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膜的定義 膜是分離兩相和選擇性傳遞物質的屏障。 膜的分類 1.按膜的結構分類 2.按化學組成分類 3.按分離機理分類 4.按幾何形狀分類 按膜的結構分類 按化學組成分類 按分離機理分類 膜分離的定義和分類 1.反滲透和納濾 2.超濾和微濾 3.滲析和電滲析 4.載體促進傳遞 5.滲透汽化 6.膜精餾和膜萃取 7.氣體分離 反滲透原理 膜的遷移方程 反滲透膜與納濾膜及其組件 1.高壓反滲透膜 2.低壓反滲透膜 3.超低壓反滲透膜 反滲透和納濾應用 反滲透與納濾工藝流程 反滲透和納濾應用 反滲透:1.水純化 2.溶質濃縮 納濾:溶質濃縮 超濾原理 膜結構：超濾膜多為不對稱結構，由一層極薄(通常小于1μm)并具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常為125μm左右)并具備海綿狀或指狀結構的多孔層組成。前者起分離作用，后者起支撐作用。 “篩分”理論 膜的截留效果取決于膜的孔徑大小。 比較全面的解釋 在超濾膜分離過程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學性質等將分別起著不同的截留作用。 超濾膜 超濾膜的性能指標主要有以下兩個： ①滲透通量：純水滲透速率 (一般在0.1~0.3MPa下測定)； ②截留率：截留分子量曲線。 另外，超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對于工業(yè)應用也是非常重要的。 制備方法 目前商品化的有機材質的超濾膜都是采用相轉化法制得的，所采用的材質有磺化聚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、纖維素類、聚丙烯腈、磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚醚酮。此外還有陶瓷超濾膜，主要是由Al2O3、ZrO2用Sol—Gel法制得。
超濾操作工藝 重過濾操作：用于大分子和小分子的分離。 間歇操作：常用于小規(guī)模生產。 連續(xù)式操作：常用于大規(guī)模生產。連續(xù)式操作時組件的配置有單級和多級兩類。
超濾應用 超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質或溶劑分離的領域得到了廣泛應用。超濾裝置可單獨運行，也可與其他處理設備結合應用于各種分離過程。 超濾濃縮的優(yōu)點是無相變、一般不需加熱、工序簡單、適用pH范圍寬和防止失活等，很適于熱敏性物質的分離濃縮。 主要應用在以下領域：工業(yè)廢水處理；城市污水處理；如資源化應用。飲用水的生產；高純水的制備；生物制劑的提純；食品工業(yè)；醫(yī)藥工業(yè)。 微濾原理 微濾又稱為精過濾，其基本原理屬于篩網狀過濾(物理截留)。除此以外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內部的網絡中截留，如圖7所示。
通過微濾膜的體積通量可由Darcy定律描述：J＝AΔp 滲透常數(shù)A決定于滲透液粘度和膜的厚度、孔隙率、孔徑及其分布等因素。 若膜由直的毛細管構成，根據(jù)Hagen—Poiseulle關系式計算：
若膜是球形顆粒的聚集體，根據(jù)Kozenry—Carman公式計算：
以上兩式中，ε——孔隙率；r——孔半徑； ΔX——膜厚； η——動力學粘度； τ——彎曲因子； K——與孔幾何形狀有關的無因次常數(shù)； S——單位體積中球顆粒的表面積。 因此，為了使微濾膜性能得到優(yōu)化，應盡可能使膜表面孔隙率高，孔徑分布窄。 微濾操作工藝
對于含固量低于0.1%的物料通常采用死端過濾； 在分離含固量在0.1%一0.5%的料液時，通常要對料液進行預處理或在膜面上加玻璃纖維的預過濾裝置； 對含固量高于0.5％的料液通常采用錯流過濾操作。 微濾應用 工業(yè)上，微濾主要用于將大于0.1μm的粒子與溶液分開的場合。 制藥行業(yè)的除菌過濾； 電子工業(yè)用高純水的制備； 食品工業(yè)； 在各種與生物、生理有關的分析中對細胞的捕獲、各種顆粒的富集； 飲用水生產和城市污水處理成為微濾過程的兩個潛在的大市場； 最新的應用領域是生物技術和生物醫(yī)學技術領域。 膜組件 板框式膜組件 板框式膜組件的基本部件是：平板膜、支撐盤、間隔盤。三種部件以圖40所示的順序相互交替、重疊、壓緊。 板框式膜組件 突出優(yōu)點是操作靈活，其主要特點有： ① 可以簡單地增加膜的層數(shù)實現(xiàn)增大處理量； ② 組裝簡單、堅固，對壓力變動和現(xiàn)場作業(yè)的可靠性較大； ③每兩片膜之間的滲透物都是被單獨地引出來的，可以通過關閉個別膜對來消除操作中的故障，而不必使整個組件停止運行。
板框式膜組件 突出優(yōu)點是操作靈活，其主要特點有： ① 可以簡單地增加膜的層數(shù)實現(xiàn)增大處理量； ② 組裝簡單、堅固，對壓力變動和現(xiàn)場作業(yè)的可靠性較大； ③每兩片膜之間的滲透物都是被單獨地引出來的，可以通過關閉個別膜對來消除操作中的故障，而不必使整個組件停止運行。 缺點是： ①板框式膜組件中需要個別密封的數(shù)目太多，因此裝置越大對各零部件的加工精度要求也就越高，盡管組件結構簡單，但成本較高； ②裝填密度僅能達到100—400m2/m3。 卷式膜組件
卷式膜組件是由美國GulfGeneral Atomic公司于1964年研制成功的，是目前反滲透、超濾及氣體分離過程中最重要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過程。 由于螺旋卷式膜組件的結構簡單、造價低廉、裝填密度較高(可達1000m2/m3)，同時還具有一定的抗污染性，所以盡管它也有明顯的缺點(如不易清洗)，但還是取得了很大的成功。目前在反滲透領域占據(jù)了大部分市場份額(高達75％左右)，在超濾與氣體分離過程中也占有重要的地位。
管式膜組件 管式膜組件是由圓管式的膜及膜的支撐體構成(不包括毛細管式膜和中空纖維膜)。由于膜本身的強度不高，因此在壓力下工作時需要具有良好透水性和高強度的材料來支撐。當膜處于支撐管的內壁或外壁時，分別構成了內壓管式和外壓管式組件。多數(shù)場合下分離皮層在膜的內側，管狀膜直徑在6—24mm。 陶瓷管式膜多采用一種特殊的蜂窩結構，在這種結構中，陶瓷載體中開有若干個孔，用溶膠—凝膠法在這些管的內表面制備分離皮層，如圖45所示為管式膜蜂窩結構截面。
管式膜的流道較大，對料液中雜質含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學方法，而且也可以用海綿球之類的機械清洗方法。為了改進流動狀態(tài)，還可以安裝湍流促進器。管式膜組件的進料體積通量較大，通常需要彎頭連接(壓力損失較大)，裝填密度不高(＜300m2/m3)。
毛細管膜組件 毛細管膜組件的結構類似于管式膜。由于膜的孔徑較小(0.5—6mm)，能承受高壓，所以不用支撐管。通常將很多的毛細管按圖47的方式安裝在一個組件中。毛細管膜的自由端一般用環(huán)氧樹脂、聚氨酯和硅橡膠封裝。如圖47。
毛細管式膜組件的運行方式有兩種： ① 料液流經毛細管管內，在毛細管外側收集滲透物； ② 原料液從毛細管外側進入組件，滲透物從毛細管管內流出。 這兩種方式的選擇取決于具體應用場合。 毛細管式膜組件裝填密度較大(600—1200m2/m3)，制造費用低，但壓縮強度較小，在多數(shù)情況下料液的流動為層流。目前用于超濾、滲析、滲透汽化過程以及某些氣體滲透過程(通過在滲透側制造真空，在進料邊保持環(huán)境壓力來實現(xiàn)推動力的工藝情況)。 中空纖維膜組件 中空纖維膜組件與毛細管膜組件的形式相同，差別在于膜的規(guī)格不同。通常中空纖維的外徑約40－250μm，外徑與內徑之比為2 ~ 4。 根據(jù)下式，膜的耐壓強度決定于外徑和內徑之比，與管壁的絕對厚度無關。
式中，K是材料的抗拉強度；r是管徑。中空纖維具有較大的外徑內徑之比，因而具有較大的耐壓性。
組件形式 污染和濃差極化對中空纖維膜分離性能產生很大的影響，通過改變流動方式可以改善膜的污染和濃差極化現(xiàn)象。 對于皮層在外側的中空纖維，根據(jù)料液流動方式可把組件分為三種： ① 軸流式； ② 放射流式； ③ 纖維卷筒式。 后兩種組件中料液相對于中空纖維作橫向流動，這種流動強化了邊界層的傳質過程。 特點： 中空纖維最主要的優(yōu)點是裝填密度很高，可達16000—30000m2/m3，對反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜等單位面積滲透通量很小的過程是非常有利的。但它也有許多缺點： ① 清洗困難，只能采用化學清洗； ② 中空纖維膜一旦損壞無法更換； ③ 液體在管內流動時阻力很大，導致壓力損失較大。 適用場合 目前中空纖維膜主要用于反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜以及超濾和滲析等領域。 膜組件系統(tǒng)設計 基本操作方式 膜分離系統(tǒng)按其基本操作方式可分為兩類： ① 單程系統(tǒng)； ② 循環(huán)系統(tǒng)。 在單程系統(tǒng)中原料液僅通過單一或多種膜組件一次；而在循環(huán)系統(tǒng)中，原料液通過泵加壓多次流過每一級。
多級裝置的連接 如果單級膜分離裝置不能獲得合乎要求的產物，截留物或滲透物必須在第二級中進一步處理。這種系統(tǒng)被稱為多級裝置(膜級聯(lián))。 通常膜過程的級聯(lián)裝置分為無回流和有回流兩大類，可利用圖解和數(shù)值計算的方法確定級聯(lián)式膜裝置級數(shù)和梯級尺寸。是否采用循環(huán)回流取決于各段的截留物與滲出物中組分是否有回收的價值。這是因為不帶再循環(huán)會造成產物損失，而帶有再循環(huán)需要較高的投資和操作費用。
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