第六节 膜分离法 主要内容 一、膜分离的含义 二、膜分离法的分类及应用 三、反渗透 四、超滤法

一、膜分离的含义 膜分离法是利用天然或人工合成的不同性质的膜（能把两相分开的薄层物质），以外界能量或化学位差作为推动力，利用膜的选择透过性对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。主要是借助于流体中不同组分对膜渗透速率的差别实现分离的单元操作过程。

膜分离的示意图 膜

膜过滤常用形式 切向流过滤（错流过滤、表面流过滤）

二、膜分离法的分类及应用 膜分离法的分类方法一般有以下几种： 1.按照分离机理分类：主要有反应膜、离子交换膜、渗透膜等。 2.按膜的性质分类：主要有天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜）。 3.按照膜的结构分类：对称膜、非对称膜和复合膜。 4.按照膜的形状分类：主要有平板型、管型、螺旋型（卷式）及中空纤维型四类。 应用范围极其广泛，包括化工、环境、生物、医药、食品、能源等领域。

常见膜 微孔对称性膜 均质膜 非对称性膜

常见膜 铝膜 聚酰胺转相膜 纳米管膜

根据截留分子量和孔径的差异可以分为：

几种主要膜分离过程区别及用途 膜过程 推动力 传递机理 透过物 截留物 膜类型 微滤 压力差 颗粒大小形状 水、溶剂溶解物 悬浮物颗粒 纤维多孔膜 超滤 分子特性大小形状 水、溶剂小分子 胶体和超过截留分子量的分子 非对称性膜 纳滤 离子大小及电荷 水、一价离子、多价离子 有机物 复合膜 反渗透 溶剂的扩散传递 水、溶剂 溶质、盐 非对称性膜复合膜

三、反渗透 1.反渗透的基本原理：压力驱动 渗透与反渗透

2.反渗透膜 1）反渗透的传质机理 氢 键 模 型 水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；溶 质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。

优先吸附－毛细孔流动模型

（2）反渗透膜的特性 ①溶质分离率（R）： R =(1－ )×100% ②溶剂透过速度（Jv）： Jv= cp——透过液浓度，mg/L； cf——主体溶液浓度，mg/L。 ②溶剂透过速度（Jv）： Jv= Jv——单位膜面积在单位时间内透过的水量，L/(m2•d)； V——透过液容积，L； S——膜的有效面积，m2； t——运行时间，d。

③流量衰减系数（m） m= F1——膜运行1h后的水通量，mL/(cm2·h)； Fw——膜运行t个h后的水通量，mL/(cm2·h)； 反渗透膜的物化稳定性主要包括：膜的允许最高使用温度、压力、适应的pH值范围、膜的耐氯、耐氧化及耐有机溶剂性能等。

反渗透的渗透通量 影响渗透通量的因素： 操作压差 操作温度 料液速度 料液的浓缩程度 膜材料与结构

（3）反渗透膜的类型 反渗透膜以膜材料的化学组成不同主要有纤维素酯类膜和非纤维素酯类膜两大类。 纤维素酯类膜主要有二醋酸纤维素膜(CA膜)、醋酸纤维素复合膜（CTA）及中空纤维膜等。 非纤维素酯类膜主要有脂肪族聚酰胺膜、芳香族聚酰胺膜、交联芳香族聚酰胺复合膜（PA）、聚苯并咪唑酮(PBIL)膜、丙烯烷—基聚酰胺和缩合尿素复合膜（如：RC—100、NS—100复合膜）、聚哌嗪酰胺复合膜（如：Film Tec公司的NF—40、东丽公司的SU—200等）、氧化石墨膜(GO)，另外还有荷电膜等。

板框式 把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件。 管式 把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件。 螺旋卷式 在两层反渗透膜中间夹一层多孔的柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件 3. 反渗透装置 中空 纤维式 在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管。

板 框 式

管式反渗透装置

管式反渗透装置

螺旋卷式

中空纤维式

4.反渗透工艺 一级一段连续式 透过液的回收率不高，在工业中很少采用 。

一级一段循环式 部分浓缩液返回进料液贮槽与原有的进料液混合后，再次通过组件分离。因浓缩液中溶质含量较原料液高，所以透过液的质量有所下降 。

一级多段连续式 水的回收率提高，浓缩液的量减少， 但浓缩液中溶质的含量增大。

一级多段循环式 第二段的透过水质较第一段差，这种方法可得到较高浓度的浓缩液。

多级多段循环式 对膜的选择更广泛每一级膜两侧的浓差减小，操作压差可以降低对设备的要求降低；但各级多需要泵将料液提高到较高的压力，能耗增加。

四、超滤法 1.超滤法的基本原理 超滤对溶质的分离机理主要有：膜表面微小孔径的机械截留（机械筛分）；在膜孔中阻塞、阻滞停留被去除（阻滞机理）；在膜表面及微孔内发生吸附被去除（一次吸附机理）。

2.超滤的浓差极化现象 超滤的浓差极化现象 在超滤过程中，由于高分子物质的低扩散性和水的高渗透性，溶剂和低分子物质不断透过超滤膜，由主体溶液带到膜表面的高分子物质，被膜截留而累积增多，从而形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度差，这种现象称为浓差极化。 溶质会在膜面上形成凝胶极化层，对膜的渗透通量有很大的阻力，因而膜的透过量急剧下降，这是超滤过程中一个很大的问题。

减轻浓差极化的方法 回收率的控制 （单个组件<15%,整机<50％） 流动型态和流程的控制 （压降控制在3.92－4.9MPa） 填料法 搅拌法 扩大扩散系数法

设置湍流促进器 脉冲法

超滤的特性 膜的渗透通量 ： Jv= 膜分离效率（即溶质的截留率），以表观截留率（Robe）表示。 Robe =1－ ct——透过液浓度，mg/L； cf——主体溶液浓度，mg/L。 膜的渗透通量 ： Jv= △p——膜两侧的压力差，MPa； Rm——膜阻力，S•MPa/cm。

影响超滤渗透通量的因素及控制方法 影响因素： 操作压差 料液浓度 料液流速 温度 截留液浓度 操作时间 控制方法 选择合适的膜材料 料液的预处理 膜的清洗

3.超滤膜组件及超滤膜 超滤膜组件的类型与反渗透类似，主要有板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维式等四种。 超滤膜主要包括两大类：有机超滤膜和无机超滤膜。 ①有机膜 目前国内外已经商品化的有机超滤膜材料主要有：二醋酸纤维素（CA）、三醋酸纤维素（CTA）、聚砜（PS）、磺化聚砜（SPS）、聚砜酰胺（PAS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺（PI）、甲基丙烯酸甲酯—丙烯腈共聚物（MMA—AN）、聚丙烯腈荷电膜及聚丙烯酸类膜等。 ②无机膜 无机膜多以金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃等为材料，其耐热稳定性高、耐化学腐蚀、耐老化、使用寿命长，但膜容易破碎，投资费用较高。目前制成的无机膜主要有：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜以及无机多孔膜为支撑体再与高聚物超薄致密层组成的复合膜等。

4.超滤工艺及应用 间歇错流 截留液全循环 截留液部分循环

连续错流 单段连续操作 多段连续操作

超滤技术应用 超滤技术在轻化工废水处理中主要用于高浓度有用污染物质的回收及废水处理 。 超滤—离心法回收羊毛脂的工艺流程