分離膜應(yīng)用與工程案例

該書可作為管理部門決策和實施項目的參考和膜工程界設(shè)計、制定技術(shù)方案的依據(jù)，也可作為環(huán)境、市政、石油化工、電力、鋼鐵、紡織、印染、煤炭等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、研究人員以及大專院校師生進(jìn)行科研、生產(chǎn)、教學(xué)的參考書。

比較廣泛的，家用超濾凈水器，是目前市場上主流的凈水器產(chǎn)品。它的核心部件是超濾膜。可去除溶液中的大分子、膠體、蛋白質(zhì)、微粒等，具有使用壓力低、產(chǎn)水量大、便于操作的特點。

超濾在廢水處理中的應(yīng)用

目前已應(yīng)用在汽車制造行業(yè)噴漆廢水、金屬加工廢水以及食品工業(yè)廢水的處理及有用物質(zhì)的回收。超濾對水中的各類膠體均具有良好的去除特性，因而可以考慮擴大到凝結(jié)水精處理及離子交換除鹽系統(tǒng)的預(yù)處理中。

超濾膜在制酒原水制備中的應(yīng)用

超濾膜組件應(yīng)用于微型啤酒生產(chǎn)車間，通過檢測膜裝置的處理性能，表明采用超濾膜深度凈化制酒原水，能夠有效地降低水中多種污染物濃度，消除管網(wǎng)造成的二次污染，完全可以滿足制酒工藝所需優(yōu)質(zhì)原水的要求。2100433B

該書是由中國膜工業(yè)協(xié)會工程與應(yīng)用專業(yè)委員會組織國內(nèi)十余名專家及30多家國內(nèi)、外著名的膜工程公司、膜制造商、高校、研究院所及用戶編寫的一本以分離膜工程與應(yīng)用案例為主要內(nèi)容的全新專著。

本書共分三篇：第一篇介紹了分離膜產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，除對主要膜過程做了評述外，還特別列入了有著重要應(yīng)用的兩類膜，即醫(yī)用膜和全氟離子交換膜；第二篇介紹了目前分離膜領(lǐng)域研究與應(yīng)用的兩個熱點技術(shù)，即集成膜技術(shù)和膜生物反應(yīng)器；第三篇以國內(nèi)應(yīng)用為主線，介紹了分離膜在水處理及其他工業(yè)領(lǐng)域中已實施的部分工程案例。

第一篇分離膜應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

第1章膜分離技術(shù)及其在水資源再利用中的應(yīng)用

1.1我國膜分離技術(shù)的現(xiàn)狀

1.2膜分離技術(shù)在水資源再利用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

1.3我國分離膜產(chǎn)業(yè)的特點、技術(shù)差距和應(yīng)用難點

1.4發(fā)展膜法水資源再利用的意義、原則和發(fā)展目標(biāo)

1.5發(fā)展重點、重點推廣行業(yè)、重點工程和自主創(chuàng)新

第2章反滲透和納濾

2.1反滲透和納濾膜分離技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2反滲透和納濾技術(shù)的需求分析

2.3反滲透和納濾膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢

第3章超濾與微濾

3.1超濾（UF）、微濾（MF）和裝置生產(chǎn)國內(nèi)、外現(xiàn)狀

3.2相關(guān)膜分離工程建設(shè)情況

第4章電驅(qū)動膜

4.1電驅(qū)動膜現(xiàn)狀

4.2電驅(qū)動膜過程的發(fā)展趨勢

4.3電膜的重大國家需求分析及近、中期發(fā)展的戰(zhàn)略和目標(biāo)

第5章全氟離子交換膜

5.1全氟離子膜的現(xiàn)狀

5.2氟離子膜的發(fā)展趨勢

5.3全氟離子膜展望

第6章氣體膜分離技術(shù)

6.1氣體分離膜及裝置生產(chǎn)現(xiàn)狀

6.2氣體膜分離應(yīng)用過程現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

第7章滲透汽化和蒸汽滲透

7.1引言

7.2滲透汽化和蒸汽滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

7.3滲透汽化和蒸汽滲透膜分離技術(shù)市場需求

7.4滲透汽化和蒸汽滲透膜分離技術(shù)發(fā)展趨勢和建議

第8章醫(yī)用膜

8.1醫(yī)用膜人工器官

8.2膜生物醫(yī)學(xué)分離器

8.3中國醫(yī)用膜發(fā)展對策

第二篇集成膜技術(shù)與膜生物反應(yīng)器

第1章集成膜技術(shù)

1.1集成膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

1.2集成膜工藝在濃縮、有用物質(zhì)回收等方面的應(yīng)用

1.3膜法氣體分離中的集成膜工藝

1.4滲透汽化膜過程的集成工藝

第2章膜—生物反應(yīng)器

2.1MBR市場現(xiàn)狀

2.2MBR概述

2.3MBR工藝構(gòu)型的發(fā)展

2.4膜污染及其控制

2.5MBR的推廣與應(yīng)用

2.6MBR技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與能耗

2.7未來發(fā)展與展望

第三篇工程與應(yīng)用案例

第1章水處理

1.1國內(nèi)案例

1.2國外案例

第2章氣體分離膜

2.1氫回收

2.2有機蒸氣分離

2.3富氧及富氮

第3章其他料液分離及濃縮

一、膜分離技術(shù)的分類

1.1反滲透

反滲透技術(shù)在50年代才開始研究，到60年代末制成具有工業(yè)價值的反滲透膜，1971年開始有工業(yè)性反滲透裝置在電廠投入運行，現(xiàn)在反滲透法進(jìn)行水處理工藝遍及美國、日本、法國、意大利等國家，我國于70年代末開始引進(jìn)反滲透裝置于發(fā)電廠的水處理。90年代反滲透膜的開發(fā)研制成為熱點?，F(xiàn)在反滲透技術(shù)已有大范圍的應(yīng)用。

1.1.1 反滲透的基本原理

對透過的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱為半透膜，一般將只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的薄膜稱之為理想的半透膜。當(dāng)把相同體積的稀溶液(例如淡水)和相同的體積的濃溶液(例如鹽水)分別置于半透膜的兩側(cè)時稀溶液的溶劑將自發(fā)的向濃溶液的一側(cè)流動，這一現(xiàn)象稱為滲透。當(dāng)滲透過程達(dá)到平衡時，濃溶液側(cè)的液面將會比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個壓差，稱為滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的固有性質(zhì)，即與溶液的種類、濃度和溫度有關(guān)而與半透膜的性質(zhì)無關(guān)。若在濃溶液的一側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力，溶劑的流動方向?qū)⑴c原來的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側(cè)流動，這一現(xiàn)象稱為反滲透。

反滲透裝置就是利用這一原理用高壓泵將待處理水經(jīng)過增壓以后，借助半透膜的選擇截留作用來去除水中的無機離子的，由于反滲透膜在高壓情況下只允許水分子通過，而不允許鉀、鈉、鈣、鋅等離子及病毒、細(xì)菌通過，所以它能獲得高質(zhì)量的純水。

1.1.2 典型的反滲透工藝流程

反滲透應(yīng)用于不同的工藝有不同的工藝流程，一般情況下，它們都遵從于以下幾個過程，即預(yù)處理、反滲透及后處理。反滲透技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于海水淡化、純水和超純水制備、城市給水處理、城市污水處理及應(yīng)用、工業(yè)電鍍廢水及紙漿和造紙工業(yè)廢水處理、化工廢水處理、冶金焦化廢水處理、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等廢水處理，我國有大港電廠、寶鋼自備電廠、滄州電廠等九個發(fā)電廠應(yīng)用反滲透技術(shù)來進(jìn)行預(yù)脫鹽處理。在不斷的應(yīng)用過程中，反滲透的缺點和不足日益顯露，主要表現(xiàn)在以下幾點：

①進(jìn)口設(shè)備由于原水水質(zhì)的不同，缺乏技術(shù)論證及工藝修改，照抄照搬，不適合我國國情。所以反滲透進(jìn)水一定要根據(jù)原水水質(zhì)的不同進(jìn)行預(yù)處理以滿足設(shè)備對進(jìn)水水質(zhì)的要求。

②有些技術(shù)能力差的企業(yè)，不懂得反滲透膜元件及其數(shù)量的合理選擇，膜元件的合理排列等，造成部分膜元件在非常情況下運行。

③產(chǎn)膜質(zhì)量不過關(guān)。膜質(zhì)量的好壞直接影響到鹽及其它雜質(zhì)的去除率。

④運行管理不嚴(yán)。系統(tǒng)運行時，壓力要處于膜可承受的壓力范圍，防止超強度、超負(fù)荷運行，使膜產(chǎn)生機械性損失，導(dǎo)致泄露發(fā)生。

針對以上存在的問題，我國一些膜技術(shù)專家及科研人員一直努力于膜元件及應(yīng)用工藝流程的優(yōu)化研究。(1)對純水工程中反滲透膜進(jìn)行研究，提出了使用時一些常見問題及解決方法，并提出延長反滲透膜使用壽命的途徑；(2)提出了國內(nèi)反滲透水處理技術(shù)存在問題及改進(jìn)措施；(3)對RO復(fù)合膜NTR-759與醋酸纖維膜CA進(jìn)行比較，提出RO復(fù)合膜的應(yīng)用前景。

與國外相比，我國反滲透工藝和工程技術(shù)已接近國外先進(jìn)水平，但膜和組器技術(shù)同國際同類產(chǎn)品仍有較大的差距，復(fù)合膜雖已完成中試放大，但離工業(yè)生產(chǎn)仍有較大的差距。當(dāng)前反滲透膜市場，中空纖維型仍以國產(chǎn)CTA膜組件為主，而卷式型基本上由進(jìn)口PA復(fù)合膜元件所占據(jù)。在工業(yè)上，引進(jìn)PA復(fù)合膜和其他有關(guān)鍵部件，設(shè)計制造反滲透裝置，取代了以往整機進(jìn)口的局面，實踐證明是成功的。

1.2微濾(MF)

微濾是一種精密過濾技術(shù)，它與反滲透、超濾均是通過壓力而驅(qū)動的。所分離的組分直徑為0.03～15μm；主要除去微粒、亞微粒和細(xì)粒物質(zhì)。它多用于半導(dǎo)體工業(yè)超純水的終端處理，反滲透的首端預(yù)處理。在啤酒與其他酒類的釀造中，用于除去微生物與異味雜質(zhì)等。(4)采用氫氧化鎂吸附與無機陶瓷微粒膜相結(jié)合的方法對印染廢水進(jìn)行了脫色處理，脫色率可達(dá)98%以上，并對膜污染和清洗進(jìn)行了研究，取得了較好效果。

我國微粒膜的研究與國外水平相比，常規(guī)微濾膜的性能和國外同類產(chǎn)品的性能基本一致，折疊式濾芯在許多場合代替了進(jìn)口產(chǎn)品，但在錯流式微濾膜和組器技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用等方面，仍落后于國外，這就抑制了微濾技術(shù)在較高濁度水質(zhì)深度處理中的應(yīng)用。

1.3超濾(UF)

超濾和反滲透相類似，分離的組分直徑為0.005～10μm，介于反滲透與微濾之間。反滲透、超濾和微濾三者組成了一個可分離從離子到微粒的膜分離過程。超濾在水處理方面應(yīng)用十分廣泛。它可以與反滲透聯(lián)合制備高純水；可以處理生活污水；處理工業(yè)廢水，包括電泳涂漆廢水、含油廢水、含聚乙烯醇(PVA)廢水等；從羊毛精制廢水中回收羊毛脂；纖維加工油劑廢水處理等等。近年來超濾膜技術(shù)發(fā)展很快。(5)在國內(nèi)最早采用膜技術(shù)處理采油污水，1995年報導(dǎo)了用外管式聚砜(PS)超濾膜裝置處理采油污水的意見報告，隨后又采用磺化聚砜(SPS)平板式和外管式超濾膜再次進(jìn)行含油污水試驗，并與SP超濾膜進(jìn)行比較。研究證明，SPS膜通量隨磺化度的增加而提高，且優(yōu)于PS膜，透過液可達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)及低滲透油田注水標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國超濾技術(shù)在水處理中以PSH和聚丙烯中空纖維式組件應(yīng)用最多。

與國際產(chǎn)品相比，國產(chǎn)超濾膜組件品種單一，通量和截流率綜合性能較低，抑制了超濾膜技術(shù)在水處理以外領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展步伐。但現(xiàn)在，已有許多共混超濾膜的研究。由于共混超濾膜具有單一組分膜所無法比擬的優(yōu)點，因此這是一個發(fā)展趨勢。

1.4納濾

納濾膜是孔徑介于反滲透與超濾膜之間的壓力滲透膜。它對分子量介于200～1000之間的有機物和高價、低價、陰離子無機物有較高的截留性能。納濾被廣泛用于水軟化、有機生物活性物質(zhì)及化工中間化的除鹽和凈化濃縮、水中三鹵代物前趨物的去處、廢水脫色等領(lǐng)域。近幾年，納濾恒容除鹽已有研究。由于納濾膜對物料中的鹽和其他有效組分之間的選擇性透過(即納濾膜選擇透過低分子量的鹽，而對其他分子量較大的有效組分則全部截留)，鹽隨著滲透溶劑而被不斷去處，從而達(dá)到對物料的除鹽凈化目的。(6)采用納濾技術(shù)在上海染化八廠進(jìn)行了純化和濃縮染料的工業(yè)性試驗。結(jié)果表明，納濾可除鹽至0.3%，并可將染料從6%～12%濃縮到20%～30%。(7)以海洋高硬度苦咸水為水源，采用納濾膜軟化技術(shù)制備飲用水，系統(tǒng)連續(xù)運行27個月，淡化水符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，并對納濾的分離特點及高硬度下實際運行的注意點作了近一步的探討。我國納濾技術(shù)的研究雖在80年代末就開始了，但目前仍在實驗室研究開發(fā)階段，尚無產(chǎn)品投放市場。

二、新型膜技術(shù)簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1液膜

液膜就是懸浮在液體中的很薄一層乳液微粒。至今已經(jīng)歷了帶支撐體液膜、乳化液膜和含流動載體乳化液膜三個階段。液膜可以代替固膜分離氣體，用液膜法去除載人宇宙飛船密封艙中CO 4的技術(shù)已成功的用于宇宙空間技術(shù)中。在石油化工中，液膜可以用于分離那些物理、化學(xué)性質(zhì)相似而不能用常規(guī)的蒸餾、萃取方法分離的烴類混合物。液膜在醫(yī)學(xué)上可以用來捕獲許多有毒物質(zhì)，然后安全的排出體外。我國液膜技術(shù)近來也發(fā)展很快。(12)提出了一種從發(fā)酵液中提取檸檬酸的新方法；乳狀液膜分離法，討論了該方法的基本原理及傳遞過程和機理。考察了表面活性劑、載體和內(nèi)相試劑濃度對提取率的影響，確定了合適的膜配方。(13)以三辛胺為活性載體，Span80為表面活性劑，液體石蠟為膜相添加劑，氨基酸料液做外水相建立膜體系，研究不同試驗條件下半胱氨酸的遷移情況，確定了提取半胱氨酸的適宜條件，提取率可達(dá)80%以上。

2.2雙極膜

雙極膜是一種具有專門用途的離子膜。它是一種新型復(fù)合膜，由三部分組成：陽離子交換層(N型膜)、界面親水層(催化層)和陰離子交換層(D形膜)，同樣荷有不同固定電荷密度、厚度和性能的膜材料，在不同復(fù)合條件下可制成不同性能的膜。如，水解離膜、1，2價離子分離膜、防結(jié)垢膜、抗污染膜、低壓反滲透脫硬膜，其中水解離膜應(yīng)用較廣，由它可派生出許多用途，如酸堿的生產(chǎn)、煙道氣脫硫、食鹽的電解等。當(dāng)前國外對雙極膜的研究比較多，我國也用雙極膜進(jìn)行了制酸堿的試驗研究。

2.3滲透蒸發(fā)

滲透蒸發(fā)是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴散系數(shù)的差別，通過滲透與蒸發(fā)，將二種組分進(jìn)行分離。滲透蒸發(fā)過程的研究和應(yīng)用，已從有機物中脫水發(fā)展的水中脫除有機雜質(zhì)以及有機物/有機物的分離。(15)對滲透蒸發(fā)在有機溶劑混合物分離中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合介紹；(16)用滲透蒸發(fā)法對醇水分離進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗；(17)分析了各種模型的特點，并就滲透蒸發(fā)膜傳遞理論的研究方向提出了建議。滲透蒸發(fā)近年研究雖然進(jìn)展很快，但它單獨使用的經(jīng)濟(jì)性并不好，工業(yè)上多用于集成過程(Integration process)或組合過程(Hybrid process)，即與其它分離過程結(jié)合起來使用，可以發(fā)揮有關(guān)分離過程的優(yōu)點，做到揚長避短，達(dá)到優(yōu)化的目的。

任何水處理技術(shù)都有它的適用范圍，往往使用某一種膜技術(shù)并不一定能夠解決各種水處理問題，因此在實際應(yīng)用中通常將不同的膜技術(shù)進(jìn)行組合使用，如ED與RO的結(jié)合，RO與UF的結(jié)合，及RO與MF的結(jié)合使用等，這樣往往可以發(fā)揮各自的特點，取得更大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。同時膜技術(shù)與常規(guī)的水處理技術(shù)聯(lián)合使用也是不可忽視的，如高純水制備中將膜技術(shù)與離子交換及常規(guī)過濾技術(shù)相結(jié)合，則可發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，使處理效果大大提高，而處理成本則大大下降。在廢水深度處理方面，膜與常規(guī)的生化處理相結(jié)合(膜生物反應(yīng)器)則可實現(xiàn)水的回用。如在酒精稀端的濃縮、恒沸體系(濃端)的脫水，若采用膜分離方法，與中間段常規(guī)精溜法相結(jié)合，就可降低能耗、改進(jìn)設(shè)備并提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，在研究水處理工藝時，將各種膜分離技術(shù)的相互配合使用，以及膜技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)的聯(lián)合使用是十分重要的，是今后開發(fā)新型水處理工藝的一個重要方向。相信膜技術(shù)在水處理技術(shù)中的作用和地位會日益突出，其應(yīng)用范圍也日益廣闊。

《氣體膜分離技術(shù)與應(yīng)用》分為基礎(chǔ)篇和應(yīng)用篇兩部。基礎(chǔ)篇包括膜分離的原理、氣體膜分離制備工藝及分離膜結(jié)構(gòu)與性能、常用的氣體膜分離器、氣體膜分離系統(tǒng)設(shè)計。應(yīng)用篇主要介紹了膜法富氧技術(shù)及其應(yīng)用開發(fā)?！”緯鴥?nèi)容新穎、實用性強，有較強的實踐指導(dǎo)意義?？勺鳛橄嚓P(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員或理論研究人員參考書，也可作為相關(guān)學(xué)科院校師生參考書。

《膜分離的工程與應(yīng)用》 的目的在于向讀者介紹已在工業(yè)上應(yīng)用的一些膜分離操作，重點介紹這些膜分離操作的工程基礎(chǔ)、過程的工程模型，并以過程的優(yōu)化為主要目的。膜技術(shù)的生命力在于工業(yè)應(yīng)用。因此，隨著膜技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，有關(guān)膜技術(shù)應(yīng)用的工程問題就顯得越來越重要。工程問題主要包括膜分離設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化和膜分離過程的設(shè)計優(yōu)化兩大主題，而解決這兩大主題的工具都是衡算方程、傳遞速率方程、相似和類比方法、以及與實驗相結(jié)合的半經(jīng)驗方法待化學(xué)工程中常用的方法。這些方法明顯有別于研究膜分享機理的熱力學(xué)方法，而更著眼于工程實用。本書的目的在于向讀者介紹已在工業(yè)上應(yīng)用的一些膜分離操作，重點介紹這些膜分離操作的工程基礎(chǔ)、過程的工程模型，并以過程的優(yōu)化為主要目的。書中的大部內(nèi)容是作者十幾年來向碩士研究生講授膜分離操作課程的教案，并參閱了中外有關(guān)的著作。盡管有這些年教學(xué)的積累，在編寫時仍深感編寫的賽程猶如再學(xué)習(xí)和再消化的過程。

內(nèi)容介紹

本書在介紹無機膜分離技術(shù)的基本知識、基本原理的基礎(chǔ)上，突出無機膜的應(yīng)用過程，著重介紹無機膜分離技術(shù)的工藝過程、應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用實例以及研究進(jìn)展情況。

本書共分為10章。第1～3章介紹了無機膜的分類與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與性能表征以及制備方法等；第4、第5章介紹了無機膜的工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用研究；第6～9章則列舉了無機膜在環(huán)保、食品工業(yè)、生化與制藥工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用實例；第10章闡述了無機膜催化反應(yīng)器。

本書可供無機膜研究領(lǐng)域，開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀，也可供院校師生參考。

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