1、第七章第七章 其他膜過程其他膜過程膜蒸餾的發展膜蒸餾是膜技術與蒸發過程相結合的新型膜分離技術，膜蒸餾是膜技術與蒸發過程相結合的新型膜分離技術，是以膜兩側不同溫度溶液蒸汽壓力差為推動力的分離是以膜兩側不同溫度溶液蒸汽壓力差為推動力的分離過程。過程。它以疏水微孔膜為介質，在膜兩側蒸氣壓差的作用下，它以疏水微孔膜為介質，在膜兩側蒸氣壓差的作用下，料液中揮發性組分以蒸氣形式透過膜孔，從而實現分料液中揮發性組分以蒸氣形式透過膜孔，從而實現分離的目的。離的目的。與其他常用分離過程相比，膜蒸餾具有分離效率高、與其他常用分離過程相比，膜蒸餾具有分離效率高、操作條件溫和、對膜與原料液間相互作用及膜的機械操作條件

2、溫和、對膜與原料液間相互作用及膜的機械性能要求不高等優點。性能要求不高等優點。 7.1膜蒸餾膜蒸餾膜蒸餾原理膜蒸餾原理v1、膜為不被待處理溶液潤濕的疏水微孔膜，、膜為不被待處理溶液潤濕的疏水微孔膜，孔徑在孔徑在0.20.4微米。微米。v2、膜的一側與熱的待處理溶液直接接觸，另、膜的一側與熱的待處理溶液直接接觸，另一側直接或間接的與冷的水溶液接觸。一側直接或間接的與冷的水溶液接觸。v3、熱側溶液中易揮發的組分在膜面處汽化通、熱側溶液中易揮發的組分在膜面處汽化通過膜進入冷側并被冷凝成液相，其他組分則過膜進入冷側并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側，從而實現混合物分離。被疏水膜阻擋在熱側，從

3、而實現混合物分離。v4、兩個必須條件：疏水膜和溫度差。、兩個必須條件：疏水膜和溫度差。膜蒸餾操作方式直接接觸式直接接觸式氣隙式氣隙式減壓式減壓式氣流吹掃式氣流吹掃式直接接觸膜蒸餾氣隙式減壓式氣流吹掃式操作模式膜蒸餾特征膜蒸餾的優點操作溫度低操作溫度低(與傳統蒸發相比與傳統蒸發相比)操作壓力低操作壓力低(與反滲透相比與反滲透相比)理論分離效能高理論分離效能高膜的機械性要求低膜的機械性要求低減少了膜與處理液體之間的化學反應減少了膜與處理液體之間的化學反應不易堵塞不易堵塞可以處理濃度極高的水溶液，唯一能從溶液中直接可以處理濃度極高的水溶液，唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程分離出結晶產物的膜過

4、程蒸汽空間減小蒸汽空間減小膜蒸餾的缺點汽化潛熱降低了熱能的利用率汽化潛熱降低了熱能的利用率膜通量較小，工業化程度低膜通量較小，工業化程度低膜材料選擇性有限膜材料選擇性有限膜蒸餾的應用 滲透蒸發=等溫膜蒸餾滲透蒸發技術和滲透蒸發膜的特點滲透蒸發技術和滲透蒸發膜的特點 滲透蒸發是近十幾年中頗受人們關注的膜分離技滲透蒸發是近十幾年中頗受人們關注的膜分離技術。術。滲透蒸發是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣滲透蒸發是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發，從而達到分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發，從而達到分離目的的一種膜分離方法分離目的的一種膜分離方法。可用于傳統分離手段。可用

5、于傳統分離手段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有一次一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。等特點。滲透蒸發原理 滲透蒸發的實質是利用滲透蒸發的實質是利用高分子膜的選擇性透高分子膜的選擇性透過過來分離來分離液體混合物液體混合物。由高分子膜將裝置分為兩。由高分子膜將裝置分為兩個室，上側為存放待分離混合物的液相室，下側個室，上側為存放待分離混合物的液相室，下側是與真空系統相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室是與真空系統相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室。混合物通過高分子膜的選擇滲透，其中某一組。混合物通過高分子膜的選擇滲透

6、，其中某一組分滲透到膜的另一側。由于在氣相室中該組分的分滲透到膜的另一側。由于在氣相室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表面汽化蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表面汽化。蒸氣隨后進入冷凝系統，通過液氮將蒸氣冷凝。蒸氣隨后進入冷凝系統，通過液氮將蒸氣冷凝下來即得滲透產物。下來即得滲透產物。滲透蒸發過程的推動力是膜滲透蒸發過程的推動力是膜內滲透組分的濃度梯度。內滲透組分的濃度梯度。滲透蒸發示意圖滲透蒸發分離示意圖滲透蒸發分離示意圖(真空氣化真空氣化)液相室氣相室膜真空泵冷凝液冷凝器滲透蒸發示意圖滲透蒸發分離示意圖滲透蒸發分離示意圖(惰性氣體吹掃惰性氣體吹掃)液相室氣相室膜冷凝液冷凝器惰

7、性氣體惰性氣體凈化利用滲透蒸發膜的分離系數 滲透蒸發操作所采用的膜為致密的高分子膜。滲透蒸發操作所采用的膜為致密的高分子膜。描述滲透蒸發過程的兩個基本參數是滲透通量描述滲透蒸發過程的兩個基本參數是滲透通量J（g/m2.h）和分離系數）和分離系數。 的定義為：的定義為： （41）式中，式中，Y和和X分別為滲透產物與原料的質量分數；下分別為滲透產物與原料的質量分數；下標標A為優先滲透組分，為優先滲透組分，B為后滲透組分。由以上定義為后滲透組分。由以上定義可知，可知，代表了高分子膜的滲透選擇性。代表了高分子膜的滲透選擇性。BABAXXYY/影響膜性能的因素 滲透蒸發膜的性能是由膜的化學結構與物理結滲

8、透蒸發膜的性能是由膜的化學結構與物理結構決定的。化學結構是指制備膜的構決定的。化學結構是指制備膜的高分子的種類與高分子的種類與分子鏈的空間構型分子鏈的空間構型；物理結構則是指；物理結構則是指膜的孔度、孔膜的孔度、孔分布、形狀、結晶度、交聯度、分子鏈的取向分布、形狀、結晶度、交聯度、分子鏈的取向等，等，取決于膜的制備過程。衡量滲透蒸發膜的實用性有取決于膜的制備過程。衡量滲透蒸發膜的實用性有以下四個指標：以下四個指標： 膜的選擇性（膜的選擇性（值）值）； 膜的滲膜的滲透通量（透通量（J值）；值）； 膜的機械強度；膜的機械強度； 膜的穩定性膜的穩定性（包括耐熱性、耐溶劑性及性能維持性等）。（包括耐熱

9、性、耐溶劑性及性能維持性等）。所以所以在膜的開發中必須綜合考慮這四個因素。在膜的開發中必須綜合考慮這四個因素。制備滲透蒸發膜的材料（1）滲透蒸發膜材料的選擇）滲透蒸發膜材料的選擇 對于滲透蒸發膜來說，是否具有良好的選擇性對于滲透蒸發膜來說，是否具有良好的選擇性是首先要考慮的。基于溶解擴散理論，只有對所需是首先要考慮的。基于溶解擴散理論，只有對所需要分離的某組分有較好親和性的高分子物質才可能要分離的某組分有較好親和性的高分子物質才可能作為膜材料。如作為膜材料。如以透水為目的的滲透蒸發膜，應該以透水為目的的滲透蒸發膜，應該有良好的親水性，因此聚乙烯醇（有良好的親水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纖

10、）和醋酸纖維素（維素（CA）都是較好的膜材料；而當以透過醇類物）都是較好的膜材料；而當以透過醇類物質為目的時，憎水性的聚二甲基硅氧烷（質為目的時，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）則是較理想的膜材料。則是較理想的膜材料。普遍認為，普遍認為，對于含水體系，在膜的化學結構中保持對于含水體系，在膜的化學結構中保持一種親水與憎水基團的適當比例是重要的一種親水與憎水基團的適當比例是重要的。（2）制備滲透蒸發膜的主要材料）制備滲透蒸發膜的主要材料 用于制備滲透蒸發膜的材料包括天然高分子物用于制備滲透蒸發膜的材料包括天然高分子物質和合成高分子物質。質和合成高分子物質。 天然高分子膜主要包括天然高分子膜主要包

11、括醋酸纖維素（醋酸纖維素（CA）、羧）、羧甲基纖維素（甲基纖維素（CMC）、膠原、殼聚糖）、膠原、殼聚糖等。這類膜的等。這類膜的特點是親水性好，對水的分離系數高，滲透通量也特點是親水性好，對水的分離系數高，滲透通量也較大，對分離醇較大，對分離醇水溶液很有效。但這類膜的機械水溶液很有效。但這類膜的機械強度較低，往往被水溶液溶脹后失去機械性能。如強度較低，往往被水溶液溶脹后失去機械性能。如羧甲基纖維素是水溶性的，只能分離低濃度的水溶羧甲基纖維素是水溶性的，只能分離低濃度的水溶液。采用加入交聯劑可增強膜的機械性能，但同時液。采用加入交聯劑可增強膜的機械性能，但同時會降低膜性能。會降低膜性能。 用于制

12、備滲透蒸發膜的合成高分子材料包括用于制備滲透蒸發膜的合成高分子材料包括聚聚乙烯（乙烯（PE）、聚丙烯（）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（）、聚苯乙烯（PSt）、）、聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）等非極性材料等非極性材料和和聚乙烯醇聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等）等極性材料極性材料。非極性膜大多被用于分離非極性膜大多被用于分離烴類有機物烴類有機物，如苯與環己烷、二甲苯異構體，甲苯，如苯與環己烷、二甲苯異構體，甲苯與庚烷以及甲苯與醇類等，但選擇性一般較低。與庚烷以及甲苯與醇類等，但選擇性一般較低。 極性膜一般用于醇極性膜一般用于

13、醇水混合物的分離水混合物的分離。其中聚。其中聚乙烯醇是最引人注目的一種分離醇乙烯醇是最引人注目的一種分離醇水混合物的膜水混合物的膜材料。聚乙烯醇對水有很強的親和力，而對乙醇的材料。聚乙烯醇對水有很強的親和力，而對乙醇的溶解度很小，因此有利于對水的選擇吸附。該膜在溶解度很小，因此有利于對水的選擇吸附。該膜在分離低濃度水分離低濃度水乙醇溶液時有很高的選擇性。但當乙醇溶液時有很高的選擇性。但當水的濃度大于水的濃度大于40時，膜溶脹加劇，導致選擇性大時，膜溶脹加劇，導致選擇性大幅度下降。幅度下降。 聚丙烯腈對水也顯示出很高的選擇性，但滲透聚丙烯腈對水也顯示出很高的選擇性，但滲透通量較小，所以通常被用作

14、復合膜的多孔支撐層。通量較小，所以通常被用作復合膜的多孔支撐層。在工業發酵罐得到的是約在工業發酵罐得到的是約5的乙醇的乙醇水溶液，這時水溶液，這時采用優先透醇膜顯然更為經濟實用。采用優先透醇膜顯然更為經濟實用。最常用的透醇最常用的透醇膜材料是聚二甲基硅氧烷膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其對醇的滲透速率與。但其對醇的滲透速率與選擇性都比較低，選擇性選擇性都比較低，選擇性一般在一般在10以下。以下。滲透蒸發技術應用領域 滲透蒸發作為一種無污染、高能效的膜分離技術滲透蒸發作為一種無污染、高能效的膜分離技術已經引起廣泛的關注。該技術最顯著的特點是很高的已經引起廣泛的關注。該技術最顯著的特點是很高的單級分離度，節能且適應性強，易于調節。單級分離度，節能且適應性強，易于調節。 目前滲透蒸發膜分離技術已在目前滲透蒸發膜分離技術已在無水乙醇的生產無水乙醇的生產中實現了工業化。與傳統的恒沸精餾制備無水乙醇中實現了工業化。與傳統的恒沸精餾制備無水乙醇相比，可大大降低運行費用，且不受汽相比，可大大降低運行費用，且不受汽液平衡的液平衡的限制。限制。滲透蒸發技術應用領域 除了以上用途外，滲透蒸發膜在其他領域的應除了以上用途外，滲透蒸發膜在其他領域的應用尚都處在實驗室階段用尚都處在實驗室階段。預計有較好應用前景的領。預計有較好應用前景的領域有：工業廢水處理中采用滲透蒸