1、膜與膜過程Membrane and Membrane Process中國海洋大學(xué)蘇保衛(wèi)Email: sbw_參考資料高以烜，葉凌碧，膜分離技術(shù)基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，北京，1989劉茉娥， 膜分離技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1998時(shí)鈞，袁權(quán)，高從堦，膜技術(shù)手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2001Marcel Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, second edition, 1995, 中譯本，李琳譯，膜技術(shù)基礎(chǔ)原理，清華大學(xué)出版社，1999王湛，膜分離技術(shù)基礎(chǔ)，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2000任建新，膜分離技術(shù)及其應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，北京

2、，張玉忠，鄭領(lǐng)英，高從堦，液體分離膜技術(shù)及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，Richard W. Baker, MEMBRANE TECHNOLOGY AND APPLICATIONS, Second Edition. John Wiley & Sons, Ltd. 2004 S. P. Nunes and K.-V. Peinemann ，Membrane Technology in the Chemical Industry, Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001【德】R Rantenbuch 王樂夫譯，膜工藝組件和裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參考資料（續(xù)） 膜科學(xué)與技術(shù) 水處理技術(shù)

3、Journal of Membrane Science Desalination Separation and Purification Technology Journal of Applied Polymer Science課程主要內(nèi)容 膜與膜過程概述 膜材料 合成膜的制備 膜的表征 膜傳遞過程 濃差極化與膜污染 超濾與微濾 反滲透與納濾 電滲析與離子交換膜 氣體分離 滲透汽化 膜器與過程設(shè)計(jì)第一章 概論1. Introduction1.1 膜和膜分離過程的特征 膜過程是新興的多學(xué)科交叉的高技術(shù)。 膜材料-高分子化學(xué)和無機(jī)化學(xué) 膜制備、過程的分離特性-物理化學(xué)與數(shù)學(xué) 膜過程的流體力學(xué)、傳熱

4、、傳質(zhì)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)-化學(xué)工程 膜應(yīng)用-涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品、石油、環(huán)保等領(lǐng)域膜的定義 film thin coating or covering membrane (1)具有選擇透過性的一層薄層物質(zhì)。（側(cè)重分離性能）（2）把兩相分開的一層物質(zhì)，通過該層物質(zhì)可以有其它物質(zhì)的傳遞。 廣義：兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，這個(gè)區(qū)間的三維量度中的一度和其余兩度相比要小得多。 膜可以是固相、液相，甚至是氣相的。大多數(shù)分離膜為固相。目前，無論從產(chǎn)量、產(chǎn)值、品種、功能或應(yīng)用對象來講，固膜都占99%以上。膜分離過程與化工分離過程的依據(jù)常見化工分離過程：混合物中組分在性質(zhì)上的某種差別 精餾、蒸發(fā)、干燥-揮發(fā)性（或蒸

5、汽壓）不同 吸附、吸收-親和性不同 萃取、結(jié)晶、吸收-溶解性不同 電泳-電荷不同 過濾-顆粒大小不同 沉降-重力不同（顆粒大小，密度不同） 離心分離-密度不同膜分離過程依據(jù)的物性差別 依分子大小的差別：如微濾（MF），超濾（UF），反滲透（RO）， 氣體分離（GS）等 依電荷的差別：如電滲析（ED），膜燃料電池，膜電解，雙極膜過程 ，納濾（NF）等 依與膜的親和性或溶解性的差別， 如MF，部分UF， RO， 液膜過程， GS， 以滲透氣化（PV）等 蒸氣壓不同， 如膜蒸餾（MD）膜過程的特點(diǎn) 膜過程是一個(gè)高效的分離過程 重力分離最小極限為m，而膜可做到分子量為幾千、幾百甚至幾十的分離；和擴(kuò)散相

6、比，蒸餾過程相對揮發(fā)度是個(gè)位數(shù)，而滲透汽化的分離系數(shù)為幾百以上。 膜分離過程的能耗通常較低。原因：膜過程基本上不發(fā)生相變化，過程在室溫附近進(jìn)行。 膜分離過程沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)量少，可靠性高。 膜分離過程的規(guī)模和處理能力可以在很大范圍內(nèi)變化，而效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。1.2 膜和膜過程的發(fā)展歷史 1784年，年，Nollet看到水能自發(fā)地穿過豬膀胱進(jìn)入酒精溶液，發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。 1827，Dutrochet引入名詞滲透（Osmosis）； 1831，J.v.Mithell從事氣體透過橡膠膜的研究； 1855，F(xiàn)ick提出擴(kuò)散定律，制備了早期的人工半滲透膜； 1861-1866，Gr

7、aham發(fā)現(xiàn)滲析現(xiàn)象； 1860-1877，Vants, Hoff等人提出和完善了滲透壓力定律; 1911, Donnan提出了分子帶電體的電荷分布及電平衡現(xiàn)象;膜科學(xué)發(fā)展史膜科學(xué)發(fā)展史（續(xù)） 1917，Kober引入名詞滲透汽化（pervaporation）； 1922，Zsigmondy等將微孔膜用于分離極細(xì)粒子； 1930，Teorell對膜電勢的研究，為電滲析和膜電極打下基礎(chǔ) 1944，Willan Kolff首次成功使用人工腎 1950，Juda, Mcrea合成膜的研究，發(fā)明了電滲析； 1960，Loeb-Sourirajan 相轉(zhuǎn)化法合成反滲透非對稱膜； 1968，N.N.Li（

8、黎念之）發(fā)明液膜 1980，Cadotte發(fā)明界面聚合復(fù)合膜.膜工業(yè)發(fā)展史我國膜科學(xué)發(fā)展史1.3 膜的分類 按材料分： 天然膜（生物膜、天然物質(zhì)改性或再生而制成的膜） 合成膜（無機(jī)膜，高分子膜） 按膜結(jié)構(gòu)分： 固膜分為對稱膜和非對稱膜兩大類， 固膜也可分為多孔膜（微孔介質(zhì)，大孔膜）和非多孔膜（無機(jī)膜 ，聚合物膜）兩類。 液膜（乳化液膜、支撐液膜）卷式膜元件中空纖維膜元件管式膜及裝置膜的分類（續(xù)） 按用途分：氣相系統(tǒng)、氣液系統(tǒng)、液液系統(tǒng)、氣固系統(tǒng)、液固系統(tǒng)、固固系統(tǒng) 按膜的作用機(jī)理分： 吸附性膜（多孔膜，反應(yīng)膜） 擴(kuò)散性膜（聚合物膜，金屬膜，玻璃膜） 離子交換膜（陽離子交換樹脂膜，陰離子交換樹脂

9、膜） 選擇滲透膜（滲透膜，反滲透膜，電滲析膜） 非選擇性膜（加熱處理的微孔玻璃，過濾型的微孔膜。1.4 膜過程及應(yīng)用1.4.1 膜過程 1 膜分離過程 特點(diǎn)：（1）兩主體相不直接接觸 （2）膜兩側(cè)形成兩個(gè)相界面 （3）兩主體相可互溶也可不互溶 2 膜接觸過程 特點(diǎn)： （1）使用微孔或大孔膜 （2）膜主要起著固定兩種互不相溶的主體液相界面的作用 （3）這兩種主體液相在膜孔內(nèi)或在膜/主體相邊界處直接接觸。 3 膜反應(yīng)器：一般膜反應(yīng)器，膜生物反應(yīng)器 . 血色素流感病毒假單胞菌葡萄狀球菌淀粉1.4.2 膜過程簡介1.反滲透（Reverse Osmosis)半透膜：能夠讓溶液中一種或幾種組分通過而其他組

10、分不能通過的選擇性膜。滲透：當(dāng)用半透膜隔開純?nèi)軇┖腿芤簳r(shí)，純?nèi)軇┩ㄟ^膜向溶液相有一個(gè)自發(fā)的流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為滲透。滲透壓：若在溶液一側(cè)加壓（外壓力或重力）以阻止溶劑的流動(dòng)，則滲透速度將下降，當(dāng)壓力增加到使?jié)B透完全停止，則達(dá)到了滲透平衡，這一平衡壓力稱為滲透壓。反滲透：若在溶液一側(cè)進(jìn)一步增加壓力，引起溶液中的溶劑反向滲透流動(dòng)，這一過程通常叫反（逆）滲透（Reverse Osmosis）。原理示意圖Basic principles of Reverse Osmosis (RO)反滲透的歷史 1748年Abbe Nollet發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象。 1860-1877 Vant Hoff建立了稀溶液的完整理論

11、。 J.W.Gibbs提供了認(rèn)識(shí)滲透壓及它與其他熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的理論。 1953年，C.E.Raid建議美國內(nèi)務(wù)部，把反滲透的研究納入國家計(jì)劃。 1960年S.Loab和S.Sourirajan制得世界上第一張高脫鹽率、高通量的不對稱乙酸纖維素（CA）反滲透膜。 1970年美國Du Pont公司推出由芳香聚酰胺中空纖維制成的”Permasep”B-9滲透器，主要用于苦咸水淡化。卷式反滲透膜元件由UOP公司成功推出。 1980年Film Tec公司推出性能優(yōu)異、實(shí)用的FT-30復(fù)合膜。80年代末高脫鹽率的全芳香族聚酰胺復(fù)合膜工業(yè)化。90年代超低壓高脫鹽率的全芳香族聚酰胺復(fù)合膜開發(fā)進(jìn)入市場。超薄脫

12、鹽層超薄脫鹽層( (約約:2000:2000埃埃) )剛性支撐層剛性支撐層( (約約:50m):50m)支撐織物支撐織物( (約約:110m):110m)反滲透復(fù)合膜和剖面結(jié)構(gòu)示意圖國外發(fā)展概況國外發(fā)展概況 世界各國高度重視反滲透復(fù)合膜的研究開發(fā)世界各國高度重視反滲透復(fù)合膜的研究開發(fā) 1980年，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)；年，實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)； 標(biāo)致性專利：標(biāo)致性專利：US4277344 （Dow公司的公司的J. Cadotte發(fā)明） 美國：美國：Dow、Hydranautics、GE、Trisep 日本：日東電工、東麗、東洋紡日本：日東電工、東麗、東洋紡 膜品種：海水、苦咸水、自來水、低壓和超膜品種：海

13、水、苦咸水、自來水、低壓和超低壓、抗污染等低壓、抗污染等我國研究開發(fā)現(xiàn)狀我國研究開發(fā)現(xiàn)狀 國家重視：國家重視：863計(jì)劃、計(jì)劃、973計(jì)劃、科技攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃、科技攻關(guān)項(xiàng)目 近二十年的研究開發(fā)近二十年的研究開發(fā) 在膜與膜材料、膜和元件制備技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等方在膜與膜材料、膜和元件制備技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等方面取得了一批成果面取得了一批成果 建成了兩條反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)建成了兩條反滲透復(fù)合膜生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 差距：膜品種單一、性能偏低差距：膜品種單一、性能偏低 反滲透的特點(diǎn)：將水（溶劑）與離子（小分子）分離的膜過程。高效節(jié)能，過程無相變，一般不需加熱，工藝簡單，操作方便，應(yīng)用

14、廣泛。 應(yīng)用：苦咸水和海水的淡化，純水和超純水的制備，工業(yè)用水的處理，飲用水凈化，醫(yī)藥、食品、化工等工業(yè)料液處理和濃縮，以及廢水處理等。 2001年世界上海水淡化裝置的產(chǎn)水量超過2.0107m3/d，達(dá)到相當(dāng)于4000萬8000萬人生活用水的規(guī)模。其中蒸餾法產(chǎn)水量占77%，反滲透法產(chǎn)水量占22%.LocationLocationCapacity (MGD)Capacity (MGD)Tampa BayTampa Bay2525Trinidad and TobagoTrinidad and Tobago28.828.8Almeria, SpainAlmeria, Spain13.213.2Las

15、 Palmas, TeldeLas Palmas, Telde9.29.2Larnaca, CyprusLarnaca, Cyprus14.314.3Murcia, SpainMurcia, Spain17.217.2Palma de MallorcaPalma de Mallorca16.616.6Dhekelia, CyprusDhekelia, Cyprus10.610.6Marbeilla, SpainMarbeilla, Spain14.514.5Carboneras, SpainCarboneras, Spain3232阿什克隆，以色列阿什克隆，以色列3333萬噸萬噸/ /天天Gl

16、obal trend of new RO membrane and system in seawater desalination2.納濾（Nanofiltration) 納濾是介于超濾和反滲透之間的一種壓力驅(qū)動(dòng)型新型膜分離過程，是當(dāng)今膜分離技術(shù)研究與開發(fā)的熱點(diǎn)之一。 納濾的研究可追溯到20世紀(jì)70年代J.E.Cadotte對N系列膜的開發(fā)。也稱為”疏松型反滲透膜（Loose Reverse Osmosis Membrane）。 特點(diǎn)： 具有納米級的孔徑，對有機(jī)物的相對分子截留范圍（MWCO）為2002000； 膜表面一般帶電荷，對不同價(jià)態(tài)的離子具有不同的選擇透過性，對二價(jià)和高價(jià)離子具有較高的

17、截留率，而對一價(jià)離子的截留率不高； 操作壓力低，一般低于1.0MPa. 應(yīng)用：由于納濾膜在分離和去除離子以及分子量相對較低的有機(jī)物方面具有獨(dú)特的特點(diǎn)，因此與反滲透相比，納濾膜更適于水的凈化和軟化、生化工程下游產(chǎn)品的分離精制以及中草藥的二次開發(fā)等。世界上最大的納濾處理飲用水工程：法國34MGD，其中NF為14MGD=5.25萬m3/d1MGD=1million Gallon per Day=3750m3/d3.超濾（Ultrafiltration，UF） 超濾是一種從溶液中分離大粒子溶質(zhì)的膜分離過程。超濾膜具有選擇透過的特點(diǎn)。 超濾過程：在一定壓力（0.10.6MPa）作用下，料液中含有的溶劑及

18、各種小的溶質(zhì)從高壓料液側(cè)透過超濾膜到達(dá)低壓側(cè)，從而得到透過液或稱為超濾液，而尺寸比膜孔（ 10 to 1000 A ）大的溶質(zhì)分子被膜截留成為濃縮液。 超濾特點(diǎn)： 與RO、NF相及MF相似，屬于壓力驅(qū)動(dòng)分離過 程； 超濾膜的分離范圍為相對分子質(zhì)量500500,000 Dalton的大分子物質(zhì)和膠體物質(zhì)，相對應(yīng)粒子的直徑為0.0020.1m； 其分離機(jī)理一般認(rèn)為是機(jī)械篩分原理； 無相變，能耗低，約為蒸發(fā)法或冷凍法的1/21/3，可在常溫下操作，適合熱敏性物系的分離； 操作壓力低。 用途：料液澄清、溶質(zhì)的截留濃縮以及溶質(zhì)之間的分離。4.微濾（Microfiltration，MF） 微濾是以靜壓差為

19、推動(dòng)力，利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜分離過程。 微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)。每平方厘米和微孔數(shù)為1071011個(gè)。用相轉(zhuǎn)化法制得的高聚物微濾膜，孔隙率可達(dá)70% 。 被分離粒子的直徑范圍為0.0810m。壓力驅(qū)動(dòng)膜的膜分解圖微濾0.1 到 10 微米細(xì)菌和微細(xì)的懸浮固體超濾膜 0.005到0.05微米,乳化油, 顏色 , 膠體納濾膜 0.0005到0.005微米 糖, 染料, 表面活性劑, 礦物質(zhì)反滲透 0.0001到0.001微米, 鹽,金屬離子, 礦物質(zhì)純水5.滲透汽化（Pervaporation，PV） 滲透汽化是指液體混合物在膜兩側(cè)組分濃度差的推動(dòng)下透過膜并蒸發(fā)或汽化，從

20、而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法。 分離機(jī)制：被分離的液相物質(zhì)在膜表面上被吸附并溶解，以擴(kuò)散形式在膜內(nèi)滲透；在膜的另一側(cè)變成氣相而脫附。 滲透汽化的定量研究始于20世紀(jì)50年代；20世紀(jì)80年代，走向工業(yè)化。 與常規(guī)膜分離過程不同之處：滲透過程發(fā)生相變化。 主要用途：目前主要用于無水乙醇的生產(chǎn)。在恒沸混合物的分離，回收溶劑和脫除微量水等方面有獨(dú)特優(yōu)勢。 膜材料：主要是有機(jī)聚合物，膜通常具有非對稱結(jié)構(gòu)，最常用的是聚乙烯醇復(fù)合膜。6.氣體分離（Gas Separation，GS） 氣體膜滲透是利用特殊制造的膜與原料氣接觸，在膜兩壓力差驅(qū)動(dòng)下，氣體分子透過膜的現(xiàn)象，由于不同氣體分子透過膜的速率不同，滲

21、透速率快的氣體在滲透側(cè)富集，而滲透速率慢的氣體在原料側(cè)富集，從而實(shí)現(xiàn)分離。 氣體分離膜研究始于20世紀(jì)50年代：空氣中富氧，天然氣中濃縮氦氣，混合氣中分離氫氣等。 氣體膜分離技術(shù)的真正突破是在70年代，1979年美國Monsanto公司研制出Prism中空纖維氮?dú)浞蛛x器，被譽(yù)為現(xiàn)代氣體分離技術(shù)的支柱，成功應(yīng)用于合成氨馳放氣中回收氫氣。 20世紀(jì)70年代以來，富氮、富氧膜分離也取得長足發(fā)展。 分離機(jī)理：氣體通過多孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理；氣體通過非多孔溶液-擴(kuò)散機(jī)理。7.滲析（Dialysis，D）滲析也稱透析，在滲析中料液和滲析液分別從膜的兩側(cè)通過，在兩側(cè)濃度梯度的推動(dòng)下，料液和滲析液中的小分子溶質(zhì)

22、通過膜擴(kuò)散相互交換，而大分子溶質(zhì)則被膜截留。特點(diǎn)：由于推動(dòng)力是膜兩側(cè)濃度差，故傳質(zhì)速率慢，且膜的選擇性低 滲析主要用于脫除溶液中的低分子量組分，例如從血清蛋白和疫苗中脫除鹽和其它小分子溶質(zhì)。 血液透析（hemodialysis)：通過滲析將衰竭病人血液中的新陳代謝廢物排出體外，同時(shí)對血液進(jìn)行水、電解質(zhì)和酸堿平衡的調(diào)節(jié)。這種裝置稱為人工腎。 膜材料：應(yīng)選用親水性材料，有纖維素、乙烯-乙烯醇共聚物、聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸酯等。 8.電滲析（Electrodialysis，ED） 電滲析是利用離子交換膜和直流電場的作用，從水溶液和其它不帶電組分中分離帶電離子組分的一種電化學(xué)分離過程。 電滲析研究始于

23、20世紀(jì)的德國，直到50年代離子交換膜的制造進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)后，電滲透才進(jìn)入實(shí)用化。 特點(diǎn)： 能耗少，經(jīng)濟(jì)效益顯著 ，所耗電能主要用于遷移溶液中的電解質(zhì)離子； 裝置設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用靈活，操作維修方便； 裝置使用壽命長； 原水回收率高，苦咸水淡化原水回收率65%85%，海水和高硬度苦咸水淡化的水回收率也可達(dá)到60%以上； 工藝過程清潔，只定期少量的酸堿清洗，采用頻繁倒極電滲析（EDR）可不用酸、堿清洗，保證運(yùn)行穩(wěn)定。因此與離子交換法不同，不存在大量廢酸、堿的排 放問題；與反滲透相比，沒有高壓泵的噪音。 應(yīng)用：廣泛用于苦咸水脫鹽，在食品、醫(yī)藥和化工領(lǐng)域具有廣闊和應(yīng)用前景。Salt Removal Us

24、ing Ion Exchange Membranes使用離子交換膜去除鹽48AEMElectrodialysis電滲析Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Reject濃水濃水(Concentrate)Product產(chǎn)品水產(chǎn)品水 (Dilute)Reject濃水濃水(Concentrate)CEMAEMCEM49Na+Na+Cl-Cl-Cl-

25、Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Salt RejectHigh PurityProduct高純產(chǎn)品水高純產(chǎn)品水Salt RejectH+OH-H+OH-H+OH-H+OH-AEMAEMCEMCEMContinuous Electrodeionization with Mix-Bed Resins filled混床型樹脂填充式CEDI50Enhanced Tra

26、nsfer強(qiáng)化遷移Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Salt transport occurs through IX resins, not solution離子在樹脂上遷移離子在樹脂上遷移,而不是在溶液中而不是在溶液中AEM51Continuous ElectrodeionizationWith Resin-Filled Concentrate Spacer全填充式CDINa+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+Cl-Cl-Cl-Cl-

27、Cl-Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Salt RejectHigh PurityProductSalt RejectH+OH-H+OH-H+OH-H+OH-AEMAEMCEMCEMContinuous Electrodeionization with Layered-Bed Resins filled層床型樹脂填充式CEDIAEMCEMFEED+ +- -+ + +- - -+ +- -+ + +- - -+ +- -+ + +- - -+ +- -+ + +- - -CEMAEMPRODUCTCONCENTRATECON

28、CENTRATEANODECATHODE+ +- -+ + +- - -9.液膜（Liquid Membrane，LM） 膜是分隔兩相的一個(gè)中介相，當(dāng)此中介相是一種與被它分隔的兩相互不相溶的液體時(shí)，則這種膜便稱為液膜。 液膜過程與溶劑萃取過程有許多相似之處：溶劑萃取分步進(jìn)行。如果將其油相的厚度減小，到幾十微米，則這層極薄的油相便成了介于料液相與吸收相之間的液膜 。 液膜過程：萃取和反萃取發(fā)生在膜的左右兩側(cè)界面， 溶質(zhì)從相萃入膜左側(cè)，并擴(kuò)散到膜相右側(cè)，再被反萃入接收相，由此實(shí)現(xiàn)了萃取與反萃取的“內(nèi)耦合”（Inner coupling）。液膜傳質(zhì)的“內(nèi)耦合”方式 ，打破了溶劑萃取所固有的化學(xué)平衡。

29、 與傳統(tǒng)萃取對比：液膜的非平衡傳質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：傳質(zhì)推動(dòng)力大，所需要分離級數(shù)少，理論上只需要一級就可實(shí)現(xiàn)完全萃??；試劑耗量少。 與固膜相比，液膜的優(yōu)點(diǎn)： 傳質(zhì)速率高。溶質(zhì)在液體中的分子擴(kuò)散系數(shù)（10-6 10-5 cm2/s）比在固相（10-8 cm2/s）高幾個(gè)數(shù)量級，且在某些情況下還存在對流擴(kuò)散； 選擇性好，如氮氧分離，固膜的分離系數(shù)仍為7.5， 而液膜可達(dá)79。 液膜的缺點(diǎn)：過程與設(shè)備復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作。故至今工業(yè)應(yīng)用實(shí)例很少。10.膜反應(yīng)器（Membrane Reactor，MR） 膜反應(yīng)器是將膜的優(yōu)良分離性能與催化反應(yīng)結(jié)合，在反應(yīng)的同時(shí)脫除產(chǎn)物，以突破反應(yīng)平衡的限制，或控制生化反應(yīng)中產(chǎn)物

30、對反應(yīng)的抑制作用，提高反應(yīng)的產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率和選擇性。 膜反應(yīng)器包括膜生物反應(yīng)器和膜催化反應(yīng)器。 膜生物反應(yīng)方面，自1966年Weetal首先提出酶與高聚物膜相結(jié)合構(gòu)成酶膜生物反應(yīng)器以來，已成功用于乙醇發(fā)酵等生化工程的生產(chǎn)。又進(jìn)一步推廣于輔酶反應(yīng)過程中。同時(shí)固定細(xì)胞的膜反應(yīng)器和半透性微膠囊固定化膜生物反器也相繼問世。 膜催化反應(yīng)領(lǐng)域，處于研究開發(fā)階段，通常催化反應(yīng)溫度較高，需要使用無機(jī)膜材料，主要有金屬鈀膜、陶瓷膜。11.膜蒸餾（Membrane Distillation，MD） 膜蒸餾是膜分離技術(shù)與蒸發(fā)過程結(jié)合的新型膜分離過程，以蒸汽壓為推動(dòng)力。 膜蒸餾過程用疏水性的微孔膜把不同溫度的水溶液隔開

31、，在蒸氣壓差作用下高溫側(cè)水蒸氣不斷通過膜的微孔進(jìn)入冷側(cè)冷凝，從而使高溫側(cè)溶液得到脫水濃縮。 膜蒸餾通常在常壓或低于溶液沸點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，熱側(cè)溶液通常在較低的溫度下（4050）下操作，常?？梢允褂玫蜏?zé)嵩椿驈U熱。避免了反滲透所需的高壓設(shè)備和蒸發(fā)所需的高溫等較苛刻的操作條件。 膜蒸餾用膜：疏水性的微孔膜，聚四氟乙烯最好。膜孔徑一般為0.20.4m為宜。 用途：該過程有相變，可從非揮發(fā)物質(zhì)水溶液中分離水，也可從水溶液中除去其它揮發(fā)性物質(zhì)。主要用于海水淡化和水溶液的濃縮。 膜蒸餾特點(diǎn)：操作條件溫和，在常壓和接近常溫下便可有足夠的推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)水的傳遞，因此可有效地利用一些低品位廢熱、地?zé)崤c太陽能。 可以冷

32、側(cè)得到純水，熱側(cè)溶液同時(shí)實(shí)現(xiàn)濃縮。 膜蒸餾過程分類： 直接接觸式； 空氣間隙式；氣體吹掃式； 減壓式。12.膜吸收（Membrane-based Adsorption，MA） 膜吸收是將膜分離與吸收/解吸相結(jié)合的一種新型膜分離過程。使用微孔膜將氣-液兩相分隔開，并利用微孔提供氣-液兩相間傳質(zhì)的場所。 特點(diǎn)：氣-液兩相的界面是固定的，分別存在于膜孔的兩側(cè)表面處；氣-液兩相互不分散于另一相；氣、液兩相的流動(dòng)互不干擾，流量范圍各自可以在很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)；使用中空纖維或毛細(xì)管膜可產(chǎn)生很大的裝填面積（比表面積），即可提供很大的氣液傳質(zhì)界面。 膜吸收過程：氣體充滿膜孔的膜吸收、液體充滿膜孔的膜吸收和同時(shí)吸

33、收與解吸的膜吸收（由膜材料的疏水和親水性以及吸收劑性能決定） 應(yīng)用：血液供氧，已實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。13.膜萃?。∕embrane Extraction，ME） 膜萃取是將膜分離過程與液-液萃取技術(shù)相結(jié)合的新型膜分離過程。與通常的液液萃取不同，膜萃取傳質(zhì)過程在把料液相和溶劑相分開的微孔膜表面上進(jìn)行。 膜萃取優(yōu)點(diǎn)：沒有液體的分散和凝集過程，可以減少萃取劑夾帶的損失； 不形成直接接觸的液-液兩相流動(dòng)，可使選擇萃取劑的范圍大大拓寬；兩相在膜兩側(cè)分別流動(dòng)，使過程免受“返混”的影響（一些柱式萃取設(shè)備中60%70%的柱高是為了克服軸向混合影響）和“液泛”的影響；與支撐液膜相比，萃取相的存在，可避免膜內(nèi)溶劑的流失

34、。 膜萃取目前還處理于實(shí)驗(yàn)室研究階段。常用膜裝置是中空纖維式膜組件。14.親和膜（Affinity Membrane Separation，AMS） 是膜分離與色譜技術(shù)相結(jié)合的一種新型膜過程。 在膜分離介質(zhì)上利用其表面微孔及孔內(nèi)具有的官能團(tuán)，將其活化，接上一間隔臂，再選擇適合的親和配基，在適合的條件下使之與間隔臂分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合，生成帶有親和配基的膜。樣品混合物中的大分子易與親和配基產(chǎn)生特異性相互作用的配合物，再通過改變條件，使配合物分離收集而得到分離。 新和膜分離過程特點(diǎn)：利用生物特異性和選擇性，不受分子量的大小的限制。原測上只要選擇合適的膜，采用有效的活化手段，共價(jià)鍵合上能與這種物質(zhì)產(chǎn)生親

35、和相互作用的配位基就可以從復(fù)雜體系，尤其是細(xì)胞培養(yǎng)液和發(fā)酵液中分離出任何一種目標(biāo)物。 生物大分子的分離純化是一項(xiàng)十分艱巨復(fù)雜的任務(wù)。親和膜技術(shù)是解決生物技術(shù)下游產(chǎn)品的回收和純化的高效方法。隨生命科學(xué)與生物技術(shù)的飛速發(fā)展，可用親和膜技術(shù)分離相對分子質(zhì)量差別很小的大分子。純化和分離干撓素、單克隆和多克隆抗體、胰蛋白酶及其抑制劑、白蛋白葡萄糖酶、纖維蛋白等多種生物醫(yī)藥制品。 處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。15.促進(jìn)傳遞（Facilitated Transport，F(xiàn)T） 促進(jìn)傳遞是在膜中進(jìn)行抽提的一種新型膜分離方法。 與一般固體膜分離過程相比：具有極高的選擇性，通量大，但極易中毒。 仍處于實(shí)驗(yàn)室研究，主要研究

36、集中在改進(jìn)膜的穩(wěn)定性。 應(yīng)用：酸氣處理、金屬離子回收和藥劑純化等。金屬離子分離中銅離子的分離，氣體分離中用于空氣中分離氧和氮.HEM：人體球蛋白促進(jìn)傳遞膜 液膜 離子交換膜 固定載體膜 16.膜控制釋放（Membrane Control Release，CR） 控制釋放是將藥物或其它活性物質(zhì)以一定形式與膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使這些活性物質(zhì)只能以一定的速率通過擴(kuò)散釋放到環(huán)境中。優(yōu)點(diǎn)：可將藥物濃度控制在需要的濃度范圍，延長藥效作用時(shí)間、服用量和服用次數(shù)，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥的使用上極有價(jià)值。膜材料：乙基纖維素，乙烯-乙酸乙烯共聚物、羥丙甲基纖維素，聚乙烯吡咯烷酮（PVP），聚甲基丙煅酸-2-羥乙酯（HEMA

37、），聚乙烯醇（PVA）。17.膜生物傳感器（Membrane Biosensor） 膜生物傳感器是模仿生物膜對化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別能力制成的，它由催化劑酶或微生物與合成電極轉(zhuǎn)換裝置組成為酶膜傳感器或微生物傳感器。 特別：具有很高的識(shí)別專一性。 用途：已用于發(fā)酵過程中葡萄糖、乙醇等成分的在線檢測。已工業(yè)應(yīng)用膜過程的基本特性已工業(yè)應(yīng)用膜過程的基本特性（續(xù)）已工業(yè)應(yīng)用膜過程的基本特性（續(xù)）膜在不同行業(yè)中的銷售額膜在不同行業(yè)中的銷售額（續(xù)）1.4.3應(yīng)用領(lǐng)域 1 水處理：飲用水處理，海水淡化，廢水處理。 2 生物工程，制藥領(lǐng)域 ：膜過程一般不發(fā)生相變，適合于熱敏性物系的處理。 3 氣體分離：空分，常規(guī)為低溫

38、蒸餾 4 有機(jī)物/有機(jī)物的分離：包括液氣。膜技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用舉例 1.海水和苦咸水淡化 50年代提出反滲透(RO)的研發(fā)的目的是為了海水淡化，現(xiàn)在反滲透已成為海水和苦咸水淡化制取飲用水最經(jīng)濟(jì)的手段，世界上反滲透淡化的水日產(chǎn)量達(dá)1千萬噸，是中東、沙漠地區(qū)、濱海和島嶼地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線。 2.飲用水凈化 環(huán)境的污染影響到飲用水的質(zhì)量，飲用水的質(zhì)量直接影響人們的健康，世界各國都在不斷改進(jìn)飲用水的制備技術(shù)，如日本的MAC-21和新MAC-21計(jì)劃對微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)在除菌、去濁、去大分子膠體、TXM、農(nóng)藥、異味及部分SO42-、NO3-、F-、As等方面的作用進(jìn)行了深入研發(fā)和肯定；反滲透幾乎可除去各種雜質(zhì) 3.地下水補(bǔ)救 北方地區(qū)甚至蘇、浙地區(qū)的主要城市地下水超采十分嚴(yán)重，造成地下水位