气体膜分离技术-77页PPT资料

渗透现象：即纯溶剂通过半透膜由纯溶剂一侧向溶液一侧 的自发流动过程。
渗透压：渗透过程达平衡时半透膜两侧形成的压差 。
反渗透：在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差大于溶液的 渗透压(p>)，溶剂从溶液一侧向纯溶剂一侧液流动。
涉及气体分离、水溶液分离、生化产品的分离与纯化等操作 的食品和饮料加工过程、工业污水处理、大规模空气分离、 湿法冶金、气体和液体燃料的生产及石油化工制品的生产等
常见的膜分离过程
过程
膜
微滤
对称细孔高分子膜 孔径0.03~10 nm
超滤
非对称多孔膜 孔径1~20 nm
反渗透
非对称性或复合膜 孔径0.1~1 nm
渗析(透析
非对称离子交换膜 孔径1~10 nm
电渗析
阴、阳离子交换膜 孔径1~10 nm
气体分离
均质膜和非对称膜
渗透汽化
复合膜
液膜
液体保存在多孔膜中
主要功能
滤除 50 nm的颗粒
滤除 5~100 nm的颗 粒
水溶液中溶解盐类 的脱除
水溶液中无机酸、 盐的脱除
水溶液中酸、碱、 盐的脱除
滤除 50 nm的颗粒
第一节膜分离技术
第一节 膜分离技术
膜分离： 一般是指利用膜对流体混合物中不同组分的选择性渗透的
特点来分离流体混合物的操作过程
膜分离的应用： (1) 分散得很细的固体，特别是与液体密度相近，胶状的可 压缩的固体微粒； (2) 低分子量的不挥发的有机物、药物与溶解的盐类； (3) 对温度、酸碱度等物理化学条件特别敏感的生物物质。
素(EC)等。
聚 尼龙-6(NY-6)、尼龙-66(NY- 具亲水性能，较耐碱而不耐酸，在酮、 酰 66)、芳香聚酰胺(PI)、芳香聚酰 酚、醚及高相对分子质量醇类中，不易 胺 胺酰肼(PPP)、聚苯砜对苯二甲酰 被浸蚀，孔径型号也较多。

• 常用深度处理的方法主要有:活性炭吸附，臭氧氧化，生物活性炭，膜技术等，其中，膜技术看来是最有前 途的一种方法。膜处理法具有良好的调节水质的能力，去除的污染物范围比较广，从颗粒杂质到离子，细 菌和病毒无一幸免。并且其能耗低、操作简单、出水水质良好且稳定.
• 在水处理领域，反渗透、微滤、超滤、纳滤等压力驱动膜分离过程的应用更为广泛。而与反渗透相比，超 滤由于操作压力低，能耗小等独特的优点在国外常常被用于替代常规处理或深度处理，并且其应用研究日 益受到广泛关注。
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膜材料及种类
• 用于分离膜的种类很多。 • 以高分子材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制成的聚合膜居多。
• 用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、 聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。
• 无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。
• 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化 学稳定性好，使用寿命长。
般是指固液分离或气液分离。 • ——膜分离过程将这一应用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分离。即以选择性
透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到 分离或提纯的目的。 • ——不同的膜分离过程中所用的膜具有一定的结构、材质和选择特性;被隔开的两相可 以是液态，也可以是气态;推动力可以是压力梯度、浓度梯度或电位梯度，所以不同的 膜分离过程的分离体系和适用范围也不同 。 • 膜分离有希望代替精馏。从国内情况看，实验室研制应用好，但转化为生产规模有难度。 尤其是膜的质量、膜的组装、密封等。
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膜技术的应用
• 膜的商业应用：
20C60S第一代膜技术，液体分离，微滤、超滤、反渗 透、电渗析。 20C70S，第二代膜技术，气体分离膜技术。 20C80S第三代膜技术，渗透汽化

根据 膜的 结构
根据 膜的 功能
固液天合 体体然成 膜膜膜膜
多 孔 膜
致 密 膜
离 子 交 换 膜
渗 析 膜
微 孔 过 滤 膜
超 过 滤 膜
反 渗 透 膜
渗 透 汽 化 膜
气 体 渗 透 膜
无机材料膜 有机高分子膜
固体膜
根据膜断面 的物理形态
根据固体 膜的形态
对称膜 不对称膜
复合膜
平板膜 管式膜 中空纤维膜 核径蚀刻膜
第6章 膜分离技术
知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离 理论，超滤速度的影响因素，超滤膜污染及再生，超滤的 操作方式及设备，膜分离过程的应用实例。
重点：膜分离过程的分类，概念，实质及其适用范围。超 滤膜污染的常规处理方法，膜分离机理的毛细管流动模型 和溶解扩散模型，传递理论中过滤模型和浓差极化问题， 超滤器的型式及其方式。
常用膜分离技术的基本特征
项目 膜类型 操作压力 分离机理 适用范围
技术特点
不足之处
微滤 对称微孔膜 0.01MPa～颗粒大小、含微粒或菌体溶操作简便，通水量大，工有机污染物的分
(MF) 0.02～10μm 0.2MPa
形状
液的分离 作压力低，制水率高。 离效果较差。
超滤 不对称微孔膜 0.1 MPa～颗粒大小、有机物或微生物
水力方法
表面活性剂如SDS、吐温
80 、 Triton 、 X-100物( 一理种方法
非除由离了醋强酸子酸纤型和维表碱等面材外活料，性制螯剂成合)等的剂膜，
金碱通胺在效以和能在也物羧等于酸酸碱由在用剂当固载属溶常四选选非许同果用。酸。溶在钙清于膜 能 清 会 定 体膜洗硫液是醋用择离，多 膜于常、其解去等洗8不当通水洗造化上为不氯化0中的方有洗酸时子可 ，场结去用葡中碱除钙溶0能N量解。成酶，适2起进物氯螯m效，(须合 合型但根a0除的萄，土诸基液清法耐E难蛋但新形用gOp0作行方(合的效D/加有造的据有H相～污螯糖葡金如垢包H高L以白使的式含T用清面铁为。果N或以表很成实些当4染合酸萄属碳、括A温恢质用污，载0a时洗是离1E很)表注面好新际阴C于0膜剂和糖硫酸氧磷、和0复的酶染把体Dm，，有l子～好面O意活的的情离4有柠酸酸T钙化酸磷极g时含清。酶液化0可其A效()1/。活。性况子清污F，0沉乙檬在盐L和铁盐羧1端，酶洗如固进常～e学以用的活。性洗 染剂加型3其积二酸强。磷和、基p须 清 剂 采 定 行用+用 量。性H方剂最)用采 洗 不 在 清，法所

1)由于使用TMG膜分离系统,没有运动部件,故障率极 低,运行可靠性高,几乎不需维修;膜组件寿命长,性能保证 在10年以上。
2)完备的控制系统保证氮气的纯度,流量和压力具有 高稳定性。
3)启动迅速,操作简单,开启3分钟后即可供氮。 4)系统为模块设计,结构紧凑。 5)气体分离过程无噪声,无污染,并且不产生任何有害 废弃物。经过一级膜分离后,富氮浓度一般可达99.5%。
膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性和选择性。
按材料的性质区分，气体分离膜材料主要有高分子材 料、无机材料和高分子-无机复合材料。其中高分子材料 又分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 高分子材料 和无机材料各有优缺点，采用复合材料可以较好地利用高 分子和无机材料的优点，以实现分离要求。
由上式可知,扩散系数反比于分子大小。从这一点也 可以看出氧的渗透性比氮要高。
此外,气体对给定聚合物的亲合性是有差别的,有时 甚至可以高达6个数量级。聚合物的选择性对气体的渗透 性有非常大的影响。具体到氧、氮来说,取膜质为聚二甲 基硅氧烷,氮气的渗透系数 QN 2 为280Barrer,而氧气的渗透 系数QO2为600Barrer,选择性因子为QO2/QN 2 = 600/280≈ 2.14。由于理想的聚合物膜必须具有高的选择性和通量, 因此,开发具有高的选择性的膜对制氧、制氮也是非常重 要的一个课题。
1). 在膜高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜的表 面上；（吸着）
2). 从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜低压侧;（扩散） 3). 在低压侧解吸到气相。（解吸）
一般而言,吸附和解吸过程比较快,气体在膜内的扩散较
慢,是气体透过膜的控制步骤。
纯气体在高分子膜中的溶解平衡可以用Henry定律的形

功能
滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 水——溶盐分离 混合气体分离 水——溶盐分离
推动力
压力差~200kPa 压力差1000kPa 压力差0.5~2MPa 压力差1~10MPa 压力差0.1~10MPa 浓度差
膜分离机理
筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散筛分
大分子
纳滤
● ● ● ● ●● ■ ■
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
1、微滤和超滤
微滤和超滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离
过程。
在一定的压力作用下，当含有高分子溶质（A）和低分子溶 质（B）的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶 质（如无机盐）透过膜，成为渗透液被收集；大于膜孔的高分 子溶质（如有机胶体）则被膜截流而作为浓缩液回收。 超滤所用的膜为非对称性膜，表面的孔不规则，不均一， 很难确定孔径，故通常用它能截留的物质的分子量来定义膜孔 的大小。
反渗透膜 P
纯水
盐水
π
纯水 盐水
纯水
盐水
(a)渗透
(b)渗透平衡
(c)反渗透
反渗透原理示意图
0 在一定温度和压力下，设纯水的化学位为 （T , p1） ，则
盐溶液中水的化学位为
（T , p1） 0 (T , p1 ) RT ln a
式中，a为溶液中水的活度，纯水的a=1，而溶液中的 a一般小于1，即 RT ln a 0 ，故 (T , p1 ) 0 (T , p1 )
• 澄清果汁
• 屠宰动物血液成分回收 • 植物蛋白的回收
• 浓缩葡萄糖氧化酶、胰蛋白酶等
• 浓缩以基因工程菌生产的新物质（干扰素、生长激素等）

式中 V ―透过溶液的体积 S ―膜的有效面积 t ―运转时间
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3 通量衰减系数
膜的渗透通量衰减是由于过程的浓差极化、膜孔的 堵塞等原因造成的，将随时间衰减。
Jt =J1 tm
式中
Jt ―膜运转t小时的透过速度 J1 ―膜运转1h的透过速度 m ―通量衰减系数
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截留分子量
膜孔的大小是表征膜性能的一个重要参数，通常用截 留分子量表示膜的孔径特征。
膜分离技术
1
内容提纲
膜技术的发展历史 膜技术的基本原理 膜技术加工的工艺设备 膜技术的特点 膜技术在食品中的应用 膜技术的发展前景
2
膜技术的定义
膜技术是用天然人工合成的高分子薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分的溶 质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 可利用液相和气相，对于液相分离，可用于水 溶液体系、水溶胶体系以及非溶液体系等。膜 技术是一种分子水平上的分离技术。
3
1 膜技术的发展历史
Abble Nollet 发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪 1978年 膀胱内，首次揭示了膜分离现象
1816年 Schmide首先提出超滤
1864年 1918年
Traube制成第一片人造膜——亚铁氰化铜膜 Zsigmomdy提出商品微孔滤膜制造法
1953年 1960年 1961年
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23
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膜污染
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒 子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械 作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径 变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变 化现象。
气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜, 这一过程主要 用于气体及蒸汽的分离。

热致相分离法
原理：通过加 热使聚合物发 生相分离，形
成微孔结构
优点：制备过 程简单，成本
低
缺点：微孔尺 寸难以控制， 膜性能不稳定
应用：主要用 于制备微孔膜， 如气体分离膜、
渗透膜等
溶液浇铸法
原理：通过溶液 浇铸形成膜层
步骤：将溶液浇 铸在基材上，形 成膜层
优点：操作简单， 成本低
缺点：膜层厚度 不均匀，性能不 稳定
浸没沉淀相转化法
原理：通过控制溶 液中的化学成分和 温度，使溶液中的 溶质发生沉淀反应， 形成沉淀物。
步骤：将溶液加热 至一定温度，加入 沉淀剂，搅拌，使 溶质沉淀，过滤， 洗涤，干燥。
优点：操作简单， 成本低，可大规模 生产。
应用：广泛应用于 气体分离膜的制备 ，如氢气、氧气、 氮气等气体的分离 。
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气体分离膜
XX,
汇报人：XX
20XX.XX.XX
目 录
01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 气 体 分 离 膜 的 原 理 03 气 体 分 离 膜 的 制 备 方 法 04 气 体 分 离 膜 的 性 能 指 标 05 气 体 分 离 膜 的 应 用 实 例 06 气 体 分 离 膜 的 发 展 趋 势 与 展
06
趋势与展望
提高气体分离膜的性能
研发新型材料：开发具有更高分离性能和稳定性的材料 优化膜结构：改进膜的孔径、厚度、排列等结构参数 提高膜的耐久性：增强膜的抗腐蚀、抗老化等性能 降低成本：通过规模化生产、优化工艺等手段降低生产成本
开发新型气体分离膜材料
研究新型材料：开发具有更高分 离效率和稳定性的材料
在工业尾气处理中的应用
添加 标题

3 核孔滤膜有极平滑的表面，同一面上高低之差小于0.3μm， 为作显微分析提供了十分理想的背景，过滤后可就地观测。
4 聚碳酸酯核孔滤膜不易染色，可以选择性地将滤膜表面的生 物有机物染色，使图像更为清晰。
5 聚碳酸酯核孔滤膜有较好的化学稳定性和热稳定性。能够在 1210C温度下重复地高压消毒。
6 核孔滤膜有较高的强度和韧性。它能够弯曲、折叠而不断裂。
（3） L-S相转化法
荷电材料通过L-S相转化法直接成膜。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
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5 烧结法
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
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6 蚀刻法
当具有一定能量的带电粒子进人塑料
薄膜等绝缘固体时，它在所经过的路径上 使周围的分子电离、激发，聚合物分子的 长链断裂，并生成自由基，形成辐射损伤 区——径迹。受辐射损伤的分子较正常分 子更易被化学蚀刻剂所溶解，故辐照后经 化学腐蚀，可在薄膜上得到形状、尺寸比 较整齐的孔洞 。
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2 相转化（L-S法）
将高分子溶液浸入非溶剂浴中，高分子 聚合物在界面快速析出，形成极薄的致密层， 而在致密层的下面形成了多孔层，这种外密 内疏的界面即是膜的基本结构。
L-S法是相转移方法中最重要和简便的方 法。是制膜技术发展史上的里程碑。迄今， 反渗透、超滤、气体分离等所用膜大都用此 法 制 造 。 L-S 法 制 成 的 膜 ， 分 离 层 仅 0.1 一 1μm，透过阻力小。
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现代食品分离技术（3）
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按制造方法分
• 流涎膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 浇铸膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 延展膜：金属致密膜等。 • 纺丝膜：中空纤维膜、毛细管膜。 • 天然生物膜：直接（改性）利用。

膜干燥管
17.07.2021
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利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图
Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅橡胶包覆(或
涂敷)而得。
氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离
17.装07.2置021 后，每天可增产50t的氨。 精选可编辑ppt
10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。
10.2.3 有机-无机集成材料 分子筛填充有机高分子膜； 聚合物热裂解法。
17.07.2021
精选可编辑ppt
6
10.3 气体分离膜组件
10.3.1 平板式膜组件
10.3.2 螺旋卷式膜组件 10.3.3 中空纤维式膜组件
17.07.2021
渗透系数（P）：表示气体通过膜的难易程度，是体现膜 性能的重要指标。它因气体的种类、膜材料的化学组成和 分子结构的不同而异。当同一种气体透过不同的气体分离 膜时，P主要取决于气体在膜中的扩散系数；而同一种膜 对不同气体进行透过时，P的大小主要取决于气体对膜的 溶解系数。
扩散系数（D）：用渗透气体在单位时间内透过膜的气体 体积来表示。它随气体分子量的增大而减小。
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The relative size and condensability (boiling point) of the principal components of
natural gas. Glassy membranes generally separate by differences in size; rubbery
membranes separate by differences in condensability

39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
分离技术概论气体分离
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
Thank you

(2)、无机材料 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳
定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液, 并且不被微生物降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制 造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10 倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面 积稳 定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件 的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活 性较高。
④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系数均 有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而扩散系数增大。但比 较而言,温度对扩散系数的影响更大,所以,渗透 通量随温度的升 高而增大。
3、气体膜分离流程及设备
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分 离系数不高，原料气的浓度低或要求产品较纯时,单级膜分 离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即将若干膜器串 联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型的 例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生产过程 中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气中白白地烧 掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪费。
(1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
(2)精馏级联 精馏级联的流程见下图,每一级的渗透 气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
1、气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,它们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与 结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗 透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。

0
0.05
0.1
0.15
0.2
膜压差/MPa
15
反浸透通量的影响要素
操作压差—压差越大，浸透通量越大，但浓差极化比增大，膜外表溶液浸透压升高，推进 力不能按比例增大
温度—温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，浸透压降低，推进力增大，通 量增大。
料液流速—流速大，传质系数增大，浓差极化比减小，浸透通量增大。 料液的浓缩程度—浓缩程度高，水的回收率高。但浸透压高，浸透通量小，且已呵斥膜污
烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。 无机膜的制备已成为研讨热点，其增长速度远快于聚合物膜。 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为资料。其热力学、化学稳定性好，
运用寿命长。 陶瓷膜的运用较好。 根据分别过程和分别对象选择适宜的膜资料
9
膜的分类
10
膜的性能
膜的根本性能包括膜的分别透过特性和物化稳定性两方面。 物化稳定性：膜的空隙率、孔构造、外表特性、机械强度、化学稳定性、允许运
普通反浸透膜微孔尺寸在10A左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留 盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低96-99%。
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反浸透影响要素分析 ——压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响
脱盐率/%、膜通量
70
60
50 40 30 20
脱盐率 膜通量 传质系数

10
0
膜分别技术简介
;.
1
膜分别过程特点
一切的分别过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差别进展分别。 ——过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差别的分别过程。常规的过滤普通
是指固液分别或气液分别。 ——膜分别过程将这一运用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分别。即以选择性透