资源简介

(共88张PPT)
模块十一 新型分离技术
01
任务一 认识膜分离技术
02
任务二 认识吸附分离技术
03
任务三 认识色谱分离技术
04
任务四 选择分离方法
05
06
综合案例
总结与归纳
学习目标:学习膜、吸附、色谱等新型分离设备的结构、工艺流程和工作原理；会操作膜分离设备；能够分析、判断和解决膜分离生产中发生的生产问题。膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。吸附是利用某些多孔性固体具有能够从流体混合物中选择性地在其表面上凝聚一定组分的能力，使混合物中各组分分离的单元操作过程，是分离和纯化气体与液体混合物的重要单元操作之一。色谱分离法又称层析法，它利用不同组分在两相中物理化学性质（如吸附力、分子极性和大小、分子亲和力、分配系数等）的差别，通过两相不断的相对运动，使各组分以不同的速率移动，而将各组分分离。工业中的应用原水首先透过过滤装置除去悬浮物及胶体，加入杀菌剂次氯酸钠防止微生物生长，然后经过反渗透和离子交换设备除去其中的大部分杂质，最后经紫外线处理将纯水中微量的有机物氧化分解成离子，再由离子交换器脱除，反渗透膜的终端过滤后得到超纯水送入用水点。用水点使用过的水已混入杂质，需经废水回收系统处理后才能排入河里或送回超纯水制造系统循环使用。01任务一 认识膜分离技术学习膜分离设备的结构、工艺流程和工作原理，会操作膜分离设备，能够分析、判断和解决膜分离生产中发生的生产问题。01任务一 认识膜分离技术子任务1认识膜分离装置膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离截至，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的膜组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离，并视线产物地提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。推动力:压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。01任务一 认识膜分离技术膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤压差（0.05～0.5MPa）筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差（0.1～1.0MPa）筛分蛋白质，多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差（1.0～10MPa）筛分盐，氨基酸，糖的浓缩，淡水制造透析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差筛分，荷电脱盐，氨基酸和有机酸的分离渗透气化压差，温差溶质与膜的亲和力有机溶剂与水的分离，共沸物的分离（如乙醇浓缩）01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术一、认识膜材料膜是膜分离实现的关键。膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区间，膜必须对被分离物质有选择透过的能力。膜按其物理状态分为固膜、液膜及气膜，目前大规模工业应用多为固膜；液膜已有中试规模的工业应用，主要用在废水处理中。固膜以高分子合成膜为主，近年来，无机膜材料(如陶瓷、金属、多孔玻璃等)，特别是陶瓷膜，因其化学性质稳定、耐高温、机械强度高等优点，发展很快，特别是在微滤、超滤、膜催化反应及高温气体分离中的应用充分展示了其优势性。01任务一 认识膜分离技术根据膜的性质、来源、相态、材料、用途、形状、分离机理、结构、制备方法等的不同，膜有不同的分类方法。01任务一 认识膜分离技术1.按膜孔径的大小分类膜按膜孔径的大小分为多孔膜和致密膜(无孔膜)。（1）多孔膜多孔膜内含有相互交联的曲曲折折的孔道，膜孔大小分布范围宽，一般为0.1～20μm,膜厚50～250μm。对于小分子物质，微孔膜的渗透性高，选择性低。当原料中一些物质的分子尺寸大于膜平均孔径，另一些分子尺寸小于膜的平均孔径时，用微孔膜可以实现这两类分子的分离。微孔膜的分离机理是筛分作用，主要用于超滤、微滤、渗析或用作复合膜的支撑膜。（2）致密膜致密膜又称为无孔膜,是一种均匀致密的薄膜，致密膜的分离机理是溶解扩散作用，主要用于反渗透、气体分离、渗透汽化。01任务一 认识膜分离技术2.按膜的结构分为类按膜的结构分为对称膜、非对称膜和复合膜。（1）对称膜膜两侧截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基本一致的膜称为对称膜。对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜，膜的厚度大致在10～200μm范围内，如图(a)所示。致密的均相膜由于膜较厚而导致渗透通量低，目前已很少在工业过程中应用。（2）非对称膜非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成，如图(b)所示。膜上下两侧截面的结构及形态不相同，致密层厚度约为0.1～0.5μm，支撑层厚度约为50～150μm。渗透通量一般与膜厚成反比，由于非对称膜的表皮层比致密膜的厚度(10～200μm )薄得多，故其渗透通量比致密膜大。01任务一 认识膜分离技术（3）复合膜复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称膜，如图(c)所示，但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同，皮层可以多层叠合。通常超薄的致密皮层可以用化学或物理等方法在非对称膜的支撑层上直接复合制得。01任务一 认识膜分离技术膜过程膜材料微滤聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚碳酸酯、聚（醚）砜、聚（醚）酰亚胺、聚醚醚酮等氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅超滤聚（醚）砜、磺化聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙稀腈 、聚（醚）酰亚胺、聚脂肪酰胺、醚酮、纤维素类等氧化铝、氧化锆纳滤聚酰（亚）胺反渗透二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、聚芬香酰胺类、聚合苯并咪唑（酮） 聚酰（亚）胺、聚酰胺酰阱、聚醚脲等电渗析、膜电解含有离子基团的聚电解质：磺酸型、季胺型等四氟乙烯和含磺酸或羧酸的全氟单体共聚物渗透气化弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺气体分离弹性态聚合物：聚二甲硅氧烷、聚甲基戊烯玻璃态聚合物：聚酰亚胺、聚砜膜接触器疏水聚合物：聚四氟乙烯、聚丙稀、聚乙烯、聚偏氟乙烯渗析亲水聚合物：再生纤维素、醋酸纤维素、乙烯－乙烯醇共聚物、乙烯－醋酸乙烯酯共聚物01任务一 认识膜分离技术膜材料的要求是：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化性能。反渗透、超滤、微滤用膜最好为亲水性，以得到高水通量和抗污染能力。气体分离，尤其是渗透蒸发，要求膜材料对透过组分优先吸附溶解和优先扩散。电渗析用膜则特别强调膜的耐酸、碱性和热稳定性。目前的膜材料大多是从高分子材料和无机材料中筛选得到的，通用性强，专用性强。01任务一 认识膜分离技术二、反渗透和纳滤装置1.反渗透装置反渗透膜分离技术研究方向主要是开发各种形式的膜组件。膜组件是指将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元。工业上应用反渗透膜组件有：螺旋卷式、中空纤维式、管式、板框式。最常用的形式为螺旋卷式和中空纤维式。01任务一 认识膜分离技术项目螺旋卷式中空纤维式管式板框式填充密度/（m2/m3）245183021150料液流速/（m3/m2﹒s）0.25～0.50.0051～50.25～0.5料液压降/MPa0.3～0.60.01～0.030.2～0.30.3～0.6易污染程度易易难中等清洗难易差差非常好好预过滤脱除组分/μm10～255～10不需要10～25相对价格低低高高4种膜组件性能及操作条件01任务一 认识膜分离技术（1）螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件结构如图所示，螺旋卷式膜是由平板膜卷制而成，在两层膜的反面(无脱盐层面)夹入产水流道(特殊织造、处理的化纤布)，在产水流道上涂环氧或聚氨酯黏合剂，与上下两层膜黏结形成口袋状，口袋的开口处朝向中心管，在膜的正面(有脱盐层面)铺上一层隔网，将该多层材料卷绕在塑料(或不锈钢)多孔产水集中管上，整个组件装入圆筒形耐压容器中。使用时料液沿隔网流动，与膜接触，透过液沿膜袋内的多孔支撑流向中心管，然后导出。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术螺旋卷式膜组件流道高度一般在0.7～0.8mm之间。流道高度较小的膜元件，优点是可以提高膜的装填密度。流道高度较大的元件，会使膜的装填密度略有缩小，但是这对减少压降和降低在盐水流道上结垢有利。螺旋卷式组件一般要求膜面流速为5～10cm／s，单个组件的压力损失很小，约为70～105kPa。当表面速度为25cm／s时，压降约为1000～1380kPa。螺旋卷式膜组件优点是：结构简单、造价低、膜面积与体积比中等(＜1200m2／m3)、抗污染、可现场置换、适用于各种膜材料、容易购买。缺点是：有产生浓差极化的趋势、不易清洗、在小规模应用中回收率较低。适用范围为：大、中、小型水处理厂。01任务一 认识膜分离技术（2）中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件结构如图所示，是将无数的中空纤维丝集中成束，再将纤维束做成U形回转，在平行于纤维束的中心部位有开孔中心管，纤维膜的开口端用环氧树脂浇铸密封，装入玻璃钢膜壳制成的单元件组件。中空纤维丝内径约为42～70μm，外径约为85～165μm，最大外径可达1mm以上，外径与内径之比为2～4。中空纤维反渗透膜元件直径为101.6～254mm，长度为457.2～1524mm。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术轴流式，轴流式的特点是进水流动方向与组件内中空纤维丝方向平行。放射流式，放射流式的特点是进水从位于组件中心的多孔管流出，沿着半径的方向从中心向外呈放射形流动。目前商品化的中空纤维膜组件多数是这种形式。纤维卷筒式，纤维卷筒式的特点是中空纤维丝在中心多孔管上呈绕线式缠绕，进水在纤维间旋转流动。中空纤维反渗透膜组件根据进水流动方式01任务一 认识膜分离技术0102030405由于中空纤维膜不用支撑体，在单组件内可以装几十万到上百万的中空纤维丝，膜面积与体积比高(约为16000～30000m2／m3)。对进水要求高、不易清洗。操作特点：外压式操作，单元件回收率约为50％，常用形式为单元件组件。压降低、单元件回收率高。中空纤维膜组件的特点:中空纤维膜一旦损坏是无法更换的。01任务一 认识膜分离技术（3）管式膜组件管式膜组件是由圆管式的膜及膜的支撑体等构成，按膜的断面直径不同，可分为管式、毛细管式和纤维管式(即前述中空纤维)，它们的差别主要是直径不同。直径大于10mm的为管式膜；直径在0.5～10mm之间的是毛细管膜；直径小于0.5mm的为中空纤维膜。根据膜在支撑体的内壁和外壁的不同，分为内压管式和外压管式组件。内压管式膜组件结构如图所示。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术管式组件是将膜浇铸在直径为3.2～25.4mm的多孔管上制成的。多孔管材料有玻璃纤维、陶瓷、炭、塑料、不锈钢等。将一支或几支膜管铸入端板，外面再套上套管，就成为管式膜装置。按照膜管的多少，可以分为单管式与列管式两种，在列管式中根据膜管的组合形式又分串联式与并联式。外压管式组件一般可以组装成管束式。为了提高膜的装填密度，同时又能改善水流状态，可将内、外压两种形式结合在同一装置中，即成为套管式。01任务一 认识膜分离技术优点：流道宽，能够处理含有较大颗粒和悬浮物的原料液。通常膜组件中可处理的最大颗粒直径应该小于通道高度的l／10。流速高，直径为1.25～2. 5cm的圆管式组件，在湍流条件下建议用2～6m／s的速度操作，流速与管径有关，当每根管子的流速为10～60L／min时，雷诺数通常大于10000。低污染，易清洗，也可以用放入清洗球或圆条的方法以帮助膜清洗。可在高压下操作，安装维修方便，有些组件可在工厂条件下就地更换。缺点：组件的装填密度是所有组件中最低的，膜面积与体积比低(通常小于100m2／m3)，成本高，膜材料选择余地窄。01任务一 认识膜分离技术（4）板框式膜组件板框式装置采用平板膜，仿板框压滤机形式，以隔板、膜、支撑板、膜的顺序多层重叠交替组装。隔板上开有沟槽，作为进水和浓水的流道。支撑板上开孔作为产水通道。装置体积紧凑，简单地增加或减少膜的层数，就可以调整处理量。板框式膜组件结构如图所示。同螺旋卷式、中空纤维和管式相比，板框式装置最大特点是制造组装简单、易拆卸、操作方便，膜的清洗、更换、维护比较容易。01任务一 认识膜分离技术优点：板框式流道是敞开式流道，流道高度一般在0.5～1.0mm之间，原水流速可达1～5m／s。由于流道截面积比较大，对原水的预处理要求较低，可以将原水流道隔板设计成各种形状的凹凸波纹以实现湍流。膜污染低，可选用不同的膜。缺点：膜面积与体积比小(通常小于400m2／m3)，易泄漏，成本高。适用范围：小型水处理厂或浓缩分离。01任务一 认识膜分离技术2.反渗透系统主要部件压力容器(膜壳)用于容纳1～7个膜元件，承受给水压力，保护膜元件。经过合理的排列组合，构成一个完整的脱盐体系。材质一般为增强玻璃钢，也有的使用不锈钢。保安过滤器也叫精密过滤器，一般置于多介质过滤器之后，是反渗透进水的最后一级过滤。要求进水浊度在2mg／L以下，其出水浊度可达0.1～0.3mg／L。在实际应用中，用于反渗透前置过滤时，可选用5μm或10μm滤芯。保安滤器的设计原则是安装方便、开启灵活、配水均匀、密封性好、留有余量。高压泵在反渗透系统中，高压泵提供反渗透膜脱盐时必需的驱动力。反渗透进水压力要远远大于溶液的渗透压和膜的阻力。反渗透系统采用的高压泵大多为多级离心泵，也有用高速离心泵的。高速离心泵的特点是转速高、扬程大、体积小、维修方便，缺点是效率较低。测量仪表：①流量表，测定进水和产水的流量；②压力表，测定保安滤器进出口压力、反渗透组件进出口压力、产水压力、浓水压力；③pH计，测定反渗透进出水pH；④电导(阻)率仪，测定反渗透进水、产水的电导，有些场合还包括浓水电导的测量；⑤另外还有反渗透进水需要的温度计、SDl、氯表等。控制仪表：低压开关、高压开关、水位开关、高氧化还原电位(ORP)表等，还有数据记录、报警系统以及各种电器指示、控制按钮。辅助设备反渗透系统的辅助设备主要是停机冲洗系统和化学清洗装置。高压操作的海水淡化或高盐度苦咸水淡化系统，为节约能耗，需配备能量回收系统。01任务一 认识膜分离技术三、微滤装置微孔过滤与超滤、反渗透都是以压力为推动力的液相膜分离过程。三者并无严格的界限，它们构成了一个从可分离离子到固态微粒的三级分离过程。微孔滤膜制备时大都制成平板膜，在应用时普遍采用褶页式折叠滤芯，其结构如图所示。01任务一 认识膜分离技术先进的微滤器是自清洗过滤器，将微孔滤膜像制造褶页式滤芯那样折叠，内径远远大于普通滤芯，以便清洗头在里面运作。也有制成PE烧结管的形式，在工业应用时通过黏结达到设计长度，将很多烧结管排列在金属壳体里，构成一定处理能力的过滤装置。常规微滤膜组件以平板式和折叠滤芯为主，也有板框式、卷式、管式和中空纤维式(或毛细管式)。01任务一 认识膜分离技术四、电渗析装置电渗析装置是由电渗析器、过滤器等处理设备、整流器、输送泵、贮水槽、配管以及仪表等构成。其核心设备是装有离子交换膜的电渗析器。电渗析装置如图所示。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术（一）电渗析装置分类可行性说明脱盐用电渗析装置：以去除盐分为主要目的，一般用于海水或苦咸水等盐水制造饮用水或工业水、锅炉用水的前处理等。电解用电渗析装置：以离子交换膜作为电解隔膜，一般用于以电极通过电解氧化还原反应，制取酸、碱和有机物等。浓缩用电渗析装置：以有成分的浓缩回收为目的，通常用于由海水制取食盐，由电渡废液回收有价金属等。其他电渗析装置：利用离子交换膜的选择透过性，进行复分解反应或置换反应，来抽取有机物或盐。124301任务一 认识膜分离技术（二）电渗析器的构造电渗析器主要由浓、淡水室隔板、离子交换膜、极水隔板、电极以及锁紧装置组装而成。其中众多浓、淡水隔板和阴阳离子交换膜交替排列，如图所示。浓室和淡室共同构成膜堆，是电渗析器的主体。在膜堆的两端分别设有阳极、阳极室和阴极、阴极室，称之为极区。膜堆和极区按要求顺序由紧固装置锁紧。其内部结构如图所示。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术（1）膜堆一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元—膜对，若干组膜对堆叠构成膜堆。隔板是隔板框和隔板网组合体的总称。主要作用是支撑膜，使阴、阳膜之间保持一定的间隔，同时也起着均匀布水的作用。隔板上有配水孔、布水槽、流水道以及搅动水流用的隔网。浓、淡水隔板由于连接配水孔与流水道的布水槽的位置有所不同，而区分为隔板甲和隔板乙，并分别构成相应的浓室和淡室。隔板材料有聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶等。隔板流水道分为有回路式和无回路式两种，有回路式隔板流程长、流速快、电流效率高、一次除盐效果好，适用于流量较小而除盐率要求较高的场合；无回路式隔板流程短、流速低、要求隔网搅动作用强、水流分布均匀，适用于流量较大的除盐系统。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术（2）极区电渗析器两端的电极区连接直流电源，还设有原水进口，淡水、浓水出口以及极室水的通路。电极区由电极、极框、电极托板、橡胶垫板等组成，极框较隔板厚，放置在电极与阳模之间，以防止膜贴到电极上，保证极室水流通畅，排除电极反应产物。常用电极材料有石墨、钛涂钌、铅、不锈钢等。01任务一 认识膜分离技术（3）紧固装置紧固装置用来把整个极区与膜堆均匀夹紧，使电渗析器在压力下运行时不致漏水。压板由槽钢加强的钢板制成，紧固时四周用螺杆拧紧。01任务一 认识膜分离技术子任务2认识膜分离工艺流程一、反渗透和纳滤工艺流程1.渗透与反渗透原理在容器中，如果用半透膜把它隔成两部分，膜的一侧是溶液，另一侧是纯水(溶剂)，由于膜两侧具有浓度差，纯水自发通过半透膜向溶液侧扩散，这种分离现象称为渗透。渗透的推动力是渗透压。对于只能使部分溶剂或溶质透过的膜称为半透膜。半透膜只能使某些溶质或溶剂透过，而不能使另一些溶质或溶剂透过，这种特性称为膜的选择透过性。反渗透是利用半透膜只透过溶剂(如水)而截留溶质(盐)的性质，以远远大于溶液渗透压的膜两侧静压差为推动力，实现溶液中溶剂和溶质分离的膜分离过程。01任务一 认识膜分离技术许多天然或人造的半透膜对于物质的透过具有选择性。如图所示，在容器中半透膜左侧是溶剂和溶质组成的浓溶液(如盐水)，右侧是只有溶剂的稀溶液(如水)。渗透是在无外界压力作用下，自发产生水从稀溶液一侧通过半透膜向浓溶液一侧流动的过程。渗透的结果是使浓溶液侧的液面上升，一直到达一定高度后保持不变，半透膜两侧溶液的静压差等于两个溶液间的渗透压。不同溶液间有不同的渗透压。当在浓溶液上施加压力，且该压力大于渗透压时，浓溶液中的水就会通过半透膜流向稀溶液，使浓溶液的浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术要有一种高选择性、高透过率的膜。要有一定的操作压力，以克服渗透压和膜自身的阻力。反渗透过程必备条件01任务一 认识膜分离技术不认为反渗透膜存在微孔结构的氢键理论反渗透膜渗透机理反渗透膜具有微孔结构，择性吸附毛细流动理论01任务一 认识膜分离技术（1）氢键理论氢键理论把膜视为一种具有高度有序矩阵结构的聚合物，具有与水等溶剂形成氢键的能力，盐水中的水分子能与半透膜的羰基上的氧原子形成氢键，形成“结合水”。在反渗透力推动的作用下，以氢键结合进入膜表皮层的水分子能够从第一个氢键位置断裂，转移到下一个位置，形成另一个新的氢键。这些水分子通过一连串的形成氢键和断裂氢键而不断移位，直至离开膜的表皮致密活性层进入多孔性支撑层，由于多孔层含有大量毛细管水，水分子畅通流出膜外，产生流出的淡水。01任务一 认识膜分离技术（2）选择性吸附-毛细流动理论选择性吸附－毛细流动理论把反渗透膜看作是一种微细多孔结构物质，这符合膜表面致密层的情况。该理论以吉布斯(Gibbs)吸附方程为基础，认为当盐的水溶液与多孔的反渗透膜表面接触时，如果膜具有选择吸附纯水而排斥溶质(盐分)的化学特性，也即膜表面由于亲水性原因，可在固-液表面上形成厚度为1个水分子厚(0.5nm)的纯水层。01任务一 认识膜分离技术2.不同工艺流程及其适用场合为了使反渗透装置达到给定的回收率，同时保持水在装置内的每个组件中处于大致相同的流动状态，必须将装置内的组件分为多段锥形排列，段内并联，段间串联。组件的排列方式有一级和多级(通常为二级)，具体可分为一级一段、一级二段、一级多段和多级多段。所谓段是指前一组膜组件的浓水流经下一组膜组件处理，流经几组膜组件即称为几段，在同一级中，排列方式相同的组件组成一个段。所谓一级是指进水(料液)经过一次高压泵加压，多级指前一级的产品水再经高压泵加压进入膜组件处理，产品水经几次膜组件处理即称为几级。01任务一 认识膜分离技术（1）一级一段连续式一级一段连续式工艺过程中，经膜分离的产水和浓水连续引出系统。这种方式水的回收率较低，一般除用于海水淡化外，其他工业中很少采用。01任务一 认识膜分离技术（2）一级一段循环式一级一段循环式工艺过程中，为提高水的回收率，将部分浓水返回原水箱与原水混合后，再进入系统处理。这种方式适合对产水水质要求不高且对水的利用率有较高要求的场合。01任务一 认识膜分离技术（3）一级多段连续式一级多段连续式工艺流程适合大规模工业应用。它是把第一段的浓水作为第二段的进水，再把第二段的浓水作为下一段的进水，各段的产水连续引出系统。这种方式能得到很高的水回收率。为了保证各段组件膜面流速基本相同，防止加大浓差极化，可将各段组件数成比例减少，形成锥形排列，其流程如图所示。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术（4）一级多段循环式一级多段循环式,能获得高浓度的浓缩液。将第二段的产水(渗透液)返回第一段进水，再进行处理。这样经过多段分离处理后，浓缩液的浓度便得到提高。这种工艺流程适用于以浓缩为目的的工程项目。01任务一 认识膜分离技术（5）多级多段排列组件的多级多段排列也可分为连续式和循环式。多级多段连续式的应用与一级多段连续式相同，只不过在各级之间增加了高压泵提升。多级多段循环式是将第一级产水作为下一级的进水进行反渗透分离，将最后一级的产水作为最终产水。而浓水从后一级向前一级返回，与前一级进水混合后作为前一级的进水进行反渗透分离。这种方式既提高了水的回收率又提高了最终产水水质。缺点是由于泵数量的增加，能耗加大。01任务一 认识膜分离技术二、超滤工艺流程超滤膜组件形式与反渗透组件基本相同，有板框式、螺旋卷式、管式和中空纤维式。其中中空纤维式用得最多。中空纤维式分内压式和外压式两种操作模式，由于内压式进水分配均匀，流动状态好，而外压式流动不均匀，所以中空纤维超滤多用内压式。01任务一 认识膜分离技术超滤装置基本操作模式有两种，即死端过滤和错流过滤。工业超滤装置大多采用错流式操作，在小批量生产中也采用死端过滤操作。错流操作流程可以分为间歇式和连续式两种。01任务一 认识膜分离技术间歇操作适合于小规模生产过程，是将一批料投入料液槽中，用泵加压后送往膜组件，连续排出渗透液，浓缩液则返回槽中循环过滤直到浓缩液浓度达到设定值为止。间歇操作浓缩速度快，所需面积最小。01任务一 认识膜分离技术间歇操作又可以分为开式回路和闭式回路，后者可以减少泵的能耗，尤其是对于料液需经预处理时更有利。01任务一 认识膜分离技术连续操作常用于大规模生产产品的处理。闭式回路循环的单级连续操作效率较低，可采用多级串联操作。01任务一 认识膜分离技术三、微滤工艺流程微滤操作分为死端过滤（全过滤)和错流过滤。死端过滤与普通过滤一样，原料液置于膜的上游，在原料液侧加压或在透过液侧抽真空，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒被膜截留沉积在膜面上。随着过滤的进行，沉积层不断增厚压实，过滤阻力将不断增加。在操作压力不变的情况下，膜渗透能量将减小。因此，死端过滤操作必须间歇进行，定期对膜组件进行冲洗和反冲洗。死端过滤方式的进水压力变化在0.05～0.25MPa之间，当进水压力增大到设计值时需要进行反冲洗，死端过滤工艺能耗为0.l～0.5kW·h／m3渗透液。死端过滤优点是回收率高，缺点是膜污染严重。01任务一 认识膜分离技术错流过滤的原料液流动方向与滤液的流动方向呈直角交叉状态。在错流过滤操作中，原料液与膜面平行流动，所产生的湍流能够将膜面沉积物带走，因而不易将膜表面覆盖，可避免滤速下降，膜污染程度减轻。错流方式的缺点是为保证高回收率要有部分浓缩液回流至进料液，故增加能耗。01任务一 认识膜分离技术四、透析工艺流程渗析(也称透析)是物理现象，用半透膜将容器分隔成两部分，如图所示，一侧是含盐的蛋白质溶液，另一侧是纯水。蛋白质不能通过半透膜，故浓度没有变化；溶液中的低分子盐则通过半透膜向纯水侧扩散；而纯水侧的水也通过半透膜向溶液侧渗透，一直到两侧的盐和水达到动态平衡。01任务一 认识膜分离技术五、电渗析工艺流程电渗析装置工艺流程往往采用不同数量的级和段来连接。一对电极之间的膜堆称为一级，具有同向水流的并联膜堆称为一段。增加段数说明增加脱盐流程，即提高脱盐率；增加膜堆数，则可提高水处理量。01任务一 认识膜分离技术一级一段是电渗析器的基本组装方式。可采用多台并联以增加产水量，也可用多台串联以提高脱盐率。采用二级一段可以降低操作电压，即在一级一段的膜堆中增加中间电极（共电极）。对于小水量，可以采用一级多段组装方式。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术六、其他膜分离装置及工艺流程1.气体膜分离气体膜分离发展迅猛，日益广泛地用于石油、天然气、化工、冶炼、医药等领域。作为膜科学的重要分支，气体膜分离已逐渐成为成熟的化工分离单元。常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。气体膜分离主要是根据混合原料气中各组分在压力的推动下，通过膜的相对传递速率不同而实现分离的。由于各种膜材料的结构和化学特性不同，气体通过膜的传递扩散方式不同。气体分离膜大多使用中空纤维式膜件或卷式膜件。01任务一 认识膜分离技术2.渗透蒸发渗透蒸发又称渗透汽化，是有相变的膜渗透过程。膜上游物料为液体混合物，下游透过侧为蒸气，为此，分离过程中必须提供一定热量，以促进过程进行。渗透蒸发过程具有能量利用效率高、选择性高、装置紧凑、操作和控制简便、规模灵活可变等优点。对某些用常规分离方法能耗和成本非常高的分离体系，特别是近沸、共沸混合物的分离，渗透蒸发过程常可发挥它的优势。01任务一 认识膜分离技术根据膜两侧蒸气压差形成方法的不同，渗透蒸发可以分为以下几类。①真空渗透蒸发膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸气压差，如图（a）所示。②热渗透蒸发或温度梯度渗透蒸发通过料液加热和透过侧冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸气压差。一般冷凝和加热费用远小于真空泵的费用，且操作也比较简单，但传质推动力小，如图（b）所示。③载气吹扫渗透蒸发用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分，如图（c）所示。吹扫气经冷却冷凝以回收透过组分，载气循环使用。若透过组分无回收价值(如有机溶剂脱水)可不用冷凝，直接将吹扫气放空。01任务一 认识膜分离技术渗透蒸发过程用膜与气体分离膜类似，主要使用非对称膜和复合膜。随着料液流率的增加，料液的湍动程度加剧，减小了上游侧边界层的厚度，减少了传质阻力，因此使得组分的渗透通量得到提高。在某些条件下，料液边界层的传质阻力甚至起支配作用。渗透蒸发过程分离效率的高低，既取决于膜材料和制膜工艺，同时还取决于膜组件的型式和膜组件内的流体力学。板框式膜组件结构简单，但流体力学状况往往较差；螺旋卷式膜组件流体力学性能良好，但分布器的设计和膜内压降成为主要矛盾；中空纤维膜组件则存在较为严重的径向温度和压力分布。01任务一 认识膜分离技术渗透蒸发的应用可分：①有机溶剂脱水；②水中少量有机物的脱除；③有机混合物的分离。有机溶剂脱水，特别是乙醇、异丙醇的脱水。01任务一 认识膜分离技术七、膜分离的应用和发展方向膜分离技术目前已普遍用于化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域。主要用于物质分离，如气体及烃类的分离、海水和苦咸水淡化、纯水及超纯水制备、中水回用和污水处理、生物制品提纯等。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术八、膜分离操作的工业应用实例1.含氨废水处理采用膜法处理氨氮废水，能将废水中的氨氮以硫铵（或气氨）的形式回收利用，简化了工艺，投资少、能耗低、分离效果好，而且不造成二次污染。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术2.海水或苦咸水的淡化图示为长岛淡化站的工艺流程图。流程如下：先用预处理泵A或泵B将原水抽送到双层滤料过滤器1，过滤水中加入次氯酸钠和偏磷酸钠，进入精密滤器2，进入过滤水箱3，EP为预处理系统。过滤水箱内的水用反渗透高压泵加压后打入反渗透组件6~11，进入清水箱13。其中的浓缩水排到浓水池，定期排入海里。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术3.空气净化如图所示，空气净化系统由四套装置组成，初效过滤器是第一级净化过滤，将压缩空气中的大量污染物除去；中效过滤器是将污染物降低到更低水平，保证高效过滤器的使用寿命；高效过滤器是由多孔膜折叠制成百褶裙式芯筒过滤器，具有优秀的气体净化效果，使净化后的气体不带杂菌和噬菌体。蒸汽过滤器是对高效过滤器蒸汽灭菌时用的高压蒸汽实施过滤，以除掉蒸汽中的固体颗粒，防止高效过滤器在消毒时，滤材被蒸汽中的固体颗粒损伤。01任务一 认识膜分离技术01任务一 认识膜分离技术4.膜法回收有机蒸汽在石油化工、油漆涂料、溶剂喷涂等工业中，每天有大量的有机蒸汽向大气中散发，回收这些蒸汽是完全必要的。采用膜分离法比较经济可行。图为膜法回收汽油蒸汽的流程。原料气中烃类浓度为40%左右，经过膜法分离后的烃类浓度低于5%，去除率大于90%。01任务一 认识膜分离技术5.膜法回收油田采油中的二氧化碳如图所示，为了强化原油回收，利用二氧化碳在超临界状态下，对原油具有高溶解能力的特性，在高压下注入贫油的油田并以增加原油的产量。原油被送出油井后，其中80%的二氧化碳分离回收后，重新注入油井反复使用。

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