膜技术在水和气体净化中的应用.pdf

国际工程科技发展战略高端论坛膜技术在水和气体净化中的应用内容提要G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G2A G2B G2C G2D G2E G2F G30 G31 G32 G33 G34 G35 G36 G37 G38 G2D G39 G3A G3B G3C G3D G3E G3F G40 G41G42 G43 G44 G45 G46 G47 G48 G49 G2D G44 G4A G45 G46 G4B G22 G4C G4D G4E G4F G50 G51 G52 G53 G54 G54 G55 G21 G22 G23 G24 G25 G26 G27 G28 G29 G2AG43 G2D G2E G2F G56 G57 G58 G59 G5A G5B G5C G5D G44 G5E G5F G60 G5E G61 G62 G63 G64 G65 G44 G66 G67 G21 G22 G23 G2B G2C G2D G68 G69 G6A G21 G22 G23 G24G6B G25 G6C G2F G2B G2C G2D G2E G2F G5E G6D G25 G6E G2A G6F G2F G21 G22 G23 G2D G70 G71 G72 G5E G27 G28 G21 G24 G73 G2A G2B G2C G2D G2E G2F G74 G64 G75G5B G21 G22 G23 G2D G4C G4D G76 G77 G78 G79 G7A G7B G7C G7D G7E G7F G2D G80 G81 G3F G82 G43 G57 G5F G60 G21 G83 G84 G85 G86 G87 G88G26 G61 G62 G63 G21 G22 G23 G43 G89 G8A G8BG8C G8D G61 G8E G21 G8F G46 G90 G21 G91 G92 G5E G93 G94 G95 G5E G21 G96 G2A G5EG21 G97 G98 G5E G21 G99 G9A G78 G2D G9B G61 G80 G9C G7B G4D G7B G7C G7D G7E G7F G9D G9E G9F G5D G44 G45 G46 G47 G47 GA0G8CG8D G27 G28 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G21第一部分综述膜技术在水和气体净化中的应用国际高端论坛综述一、引言年月日，由中国工程院主办的“膜技术在水和气体净化中的应用”国际高端论坛在中国科学院过程工程研究所举行。中国工程院院士高从G21、侯立安、曹湘洪参加论坛，来自海外以及全国相关科研院所及高校的多名代表参加了这一膜技术领域的高端盛会。本次论坛特邀了美国工程院院士、美国膜材料协会主席及美国工程院院士、欧洲膜材料协会主席等在膜技术研究领域有影响力的知名专家学者到会作主旨报告，以膜技术在水和气体净化中的应用为主题，重点就膜过程、膜材料、膜应用等研究领域的最新进展进行专题报告。欧洲膜材料协会主席和新加坡膜技术中心教授针对新型膜过程，如膜蒸馏、正渗透、膜乳化、膜冷凝、膜结晶等的最新研究进展进行了深入讲解；美国工程院院士针对气体分离膜材料和气体分离膜应用等进行了全面介绍。与会中外专家学者就膜技术在污水回用领域的应用、海水淡化采用膜技术的经济性、气体膜在石化领域的应用以及未来膜技术的发展趋势等问题进行了深入研讨。膜技术在水和气体净化领域的应用是全球的发展趋势。各种耦合技术，如反渗透与正渗透耦合以降低能耗和产水成本、反渗透与膜蒸馏技术的耦合以实现零排放为目标将是未来膜技术在污水回用领域的发展趋势。未来对膜过程的研究主要是如何降低膜过程的能耗。二、报告内容（一）膜过程创新的过程工程膜技术在过程强化中的应用目前，膜工程对各个领域的影响不断增加。海水和苦咸水脱盐、工业水的回国际工程科技发展战略高端论坛膜技术在水和气体净化中的应用用、废水处理、气体分离、膜生物反应器（）、人工合成有机物工业均为膜过程成功的典型案例。其他膜过程，如被认为是最可行的技术。膜成功应用的动力在很大程度上源自膜的基本特性，如节能、环境影响小、无化学试剂及易于自动化等。这与过程强化战略紧密相关。目前，全球所面临的关键问题是如何维持工业的稳定增长，过程强化是可行的解决方案，膜在过程强化中起到重要作用。它具有替代传统能量强化技术的潜力，实现特种组分的选择性和高效传递，提高反应过程性能。在膜的运行系统中，反渗透（）膜系统的脱盐效率是热法的倍；的紧凑程度是传统淤泥法的倍多；燃料电池与单元组合的效率是热法的倍。海水脱盐所用膜的产能为亿，占整个脱盐市场的，脱盐市场不断增长，其中海水反渗透脱盐将占到反渗透脱盐技术的。绿色、环境友好的溶剂稀释剂在过去的年中，聚偏氟乙烯（）作为制备膜的合适材料，已广泛用于制备膜。膜的制备方法为相转化法。相转化包括非溶剂诱导相转化（）和热致相分离（）。近年来，通常采用法制备膜。在用法制备膜的过程中，稀释剂非常重要，其影响膜的形态、结构和性能。在高温下用法制备膜的合适稀释剂，应该与聚合物有相容性、具低挥发性和良好的热稳定性。另外，稀释剂相对分子质量较低、低毒及环境友好。教授在报告中总结了年相关文献用法制备膜的稀释剂，如邻苯二甲酸酯、邻苯二甲酸二辛酯（）、人造的酞酸二丁酯、二苯（甲）酮、碳酸二苯酯等。意大利国家研究理事会膜技术研究所的教授带领他的课题组用广泛接触食物类聚合物（聚乳酸）的增塑剂乙酰基柠檬酸三丁酯（）作为制备的稀释剂。为水性和油性聚合的增塑剂，这些聚合物包括丙烯酸、甲基丙烯酸等聚合物体系。与相比，制备硝酸纤维素薄膜时，它有许多改进，如低毒、寿命长。膜技术发展的新型膜过程膜蒸馏：膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离的目的。膜蒸馏的优势有：理论上的截留率；占地面积小、结构紧凑、建设费用低；操作温度低、可利用废热、操作压力低，设备投资少，过程更安全、更容易操作等。膜结晶：由膜蒸馏发展而来。与传统结晶技术相比，膜结晶的优势主要有：传膜技术在水和气体净化中的应用国际高端论坛综述质面积大、诱导周期短、能够优化控制过饱和程度、异相成核的表面效应、由于聚合物膜表面导致成核自由能的降低、可控制低过饱和程度下的晶体成长速率、可控制晶型、晶体尺寸均一、晶体尺寸分布窄。膜结晶过程主要用于生产催化剂晶体以及无机、有机或生物材料的结晶，用于耐溶剂结晶过程、选择性的多晶形物结晶等。膜乳化：膜乳化技术是年由日本科学家提出的新型乳化方法，该法是在一定的压力下，将分散相通过微孔膜分散到连续相中，其显著特点是乳状液液滴大小主要由微孔膜孔径来控制而呈单分散性。与传统乳化技术相比，膜乳化的优势有：能耗低、制备条件温和、可形成单分散胶团微粒、胶团微粒尺寸和形状均匀、通过改变膜孔尺寸和操作条件可以调控胶团微粒的大小等。膜乳化作为一种新型的乳状液制备技术，可以制备各种类型粒径的单分散乳状液。膜乳化过程在食品乳状液、药物控释系统、单分散微球（囊）的制备等诸多领域有着广泛的应用前景。膜冷凝：作为一种清洁的单元操作，膜冷凝可以作为废气的一种预处理手段，如作为废气进入另一个膜单元之前的预处理手段。与致密膜相比，膜冷凝操作压力低；与常规冷凝相比，膜冷凝没有腐蚀现象。目前，耦合膜过程优势明显，其中，耦合脱盐过程备受关注，该过程的分离原理是，待处理废水经过适当预处理后，泵入单元的进料液侧，将经过适当预处理的海水泵入单元的驱动液侧，通过膜，进料液侧待处理废水中的水通过膜进入到驱动液侧的海水中，进料液侧的废水被浓缩，而海水被不断稀释，被稀释后的海水再泵入反渗透系统进行处理，通过，获得产品水和浓水。该过程的技术目标是实现电耗低于，主要通过三方面实现：将水回收率再提高；浓水再减少；产水的价格实现美元。该耦合过程的研究重点主要集中在：耦合过程的研究（包括原理、系统设计、系统结构等）；新型膜材料的研究；污染控制技术研究；预处理技术研究。此外，耦合脱盐过程也是一个研究热点，常规海水脱盐系统的回收率小于，通过这一耦合过程，可以处理反渗透海水淡化后的高含盐水，可将高含盐水排放量减少到，能量回收，实现水和能量资源的高效利用。目前，正在开展采用膜蒸馏技术浓缩高盐度废水（）项目，膜蒸馏过程中没有膜性能的下降和膜结垢现象，目前正在寻找合适的试验地点，预计年膜蒸馏有可能会实现商业化模式运行。国际工程科技发展战略高端论坛膜技术在水和气体净化中的应用未来努力方向为了适应主体和环境的变化，开发一系列新的、不同性能的膜。巧妙的质量热传递规律；对危险环境（如军事、极限运动、空间站等）的自我维护及适应性；抗污染性、可冲洗性及自清洁性；对有害液体、辐射热、紫外及化学和生物试剂有更高的防护性；膜保护层的自修复；在极端环境和运行条件中具有更好的力学性能和耐化学性；膜用于长距离通信、数据存储和检测的传感器；开发预测材料的性能的模型。（二）中国膜科学技术发展的概况膜技术在中国的发展历史中国膜技术始于世纪年代，在年代后期得到迅速发展，年代膜技术已经由实验室研究转向中试化研究，此时开始进行气体分离膜方面的研发，对于氮气、氢气的分离已取得较好的效果，还有一些专家进行了渗透蒸发、膜蒸馏、膜反应器等方面的研究，从年到目前，膜科技在中国取得了显著进步，出现了一些新的膜材料（、等）、制备方法（、等）、新的膜过程（）等。中国膜科学技术的现状最近几年，膜分离技术的发展得到了国家相关部门的高度重视，国家重点基础研究计划（“”、“”）和国家自然科学基金项目均对膜研究给予专项资金支持，从而使得我国的膜分离技术取得很好的成就。目前，中国膜研究机构及公司有多家，约有多家公司可以生产膜，如膜天、赛诺等；研发成果也已经在工业处理、海水淡化等领域得到应用。典型膜技术（）主要介绍了两种材质的膜，即和，膜由于具有优良的化学稳定性、成本低，且具有较高的性能，被广泛应用，此膜材料主要采用方法进行制备。台湾高雄自来水厂采用海南立癉公司生产的超滤膜建成亚洲最大的超滤自来水生产厂，规模达到。结合膜天公司采用法生产的超滤膜，介绍了膜制备方法的发展。膜制备方法的关键是选择合适的溶液完成膜的液液分离。（）由均苯三酰氯与芳香二胺通过界面聚合形成聚酰胺复合膜是目前海水淡化反渗透膜的主要制备方法。我国长春应用化学研究所自行设计制备的基于联苯膜技术在水和气体净化中的应用国际高端论坛综述四酰氯（）、联苯三酰氯（）、芳香三胺（）等新型单体的新的聚酰胺膜材料，突破了由均苯三酰氯（）与芳香二胺制备反渗透复合膜的限制，研究结果表明基于三胺单体的反渗透复合膜，膜比膜水通量提高近，为进一步优化成膜工艺制备提供可产业化的新型反渗透复合膜奠定基础。目前我国生产的反渗透膜元件达到国外先进水平，市场的占有率也在逐步增长，初步具备与国际抗衡的水平。（）气体分离膜已应用于气体分离领域的高分子材料有，等，中国科学院大连化学物理研究所与中海油合作，将膜分离技术用于低品位天然气中回收甲烷、轻质油及液化气，总投资近万，年处理量为万，解决了单井气田气源不稳定、含量高（以上）等技术难点。（）其他一些典型的膜材料沸石分子筛膜沸石分子筛膜是将沸石制备成厚度为微米级的薄膜，实现分子的分离，重点介绍了型和型沸石膜。国内不少大学都在研究沸石膜的制备，不过目前尚未有工业应用实例，到目前为止，仅日本某企业在世纪年代成功建成并投产了一套沸石膜的工业装置，该装置用于醇水分离。金属膜金属膜具有良好的塑形、韧性和强度以及对环境和物料的适应性，因此得到关注。主要是钯膜、多孔、复合膜等。在中国膜技术发展趋势及其面临的挑战国家“十二五”计划将重点扶持膜科技发展，膜产值到年要达到亿元，所以中国膜技术发展空间很大，极具潜力。提到膜科技发展基础研究方面的三个问题：）如何通过环境与分离性能关系提升膜过程的工艺设计水平；）如何通过分离性能与材料结构关系将膜过程的设计从工艺设计推进到微观结构的设计；）在应用过程中膜的浓差极化。（三）膜和水的发展现状目前新加坡获取淡水资源的途径主要有以下三方面：雨水收集、海水淡化和废水回收。其中，雨水收集系统主要处理的是地表水资源，采用微滤膜（）和超滤膜（）过滤技术；海水淡化采用的是反渗透（）脱盐技术，过滤成本较大；工