膜科学与工程Word文档格式.docx

膜科学与工程Word文档格式.docx

《膜科学与工程Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜科学与工程Word文档格式.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1.2.2膜分离技术特点4

1.3膜技术的应用4

1.3.1环境保护4

1.3.2化学工业4

1.3.3医药工业5

1.3.4生物技术5

1.3.5食品工业5

1.4膜的制备方法5

二、膜分离原理5

2.1根据混合物不同的物理性质6

2.2根据混合物不同的化学性质6

三、膜结构的表征6

3.1孔结构的表征6

3.1.1微观观察法6

3.1.2压汞法7

3.1.3气体泡压法7

3.2材料性能的表征7

3.2.1化学稳定性7

3.2.2机械强度8

3.3分离性能的表征方法8

3.3.1渗透性8

3.3.2渗透选择性8

四、我国膜工业存在的问题及应用前景8

4.1存在的问题8

4.1.1技术水平较低9

4.1.2膜品种少9

4.1.3产业规模小9

4.1.4应用领域窄9

4.1.5行业管理较弱9

4.2应用前景9

4.2.1加氢反应10

4.2.2脱氢反应10

4.2.3氧化反应10

4.2.4酯化反应10

4.2.5生化反应11

五、膜技术的展望11

参考文献11

摘要

本文介绍了膜工业的发展的现状、膜的特性、应用及发展。

对膜材料的分类、膜反应机理和膜技术的应用进行了探讨，并提出了所面临的问题及对前景的展望。

关键词：

膜技术；

膜材料；

膜反应机理；

膜技术的应用，应用前景

一、概述

膜工业是一门崭新的工业,在世界上只有50年的发展历史,在我国是从30多年前才起步。

经过近半个世纪的发展,膜技术己成为高效节能的单元操作,对相关产业的发展具有很大的推动作用,成为实现可持续发展战略的重要组成部分。

1.1膜工业国内外发展现状

1.1.1国内发展现状

膜分离技术[1]是一门新兴综合性的边缘科学，它涉及到流体力学、热学、电学、传质学、化工动力学、高分子物理化学、高分子材料学等多种学科。

人们认识到膜的功能并将其用于为人类服务，经历了200多年的漫长过程。

1950年，Juda试制出高选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实验基础。

随后，Loeb和Sourirazon又制出第一张高效能、有应用价值的反渗透膜时，膜技术才获得全面迅速发展。

近30年来，膜技术已广泛用于海水和苦咸水的淡化、环境保护、石油化工、电子工业、食品工业、气体分离、医学、生物工程等领域，应用范围和规模正在逐年扩大。

图2.1分离技术发展与现状图2.2膜过程发展现状

中国膜技术的发展，己经走过了40余年的历程，从1967年异相离子交换膜在上海化工厂正式投产算起，中国的膜工业也走过了30余年的发展历史。

中国膜工业的30多年发展，大致可分为三个阶段。

第一阶段，60年代中至80年代中这一阶段的主要特点是电渗析技术一花独放。

主要标志性成果是：

①异相离子交换膜正式投产，开创了中国的膜工业；

②异相离子交换膜年产量达30万m3，占世界市场容量的l/3，成为离子交换膜的生产大国；

③成功建立了以西沙日产200吨电渗析海水淡化为代表的一批示范工程,有力地推动了电渗析技术的应用，至1989年，全国各行业运行的电渗析器总台数达4000多台套，为国民经济发展做出了贡献。

第二阶段，80年代中至90年代中,这一阶段的主要特点是面向市场，齐头并进，初成规模。

主要标志性成果是①醋酸纤维素反渗透膜、超滤膜、微滤膜组器及气体分离膜组器等相继投产，从根本上扭转了这类膜完全依赖进口的局面；

②成功建立了以集成电路用超纯水制备为代表的一大批示范工程，并在电子电力、石油、化工、食品、饮料、医药等领域迅速推广，社会对膜技术的认知度有实质性的提高，从而初步确立了膜技术在国民经济建设中的作用和地位；

③产业初成规模。

第三阶段，90年代中至现在，这一阶段的主要特点是产业走向规模化，市场走向国际化，管理走向规范化。

主要标志性成果是①中国膜工业协会正式成立，标志着中国膜工业进入规范、有序、快速发展的阶段；

②反渗透复合膜、无机膜、纳滤膜等一批高性能新膜组器逐步实现产业化,渗透汽化、膜蒸馏、膜反应等一批新膜技术取得突破；

③成功建立了以反渗透海水淡化为代表的一批示范工程,倍受政府和社会关注；

④对外开放初见成,中国的膜工业市场已融入全球市场。

经过这一阶段的发展,已初步形成了具有中国特色的膜工业体系,中国的膜工业正从投入期向成长期转变。

据业内专家介绍，我国膜科学和膜技术的发展目标是：

整体水平到2010年达到国外10世纪90年代初的水平；

到2020年,争取达到国际先进水平并有所创新。

为此,膜工业将在以下领域加快发展：

⑴继续把以处理水为主的反渗透、超滤、微滤等膜过程及相关膜材质的研究作为分离膜研究的重点,加快纳滤膜的研究和开发工作。

⑵继续把气体分离、无机膜、参透汽化膜及相关膜过程作为研究、开发的重点,并确立其在重大膜过程中的产业地位。

⑶把膜反应和膜催化反应器及一些新膜过程作为膜科学研究和技术开拓的重点,并处于世界前列。

⑷尝试用一种膜实现2种或2种以上膜过程，如利用微滤膜实现气了掖分离等,为膜过程的多样化和开拓新工艺过程奠定理论基础。

⑸加快集成膜过程和杂化膜过程膜过程与其他非膜分离过程的结合的工艺开发工作,使其成为解决分离任务的最好办法。

⑹不断更新膜材料和制膜技术,特别要加快无机膜的研究和开发工作。

⑺加快进行分子水平微结构对高性能膜影响的研究。

⑻采用模型模拟、动力学研究等理论处理方法,代替以往的经验分析法,加快对膜的研究。

1.1.2国外发展现状

为在膜分离这一重要生产领域占据长久优势，国政府都十分重视新型膜材料和膜分离技术的基础和应用开发研究，日本政府在1985～1990年间的研究投资为5600万美元，欧共体将此列为九个优先发展的课题之一，在尤里卡计划中，仅膜分离技术用于水处理一项，每年就投资三亿法朗。

近年来，美国的一些大公司如：

Monsanto，Dupont，Alled等都对新型分离膜的开发计划增加了投资，加快了研究步伐，美国的一些名牌大学相继建立了膜分离技术研究中心。

从目前国际发展水平上看,有机分离膜的研究起步早、发展快,应用也较广泛.但与无机膜材料相比,由于有机材料的耐热性、理化稳定性较差、孔径分布范围较宽、易堵塞、再生困难且难以适应多次高温灭菌和净化,所以有机分离膜在一些近年发展起来的高新技术产品的分离、浓缩和纯化等方面的应用受到限制。

70年代末期，法国CEA以浓缩UF6为目的,利用传统的注浆成型—烧结法研制开发了在多孔陶瓷支撑体上制备出细孔径活性薄膜的非对称无机分离膜，首次将无机分离膜引人分离技术领域。

此后,由于无机膜本身所具备的有机膜无可比拟的优越性，再加上近十年来生物工程、医药、食品等行业的飞速发展,无机分离膜日益引起了人们的浓厚兴趣，其在微孔过滤、超过滤和高温气体分离等膜过程的应用，在日本、美国、法国等发达国家已逐渐进人实用阶段。

1988年，在世界各地的1000,000m2膜材料中（不包括法国EURODIF工厂使用的膜材料）,已经占到了3%的份额。

目前，无机分离膜的研究与应用已自成体系,成为膜分离技术领域的重要组成部分。

1.2膜材料的分类及其特点

1.2.1膜材料的分类

高性能的膜材料是发展膜技术的关键。

目前国内外的膜科学工作者正在不断地通过化学手段，人工合成一些新的膜材料[3~6]，并对原有膜材料进行改性，在成膜工艺上力求使膜的结构更趋于合理化。

对膜性能的要求，除了应具有高通量、高去除率外，还应具有耐酸碱、

抗氧化、耐热性、耐污染、耐细菌、耐清洗、抗压实以及耐溶剂侵蚀的能力。

表1.1膜材料的分类

⑴无机膜

无机膜以其化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐高温（800℃~1000℃）、耐高压（10MPa）、抗生物侵蚀能力强等优点，而广泛用于各种膜反应器中[7~9]。

它包括金属或合金膜、多孔金属膜、多孔质陶瓷膜。

选择性渗透无机多孔膜可用作其它膜的支撑体，也可用作催化剂或催化载体，同时可分离出产物或未转化的反应物。

尤其是高温（>

200℃）的气相多相催化反应，操作温度已超出有机高聚物的热稳定区。

应用无机膜作为耐高温的催化剂和载体材料是唯一的选择。

⑵高分子膜

高分子膜[10~12]的主要材质是聚酰亚胺－聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚砜、硅氯烷聚合物以及采用等离子技术处理的聚合物膜。

根据其固定的催化物质不同可分为高分子金属络合物功能膜和高分子催化分离膜。

高聚物膜具有较好的灵敏性，其存在的主要问题是膜厚度与渗透速率之间的关系：

膜厚度在20~200ì

m之间时，渗透速率较慢；

膜厚度为0.1~1μm时，渗透速率较快，但膜太薄不稳定，必须有载体。

此外，一些高聚物膜在某些溶剂中保持稳定。

国内这方面的研究主要是聚偏氟乙烯（PVDF）微孔膜、聚芳醚酮（PEK）和聚芳醚砜（PES）膜，这些膜一般具有较好的耐热性和氧化性。

催化功能的高分子膜目前尚处于研究阶段，使用膜反应器的报道还不多。

⑶生物膜

目前，利用膜作为生物催化剂的固定化载体引起人们极大兴趣[13,14]，包括可溶性生物催化剂膜体系。

酶是活性极高的生物催化剂，在膜表面或膜内进行“固定化”制成酶膜反应器[15~18]，可用于生化工程、进行细胞培养、l-氨基酸的高效制备、连续生产谷氨酸及连续发酵生产乙醇等研究。

新型人工合成膜的研究和开发，以及膜技术与生物技术相结合，必将大大推动生物工程的飞跃发展。

⑷复合膜

复合膜包括分子筛复合膜、多孔质玻璃复合膜、金属复载型复合膜以及其他复合膜等。

这些复合膜的特点是催化活性高、耐热、性能很好，可以透过400~1000℃的高温气体，适

用于高温反应。

1983年，Koresh首次发现碳分子筛具有比聚合物膜更好的气体分离性能。

近年来，分子筛膜由于具有分子大小相当且均匀一致的孔径、离子交换性能、高温热稳定性，优良的择形催化性能和易被改性以及有多种不同的类型与不同的结构可供选择，是理想的膜分离和膜催化材料。

分子筛膜具有优良的分离选择性，但由于分子筛晶体生长的复杂性和难以控制分子筛晶体生长的方向，要制备完美的分子筛膜，难度颇大。

最近还出现了一种铜－钯复合膜将具有催化脱氢功能的铜复合膜和具有高效氢分离功能的钯复合膜结合起来，该膜的外侧具有催化脱氢的活性，内侧具有氢分离功能。

按分离过程可分为反渗透（RO）、超滤（UF）、微滤（MF）、纳滤困F）、渗析（D）、电渗析（Eo）、气体分离（GS）、渗透汽化（Pv）、液膜、膜蒸馏、膜反应和控制释放等。

1.2.2膜分离技术特点

⑴无试剂加入，无额外材料损耗，无需再生，无二次污染，可连续操作

⑵能充分利用工业压力源做为膜分离推动力，物料仅通过简单地流经膜表面即可得到分离或浓缩

⑶工艺兼容性强，易与相关工艺配套，能因地制宜地满足多样化工艺组合要求

⑷模块组合方式既可满足集中应用,又可进行单元操作,不受场地和自然环境的限制

⑸常温操作，投资少、能耗低、回收率高，无公害

⑹设备结构紧凑,占据空间小；

工艺简单，组装方便，容易操作

⑺一般无需相变和化学变化即可达到分离目的

1.3膜技术的应用

膜科学的诞生是现代科学发展的标志之一。

随着膜科学的发展，膜技术的开发与应用已伸展到社会生产的各个领域。

它将使一些工业领域的分离和纯化过程发生质的变化。

目前，

国内外已把膜技术应用于许多领域。

1.3.1环境保护

膜技术已用于海水脱盐、苦咸水淡化