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第四章高分子分离膜与膜分离技术
概述
分离膜与膜分离技术的概念
分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质
的分隔两相或两部分的界面。膜的形式可以是固态
的,也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是
液态的,也可以是气态的。膜至少具有两个界面,
膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行
传递。分离膜对流体可以是完全透过性的,也可以
是半透过性的,但不能是完全不透过性的。膜在生
产和研究中的使用技术被称为膜技术。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广
度的开拓,物质的分离已成为重要的研究课题。分
离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离;异
种物质的分离;不同物质状态的分离等。
在化工单元操作中,常见的分离方法有筛分、
过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。
然而,对于高层次的分离,如分子尺寸的分离、生
物体组分的分离等,采用常规的分离方法是难以实
现的,或达不到精度,或需要损耗极大的能源而无
实用价值。
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具有选择分离功能的高分子材料的出现,使上
述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是
以具有选择透过性的膜作为分离的手段,实现物质
分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程
的推动力有浓度差、压力差和电位差等。膜分离过
程可概述为以下三种形式:
①渗析式膜分离
料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的
推动下,透过膜进入接受液中,从而被分离出去。
属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等;
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
②过滤式膜分离
利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过
膜的速率差别,达到组分的分离。属于过滤式膜分
离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等;
③液膜分离
液膜与料液和接受液互不混溶,液液两相通过
液膜实现渗透,类似于萃取和反萃取的组合。溶质
从料液进入液膜相当于萃取,溶质再从液膜进入接
受液相当于反萃取。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择
渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分
离技术。膜分离过程的共同优点是成本低、能耗
少、效率高、无污染并可回收有用物质,特别适合
于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、
生物物质组分等混合物的分离,因而在某些应用中
能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。
实践证明,当不能经济地用常规的分离方法得到较
好的分离时,膜分离作为一种分离技术往往是非常
有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合
起来使用,使技术投资更为经济。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外),
常温下即可操作;由于避免了高温操作,所浓缩和
富集物质的性质不容易发生变化,因此在膜分离过
程食品、医药等行业使用具有独特的优点;膜分离
装置简单、操作容易,对无机物、有机物及生物制
品均可适用,并且不产生二次污染。由于上述优
点,近二三十年来,膜科学和膜技术发展极为迅
速,目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日
常生活中不可缺少的分离方法,越来越广泛地应用
于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、
轻纺、海水淡化等领域。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
膜分离技术发展简史
高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年,
耐克特(A. Nelkt)发现水能自动地扩散到装有酒
精的猪膀胱内,开创了膜渗透的研究。1861年,施
密特(A. Schmidt)首先提出了超过滤的概念。他
提出,用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤
时,若在溶液侧施加压力,使膜的两侧产生压力
差,即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小
粒子,其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过
滤。按现代观点看,这种过滤应称为微孔过滤。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
然而,真正意义上的分离膜出现在20世纪60年
代。1961年,米切利斯(A. S. Michealis)等人用各
种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—
丙酮—溴化钠为溶剂,制成了可截留不同分子量的
膜,这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首
先将这种膜商品化。50年代初,为从海水或苦咸水
中获取淡水,开始了反渗透膜的研究。1967年,Du
Pont公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空
纤维反渗透膜组件。同一时期,丹麦DDS公司研制
成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
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第四章高分子分离膜与膜分离技术
自上世纪60年代中期以来,膜分离技术真正实
现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜(简称
UF膜)、微孔过滤膜(简称MF膜)和反渗透膜
(简称RO膜)。以后又开