膜过滤技术原理及应用
天津大学化工学院
王志教授
内容
1、固液分离膜
2、微滤过程
3、超滤过程
4、渗滤过程
5、纳滤过程
6、膜过滤通量衰减及其防治
7、膜器及膜过程设计
1、固液分离膜
¾微滤膜：膜孔径0.02-10μm ¾超滤膜：膜孔径1-100nm
膜结构
¾膜结构的层次形态结构
结晶态结构
分子态结构
形态结构
表层结构
¾无孔，致密，平滑¾球形小瘤
¾聚集体，凹凸
¾开放的网络孔
¾孔洞，针孔，亮点
过渡层与支撑层结构
¾近似球形孔（海绵状结构）¾指状孔或大孔穴
不同类型膜横断面示意图
不对称聚砜超滤膜横截面——海绵状（蜂窝状）孔结构
指状孔结构
陶瓷微滤膜
（a）阳极氧化法（表面）（b）烧结法（图上部为横断面）
微孔陶瓷膜扫描电镜照片
聚合物微滤膜
(a)相转化法, （b）拉伸法；（c）径迹蚀刻法
中空纤维超滤膜
2 微滤过程
2.1 特性
1. 分离目的: 得到不含粒子的液体或气体
2. 截留物的尺寸与性质:0.02-10 mm 粒子
3.透过膜的物质:不含粒子的液体或气体
4. 推动力: 压力差, ∼0.2 MPa
5. 传质/选择性机理: 筛分
6. 供料和渗透物的相态: 液体或气体
7. 流动形式: “死端过滤(dead-end
filtration)”或“错流过滤(cross-flow filtration)”
2.2 死端过滤与错流过滤的比较
2.3 微滤应用
¾制药工业的消毒：制药产品中细菌的去除；去除制药产品及其原料中的有机和无机粒子。

¾抗生素的澄清
¾哺乳动物细胞的微过滤
¾饮料的澄清：啤酒，葡萄酒，矿泉水。

¾半导体生产工业中流体的纯化：空气过滤，化学试剂过滤，去离子水过滤。

¾分析化验：微生物化验，粒子污染的监测，微孔膜上细胞生长的研究。

¾反渗透或超滤的预处理。

3 超滤过程
3.1 特性
1.分离目的：得到无大分子溶质的溶液，无小分子溶质的大分子溶质溶液，或大分子溶质的分级。

2. 截留物的尺寸与性质:1-100nm 的大分子溶质，对应分子量300-500000。

3.透过膜的物质:微小溶质溶液。

4. 推动力: 压力差，0.2∼1 MPa
5. 传质/选择性机理: 基本上是筛分
6. 供料和渗透物的相态: 液体
7. 流动形式: 多数是“错流过滤”
3.2 超滤应用
¾分离电泳漆过程的淋洗水把漆循环到浸渍槽、使淋洗水再利用。

¾酪乳清浓缩／分离乳糖中的蛋白质、无机物
¾果汁澄清去除苹果汁中的浊雾成分
¾纺织定径剂纺织品洗净后去除聚乙烯醇
¾酒澄清去除红、白酒中的浊雾成分
¾油/水乳化从焚化废水中浓缩金属切割油（润滑剂）
¾聚合物胶乳从废水中浓缩的胶乳化液
¾脱蜡分离低烷烃中的蜡
¾脱沥青重油脱沥青中溶剂回收/循坏
¾蛋白预浓缩喷雾干燥前的部分脱水
¾发酵液从细胞或细胞屑中分离低分子量有机物／治疗剂
¾高岭土浓缩离心前粘土泥浆部分脱水
¾水处理污泥脱水前的浓缩
¾亲合性膜截留非络合蛋白质中的配位络合物¾反渗透的预处理截留胶体硅、细菌
4 渗滤/洗滤过程
4.1 过程描述
间歇过程：（1）稀释溶液（2）超滤（3）再稀释（4）再超滤。

连续过程：稀释（加水）和超滤同时连续进行。

4.2 DF与D的比较
1. 分离目的一样，都是为了脱除低分子量物质。

2. 推动力不同。

DF为压差，D为浓度差。

3. DF实际是一种超滤过程。

5 纳滤过程
5.1纳滤特性
¾“低压反渗透”或“低截留分子量超滤”
¾压差：~1MPa
¾截留物的尺寸：1-10 nm，(氨基酸，抗生素，染料)¾膜：荷电膜，中性膜
¾截留数百分子量有机物或无机物，高价离子(大小与低价离子相当，0.1-0.2nm)
5.2纳滤的应用
¾废水处理：电镀废水，纸浆和造纸废水，染料废水，食品加工废水，其它有害废水。

¾地表水和地下水处理——饮用水生产。

¾海水软化与淡化
¾食品、药物、染料等的分离与提纯。

6、膜过滤通量衰减及其防治
通量衰减的原因
¾滤饼形成
¾浓差极化
¾膜污染
6.1 浓差极化
¾浓差极化的概念及产生原因¾浓差极化的数学模型
6.2 膜污染
¾概念及产生原因
¾膜污染的影响
¾膜污染的防治
¾料液预处理
¾膜组件和膜系统设计
¾操作策略
¾膜清洗
7 膜器及膜工程设计
7.1 膜器类型及特点
板框式膜器
卷式膜器
毛细管膜器
中空纤维膜器
管状（粗管）膜器
7.1.1 板框式膜器的特点
1、优点
¾制造、组装比较简单；
¾膜的更换、清洗较易；
¾坚固、耐用、可靠性好；
¾原液流道截面积较大→压力损失较小；不易堵塞，对预处理要求较低。

¾适用范围较广。

2、缺点
¾对膜的机械强度要求高（由安装、更换和流体湍动造成的对膜的冲击）。

¾密封边界长（增加了加工成本）
¾流程短，流道截面积大→单程回收率低→在一定的浓缩比下，循环量和循环次数较多→泵的能耗增加，间隙操作时还容易造成温度上升。

3、适用场合
¾原料液成分复杂
¾原料液粘度大
平板膜及导流板
平板膜装置（板框式膜装置）
7.1.2 卷式膜器的特点
¾比板框膜器的装填密度高(单位体积中的膜面积称为装填密度)。

¾单个膜器的压力损失相对中空纤维膜器较小。

¾对预处理的要求较板框式高。

卷式膜组件结构
卷式膜元件
卷式膜元件的生产与质量检验
7.1.3 中空纤维膜器的特点
1、优点
¾无支撑体；
¾膜器能做得非常小，也能很大；
¾装填密度很高（16000-30000 m2/m3)。

2、缺点
¾纤维中的压力损失较大。

¾纤维外的压力损失大（因纤维间距太小，阻力大）。

¾膜面污染去除较难，难以进行机械清洗，多采用化学清洗）。

¾对原料液的预处理要求严格。

¾纤维损坏后，无法更换。

7.1.4 毛细管膜器的特点
¾无支撑体；
¾膜器能做得非常小，也能很大；
¾装填密度高
¾对原料液的预处理要求比中空纤维膜器低。

¾细管中的压力损失较中空纤维小。

¾细管外的压力损失比中空纤维小（因细管间距较大）。

¾膜面污染去除较中空纤维易。

中空纤维膜组件结构
中空纤维膜组件
7.1.5 管状（粗管）膜器的特点
优点
¾原料液流道较大，不易堵塞，对预处理的要求不高。

¾清洗较易（可采用化学方法，物理方法，机械方法）。

缺点
¾装填密度低
瓷
膜元
件
陶瓷膜组件
玻璃钢膜壳（内装膜元件）
玻璃钢膜壳端部结构示意图。