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1、3.3 压力驱动膜分离过程,以压力为驱动力，已除去溶液中悬浮的微粒和溶解的溶质为目的连续膜分离过程。,主要优点：设备简单、分离条件可控性好，应用范围广泛。,产生压力差的方法：正压分离法 减压分离法,分离膜：微多孔性薄膜,3.3.1微 滤(microfiltration, MF),悬浮或溶解在液体中的各种微细离子直径范围：,粗粒 20.1mm细粒 10010um微粒 100.5um大分子 500-10nm小分子和无机粒子 10-0.1nm,分离机理:膜孔对溶液中的悬浮微粒的筛分作用,在压力差的作用下,小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上微孔,大于孔径的微粒被截留。,有效孔径:0.1-10um,压力：
2、0.2MPa,通孔型 海绵型 非对称型,三种典型的微孔滤膜的断面结构,制备方法: 溶液相转化、熔融成型-拉伸成孔、 热致相分离、烧结。,表征微滤膜结构2个重要参数：有效孔径：孔结构：平均孔径、孔径分布。,空隙率：包括总空隙率和有效空隙率。,微滤膜为绝对过滤介质；过滤精度高；通量大;无介质脱离;颗粒容纳量小,易阻塞。,微滤膜及其过程特点,气体、溶剂及水的净化处理石油注水和采出水食糖与酒类的精制药物中除菌和微粒,微滤膜应用：,3.3.2 超 滤(Ultrafiltration, UF),分离机理与微滤相同，但孔径小，空隙率低，需要压力大。,超滤膜：不对称膜（由表面活性层和大孔支撑层组成），,0.1
3、-1.5um,50-250um,不对称膜,中空纤维膜,主要材料：聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。,超滤的应用,可截留大分子、胶体、病毒等物质故可应用在纯水的制备，食品工业及造纸工厂的废水处理，制药工业等方面。,3.3.3 反渗透和纳滤膜(Nanofiltration, NF),利用这种原理，可从盐水中获得纯水。,反渗透原理,纳滤膜：将孔尺寸在1nm左右的高分子膜。外压：0.1-0.5MPa,分离物质的分子量小于500，需要高的操作压力1100MPa,能部分脱盐，对相对分子质量200500的有机物及胶体完全脱除，对低盐度水可在低压下进行，可将高价、低价盐离子有区分地截留。,3.3.4 反渗
4、透膜（Reverse Osmosis,RO),反渗透膜:不对称膜、复合膜和中空纤维。,复合膜的剖面示意图,反渗透膜材料：主要有醋酸纤维素系列和芳香聚酰胺系列两大类。 还有聚苯并咪唑，聚四氟乙烯、聚芳砜等膜材料。,反渗透膜的透过机理,氢键理论、选择吸附毛细管流动机理、溶解扩散理论。,氢键理论,膜的表皮层,醋酸纤维素膜中结合水的传递,优先吸附毛细管流动机理示意图,膜材料对水优先吸附，对溶质要选择排斥。,选择吸附毛细管流动机理,溶解扩散模型：溶剂与溶质在膜的料液侧表面吸附溶解， 在化学位差的推动下以分子扩散形式透过膜。,溶质透过膜与溶剂（水）透过无关。具有越高渗透压的料液透过膜的通量越低。,反渗透膜
5、的性能,Rautenbach 和 Albrecht总结了膜的选择性的一些通用规律：多价离子比单价离子易于截留，其被反渗透膜的截流率顺序： 阳离子：Fe3+Ni2+Mg2+Ca2+Na+K+ 阴离子：PO43-SO42-HCO3-Br-Cl-NO3-F-（2）溶解性气体如NH3, CO2, SO2, O2, Cl2及H2S易于渗透通过膜。（3）弱酸弱碱的截留情况与PH值相关。,Rautenbach and Albrecht， Membrane Process. Chichester, England:Wiley, 1989.,（4）对同系有机化合物，相对分子质量增加，则截流率增加。其异构体被截留
6、的顺序为：叔基异基仲基伯基,直链醇相对分子质量对膜截流率的影响,醇类支链对反渗透膜截流率的影响（28atm, 20）,（5）中性有机溶质的截流率随相对分子量增加而增加，只要其相对分子质量100,无论是否电解质,均可被反渗透膜所截留.,反渗透膜和纳滤膜的应用,(1)海水与苦咸水淡化,(2)纯水和超纯水的制备,(3)在食品加工和生物工程,乳制品蛋白质, 氨基酸及多糖的分离与浓缩.,反渗透技术从大豆乳清中回收蛋白质/低聚糖的工艺流程,3.4 渗透蒸发膜(Pervaporation, PV),液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动下,被膜选择性吸附溶解,以不同的速度在膜内扩散,在膜的另一侧汽化、解吸
7、,实现混合物分离。,可用于恒沸物及近沸物系的分离。,衡量膜的实用性有4个指标：（1）膜的选择性（2）膜的渗透通量（3）膜的机械强度（4）膜的稳定性,按照极性相似和溶剂化原则，选择与优先渗透组分 极性相近的高聚物。选用与组分之间存在特殊作用的膜材料。,纤维素衍生物，对分离醇水溶液很有效。 高分子合成膜：如聚苯乙烯膜等膜被用于分离烃类有机物质。 聚乙烯醇用于分离醇水的膜材料。,膜材料,聚丙烯腈常被用作复合膜的多孔支持层。,PV膜材料选择的一般原则,PV膜：对称膜， 非对称膜和复合膜。,主要应用,1.有机溶剂的脱水。 醋酸纤维素, 改性聚乙烯醇等2. 水中微量有机物质的脱除。3、有机/有机混合体系的
8、分离,3.5 气体分离膜,工艺上解决了两大关键问题:超薄分离层(分离层厚度0.1um)技术, 中空纤维技术使膜装填密度增大。,选择性 气体通量J,评价气体分离膜性能两个指标,膜法分离氢,一、化学结构与透气性的关系,某些聚合物材料的氧气透过率P/ 100kPa,主链中双键的存在能提高透气性; 聚合物分子链沿拉伸方向取向后,透气性和选择性均有下降。 PP 没拉伸： PO2 163kPa , O/N 5.37 单向拉伸： 111kPa 5.0 双向拉伸： 65kPa 4.38,二、形态结构与透气性的关系,一般认为气体透过聚合物膜主要经无定形区，而晶区则是不透气的。,三、小分子添加剂对透气性的影响,在
9、高分子膜中添加增塑剂一般是使透过率上升而选择性下降。,1、氢气和氦气的分离富集,气体分离膜材料,三种聚合物的渗透系数P和分离系数a,梯度均可控制的致密表皮的非对称中空纤维聚砜膜，在不牺牲选择性的条件下，气体的渗透性有较大的提高。,2、氧气和氮气的分离富集,富氧膜材质 聚二甲基硅氧烷的改性,聚二甲基硅氧烷PO2高，但分离选择性低，难以制备超薄膜，需对其改性。,PO2高，但分离系数低，性能不稳定。,采用氟化技术提高性能,含有三甲基硅氧烷的高分子富氧膜,聚【1（三甲基硅基）1丙炔】膜的渗透系数（P)、扩散系数（Dg)和溶解系数（S),H2O分离膜,芳香聚酰亚胺, 磺化聚苯醚.,CO2分离膜,富氧膜大
10、多可作为CO2分离膜使用。,SO2分离膜,3.6 电场驱动膜分离过程-离子交换膜,具有离子选择透过性的功能膜。,一、离子交换膜的制备,半均相膜的制备,首先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交换基团制成含有胶粘剂的热塑性离子交换树脂，然后同异相膜那样的工艺加工成膜。,均相膜的制备,直接使离子交换树脂薄膜化。,异相膜的制备把粉状树脂与粘接剂以一定比例混合制成片状的膜，粘接剂采用热塑性聚合物。,二、离子交换膜的结构与性能,离子交换膜是片状薄膜，而离子交换树脂是颗粒的。离子交换树脂的微观结构基本上与离子交换树脂相同。,离子交换膜的组成,离子交换膜的主要性能指标交换容量：每克干膜含活性基团的毫克当量
11、数。 一般交换容量高的膜，选择透过性好，导电能力强。含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜所含 水的质量来表示。 提高膜内含水量，可使膜的导电能力增加。一般的含水量：2040,膜电阻：在不影响其他性能的情况下，电阻越小越好，以降 低能耗。,选择透过度：反离子迁移数和膜的透过度表示,一般反离子的迁移数0.9, 膜的透过度85%,机械强度: 爆破强度膜受到垂直方向压力时所能承受的最高压力 抗拉强度-膜受到平行方向拉力时所能承受的最高拉力,三、离子交换膜的应用,离子交换膜技术主要应用在以下领域：电渗析水处理扩散渗析产品的浓缩、提取和精制氯碱工业电池隔膜及隔膜电解原子能工业及分析,1、电渗析技
12、术,在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。,盐由脱盐室移出进入相邻的浓缩室，这样电渗析器可以用来脱盐也可进行盐的浓缩。,盐水的电渗析过程,纯水的制备：,电渗析离子交换组合脱盐是国内外通常采用的工艺流程,原水预处理电渗析混合床纯水,海水浓缩制盐：,食品、医药工业中的应用,脱除有机物（在电场不离解为离子的物质）中的盐分。有机物中酸的脱除或中和,有机酸盐取代反应制有机酸。,2、膜电解技术,利用阳离子交换膜将电解槽的阳极和阴极隔开，进行食盐水溶液电解制造氯气和烧碱或其他无机盐电解还原等的一种膜技术。,氯碱电解工业的应用,阳离子交换膜食盐电解法基本原理,全氟磺酸阳离子交换膜,3、渗析技术,借助扩散速度的差将两组分以上的溶质分离。驱动力为浓度差（化学位）。,4、高分子电解质型燃料电池,
