPa 分子特性、形狀、大小 溶劑、少量小分子溶質(zhì) 大分子溶質(zhì) 非對(duì)稱性膜
反滲透（RO） 壓力差 1000～10000kPa 溶劑的擴(kuò)散傳遞 溶劑、中性小分子 懸浮物、大分子、離子 非對(duì)稱性膜或復(fù)合膜
滲析（D） 濃度差 溶劑的擴(kuò)散傳遞 小分子溶質(zhì) 大分子和懸浮物 非對(duì)稱膜、離子交換膜
電滲析（ED） 電位差 電解離子的選擇傳質(zhì) 電解質(zhì)離子 非電解質(zhì)、大分子物質(zhì) 離子交換膜
氣體分離（GP） 壓力差 1000～10000kPa濃度 （分壓差） 氣體和蒸氣的擴(kuò)散滲透 易滲氣體或蒸氣 難滲氣體或蒸氣 均勻膜、復(fù)合膜、非對(duì)稱性膜
滲透汽化（PV） 分壓差 選擇傳遞（物性差異） 膜內(nèi)易溶解組分或易揮發(fā)組分 不易溶解組分或較大、較難揮發(fā)物 均勻膜、復(fù)合膜、非對(duì)稱性膜
液膜分離（LM） 化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散傳遞 促進(jìn)傳遞和溶解擴(kuò)散傳遞 雜質(zhì)（電解質(zhì)離子） 溶劑、非電解質(zhì)離子 液膜
 
 
       用膜分離時(shí)，使原料中的溶質(zhì)透過(guò)膜的現(xiàn)象一般叫滲析；使溶劑透過(guò)膜的現(xiàn)象叫滲透。水處理中膜分離法通常是指采用特殊固膜的電滲析法、超濾、微濾、納濾和反滲透等技術(shù)，其共同優(yōu)點(diǎn)是在常溫下可分離污染物，且不耗熱能，不發(fā)生相變化，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作。
        溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力是電動(dòng)勢(shì)、濃度差或壓力差。微濾、超濾、納濾和反滲透都是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。當(dāng)在膜兩側(cè)施加一定的壓差時(shí)，混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過(guò)膜，而微粒、大分子、鹽等被截留下來(lái)，從而達(dá)到分離的目的。這四種膜分離過(guò)程的主要區(qū)別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)和性能不同。微濾的分離范圍為0.05～10μm，壓力差為0.015～0.2MPa；超濾的分離范圍為0.001～0.05μm，壓力差為0.1～1MPa；反滲透常用于截留溶液中的鹽或其他小分子物質(zhì)，壓力差與溶液中的溶質(zhì)濃度有關(guān)，一般在2～10MPa；納濾介于反滲透和超濾之間，脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低，一般用于分離溶液中分子量為幾百至幾千的物質(zhì)。
        電滲析是指在電場(chǎng)力的作用下，溶液中的反離子發(fā)生定向遷移并通過(guò)膜，以去除溶液中離子的一種膜分離過(guò)程，所采用的膜為荷電的離子交換膜。目前電滲析已經(jīng)大規(guī)模用于苦咸水脫鹽、純凈水制備等，也可用于有機(jī)酸的分離與純化。膜電解與電滲析的傳遞機(jī)理相同，但膜電解存在電極反應(yīng)，主要用于食鹽電解生產(chǎn)氫氧化鈉及氯氣等。
         滲透氣化與蒸氣滲透的基本原理是利用被分離混合物中某組分有優(yōu)先選擇性透過(guò)膜的特點(diǎn)，使進(jìn)料側(cè)的優(yōu)先組分透過(guò)膜，并在膜下游介氣化去除。滲透氣化和蒸氣滲透過(guò)程的區(qū)別僅在于進(jìn)料的相態(tài)不同，前者為液相進(jìn)料，后者為氣相進(jìn)料。這兩種膜分離技術(shù)還在開發(fā)之中。

2、膜分離過(guò)程的特點(diǎn)
      與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
      （1）在膜分離過(guò)程中，不發(fā)生相關(guān)，能量轉(zhuǎn)化效率高；
     （2）一般不需要投加其他物質(zhì)，不改變分離物質(zhì)的性能，并節(jié)省原材料和化學(xué)藥品；
     （3）膜分離過(guò)程中，分離和濃縮同時(shí)進(jìn)行，可回收有價(jià)值的物質(zhì)；
     （4）可在一般溫度下操作，不會(huì)破壞對(duì)熱敏感和對(duì)熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，并且不消耗熱能；
      （5）膜分離法適應(yīng)性強(qiáng)，操作及維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，運(yùn)行穩(wěn)定。
       因此，膜分離技術(shù)除大規(guī)模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產(chǎn)外，在城市生活飲用水凈化、城市污水處理與利用以及各種工業(yè)廢水處理與回收利用等領(lǐng)域也逐漸得到了推廣和應(yīng)用。

3、膜分離的表征參數(shù)
      膜分離的特征或效率通常用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征：滲透性和選擇性。
     （1）滲透性
        滲透性也稱為通量或滲透速率，表示單位時(shí)間通過(guò)單位膜面積的滲透物的通量，可以用體積通量表示，單位為m3/(m2·s)。當(dāng)滲透物為水時(shí)，稱為水通量。根據(jù)密度和摩爾質(zhì)量也可以把體積通量轉(zhuǎn)換成質(zhì)量通量和摩爾通量，單位分別為kg/(m2·s)和kmol/(m2·s)。滲透性反應(yīng)膜的效率。
      （2）選擇性
        膜分離的選擇性是指在混合物的分離過(guò)程中膜將各組分分離開來(lái)的能力，對(duì)于不同的膜分離過(guò)程和分離對(duì)象，其選擇性可用不同的方法表示。
對(duì)于溶液脫鹽和脫除微粒、高分子物質(zhì)等情況，可用截留率來(lái)表示。微料或溶質(zhì)等被部分或全部截留下來(lái)，而水分子可以自由地通過(guò)膜。

4、膜的分類
       膜是膜分離過(guò)程的核心，根據(jù)膜的分離機(jī)理、性質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)等的不同，膜有不同的分類方法。
      a.  按分離機(jī)理：主要有反應(yīng)膜、離子交換膜、滲透膜等；
      b.  按膜的性質(zhì)：主要有天然膜（生物臘）和合成膜（有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜）；
      c.  按膜的形狀：有平板膜、管式膜和中空纖維膜；
     d.  按膜的結(jié)構(gòu)：有對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜和復(fù)合膜；
     e.  按膜材料：有 聚合物膜和無(wú)機(jī)膜。
   （1）聚合物膜
        聚合物膜種類很多，按照聚合物物膜的結(jié)構(gòu)與作用特點(diǎn)，可將其分為致密膜、微孔膜、非對(duì)稱膜、復(fù)合膜和離子交換膜五類。
       致密膜    致密膜又稱均質(zhì)膜，是一種均勻致密的薄膜，物質(zhì)通過(guò)這類膜主要是靠分子擴(kuò)散。
       微孔膜    微孔膜內(nèi)含有相互交聯(lián)的孔道，這些孔道曲曲折折，膜孔大小分布范圍。對(duì)于小分子物質(zhì)，微孔膜的滲透性高，但選擇性低。
       非對(duì)稱膜   非對(duì)稱膜的特點(diǎn)是膜的斷面不對(duì)稱。它由同種材料制成的表面活性層與支撐層兩層組成。膜的分離作用主要取決于表面活性層。由于表面活性層很薄，故對(duì)分離小分子物質(zhì)而言，該膜層不但滲透性高，而且分離的選擇性好。大孔支撐層呈多孔性，僅起支撐作用，它決定了膜的機(jī)械強(qiáng)度。
      復(fù)合膜    在非對(duì)稱膜表面加一層0.2～15um的致密活性層構(gòu)成的膜。膜的分離作用亦取決于這層致密活性層。與非對(duì)稱膜相比，復(fù)合膜的致密活性層可根據(jù)不同需要選擇多種材料。
       離子交換膜   是一種膜狀的離子交換樹脂，由基膜和活性基團(tuán)構(gòu)成。按膜中所含活性基團(tuán)的種類可分為陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜和特殊離子交換膜。膜多為致密膜，厚度在20μm左右。
    （2）無(wú)機(jī)膜
        膜材料的選擇是膜分離的關(guān)鍵。聚合物通常在較低溫度下使用，而且要求待分離的原料流體不與膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)在較高溫度下或原料為化學(xué)活性混合物時(shí)，采用無(wú)機(jī)膜較好。無(wú)機(jī)膜的熱穩(wěn)定性能、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性均較好，使用壽命長(zhǎng)，污染少，易于清洗，孔徑分布均勻等，缺點(diǎn)是易破碎，成型性差，造價(jià)高。