膜的基础知识
 
    膜过程是一门新兴的多种学科交叉的新技术,已经成为工业上气体分离、水溶液分离、化学产品和生化 产   品的分离与纯化的重要过程,广泛应用于食品、饮料加工、水处理、大规模空气分离、湿法冶金技术、气体和液体燃料的生产以及石油化工制品生产等。     膜从广义上讲可以定义为两相之间的一个不连续区间,它可以是固相,液相,甚至气相的。从分离的意义上来讲,膜可以定义为: Membranes are thin barriers across which physical and/or chemical gradients can be established to produce differential flows of one or more components 。     大多数的分离膜都是固体膜,目前,无论是从产量、产值、品种、功能或是应用对象上来讲,固体膜都占 99%以上,其中尤以有机高分子聚合物材料制备成的膜和其过程为主。无机膜近年来发展迅速。液膜也有其特点,但尚待发展。     物质选择透过膜的推动力可分为两类:一是外界能量,物质发生由低位到高位的转移;二是化学位差,物质由高位向低位转移。 膜分离过程的特点:高效;能耗(功耗)低;膜分离设备操作维护方便,运行稳定;规模和处理能力范围很大。 
二、膜材料与膜组件 
1.膜材料及分类     具有分离功能的固体膜目前主要以有机高分子聚合物为膜材料。以无机膜为膜材料的分离膜近年来发展迅速。 膜的分类主要有四种方法:  |
膜的分类主要有四种方法 |
按膜的结构分类 |
按膜的用途分类 |
按膜的作用机理分类 |
天然膜 |
多孔膜 |
气相系统中用膜 |
吸附性膜 |
合成膜 |
微孔介质 |
气 - 液系统中用膜 |
扩散性膜 |
无机膜 |
大孔膜 |
液 - 液系统用膜 |
离子交换膜 |
高分子膜 |
非多孔膜 |
气 - 固系统用膜 |
选择渗透膜 |
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无机膜 |
液 - 固系统用膜 |
非选择性膜 |
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聚合物膜 |
固 - 固系统用膜 |
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液膜 |
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2.膜组件 
膜面积愈大,单位时间透过量愈多,因此,当膜分离技术实际应用时,要求开发在单位体积内具有最大膜面积的组件。目前主要有以下几种形式: 板框式( Plate and Frame Module )、螺旋卷式 (Spiral Wound Module) 、圆管式 (Tubular Module) 、中空纤维式 (Hollow Fiber Module) 和毛细管式 (Capillary Module) 。前两种使用平板膜,后三者使用管式膜。圆管式膜直径 >10mm 毛细管式- 0.5~10.0mm ;中空纤维式 <0.5mm> 。 
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表:各种膜组件特性 |
名称/项目 |
中空纤维式 |
毛细管式 |
螺旋卷式 |
平板式 |
圆管式 |
价格(元 /m 3 ) |
40~150 |
150~800 |
250~800 |
800~2500 |
400~1500 |
冲填密度 |
高 |
中 |
中 |
低 |
低 |
清洗 |
难 |
易 |
中 |
易 |
易 |
压力降 |
高 |
中 |
中 |
中 |
低 |
可否高压操作 |
可 |
否 |
可 |
较难 |
较难 |
膜形式限制 |
有 |
有 |
无 |
无 |
无 |
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三、膜分离过程 
典型的膜分离过程特性如下表所示:
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过程 |
主要功能 |
膜 |
微滤( MF ) Microfiltration |
滤除 ≥50nm 的颗粒 |
对称细孔高分子膜 孔径 0.03~10nm |
超滤( UF )Ultrafiltration |
滤除 5~100nm 的颗粒 |
非对称结构的多孔膜 孔径 1~20nm(MW1000~1000000) |
反渗透( RO )Reverse Osmosis |
水溶液中溶解盐类的脱除 |
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渗析(透析)( D )Dialysis |
水溶液中无机酸、盐的脱除 |
强碱性离子交换膜、聚乙烯醇中性膜 |
电渗析( ED )Electrodialysis |
水溶液中酸、碱、盐的脱除 |
阴阳离子交换膜 |
气体分离( GP )Gas Permeation |
混合气体的分离 |
硅橡胶、聚砜、聚酰亚胺等非对称膜 |
渗透汽化( PV )Pervaporation |
水 - 有机物的分离 |
聚乙烯醇等由皮层和多孔支撑结构层构成的复合膜 |
液膜( L ) Liquid Membrane |
盐、生理活性物质的分离 |
液体保存在对称或者非对称多孔膜的孔中 |
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四、膜技术应用领域 
当前主要膜分离过程的一些应用领域如下表所示:
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膜过程 |
应用领域 |
用途举例 |
离子交换膜电渗析 |
浓缩 |
海水浓缩制盐 |
脱盐 |
从海水或咸水制饮用水和工业用水 |
电解 |
食盐电解烧碱 |
反渗透过程 |
制水 |
海水淡化 |
化学工业 |
石化废水处理 |
医药 |
无菌水制造 |
农畜水产 |
蛋白质回收 |
食品加工 |
鱼油废水处理等 |
水处理 |
下水的脱氮、脱磷、脱盐,水回收利用 |
超滤 |
化学工业 |
胶乳回收等 |
生物化工 |
发酵产品分离浓缩精制 |
医药 |
生理活性物质浓缩,分离,精制 |
水处理 |
超纯水,无菌水制造 |
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废水处理 |
高浓度活性污泥处理水中取出悬浮物,细菌去除 |
微滤过程 |
化学工业 |
水、溶剂、酸,碱等化学品过滤,澄清 |
生物化工 |
菌体浓缩分离 |
电子工业 |
超纯水制备 |
医疗 |
无热源纯净水制备 |
食品 |
饮料中酵母和霉菌去除 |
水处理 |
水中悬浮物,微小粒子和细菌去除 |
气体分离 |
富氧膜 |
提高燃烧效率而节能 |
氢分离膜 |
含氢气体中浓缩分离氢气 |
CO 2 分离 |
天然气和沼气中 CO 2 分离 |
氦分离膜 |
天然气中氦分离 |
脱湿膜 |
空气去湿 |
扩散渗析 |
碱性型膜 |
各种溶液、废液,副产品中硫酸、酸盐的去除,精制,回收 |
其他膜 |
糖类、醇,有机酸等脱盐 |
生物传感器 |
氧传感器 |
乙二醇等测定 |
微生物传感器 |
甲醇、乙醇、氨BOD, |
标识免疫传感器 |
乙型肝炎疫苗微量激素 |
非标识免疫传感器 |
糖,梅毒菌,血型 |
 
 
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