膜分离

 概述

一、膜分离过程

膜分离（Membrane Separation）是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。

膜分离所用的膜可以是固相、液相，也可以是气相，而大规模工业应用中多数为固体膜，本节主要介绍固体膜的分离过程。

物质选择透过膜的能力可分为两类：

s         借助外界能量，物质发生由低位到高位的流动；

s         借助本身的化学位差，物质发生由高位到低位的流动。

操作的推动力可以是膜两侧的压力差、浓度差、电位差、温度差等。依据推动力不同，膜分离又分为多种过程，表1列出了几种主要膜分离过程的基本特性，图1给出了各种膜过程的分离范围。

反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动的膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。

s         反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为2～10MPa；

s         纳滤膜孔径为2～5nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0.7～3 MPa；

s         超滤膜孔径为2～20nm，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为0.1～1 MPa；

s         微滤膜孔径为0.05～10μm，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为0.05～0.5 MPa。

电渗析采用带电的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶液去除离子。气体分离是依据混合气体中各组分在膜中渗透性的差异而实现的膜分离过程。渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。

传统的分离单元操作如蒸馏、萃取、吸收等，也可以通过膜来实现，即为膜蒸馏、膜萃取、膜吸收与气提等，实现这些膜过程的设备统称为膜接触器，包括液-液接触器、液-气接触器等。

二、膜分离特点

与传统的分离操作相比，膜分离具有以下特点：

（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；

（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；

（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；

（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便。

表1  膜分离过程

过程	示意图	膜类型	推动力	传递机理	透过物	截留物
原料液 滤液 微滤   MF		多孔膜	压力差 （~0.1MPa）	筛分	水、溶剂、溶解物	悬浮物各种微粒
原料液 滤液 浓缩液 超滤   UF		非对称膜	压力差 （0.1~1MPa）	筛分	溶剂、离子、小分子	胶体及各类大分子
原料液 溶剂 浓缩液 反渗透   RO		非对称膜 复合膜	压力差 （2~10MPa）	溶剂的溶解-扩散	水、溶剂	悬浮物、溶解物、胶体
电渗析 ED	溶剂 原料液 浓电解质 阴膜 阳膜 阴 极 阳 极	离子交换膜	电位差	离子在电场中的传递	离子	非解离和大分子颗粒
混合气 渗透气 渗余气 气体分离     原料液 渗透 蒸气 溶质或 溶剂 GS		均质膜 复合膜 非对称膜	压力差 （1～15MPa）	气体的溶解-扩散	易渗透气体	难渗透气体
渗透汽化 PVAP		均质膜 复合膜 非对称膜	浓度差 分压差	溶解-扩散	易溶解或易挥发组分	不易溶解或难挥发组分
原料液 渗透液 浓缩液 膜蒸馏   MD		微孔膜	由于温度差而产生的蒸汽压差	通过膜的扩散	高蒸汽压的挥发组分	非挥发的小分子和溶剂

 

 

 

图1    膜过程的分离范围

 

推 动 力	应             用
	有机物  离子  大分子  微粒  胶体粒子
浓 度 差	渗透汽化 渗   析
电位 差	电  渗  析
压 力 差	气体膜分离 纳     滤 反  渗  透	超    滤		微      滤	过     滤
温度差	膜    蒸    馏

 

nm  0.1            1              10            100           1000 μm                                             0.1             1             10            100

 

 

 

9.3.2 膜与膜组件

一、分离膜性能

分离膜（Membrane）是膜过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。分离膜的性能主要包括两个方面：透过性能与分离性能。

1．透过性能

能够使被分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的数是透过速率，是指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。

                                        

式中： J——透过速率，m³/(m²·h)或kg/(m²·h)；

V——透过组分的体积或质量，m³或kg；

A——膜有效面积，m²；

t——操作时间，h。

膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。

2．分离性能

分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同膜分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。

（1）截留率

对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R表示，定义为

                                    

式中  ——原料中溶质的浓度，kg/m³；

——渗透物中溶质的浓度，kg/m³。

100％截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。通常截留率在0％～100％之间。

（2）截留分子量

在超滤和纳滤中，通常用截留分子量表示其分离性能。截留分子量是指截留率为90%时所对应的分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小，通常可用一系列不同分子量的标准物质进行测定。

（3）分离因数

对于气体分离和渗透汽化过程，通常用分离因数表示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因数 定义为

                                        

式中  ——原料中组分A与组分B的摩尔分率；

——透过物中组分A与组分B的摩尔分率。

通常，用组分A表示透过速率快的组分，因此 的数值大于1。分离因数的大小反映该体系分离的难易程度， 越大，表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高； 等于1，则表明膜没有分离能力。

膜的分离性能主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，同时也与膜分离过程的一些操作条件有关。该性能对分离效果、操作能耗都有决定性的影响。

二、膜材料及分类

目前使用的固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来又开发了无机材料分离膜。高聚物膜通常是用纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。

膜的种类与功能较多，分类方法也较多，但普遍采用的是按膜的形态结构分类，将分离

膜分为对称膜和非对称膜两类。

 

多孔支撑层

致密皮层

不同类型膜横断面示意图 （a）对称膜;     （b）非对称膜

多孔膜

无孔膜

（a）

一体化膜

复合膜

致密皮层

（b）

对称膜又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同，包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种，图（a）所示。一般对称膜的厚度在10~200μm之间，传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。

 

非对称膜的横断面具有不对称结构，如图（b）所示。一体化非对称膜是用同种材料制备、由厚度为0.1~0.5μm的致密皮层和50~150μm的多孔支撑层构成，其支撑层结构具有一定的强度，在较高的压力下也不会引起很大的形变。此外，也可在多孔支撑层上覆盖一层不同材料的致密皮层构成复合膜。显然，复合膜也是一种非对称膜。对于复合膜，可优选不同的膜材料制备致密皮层与多孔支撑层，使每一层独立的发挥最大作用。非对称膜的分离主要或完全由很薄的皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多，因此非对称膜在工业上应用十分广泛。

三、膜组件

膜组件是将一定膜面积的膜以某种形式组装在一起的器件，在其中实现混合物的分离。

板框式膜组件采用平板膜，其结构与板框过滤机类似，用板框式膜组件进行海水淡化的装置如图所示。在多孔支撑板两侧覆以平板膜，采用密封环和两个端板密封、压紧。海水从上部进入组件后，沿膜表面逐层流动，其中纯水透过膜到达膜的另一侧，经支撑板上的小孔汇集在边缘的导流管后排出，而未透过的浓缩咸水从下部排出。

 

螺旋卷式膜组件

中心管

板框式膜组件

 

 

螺旋卷式膜组件也是采用平板膜，其结构与螺旋板式换热器类似，如图所示。它是由中间为多孔支撑板、两侧是膜的“膜袋”装配而成，膜袋的三个边粘封，另一边与一根多孔中心管连接。组装时在膜袋上铺一层网状材料(隔网)，绕中心管卷成柱状再放入压力容器内。原料进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出。螺旋卷式膜组件结构紧凑，装填密度可达830～1660m²/m³。缺点是制作工艺复杂，膜清洗困难。

管式膜组件是把膜和支撑体均制成管状，使二者组合，或者将膜直接刮制在支撑管的内侧或外侧，将数根膜管（直径10～20mm）组装在一起就构成了管式膜组件，与列管式换热器相类似。若膜刮在支撑管内侧，则为内压型，原料在管内流动，如图所示；若膜刮在支撑管外侧，则为外压型，原料在管外流动。管式膜组件的结构简单，安装、操作方便，流动状态好，但装填密度较小，约为33～330 m²/m³。

将膜材料制成外径为80～400μm、内径为40～100μm的空心管，即为中空纤维膜。将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件，也形如列管式换热器，如图所示。大多数膜组件采用外压式，即高压原料在中空纤维膜外测流过，透过物则进入中空纤维膜内侧。中空纤维膜组件装填密度极大（10000～30000 m²/m³），且不需外加支撑材料；但膜易堵塞，清洗不容易。

 

中空纤维膜组件

管式膜组件

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.3.3 反渗透(      Reverse Osmosis)

一、溶液渗透压

 

渗透与反渗透示意图

能够让溶液中一种或几种组分通过而其它组分不能通过的选择性膜称为半透膜。当把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧时，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象称为渗透。当溶液的液位升高到所产生的压差恰好抵消溶剂向溶液方向流动的趋势，渗透过程达到平衡，此压力差称为该溶液的渗透压，以 表示。若在溶液侧施加一个大于渗透压的压差 时，则溶剂将从溶液侧向溶剂侧反向流动，此过程称为反渗透，如图所示。 这样，可利用反渗透过程从溶液中获得纯溶剂。

 

二、反渗透膜与应用

 

PEC-1000复合膜的 断面放大结构图

保护层

超薄的 分离层

支撑层

(30nm)

聚砜基质

纤维织物

反渗透膜多为不对称膜或复合膜，右图所示的是一种典型的反渗透复合膜的结构图。反渗透膜的致密皮层几乎无孔，因此可以截留大多数溶质（包括离子）而使溶剂通过。反渗透操作压力较高，一般为2～10MPa。大规模应用时，多采用卷式膜组件和中空纤维膜组件。

 

评价反渗透膜性能的主要参数为透过速率（透水率）与截留率（脱盐率）。此外，在高压下操作对膜产生压实作用，造成透水率下降，因此抗压实性也是反渗透膜性能的一个重要指标。

反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。其主要应用领域有海水和苦咸水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。

9.3.4超滤与微滤（Ultrafiltration and Microfiltration）

一、基本原理

 

超滤与微滤原理示意图

超滤与微滤都是在压力差作用下根据膜孔径的大小进行筛分的分离过程，其基本原理如图所示。在一定压力差作用下，当含有高分子溶质A和低分子B的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质（如无机盐类）透过膜，作为透过液被收集起来，而大于膜孔的高分子溶质（如有机胶体等）则被截留，作为浓缩液被回收，从而达到溶液的净化、分离和浓缩的目的。通常，能截留分子量500以上、10⁶以下分子的膜分离过程称为超滤；截留更大分子（通常称为分散粒子）的膜分离过程称为微滤。

 

实际上，反渗透操作也是基于同样的原理，只不过截留的是分子更小的无机盐类，由于溶质的相对分子质量小，渗透压较高，因此必须施加高压才能使溶剂通过，如前所述，反渗透操作压差为2～10MPa。而对于高分子溶液而言，即使溶液的浓度较高，但渗透压较低，操作也可在较低的压力下进行。通常，超滤操作的压差为0.3～1.0MPa，微滤操作的压差为0.1～0.3MPa。

二、超滤膜与微滤膜

微滤和超滤中使用的膜都是多孔膜。超滤膜多数为非对称结构，膜孔径范围为1nm～0.05μm，系由一极薄具有一定孔径的表皮层和一层较厚具有海绵状和指孔状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。微滤膜有对称和非对称两种结构，孔径范围为0.05～10μm。图所示的是超滤膜与微滤膜的扫描电镜图片。

表征超滤膜性能的主要参数有透过速率和截留分子量及截留率，而更多的是用截留分子量表征其分离能力。表征微滤膜性能的参数主要是透过速率、膜孔径和空隙率，其中膜孔径反映微滤膜的截留能力，可通过电子显微镜扫描法或泡压法、压汞法等方法测定。孔隙率是指单位膜面积上孔面积所占的比例。

 

超滤膜与微滤膜结构 （a）不对称聚合物超滤膜   （b）聚合物微滤膜 （c）陶瓷微滤膜

（a）

（b）

（c）

三、浓差极化与膜污染

 

 

透过物

浓差极化模型

对于压力推动的膜过程，无论是反渗透，还是超滤与微滤，在操作中都存在浓差极化现象。在操作过程中，由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液侧表面都会积累形成浓度边界层，其浓度大大高于料液的主体浓度，在膜表面与主体料液之间浓度差的作用下，将导致溶质从膜表面向主体的反向扩散，这种现象称为浓差极化，如图所示。浓差极化使得膜面处浓度c_i增加，加大了渗透压，在一定压差 下使溶剂的透过速率下降，同时c_i的增加又使溶质的透过速率提高，使截留率下降。

 

膜污染是指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜透过速率下降的现象。组分在膜表面沉积形成的污染层将产生额外的阻力，该阻力可能远大于膜本身的阻力而成为过滤的主要阻力；组分在膜孔中的沉积，将造成膜孔减小甚至堵塞，实际上减小了膜的有效面积。膜污染主要发生在超滤与微滤过程中。

 

超滤通量与操作压力差的关系

左图所示的是超滤过程中压力差 与透过速率J之间的关系。对于纯水的超滤，其水通量与压力差成正比；而对于溶液的超滤，由于浓差极化与膜污染的影响，超滤通量随压差的变化关系为一曲线，当压差达到一定值时，再提高压力，只是使边界层阻力增大，却不能增大通量，从而获得一极限通量 。

 

由此可见，浓差极化与膜污染均使膜透过速率下降，是操作过程的不利因素，应设法降低。减轻浓差极化与膜污染的途径主要有：

（1）对原料液进行预处理，除去料液中的大颗粒；

（2）增加料液的流速或在组件中加内插件以增加湍动程度，减薄边界层厚度；

（3）定期对膜进行反冲和清洗。

四、应用

超滤主要适用于大分子溶液的分离与浓缩，广泛应用在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包括牛奶的浓缩、果汁的澄清、医药产品的除菌、电泳涂漆废水的处理、各种酶的提取等。微滤是所有膜过程中应用最普遍的一项技术，主要用于细菌、微粒的去除，广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化，半导体工业超纯水制备过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等。

9.3.5 渗透汽化 (Pervaporation)

一、基本原理

 

渗透汽化分离原理

汽化

渗透汽化是一种有相变的膜渗透过程。将液体混合物在膜的一侧与膜接触，而膜的另一侧维持较低的易挥发组分蒸汽压，在膜两侧易挥发组分蒸汽压差的作用下，易挥发组分较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，最后在膜的另一侧汽化而被抽出，这样的膜过程即为渗透汽化。易挥发组分通过膜时发生相变，相变所需的热量来自原料液的降温。在渗透汽化中只要膜选择得当，可使含量极少的易挥发溶质透过膜，虽然过程中需要一定的热量，但与大量的溶剂透过过程相比仍为节能操作。

 

渗透汽化的分离原理如图所示，传递机理通常可用溶解-扩散描述。依此机理，被分离组分通过膜的传递过程可分为三步：（1）被分离组分在膜上游表面被选择性吸附并溶解；（2）在膜内扩散渗透通过膜；（3）在膜下游表面脱附并汽化。

依据造成膜两侧蒸汽压差方法不同，渗透汽化主要有以下三种形式：

（1）真空渗透汽化：膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸汽压差；

（2）载气吹扫渗透汽化：用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分；

（3）热渗透汽化：通过料液加热和透过侧冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。

 

原料液

渗透液

渗余液

冷凝器

真空泵

原料液

渗透液

渗余液

冷凝器

载气

原料液

渗透液

渗余液

冷凝器

加热器

(a) 真空渗透汽化

(b) 载气吹扫渗透汽化

(c) 热渗透汽化

渗透汽化分离过程示意图

三种操作的流程示意如图所示。工业生产中通常采用真空与热渗透汽化相结合的方式。

 

二、渗透汽化膜与应用

渗透汽化所用膜为致密均质膜、复合膜或非对称膜，其中复合膜应用更广泛。表征渗透汽化膜分离性能的主要参数是膜的分离因数和透过速率（或渗透通量）。

渗透汽化对膜的要求是分离因数大、渗透通量大。实际上，膜的这两个性能参数常常是互相矛盾的。分离因数大、选择性好的膜，渗透通量往往比较小；而渗透通量大的膜，其分离因数通常又较小。所以，在选膜和制膜时需要根据具体情况进行优化选择。

渗透汽化是一个较复杂的分离过程，原料的组成对分离性能有很大的影响，一般主要用于液体混合物中去除少量的液体。渗透汽化虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离作用不受组分气-液平衡的限制，而主要受组分在膜内的渗透速率控制，因此，渗透汽化尤适合于用普通蒸馏难以分离的近沸物和恒沸物的分离。

渗透汽化的应用主要有以下几个方面;

(1) 有机溶剂脱水：最典型的过程为工业乙醇脱水制备无水乙醇，其分离能耗比恒沸精馏低得多，目前在工业上已大规模的应用；

(2) 水中有机物的脱除：如从发酵液中除去醇、从废水中除去挥发性有机污染物等；

(3) 有机物的分离：如苯/环己烷、丁烷/丁烯等的分离，但目前多处于基础研究阶段。

9.3.6 气体分离 (Gas Separation)

一、基本原理

气体膜分离是在膜两侧压力差的作用下，利用气体混合物中各组分在膜中渗透速率的差异而实现分离的过程，其中渗透快的组分在渗透侧富集，相应渗透慢的组分则在原料侧富集，气体分离流程示意图如图所示。

 

压缩机

渗透气

渗余气

真空泵

原料气

气体分离过程示意图

气体分离膜可分为多孔膜和无孔（均质）膜两种。在实际应用中，多采用均质膜。气体在均质膜中的传递靠溶解-扩散作用，其传递过程由三步组成：（1）气体在膜上游表面吸附溶解；（2）气体在膜两侧分压差的作用下扩散通过膜；（3）在膜下游表面脱附。此时渗透速率主要取决于气体在膜中的溶解度和扩散系数。

 

评价气体分离膜性能的主要参数是渗透系数和分离因数。分离因数反映膜对气体各组分透过的选择性，定义式同前。渗透系数表示气体通过膜的难易程度，定义为

                                    

式中：V——气体渗透量，m³；

——膜厚，m；

——膜两侧的压力差，Pa；

A——膜面积，m²；

t——时间，s；

——渗透系数，m³·m/(m²·s·Pa)。

二、应用

气体膜分离的主要应用有：

（1）H₂的分离回收：主要有合成氨尾气中H₂的回收、炼油工业尾气中H₂的回收等，是当前气体分离应用最广的领域；

（2）空气分离：利用膜分离技术可以得到富氧空气和富氮空气，富氧空气可用于高温燃烧节能、家用医疗保健等方面；富氮空气可用于食品保鲜、惰性气氛保护等方面；

（3）气体脱湿：如天然气脱湿、压缩空气脱湿、工业气体脱湿等。

9.3.7 膜接触器（Membrane Contactors）

一、概述

传统的分离单元操作如蒸馏、吸收、萃取等也可以通过膜来实现，即为膜蒸馏、膜吸收、膜萃取，膜过程与常规分离过程的耦合，是正开发中的新型膜分离技术，也是膜过程今后发展的方向，实现上述膜过程的设备统称为膜接触器。膜接触器是以多孔膜作为传递介质实现两相传质的装置，其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在微孔膜表面开孔处两相界面上相互接触而进行传质。这种膜接触器较常规的分散相接触器有显著的优越性，具有极大的两相传质面积是其典型特征，一般典型的膜接触器提供的传质面积比气体吸收器30倍以上，比液-液萃取器大500倍以上。另外，膜接触器的操作范围宽，高流量下不会造成液泛、雾沫夹带等不正常操作，低流量下不致滴液，也能正常操作。膜接触器主要缺点是传质中引入了一个新相——膜，膜的存在会影响总传质阻力，其影响程度取决于膜和体系的性质。

依据气液传递相不同，膜接触器又分为气-液（G-L）型、液-气（L-G）型、液-液（L-L）型。在液-液膜接触器中，两相均为液体；气-液型、液-气型膜接触器中，一相为气体或蒸汽，另一相为液体，二者的区别在于气-液型中，气体或蒸汽从气相传递到液相，液-气型中，气体或蒸汽从液相传递到气相，如图所示。

 

传质方向

传质方向

传质方向

液体

液体

气体

液体

液体

气体

膜接触器类型 （a）气-液接触器；（b）液-气接触器；（3）液-液接触器

（a）a

（b）a

（c）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

透过组分在膜接触器中的传递包括三个步骤：从原料相主体到膜的传递、在膜内微孔的扩散传递、以及从膜到渗透物相中的传递。传递过程的通量可表示为

                                       

                          

式中： ——总传质系数；

——分别为原料相、膜及透过物相的传质分系数；

——原料相与透过物相中透过组分的浓度差。

此时，传质总阻力由三部分组成，即原料相边界层阻力、膜阻和透过物相边界层阻力。

二、膜吸收(Membrane Absorption)

膜吸收与膜解吸是将膜与常规吸收、解吸相结合的膜分离过程，膜吸收为气-液接触器，而膜解吸为液-气接触器。利用微孔膜将气、液两相分隔开来，一侧为气相流动，而另一侧为液相流动，中间的膜孔提供气、液两相间实现传质的场所，从而使一种气体或多种气体被吸收进入液相实现吸收过程，或一种气体或多种气体从吸收剂中被气提实现解吸过程。

膜吸收中所采用的膜可以是亲水性膜，也可以是疏水性膜。根据膜材料的疏水和亲水性能以及吸收剂性能的差异，膜吸收又分为两种类型，即气体充满膜孔和液体充满膜孔的膜吸收过程。

（1）气体充满膜孔

若膜材料为疏水性并使膜两侧流体的压力差保持在一定范围时，作为吸收剂或被解吸的水溶液便不会进入膜孔，此时膜孔被气体所充满，如图（a）所示。在这种情况下，液相的压力应高于气相的压力，选择合适的压差使气体不在液体中鼓泡，也不能把液体压入膜孔，而将气、液界面固定在膜的液相侧。

 

膜吸收类型 （a）气体充满膜孔;   （b）液体充满膜孔

疏水微孔膜

气体

液体

气体

液体

亲水微孔膜

（a）

（b）

 

 

 

 

 

 

 

 

（2）液体充满膜孔

当吸收剂为水溶液且膜又为亲水性材料时，一旦膜与吸收剂接触，则膜孔立即被吸收剂充满；用疏水性膜材料时，若吸收剂为有机物溶液，膜孔也会被吸收剂充满，如图（b）所示。在这种情况下，气相的压力应高于液相的压力，以保证气、液界面固定在膜的气相侧，防止吸收剂穿透膜而流向气相。

膜吸收最早并广泛用于血液充氧过程，纯氧或空气流过膜的一侧而血液流过膜的另一侧，氧通过膜扩散到血液中，而二氧化碳则从血液扩散到气相中。目前膜吸收技术在化工生产中主要用于空气中的挥发性有机组分的脱除、工业排放尾气中酸性气体(如CO₂、SO₂、H₂S) 的脱除或分离, 氨气的回收等。

三、膜蒸馏(Membrane Distillation)

膜蒸馏是一种用于处理水溶液的新型膜分离过程。膜蒸馏中所用的膜是不被料液润湿的多孔疏水膜，膜的一侧是加热的待处理水溶液，另一侧是低温的冷水或是其它气体。由于膜的疏水性，水不会从膜孔中通过，但膜两侧由于水蒸汽压差的存在，而使水蒸汽通过膜孔，从高蒸汽压侧传递到低蒸汽压侧。这种传递过程包括三个步骤：首先水在料液侧膜表面汽化，然后汽化的水蒸汽通过疏水膜孔扩散，最后在膜另一侧表面上冷凝为水。

 

吹扫气

冷凝水

气隙

图8-30   膜蒸馏类型 （a）直接接触式;   （b）气隙式;   （c）减压式;  （d）气扫式

冷却水

热料液

（a）a

冷却水

热料液

（b）a

冷凝水

热料液

（c）a

冷凝器

真空泵

冷凝水

热料液

（d）

冷凝器

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

膜蒸馏过程的推动力是水蒸汽压差，一般是通过膜两侧的温度差来实现，所以膜蒸馏属于热推动膜过程。根据水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸馏可分为直接接触式、气隙式、减压式和气扫式四种形式，如图所示。直接接触式膜蒸馏是热料液和冷却水与膜两侧直接接触；气隙式膜蒸馏是用空气隙使膜与冷却水分开，水蒸汽需要通过一层气隙到达冷凝板上才能冷凝下来；减压膜蒸馏中，透过膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝；气扫式膜蒸馏是利用不凝的吹扫气将水蒸汽带入冷凝器中冷凝。

膜蒸馏主要应用在两个方面：一是纯水的制备，如海水淡化、电厂锅炉用水的处理等；二是水溶液的浓缩，如热敏性水溶液的浓缩、盐的浓缩结晶等。

四、膜萃取（Membrane Extraction）

膜萃取是膜过程与液-液萃取过程相结合的分离技术，用微孔膜将两个液相分隔开，传质过程在微孔膜表面进行。该过程无需密度差，避免了常规萃取操作中相的分散与凝聚过程，减少了萃取剂在料液中的夹带，有较高的传质速率。

 

原料

原料

有机相

膜萃取类型 （a）浸润性料液;   （b）非浸润性料液

疏水微孔膜

水相

有机相

（a）

（b）

疏水微孔膜

水相

渗透物

渗透物

同膜吸收相似，膜萃取过程也有两种形式，如图所示。当原料为有机溶剂、渗透物相为水溶液即从有机相中脱除溶质时，若膜是疏水性的，则膜会被原料有机相浸润，在膜孔的水相侧形成有机相与水相的界面，如（a）所示。若原料是水溶液而膜是疏水的，则原料水相不会进入膜孔，渗透侧的有机相会浸润膜孔，在膜孔的水相侧形成水相与有机相的界面，如（b）所示。操作中应适当控制两侧流体的压力，以维持相界面的合适位置。

 

膜萃取过程现已替代常规的萃取操作用于金属萃取、有机污染物的萃取、药物萃取等方面。