项目二 多功能膜分离实训
一、概述
本项目讨论的膜分离是指利用固体薄膜对混合物组分选择性透过的性能使混合物分离的过程。
膜分离技术是在20世纪60年代后迅速崛起的一门新的分离技术。它具有分离、浓缩、纯化和精制的功能，还有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等优良的特性，因此，目前已被广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，也产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。
（一）膜分离的分类和特点
1.膜分离的分类
按照分离膜孔径和成膜材料分类，应用较多的膜分离技术主要有微滤、超滤、纳滤、反渗透以及气体分离等。各种膜过程具有不同的分离机理，可满足不同的分离条件和分离对象。
按分离原理及被分离物质的大小区分的膜分离种类如表2-1所示，可见几乎所有的膜分离技术均可应用于任何分离、提纯和浓缩领域。
表2-1 膜分离的分类
其中反渗透和纳滤作为主要的水及其他液体分离膜之一，在分离膜领域内占重要地位，也是本章实训学习的重点。
无论是工业生产用水或是生活用水均对水的硬度、含盐量有一定的要求。比如让含有硬度、盐类的水进入锅炉，会在锅炉内生成水垢，降低传热效率、增大燃料消耗，甚至因金属壁面局部过热而烧损部件。因此，对于低压锅炉，一般要进行水的软化处理，对于中、高压锅炉，则要求进行水的软化与脱盐处理。除盐处理的基本方法就是膜分离（反渗透、电渗析）法。
2.膜分离的特点
膜分离技术因低能耗、高效率的优良特点被认为是理想的分离技术之一。利用膜分离技术进行分离所具有的特点如下。
①膜分离过程中不发生相变化，分离过程可以保持产品原有的性质，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此膜分离技术是一种节能技术。
②膜分离过程是常温下进行，在压力的驱动下分离，非常适用于对热敏性物质，如抗生素、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩。
③膜分离过程中不发生化学变化，是典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。
④膜分离技术适用分离的范围极广，选择性较好，从微粒级别的物质到微生物菌体，甚至离子级别都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型，具有普遍滤材无法取代的卓越性能。
⑤膜分离技术是以压力差作为驱动力，采用装置简单，操作方便，处理规模可大可小，可以续进行也可以间歇进行，工艺简单，易于自动化。
（二）膜材料
膜材料应具有良好的成膜性、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（用于气体过滤的膜要求有很好的疏水性），以得到高水通量和抗污染能力。电渗析用膜则特别强调膜的耐酸、碱和热稳定性。气体分离，特别是渗透汽化，要求膜材料对透过组分有优先溶解、扩散能力。若用于有机溶剂分离，还要求膜材料能耐溶剂。
1.高分子膜材料
用作膜材料的主要聚合物如表2-2所示。
表2-2 用作膜材料的主要聚合物
2.无机膜材料
无机膜可以分为致密膜和多孔膜两大类。致密膜一类主要有各类金属及其合金膜，如金属钯膜、金属银膜以及钯-镍、钯-金、钯-银合金膜。另一类致密膜则是氧化物膜，主要有三氧化二钇稳定膜、钙钛矿型氧化物膜、二氧化锆膜、三氧化二铝膜、氢氧化锆膜等。多孔膜按孔径范围可分为三类，即孔径大于50mm为粗孔膜，孔径介于2～50mm为过渡孔膜，孔径小于2mm为微孔膜。
按材料无机膜又可分为金属膜、合金膜、陶瓷膜、高分子金属配合膜、分子筛复合膜、沸石膜、玻璃膜等。
工业用无机多孔膜主要由三层结构构成，即多孔载体、过渡层和活性分离层。多孔载体的孔径一般在10～15μm，过渡层的孔径在0.2～5μm，分离层孔径为4～5μm，厚度一般为0.5～10μm。
（1）无机膜的优点
①高温下的稳定性好。
②当膜两侧有很大压力梯度时，膜力学性能稳定好（不可压缩，不蠕变）。
③化学性质稳定好，特别耐有机溶剂。
④不会老化、寿命长。
⑤允许使用条件苛刻的清洗操作（如蒸汽灭菌，高温反冲洗）。
⑥容易实现电催化和电化学活化。
⑦物料透过量大，污染少。
⑧容易控制孔径大小和孔径尺寸分布。
（2）无机膜的缺点
①膜脆，易碎，需特殊构型和组装。
②设备费相对较高。
③在有缺陷时，整修费用较高。
④高温应用，密封较复杂。
3.对膜的基本要求
首先要求膜的分离透过特性好，通常用膜的截留率、透过通量、截留分子量等参数表示。不同的膜分离过程，习惯上使用不同的参数以表示膜的分离透过特性。
（1）截留率R 其定义式为：
（2-1）
式中，c1，c2分别表示料液主体和透过液中被分离物质（盐、微粒或大分子等）的浓度，mol/L。
（2）透过速率（通量）J 指单位时间、单位膜面积的透过物量，常用单位为kmol/（m2·s）。由于操作过程中膜的压密、堵塞等多种原因，膜的透过速率将随时间增长而衰减。透过速率与时间的关系一般服从下式：
J=J0τm （2-2）
式中 J0——操作初始时的透过速率；
τ——操作时间，s；
m——衰减指数。
（3）截留物的分子量 当分离溶液中的大分子物质时，截留物的分子量在一定程度上反映膜孔的大小。但是通常多孔膜的孔径大小不一，被截留物的分子量将分布在某一范围内。所以，一般取截留率为90%的物质的分子量称为膜的截留分子量。
截留率大、截留分子量小的膜往往透过通量低。因此，在选择膜时需在两者之间做出权衡。
此外，还要求分离用膜有足够的机械强度和化学稳定性。
（三）膜组件
膜组件是按一定技术要求将膜及其支撑材料封装在一起的组合构件。它与相应的构架或容器、泵、阀门、仪表及管路等组成膜分离装置。膜组件是膜装置的核心部件。
膜组件的基本要求如下。
①流体流动速率均匀，无静水区。
②具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。
③具有尽可能高的装填密度。
④制造成本低。
⑤膜或膜组件的装拆、更换方便，并容易维护。
⑥压力损失小，能耗低。
常用的膜组件主要有：板框式、圆管式、卷绕式、中空纤维式和集装式等五种类型。
1.板框式
板框式膜组件是最早问世的一种膜组件形式，其外观与板框式压滤机很相似，所不同的是板框式膜组件的过滤介质是膜而不是帆布。按结构可分为平板式、圆盘式（系紧螺栓式）和耐压容器式三种。
系紧螺栓式膜组件如图2-1所示。
图2-1 圆盘式（系紧螺栓式）膜组件
1—系紧螺栓；2—O形密封环；3—膜；4—多孔板
圆形承压板、多孔支撑板和膜经过黏结密封构成脱盐板，再将一定数量的这种脱盐板多层堆积起来，用O形密封圈密封，最后再将上下盖（法兰）以螺栓固定系紧而得。原水由上盖进口流经脱盐板的分配孔，在诸多脱盐板的膜面上逐层流动，最后从下盖的出口流出。透过膜的淡水流经多孔支撑板后，于承压板的侧面管口处被导出。承压板由耐压、耐腐蚀材料制成。支撑材料可选用各种工程塑料、金属烧结板等，其主要作用是支撑膜和提供淡水通道。
2.圆管式
圆管式膜组件是在圆筒形支撑体的内侧或外侧配制薄膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式连成一体而组成，外形与列管式换热器相似。按结构可分为内压型单管式、内压型管束式、外压型单管式和外压型管束式，外压型由于需要耐高压的外壳，应用较少。内压型管束式反渗透膜组件如图2-2所示。
图2-2 内压型管束式反渗透膜组件
1—玻璃纤维管；2—反渗透膜；3—末端配件；4—PVC淡化水搜集外套
在多孔耐压管内壁上直接喷注成膜壁，再把耐压管装配成相连的管束，然后把管束装在一个大的收集管内，构成管束式淡化装置。原水由装配端的进口流入，经耐压管内壁的膜管，于另一端流出，淡水透过膜后由收集管汇集。
3.卷绕式
卷绕式膜组件的结构是由中间为多孔支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成。其中三个边沿被密封而黏结成信封状的膜袋，开口与中心集水管密封连接，然后再衬上隔网，并连同膜袋一起绕中心集水管紧密地卷成一个膜卷（或称膜元件），再装入圆筒形压力容器内，构成一个卷绕式膜组件，如图2-3所示。
图2-3 卷绕式膜组件
1—收集水管；2—抗伸缩装置；3—膜；4—多孔支撑体；5—隔网；6—黏合剂
4.中空纤维式
中空纤维式膜组件是将大量的（可以是几十万根以上）中空纤维膜管（外径为50～200μm，内径为25～42μm）弯成U形装入圆筒形压力容器内，如图2-4所示。
图2-4 中空纤维式膜组件
1—O形密封环；2—端板；3—流动网格；4—中空纤维膜；5—外壳；6—原水分布管；7—环氧树脂管板；8—支撑管；A—中空纤维膜放大截面图
纤维束的开口端用环氧树脂浇铸成管板。纤维束的中心轴部安装一根原料液分布管，使原液径向均匀流过纤维束。纤维束的外部包以网布使纤维束固定并促进原液的湍流状态。淡液透过纤维的管壁后，沿纤维的中空内腔，经管板放出，被浓缩的原水则在容器的另一端排出。