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三. 膜结构与膜污染控制
膜污染
膜污染定义：料液中的某些组分在膜表面或膜孔中 沉积导致膜渗透速率下降的现象。
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孔径筛分的实现方式
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a. 表面截留
b. 深层截留（膜孔吸附，堵塞）
表面截留包含三种方式：机械截留，吸附截留，架桥截留
常见的截留方式
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表面污染与深层污染
规模，已经商
品化。
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制膜方法
NIPS: 非溶剂致相分离法 TIPS: 热致相分离法
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NIPS
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TIPS
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中空纤维纺丝方法
氮气瓶 纺丝罐
芯液罐 喷丝头
凝胶液 凝胶槽
绕丝轮
料液 芯液管 芯液
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膜元件制作工艺示意图
高分子材料 溶剂
添加剂
配制纺丝液
过滤
脱泡
纺丝
浸泡
保湿处理
干燥
梳理成束
浇注
切割
制成组件
制成膜装置
中空纤维膜基本结构
皮层： 单皮层，双皮层 支撑层： 单支撑层，双支撑层 指状孔结构 海绵体结构
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管式膜制膜方法
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管式膜剖面结构
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平板膜制膜方法
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平板膜结构
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NIPS法制备超/微滤膜的调配参数
分离驱动力 压力差 压力差 压力差 浓度差 电位差
透过物质
被截流物质
水、溶剂和溶 解物
溶剂、离子和 小分子
水和溶剂
离子、低分子 物、酸、碱
悬浮物、细菌类、 微粒子、大分子 有机物
蛋白质、各类酶、 细菌、病毒、胶 体、微粒子
无机盐、糖类、 氨基酸、有机物 等
无机盐、糖类、 氨基酸、有机物 等
离子
无机、有机离子
强度： 拉力机 水通量： 在一定温度与压力下，单位面积膜在单位时间内的透
过水量。单位：升/平方米/小时，或 吨/平方米/天） 泡点： 用于表征最大孔径，通常孔径越小，气体把液体从孔中压出时
需要的压力越大。 平均孔径：气-液置换法，液-液置换法，扫描电镜法（辅以图像
分析），氮吸附，压汞法。 截留分子量：当被过滤的大分子有90%被截留时，大分子所对应的分子量就
制膜液浓度，组成 凝胶浴配比 芯液配比 制膜液温度 凝胶浴温度 添加剂 蒸发时间（干程高度及纺丝速度）
控制因数多，膜孔一致性难以保证，但能制备超滤和微滤膜
TIPS法制备微孔滤膜的调配参数
制膜液浓度，组成 降温速度
影响因数较少，能得到较窄的孔径分布，主要用于制备微滤膜
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膜的表征
超滤膜与微滤膜 1. 强度 2. 纯水通量 3. 泡点 4. 平均孔径 5. 截留分子量
水温对超/微滤膜水通量的影响
对于超滤和微滤膜，水温对水通量的影响可以由水黏度的变 化引起的。以20℃下的水通量为基准通量，乘以温度校正因 子可得其它温度下的水通量
Flux=Flux20℃﹒Tk,20 ℃ Tk,20 ℃ = e0.019 ﹒(T-20)
超滤膜：
截留颗粒直径0.002～0.1μm之间,超滤允许小分子物质和溶解性固体（无 机盐）等通过，同时截留下胶体、蛋白质、微生物及大分子有机物
微滤膜:
截留颗粒直径0.1～1μm之间。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐） 等通过，但会截留悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质
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压力驱动膜的操作压力
平板膜
薄片状，直接在基板上或无纺布上刮膜。
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中空纤维膜
内压式 外压式
中空纤维膜元件
帘式膜 9
管式膜
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板框式膜元件
优点：膜的组装方便、清洗更换容易，不易堵塞。 缺点：对密封要求高、结构不紧凑，占地面积大，设备费用高
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卷式膜元件
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优点：装填面积大，价格便宜 缺点：对预处理要求较高
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P = 4σ cosθ / D
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泡点
P = 4σ cosθ / D
P : 压力 D : 直径 σ : 表面张力 θ : 表面接触角
气-液置换法
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液-液置换法
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最小孔径： 0.002 µm (2 nm) 最大孔径： 300 µm
扫描电镜法
图像分析 孔径分布
孔径分 布
相1
膜
相2
原
渗
料
透
物
推动力
△C, △P, △T, △E
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膜分离法
膜分离法：用天然或人工合成的高分子薄膜为分离介 质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多 组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方 法，统称为膜分离法。
膜分离法的优点
1、高效的分离过程 。可以做到将相对分子量为几千甚至几百的物质进行分 离; 2、低能耗。大多数膜分离过程都不发生相的变化，它不需要使液体沸腾，也 不需要使气体液化; 3、 接近室温的工作温度。因而膜本身对热过敏物质的处理就具有独特的优 势。目前，在食品加工、医药工业、生物技术等领域有其独特的推广应用价 值 4、纯物理过程。不会发生任何的化学变化，更不需要外加任何物质，如助 滤剂、化学试剂等。 5、环保。膜分离设备制作材质清洁、环保，工作现场清洁卫生，符合国家产 业政策 。 6、应用范围广。膜分离技术对无机物、有机物和生物制品等均可适用。目前 已普遍用于化工、电子、轻工、纺织、食品、石油化工等领域。 7、膜分离装置简单、操作容易、维修费用低、易于自动化。
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截留分子量
钝截留
锐截留
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超滤膜应用一：电泳漆回收
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超滤膜应用二：奶酪生产来自传统生产工艺新生产工艺一
新生产工艺二
超滤应用三. 果汁澄清
传统工艺 水果压榨 新工艺 水果压榨
加入果胶酶 加入果胶酶
硅藻土过滤
90%回收率
超滤膜过滤
截留分子 量1~5万
97%回收率
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2. 城市污水处理及给水处理 家庭污水处理、阴沟污水处理、饮用水生产、高纯水的制备。
3.食品和医药工业的应用 回收乳清中的蛋白质、牛奶超滤以增加奶酪得率、果汁的澄 清、明胶的浓缩、浓缩蛋清中的蛋白质、屠宰动物血液的回 收、食用油的精练、蛋白质的回收、医用产品的除菌。
4.生物技术工业的应用 酶的提取、激素的提取、从血液中提取血清白蛋白、回收病 毒、从发酵液中分离菌体和L-苯丙氨酸。
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膜的分类
按分离机理
膜的种类 微滤 超滤 反渗透和纳滤 透析 电渗析 渗透气化 气体分离
膜的功能
多孔膜、溶液 的微滤、脱微 粒子
脱除溶液中的 胶体、各类大 分子
脱除溶液中的 盐类及低分子 物质
脱除溶液中的 盐类及低分子 物质
脱除溶液中的 离子
溶液中的低分 子及溶剂间的 分离
气体、气体与 蒸汽分离
优化：1）膜：合适的通量与孔径（与水质相对应） 2）操作：低于临界通量（与膜及水质有关）
纯水通量与实际运行通量的关系
污水通量取决于以下因素： 1. 进水水质 2. 孔结构及孔径分布 3. 纯水通量
（在前两项确定的情况下，纯水通量越大， 实际运行通量就越大）
纯水通量与实际运行通量无直接关系
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压力差：膜两侧的压力差别。 微滤：0.01-0.2MPa 超滤： 0.1-0.5 MPa 纳滤： 0.5-1.5 MPa 反渗透:1.0-7.0 MPa 增压设备：液体压力泵. (膜的孔径越小，水透过膜需要的压力越大。）
过滤图谱
微滤膜
超滤膜
纳滤膜
反渗透膜
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按其它方式划分的膜种类
1. 按分离膜的基本形态 对称膜：致密膜，多孔膜，离子交换膜 不对称膜（致密层，多孔支撑层）
临界通量与料液浓度的关系
操作压力对不同浓度聚苯乙烯乳胶颗粒溶液过滤通量的影响
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膜污染对膜性能影响
浓差极化与滤饼层形成对膜性能的影响 ＜膜孔吸附与膜孔堵塞
原因： 膜孔堵塞--截断了水流通道，难以恢复 浓差极化及滤饼层—增大了过滤阻力，但通道仍然
存在 对策：控制浓差极化及滤饼层的形成，防止膜孔吸
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常用膜材料化学稳定性对比
等级说明：1.极差；2.较差；3.受限制；4.较好；5.极好
6 5 4 3 2 1 0
强氧化剂
卤素
强酸
强碱
弱碱 卤素溶剂
PVDF PVC PES
等级
超/微滤膜形态
中空纤维膜
内径＜5mm,装填面积大，设备投资低，对预处理 要求严格
管式膜
内径＞5 mm,能较大范围地耐悬浮固体和纤维、蛋 白等物质。对料液的前处理要求低，可对料液可以 进行高倍浓缩。设备的投资费用高，占地面积大
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超滤膜应用四. 含油废水处理
微滤膜应用一. 注射液除菌消毒
0.22微米
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微滤膜应用二. 生产自来水
US 1990-giardia LRV 3 Virus LRV 4
超/微滤膜的广泛应用
1.工业废水的处理 回收电泳涂漆废水中的涂料；含油废水的处理；上浆液的回 收；胶乳的回收；造纸工业废液处理
是超滤膜的截留分子量。
拉伸强度
第1根 第2根 第3根 平均值
弹性模量 MPa 66.81 65.44 72.5 68.25