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膜分離技術簡述

文章出處：未知發(fā)表時間：2021-06-21 14:31:18

       膜分離是借助一種特殊制造的、具有選擇透過性的薄膜，通過在膜兩側施加一種或多種推動力，利用流體中各組分對膜的滲透速率的差異而使原料中的某組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物分離和產(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，屬于速率分離過程。多數(shù)膜分離過程在常溫下進行，特點適用于熱敏性物質(zhì)的分離。

1、概述
     膜是指分隔兩相界面的一個具有選擇透過性的屏障，它的形態(tài)很多，有固態(tài)和液態(tài)、均相和非均相、對稱和非對稱、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共同的特點，即滲透性或半滲透性。
     （1）幾種主要的膜分離過程
       膜分離的過程有多種，不同的分離過程所采用的膜及施加的推動力不同。依據(jù)膜分離的推動力和傳遞機理，可將膜分離過程進行分類，具體結果如表1所示。
表1   幾種主要的膜分離過程
過程 推動力 傳遞機理 透過組分 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) 非對稱性膜
反滲透（RO） 壓力差 1000～10000kPa 溶劑的擴散傳遞 溶劑、中性小分子 懸浮物、大分子、離子 非對稱性膜或復合膜
滲析（D） 濃度差 溶劑的擴散傳遞 小分子溶質(zhì) 大分子和懸浮物 非對稱膜、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） 氣體和蒸氣的擴散滲透 易滲氣體或蒸氣 難滲氣體或蒸氣 均勻膜、復合膜、非對稱性膜
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、復合膜、非對稱性膜
液膜分離（LM） 化學反應和擴散傳遞 促進傳遞和溶解擴散傳遞 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，使原料中的溶質(zhì)透過膜的現(xiàn)象一般叫滲析；使溶劑透過膜的現(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，其共同優(yōu)點是在常溫下可分離污染物，且不耗熱能，不發(fā)生相變化，設備簡單，易于操作。
        溶質(zhì)或溶劑透過膜的推動力是電動勢、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力的膜分離過程。當在膜兩側施加一定的壓差時，混合液中的一部分溶劑及小于膜孔徑的組分透過膜，而微粒、大分子、鹽等被截留下來，從而達到分離的目的。這四種膜分離過程的主要區(qū)別在于被分離物質(zhì)的大小和所采用膜的結構和性能不同。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，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)。
        電滲析是指在電場力的作用下，溶液中的反離子發(fā)生定向遷移并通過膜，以去除溶液中離子的一種膜分離過程，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，也可用于有機酸的分離與純化。膜電解與電滲析的傳遞機理相同，但膜電解存在電極反應，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)先選擇性透過膜的特點，使進料側的優(yōu)先組分透過膜，并在膜下游介氣化去除。滲透氣化和蒸氣滲透過程的區(qū)別僅在于進料的相態(tài)不同，前者為液相進料，后者為氣相進料。這兩種膜分離技術還在開發(fā)之中。

2、膜分離過程的特點
      與傳統(tǒng)的分離技術相比，膜分離技術具有以下特點：
      （1）在膜分離過程中，不發(fā)生相關，能量轉化效率高；
     （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)省原材料和化學藥品；
     （3）膜分離過程中，分離和濃縮同時進行，可回收有價值的物質(zhì)；
     （4）可在一般溫度下操作，不會破壞對熱敏感和對熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，并且不消耗熱能；
      （5）膜分離法適應性強，操作及維護方便，易于實現(xiàn)自動化控制，運行穩(wěn)定。
       因此，膜分離技術除大規(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域也逐漸得到了推廣和應用。

3、膜分離的表征參數(shù)
      膜分離的特征或效率通常用兩個參數(shù)來表征：滲透性和選擇性。
     （1）滲透性
        滲透性也稱為通量或滲透速率，表示單位時間通過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)。當滲透物為水時，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程中膜將各組分分離開來的能力，對于不同的膜分離過程和分離對象，其選擇性可用不同的方法表示。
對于溶液脫鹽和脫除微粒、高分子物質(zhì)等情況，可用截留率來表示。微料或溶質(zhì)等被部分或全部截留下來，而水分子可以自由地通過膜。

4、膜的分類
       膜是膜分離過程的核心，根據(jù)膜的分離機理、性質(zhì)、形狀、結構等的不同，膜有不同的分類方法。
      a.  按分離機理：主要有反應膜、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（有機膜和無機膜）；
      c.  按膜的形狀：有平板膜、管式膜和中空纖維膜；
     d.  按膜的結構：有對稱膜、非對稱膜和復合膜；
     e.  按膜材料：有 聚合物膜和無機膜。
   （1）聚合物膜
        聚合物膜種類很多，按照聚合物物膜的結構與作用特點，可將其分為致密膜、微孔膜、非對稱膜、復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)通過這類膜主要是靠分子擴散。
       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。對于小分子物質(zhì)，微孔膜的滲透性高，但選擇性低。
       非對稱膜   非對稱膜的特點是膜的斷面不對稱。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，它決定了膜的機械強度。
      復合膜    在非對稱膜表面加一層0.2～15um的致密活性層構成的膜。膜的分離作用亦取決于這層致密活性層。與非對稱膜相比，復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，由基膜和活性基團構成。按膜中所含活性基團的種類可分為陽離子交換膜、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）無機膜
        膜材料的選擇是膜分離的關鍵。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)生化學反應。當在較高溫度下或原料為化學活性混合物時，采用無機膜較好。無機膜的熱穩(wěn)定性能、力學性能和化學穩(wěn)定性均較好，使用壽命長，污染少，易于清洗，孔徑分布均勻等，缺點是易破碎，成型性差，造價高。