膜分离技术的研究现状与进展_李有科(2)

3.2反渗透和超滤、微过滤

　　如果在渗透实际装置的膜两侧造成一个压力差并使其大于渗透压,就会发生溶剂倒流,使浓度较高的溶液进一步浓缩,这一现象就叫反渗透。如果膜只阻挡大分子,而大分子的渗透压是不明显的,这种情况叫做超滤。以多孔细小薄膜为过滤介质,使不溶物浓缩过滤的操作为微过滤;按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作为超滤;从溶液中分离溶剂的膜分离操作为反渗透,超滤和反渗透及反渗透及微过滤都是以压力差为推动力的。3.3电渗析　　电场中交替装配阴离子和阳离子交换膜,在电场中形成一个个隔室,使溶液中的离子有选择地分离或富集,这就是电渗析。3.4气体分离

　　气体分离是利用微孔或无孔膜进行气体分离。膜的材料可以是高分子聚合物膜,也可以是金属膜

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或玻璃膜,主要用于合成氨工业中氢的回收。

。

　　纳滤膜(NanofiltrationMembranes)是80年代末期问世的一种新型分离膜,其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200～2000,由此推测纳滤膜可能拥有1nm左右的微孔结构,故称之为“纳滤”。纳滤膜大多是复合膜,其表面分离层由聚电解质构成,而对无机盐具有一定的截留率。目前国外已经商品化的纳滤膜大多是通过界面缩聚及缩合法在微孔基膜上复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层。随着纳滤分离技术越来越广泛地应用于食品、医药、生化行业的各种分离、精制和浓缩过程,纳滤膜分离机理的研究也成为当今膜科学领域的研究

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热点之一。

4膜分离技术最新研究现状和发展趋势

4.1

电渗析技术

　　电渗析是在直流电场的作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使带电离子从水溶液和其他不带电组分中部分分离出来的一种电化学分离过程。电渗析技术最新的研究现状和发展趋势有:　　⑴无极水电渗析技术。它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。该装置的电极紧贴一层或多层阴离子交换膜,它们在电气上都是相互联接的,这样既可以防止金属离子进入离子交换膜,同时

3重要的膜分离技术

　　以压力差为推动力的液体膜分离过程通常可根据分离对象分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。微滤用于截留直径为0.02～10μm的微粒、细菌等,可用于发酵液除菌、澄清及细胞收集等,常用做超滤的预处理过程。超滤可分离相对分子质量为数千至数百万的物质,如蛋白质、胶体、病毒、热原、酶、多糖等,膜孔径约为2～20

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高反应的选择性。在实验室中已进行了大量的加氢、脱氢、分解和氧化反应(包括甲烷的部分氧化和氧化偶联),有些小规模的工业装置也已投入使用。膜反应器的这种反应与分离的双重功能,可以突破热力学平衡的限制,提高反应转化率。

　　⑶无机膜本身具有耐温、耐化学腐蚀、强度高等优点,使无机膜反应器的应用范围更加广泛。该领域的研究成果必将给反应工程和分离工程带来新的

[11]

突破。4.3

微滤膜分离过程强化

　　膜微滤是一种精密过滤技术,它的孔径为0.05～10μm,介于常规过滤和超滤之间。膜微滤过程中主要的问题之一是膜污染和浓差极化。膜污染是指所处理物料中的粒子在膜表面和膜孔内吸附或沉积,膜孔收缩,颗粒侵入等;浓差极化则是由于膜的选择透过性造成膜面浓度高于处理液主体浓度的现象。由于各种流体成分的复杂性及膜材料性能各异性,至今对膜微滤强化尚未提出一种普适性的措施。现有强化技术有:　　⑴原料液预处理;　　⑵膜清洗;

　　⑶膜表面改性与改变膜结构;　　⑷附加场强化;　　⑸利用流体不稳定流动强化。

　　透彻的研究膜微滤强化机理,消除膜污染,降低浓差极化对膜过滤的不良影响,同时,研制耐磨、耐腐蚀、耐温、不污染、易清洗和低成本的新型膜器将是近期乃至世纪中期微滤技术发展的优先课题4.4景

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又防止极板结垢和延长电极的使用寿命。由于取消了极室,无极水排放,极大地提高了原水的利用率。　　⑵无隔板电渗器。用新设计的JM离子交换网膜构件取代离子交换膜和隔板,同时此新构件具有普通离子交换膜和隔板的功能。无隔板电渗析器是一种不需要配置隔板,直接由JM离子交换网膜和电极为主要部件组装而成的新型电渗析器。　　⑶卷式电渗析器。一种类似卷式反渗透组件结构的电渗析器,它的阴阳离子交换膜都放在同心圆筒内,并卷成螺旋状。阳极在圆筒的中心,阴极安放在圆筒的外壳上,淡液和浓液沿膜间通道流动,管道与图平面垂直,淡液通过管道而进出。

　　⑷填充床电渗析技术。国外称为电去离子(EDI),是将离子交换膜与离子交换树脂有机地结合在一起,在直流电场的作用下实现去离子过程的一种新分离技术。它的最大特点是利用水解离产生的H和OH自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂,从而实现了持续深度脱盐。　　⑸液膜电渗析。液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜,其实验模型是用半透性玻璃纸将液膜溶液包制成薄层状的隔板,然后装入电渗析器中运行。利用萃取剂做液膜电渗析的液态膜,可能为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效的分离方法,因为提高电渗析的提取效率直接与寻找对这种形式离子具有特殊选择性的有关,而这种选择最有可能在液膜领域中找到。液膜电渗析把化学反应、扩散和电迁移三者结合起来,开拓了液膜应用研究的新领域,具有广阔的发展前景。

　　⑹双极膜电渗析技术。双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由阴离子交换树脂层和阳离子交换树脂层及中间界面亲水层组成在直流电场作用下,从膜外渗透入膜间的水分子即刻分解成H和

-+-[10]

OH,可作为H和OH的供源。4.2

膜反应器

　　膜反应器(MembraneReactor,简称为MR)是把膜分离器与反应器组合成一个反应分离单元设备。即将分离膜和生化反应器耦合在一起,反应产物通过膜分离不断取出,反应底物被截留在反应器中,化学反应是一种平衡反应,不断地带走产物可以提高产率。膜反应器的特点在于:

　　⑴通过选择性透过反应产物,促使反应平衡向生成产物的方向移动,提高反应物的转化率及产物的产率。

　　⑵通过控制反应物的进入量,减少副反应以提

。

乳化液膜技术在铜矿山环境保护中的应用前含铜废水处理方法很多,如中和沉淀法、离子交

换法、蒸发浓缩法、电渗析、反渗透及溶剂萃取法。但这些方法在处理低浓度物质时成本高,效率低。乳化液膜由于其高度的定向性和特殊的选择性,对低浓度物质萃取效率很高,成本较其它方法也低的多,因而在铜矿山环境保护和铜资源回收中具有广

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阔的应用前景。

5结语

　　随着膜分离技术的不断发展,如新型膜材质的开发、膜分离不同操作工艺的优化和组合等,膜分离技术将会在化学工业、食品加工、废水处理、医药技术等方面的重要分离过程行业得到更成功的工业化应用。

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98(万kWh)

　　运行阶段年可节电:40.76-20.98=19.78(万kWh)

　　每度电以0.69元计算,每年节约电费:19.78×0.69=13.65(万元)。　　⑵应用前用煤量为8750t/a,应用后用煤量为7920t/a,每吨煤费用按420元计算,年可节约采购煤费用为:(8750-7920)×420=34.86(万元)。　　⑶上述两项合计节约费用为48.51万元。　　⑷鼓风机、引风机、炉排电机所用TD2000系列变频器3台,总价为15.2万元,可见当年就产生较高效益。

护,使变频器驱动电机安全可靠运行。

4采用变频技术后的效益计算

　　⑴因为风机负载轴功率与流量、压力成正比,而流量与转速成反比,压力与转速平方成正比,因此,轴功率与转速的立方成正比:　　P=(n/pe)

　　由此可见,当电机的转速稍有下降时,电机功率损耗就会大幅度下降,耗电量也就大为减少。　　应用变频调速后,运行电流由149A降为113A,电压由380V将为258V。按每年采暖期5个月计算(见表1)。

表1

电源工作电源变频电源

380258

风机改造前后的参数对照

电流(A)149113

频率(Hz)转速(r/min)

5042

14801230