膜技术 PPT

❖ 离子交换膜为什么具有选择透过性呢？
➢ 离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团 的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上 离子基团的作用。
➢ 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔 隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。
➢ 膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些 可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基 因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶 液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在 于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通 道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离 子。
（3）制药/生物工程
➢ 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤 ➢ 抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除 ➢ 酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除 ➢ 抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩 ➢ 6-APA、7-ACA、7-ADCA及其他半合成抗生素的脱盐浓缩 ➢ 中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤 ➢ 动物血浆、血清的浓缩精制 ➢ 其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程
三、扩散渗析（diffusion dialysis）
1、渗析：把水溶液中溶质透过半透膜而溶质 被截留的现象称为渗析。
半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。 半透膜的发展：
动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸； 离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜
2、扩散渗析的原理
利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动 力来实现酸与盐或者碱与酸的分离。
（d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高， 有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离 法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水 的回用处理。
3．膜分离法的分类
膜分离法的种类很多，现已应用的膜过 程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、 电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、 液膜、膜蒸馏等。目前，在废水处理中常用 的有扩散渗析、电渗析、反渗透、超滤等四 种膜分离技术。
一、膜的定义和分类
1、膜（分离膜）的定义
分离膜可看作是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。 它可以是固态、液态或气态的，目前使用的分离膜绝大多数是固 膜。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上， 膜厚度要远小于其比表面积。
2、膜的分类
➢ 按膜结构分：有对称膜和不对称膜 ➢ 按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等
⑸ 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩 液掩埋。
五、反渗透（RO） Reverse Osmosis
1、概述 2、反渗透基本原理 3、反渗透膜及其透过机理 4、反渗透装置 5、反渗透工艺流程
1、概述
反渗透是一项高新膜分离技术，其孔径很小，大都 ≤10×10 –10（10A），它能去除滤液中的离子范围和 分子量很小的有机物，如细菌、病毒、热源等。它已广 泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸 馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。
无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等
➢ 按分离机理分：多孔膜、无孔膜和载体膜 ➢ 按几何形状分：平板式、管式、毛细管式和中空纤维式膜
二、膜分离概述
1．膜分离的概念 2、膜分离技术的特点 3．膜分离法的分类 4．膜分离法的应用
1．膜分离的概念
用一张特殊制造的、具有选择透过性 能的薄膜（分离膜），在外力推动下对双组 分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓
（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。 例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最 低；
（b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏 性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；
（c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离 效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、 适用范围广、处理效率高等特点；
❖ 扩散渗析法回收酸的原理
残液 / 渗析液
H2O
H+ H+
SO42- SO42-
（1）
Fe2+
A
H+ H+ SO42-
（2）
废酸液
回收液 / 扩散液
扩散渗析回收酸原理示意图
(1) — 原液室；(2) — 回收液室；A — 阴离子交换膜
⑴为原液室，⑵为回收室， 向⑴室自下而上引入料液 (H2SO4和FeSO4的混合液)， 另向⑵室自上而下引入水流。 由于⑴室中的酸及盐的浓度 较大，其中的Fe2＋、H＋、 SO42-均有向⑵室扩散的趋势， 因阴离子交换膜对离子具有 选择透过性，只允许阴离子 SO42-通过而不让阳离子透过， 所以Fe2＋受到阴膜的阻挡而 不能进入⑵室，而H＋则因 性质特殊，其水合离子半径 小，迁移速度快，也能跟随 SO42-一起进入⑵室，以保持 溶液的电中性。这样，⑴室 中的H2SO4就不断扩散进入 (2)室，而FeSO4被阻挡在⑴ 室中，从而实现了酸与盐的 分离。
从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH
四、电渗析（electrodialysis，简称ED ）
1．电渗析的基本原理
电渗析是在直流电场的作用下，以 电位差为推动力，利用阴、阳离子交 换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过 性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只 允许阴离子通过），而使溶液中的溶 质与水分离的一种物理化学过程。从 而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提 纯的一种膜过程。
❖ 电渗析过程原理图
阳极室 浓缩室 淡化室 浓缩室 阴极室
+ Cl-
+
+ Cl- Cl+ Na＋ + + 阳极 阳膜
－
Cl-
－
Na＋
Na＋
Na＋ Cl- －
Cl- Cl-
－ Na＋ －
Na＋
Na＋
－
阴膜 阳膜 阴膜
阴极
阳极反应：
2Cl2eC2 l H 2O O H 2H 4 OH 4 e O 2 2 H 2 O
3、优缺点：
优点：能耗小，设备结构简单，操作方便， 不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需 要加入其它化学药剂。
缺点渗析速度慢，分离效率低。
4、应用：
在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途 是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有 人工肺。
在工业方面的应用
从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液 中回收硝酸等；
注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起 离子选择透过性作用。
离子交换膜功能示意图
3、电渗析器
电渗析器由膜堆、极区 和夹紧装置三部分组成。膜堆 位于电渗析器的中部，由阳膜、 浓（或淡）水室隔板、阴膜、 淡（浓）水室隔板交替排列成 浓水室和淡水室。极区位于膜 堆两侧，包括电极、极水框和 保护室，其作用是供给电渗析 器直流电，将原水导入膜堆的 配水孔，将淡水和浓水排出电 渗析器，并通入和排出极水。 压紧装置由盖板和螺杆组成， 其作用是将极区和膜堆组成不 漏水的电渗析器整体，可采用 压板和螺栓拉紧，也可采用液 压压紧。
膜分离法
(Membrane Separation Processes)
➢
教学内容：
一、膜的定义和分类 二、膜分离概述 三、扩散渗析（diffusion dialysis） 四、电渗析(electrodialysis) 五、反渗透（ reverse osmosis) 六、超过滤(ultrafiltration)
2、反渗透的原理
在浓水边加压，当压
由又水于不透浓允过度许膜差溶，存 质 使在通浓，过水半，一透所边渗膜以液力水透超透，过过实渗半现透透净压膜化时，过，即程则反。
缩的方法，统称为膜分离法。膜分离可用于 液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液 体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有 其他微粒的水溶液体系等。
膜分离过程的推动力有两类： ①借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动； ②以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。
一些主要的膜分离过程的推动力
2、膜分离技术的特点
（3）实际应 用的电渗析器
4、电渗析在废水处理中的应用
目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：
⑴ 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业 的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从 中回收化学药品，已得到工业应用。 ⑵ 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 ⑶ 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 ⑷ 电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、 Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电 渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。
（4）空气过滤
➢ 喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收 ➢ 电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集 ➢ 粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收 ➢ 包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收 ➢ 干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收 ➢ 合成氨尾气中氢气的回收利用 ➢ 其他一切有关的粉尘收集及空气除尘过程
C2 lH2OHC H l ClO
阴极反应：
2H 2O 2e H 2 2O H
N aOH NaOH
2．离子交换膜
离子交换膜具有与离子交换树脂相同的 组成，含有活性基团和能使离子透过的 细孔。常用的离子交换膜按其选择透过
性可分为阳膜、阴膜、复合膜等
数种。
阳膜(cation exchange membrane)含有阳
（1）电渗析器的组装
电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段 来表示的。 级：一对正、负电极之 间的膜堆称为一级。 段：具有同一水流方向 的并联膜堆称为一段。
电渗析器的组装示意图
（2）电渗析器的级与段
一对正、负电极之间的膜堆称为一级