什么是膜分离技术

膜分离技术膜分离是一种很新的分离方法，至少在35年前膜过滤还没有被视为一种很重要的分离过程。然而目前它的应用早已从早期的脱盐（海水淡化）发展成为一重要的化工单元操作。其具有能耗低，单级分离效率高，过程简单，不污染环境等优点，是解决当代能源，资源和环境问题的重要新技术，并将对21世纪的工业技术改造起着深远的影响。一什么是膜？尽管膜过程千差万别，所依据的分离原理也不尽相同，而且分离的物质可以从颗粒一直到分子，但任一膜过程的核心部件都是膜。它可以看作是两相之间一个具有透过选择性的屏障，或看作是两相之间的一个界面。原料在膜的上游，而渗透物在膜的下游，由于原料中各组分与膜的物理化学性质不同，从而原料混合物中某一组分可以比其他组分更快地通过膜，于是实现分离。二如何对膜刻化和描述？某一特定膜的性能或效率通常用两个参数表征，即流动性和选择性。（1）流动性也称通量或渗透速率，表示单位时间通过单位膜面积的体积流量。（2）膜对于一个混合物的选择性可用截留率R或分离因子α表示，其中：对于包括溶剂和溶质的稀溶液，以Cf表示原料中溶质的浓度，以Cp表示渗透物中溶质的浓度，则 R=(Cf- Cp)/ Cf对于气体混合物，以X表示原料中溶质的浓度，以Y表示渗透物中溶质的浓度，则αA/B=(yA/yB)/(XA/XB) 三如何把握膜过程？从宏观角度看待该传递过程，膜被看成是一黑箱，膜结构可视为界面，渗透分子或粒子在此界面上经受摩擦力或阻力。为实现这一通过膜的传递过程，还必须对原料中各组分施加某种推动力，可以是浓度梯度，压力梯度，温度梯度，电位梯度。在许多情况下膜通量与推动力之间的关系可用唯象关系式来表示，即： J=-A(dX/dx) 其中A为唯象系数，(dX/dx)为推动力本章讲授内容我们以不同的推动力为主线来贯穿本章所涉及的膜过程。第一节，我们讨论浓度梯度为推动力的膜过程，例如气体分离，全蒸发，透析等；第二节，我们讨论压力梯度为推动力的膜过程，例如微滤，超滤，反渗透等；第三节，我们讨论温度梯度为推动力的膜过程，例如膜蒸馏，热渗透等；第四节，我们讨论电位梯度为推动力的膜过程，例如电渗析，膜电解等；本章所涉及的参考书 1 Basic principles of membrane technology 2膜分离技术基础化学工业出版社王湛 3膜材料及其制备化学工业出版社汪锰 4（期刊）Journal of membrane science 5（期刊）膜科学与技术第一节：以浓度梯度为推动力的膜过程在许多过程中，包括许多自然过程，传递是通过扩散而不是对流实现的。物质会从高化学位区自发地扩散到低化学位区。所以正如我们前面提到的，利用浓度差为推动力的膜过程包括：气体分离，全蒸发，透析等。我们本节以气体分离为例了解以浓度梯度为推动力的膜过程。 7.1.1多孔膜的气体分离（微孔扩散机理）当气体传递方式为粘性流时，分子的平均自由程相对于孔直径很小，此时无法实现分离。降低膜孔径，甚至使气体的平均自由程变得大于孔径，这种气体流动称之为KNUDSEN流，此时即可实现对气体混合物的分离。研究发现，此时渗透通量是有膜孔结构，压差，该组分的分子量决定的。当膜和压差一定时，处于这种流动状态的气流通过膜进行分离时，分子量是决定膜通量的唯一参数。因此膜对两种气体通过努森流而实现的分离取决于二者分子量差异大小。通常分离因子较低，只有通过一系列膜器组成的串级操作才能实现很高程度的分离。 7.1.2 无孔膜的气体分离（溶解扩散机理）无孔膜中气体分离是基于不同气体在给定膜中渗透系数的不同。无孔膜中气体扩散最简单的关系是FICK定律，即:J=-D(dC/dx)稳态下积分得：Ji=Di (Co,i-Cl,i)/l 浓度与分压关系可以用亨利定律描述，即认为膜内浓度与膜外气体分压力之比为线性关系Ci=Sipi Si为组分在膜中的溶解度系数。将上述两式合并得Ji= DiSi(po,i-pl,i)/l 其中扩散系数D与溶解度系数S的积为渗透系数P，即：P=DS 故上式可简写为：Ji= Pi(po,i-pl,i)/l= PiΔpi/l 7.1.3 气体分离用膜膜分离技术的核心是膜，膜的性能主要取决于膜材料。现用气体分离膜主要有高分子材料（纤维素类聚合物，聚烯烃，聚砜等，现主要是聚酰亚胺，有机硅等），无机材料（Al2O3 TiO2 C SiO2 SiC）和金属材料（主要是稀有金属，主要用于膜反应器）。 7.1.4 气体膜分离的工业应用。（1）氢气的分离回收合成氨的弛放气，炼油的工业尾气，石油化工中合成气的调节。（2）空气分离富氧与富氮（3）其他，酸性气体，有机蒸汽，空气的脱湿，氦的分离回收等。