膜處理新技術：膜分離過程

膜是分離兩相和選擇性傳遞物質的屏障。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

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

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:溶質濃縮膜結構：超濾膜多為不對稱結構，由一層極薄(通常小於1μm)並具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚(通常為125μm左右)並具備海綿狀或指狀結構的多孔層組成。前者起分離作用，後者起支撐作用。「篩分」理論膜的截留效果取決於膜的孔徑大小。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。

重過濾操作：用於大分子和小分子的分離。間歇操作：常用於小規模生產。連續式操作：常用於大規模生產。連續式操作時組件的配置有單級和多級兩類。

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於各種分離過程。超濾濃縮的優點是無相變、一般不需加熱、工序簡單、適用pH範圍寬和防止失活等，很適於熱敏性物質的分離濃縮。主要應用在以下領域：工業廢水處理；城市污水處理；如資源化應用。飲用水的生產；高純水的製備；生物製劑的提純；食品工業；醫藥工業。

通過微濾膜的體積通量可由Darcy定律描述：J＝AΔp滲透常數A決定於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Hagen—Poiseulle關係式計算：

若膜是球形顆粒的聚集體，根據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；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化，應儘可能使膜表面孔隙率高，孔徑分布窄。

對於含固量低於0.1%的物料通常採用死端過濾；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；對含固量高於0.5％的料液通常採用錯流過濾操作。工業上，微濾主要用於將大於0.1μm的粒子與溶液分開的場合。

板框式膜組件突出優點是操作靈活，其主要特點有：可以簡單地增加膜的層數實現增大處理量；組裝簡單、堅固，對壓力變動和現場作業的可靠性較大；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。

卷式膜組件是由美國GulfGeneralAtomic公司於1964年研製成功的，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，也有少量用於滲透汽化過程。由於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，所以儘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。

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)。由於膜本身的強度不高，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。當膜處於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。多數場合下分離皮層在膜的內側，管狀膜直徑在6—24mm。

毛細管膜組件毛細管膜組件的結構類似於管式膜。由於膜的孔徑較小(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：料液流經毛細管管內，在毛細管外側收集滲透物；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於具體應用場合。毛細管式膜組件裝填密度較大(600—1200m2/m3)，製造費用低，但壓縮強度較小，在多數情況下料液的流動為層流。

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象。對於皮層在外側的中空纖維，根據料液流動方式可把組件分為三種：軸流式；放射流式；纖維捲筒式。後兩種組件中料液相對於中空纖維作橫向流動，這種流動強化了邊界層的傳質過程。

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。這種系統被稱為多級裝置(膜級聯)。通常膜過程的級聯裝置分為無迴流和有迴流兩大類，可利用圖解和數值計算的方法確定級聯式膜裝置級數和梯級尺寸。是否採用循環迴流取決於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會造成產物損失，而帶有再循環需要較高的投資和操作費用。

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