第1章緒論1



1.1膜及膜過程1



1.2膜分離過程的特點3



1.3膜分離過程的分類3



課後習題6



參考文獻6







第2章膜的定義、分類、材料、制備及其應用7



2.1膜的定義7



2.2膜的分類7



2.2.1按膜的材料分類7



2.2.2按膜的構型分類7



2.2.3按膜的用途分類8



2.2.4按膜的作用機理分類8



2.3膜材料9



2.3.1高分子分離膜材料9



2.3.2無機膜材料11



2.3.3新型膜材料12



2.4膜的結構13



2.5膜的制備14



2.5.1高分子膜的制備14



2.5.2無機膜的制備方法19



2.6膜性能表征23



2.6.1膜的分離性能23



2.6.2膜的透過性能23



2.6.3膜的物理化學穩定性24



2.6.4膜的經濟性24



2.7膜缺陷24



2.7.1膜的微觀結構24



2.7.2膜缺陷24



2.8膜的應用25



2.8.1膜的污染和劣化25



2.8.2膜的劣化和污染的防止方法27



課後習題27



參考文獻27







第3章微濾29



3.1概述29



3.2微濾原理及其操作模式31



3.2.1微濾過程31



3.2.2微濾分離機理31



3.2.3微濾操作模式32



3.3微濾過程的數學描述33



3.3.1基於膜表面吸附量或沉積量的通量模型33



3.3.2基於膜面上物理量變化的通量模型37



3.4典型的微濾膜材料39



3.4.1纖維素酯類39



3.4.2聚酰胺類40



3.4.3氟化合物類40



3.4.4聚烯烴類（除聚氯乙烯）40



3.4.5聚碳酸酯41



3.4.6無機材料類41



3.5微濾膜的制備42



3.5.1相轉化法42



3.5.2溶出法45



3.5.3浸出法（分相法）45



3.5.4核徑跡蝕刻法46



3.5.5拉伸法47



3.5.6輻射固化48



3.5.7燒結法48



3.5.8陽極氧化法49



3.6微濾膜儲存和膜性能的評價方法50



3.6.1微濾膜的儲存50



3.6.2微濾膜的一般性能50



3.6.3微濾膜的形貌及關鍵性能的表征51



3.6.4商業微濾膜54



3.7微濾裝置（設備）及其應用54



3.7.1微濾裝置（設備）54



3.7.2微濾技術的應用56



課後習題62



參考文獻62







第4章超濾65



4.1概述65



4.2超濾分離原理及操作模式66



4.2.1超濾的過程特點66



4.2.2超濾的分離機理67



4.2.3超濾的操作模式67



4.3超濾過程的數學描述69



4.3.1現像學模型69



4.3.2孔模型69



4.3.3阻力疊加模型69



4.3.4濃差極化模型與凝膠模型69



4.4超濾膜材料71



4.4.1有機高分子材料71



4.4.2無機材料類72



4.4.3超濾膜材料的現狀及發展趨勢72



4.5超濾膜的制備73



4.5.1有機高分子超濾膜的制備73



4.5.2無機超濾膜的制備74



4.5.3超濾膜的制備工藝及裝置76



4.5.4超濾膜的儲存方式77



4.5.5超濾膜的現狀及發展趨勢78



4.6超濾膜結構表征及性能測定78



4.6.1超濾膜的結構特點78



4.6.2超濾膜的結構表征79



4.6.3超濾膜的性能測定81



4.7超濾膜污染及其清洗83



4.7.1超濾膜污染機理83



4.7.2超濾膜污染的影響因素及控制策略84



4.7.3超濾膜的清洗方式88



4.8超濾膜組件及裝置88



4.8.1超濾膜組件的分類及特點88



4.8.2超濾膜組件的排列方式90



4.8.3超濾裝置的配套設備及工藝流程90



4.8.4超濾過程分離效率的強化措施91



4.9超濾技術的應用及發展前景92



4.9.1超濾技術的應用92



4.9.2超濾技術的發展前景98



課後習題99



參考文獻99







第5章納濾104



5.1概述104



5.1.1納濾的發展歷史104



5.1.2納濾的特點106



5.2納濾原理106



5.2.1納濾膜的性能評價106



5.2.2納濾過程的數學模型108



5.3納濾膜材料116



5.3.1高分子納濾膜材料116



5.3.2無機納濾膜材料119



5.4納濾膜制備119



5.4.1非對稱膜的制備119



5.4.2復合膜的制備120



5.4.3疏松型納濾膜制備122



5.4.4無機膜的制備123



5.4.5膜改性123



5.5納濾工藝及應用124



5.5.1納濾膜組件及設備124



5.5.2納濾技術的工業應用124



5.6納濾技術的未來發展趨勢129



課後習題130



參考文獻130







第6章反滲透132



6.1概述132



6.1.1全球反滲透技術的發展歷程132



6.1.2中國反滲透技術的發展歷程133



6.1.3反滲透技術的市場概況134



6.2反滲透的基本原理134



6.2.1滲透與反滲透過程134



6.2.2滲透壓及其計算方法135



6.2.3反滲透膜分離機理及分離規律137



6.3反滲透過程的熱力學137



6.3.1經典熱力學137



6.3.2不可逆熱力學138



6.3.3不可逆過程的數學描述138



6.3.4不可逆過程的熱力學基本方程139



6.4反滲透過程的傳質機理及模型140



6.4.1溶解-擴散理論140



6.4.2優先吸附-毛細孔流動理論142



6.4.3形成氫鍵理論148



6.4.4其他傳質理論149



6.5反滲透膜的制備與成膜機理153



6.5.1典型的反滲透膜材料153



6.5.2制膜液的選擇156



6.5.3非對稱反滲透膜的制備工藝158



6.5.4復合型反滲透膜的制備工藝163



6.5.5新型反滲透膜材料及膜性能預測手段168



6.5.6反滲透膜的保存及使用170



6.6反滲透膜的結構表征與性能評價171



6.6.1反滲透膜的結構表征171



6.6.2反滲透膜的性能評價172



6.7反滲透膜的污染及防治措施173



6.7.1膜污染分類173



6.7.2膜污染成因及形成機理173



6.7.3膜污染預防措施177



6.7.4反滲透膜的清洗、消毒和再生182



6.8反滲透分離裝置及膜成型機械裝置186



6.8.1實驗室規模的膜分離裝置186



6.8.2工業規模的膜分離裝置186



6.8.3工業規模的膜成型裝置192



6.9膜分離工藝流程及設計194



6.9.1預處理工藝的設計194



6.9.2段與級的概念及膜組件排列組合方式的確定195



6.9.3反滲透的後處理繫統199



6.9.4輔助設備及主要零部件202



6.9.5設備的操作與維修203



6.9.6經濟性分析203



6.10反滲透的應用案例204



6.10.1海水淡化204



6.10.2苦咸水淡化205



6.10.3純水和超純水生產205



6.10.4料液脫水濃縮211



6.10.5工業廢水處理及回用213



6.10.6飲用水處理215



6.11反滲透技術的發展趨勢215



課後習題216



參考文獻216







第7章正滲透220



7.1正滲透概述220



7.2正滲透原理220



7.3正滲透膜過程221



7.3.1正滲透膜過程的特點222



7.3.2內濃差極化與外濃差極化222



7.4典型的正滲透膜材料及其制備方法224



7.4.1醋酸纖維素正滲透膜225



7.4.2聚酰胺復合正滲透膜226



7.4.3聚苯並咪唑正滲透膜226



7.4.4其他正滲透膜材料227



7.5正滲透膜組件228



7.5.1板框式膜組件228



7.5.2螺旋卷式膜組件228



7.5.3管式膜組件229



7.5.4正滲透水袋229



7.6正滲透膜的結構表征及其性能測定230



7.6.1正滲透膜的形態結構表征230



7.6.2正滲透膜的結構參數與表征230



7.6.3正滲透膜的性能參數與測定231



7.7正滲透汲取液232



7.7.1無機汲取液233



7.7.2有機汲取液233



7.7.3揮發型汲取液233



7.7.4磁性汲取液233



7.7.5水凝膠234



7.8正滲透膜過程的應用234



7.8.1淡化234



7.8.2濃縮235



7.8.3正滲透-膜生物反應器聯用235



7.8.4能源235



7.9正滲透膜過程的發展前景236



課後習題236



參考文獻236







第8章滲透汽化239



8.1滲透汽化概述239



8.1.1滲透汽化的發展歷史及其應用239



8.1.2我國滲透汽化技術的發展及其應用240



8.2滲透汽化的基本原理240



8.2.1滲透汽化分離機理240



8.2.2滲透汽化操作模式241



8.3滲透汽化過程的數學描述243



8.3.1溶解-擴散模型243



8.3.2孔流模型245



8.4滲透汽化膜的性能表征245



8.5典型的滲透汽化膜材料246



8.5.1聚合物滲透汽化膜246



8.5.2有機/無機雜化滲透汽化膜248



8.5.3分子篩滲透汽化膜249



8.6滲透汽化膜的制備方法250



8.7滲透汽化的工業應用及發展前景251



8.7.1滲透汽化裝置251



8.7.2滲透汽化的應用252



8.7.3滲透汽化應用中存在的問題254



課後習題255



參考文獻255







第9章氣體分離膜258



9.1氣體分離膜概述258



9.2氣體分離膜的分離機理及數學描述259



9.2.1多孔膜分離機理259



9.2.2非多孔膜分離機理261



9.3典型的氣體分離膜材料263



9.3.1有機高分子材料263



9.3.2無機材料268



9.3.3金屬有機骨架化合物269



9.3.4有機/無機雜化材料270



9.4氣體分離膜的制備271



9.5氣體分離膜的評價273



9.5.1溶解度繫數273



9.5.2滲透繫數274



9.5.3擴散繫數275



9.5.4分離繫數276



9.6氣體分離膜繫統及其應用278



9.6.1氣體分離膜繫統278



9.6.2氣體分離膜的應用280



9.7氣體分離膜技術未來的發展方向283



9.8商業氣體分離膜284



課後習題284



參考文獻285







第10章電滲析與離子交換膜287



10.1電滲析基本原理287



10.1.1電滲析的工作原理287



10.1.2電滲析的基本過程與伴隨過程288



10.2電滲析過程的質量傳遞現像289



10.2.1基本傳質方程289



10.2.2電解質通過離子交換膜的質量傳遞290



10.3面向電滲析過程的離子交換膜291



10.3.1離子交換膜的基本概念291



10.3.2離子交換膜的分類291



10.3.3離子交換膜的制備292



10.3.4離子交換膜的表征295



10.4電滲析器299



10.4.1隔板300



10.4.2電極301



10.5電滲析的應用301



10.5.1電滲析在給水處理中的應用301



10.5.2電滲析在廢水和廢氣處理中的應用302



10.5.3電滲析在化工生產中的應用302



10.5.4電滲析在生物制品和食品



工業中的應用302



課後習題303



參考文獻303







第11章膜蒸餾306



11.1膜蒸餾的概述306



11.1.1膜蒸餾的原理及特征307



11.1.2膜蒸餾工藝分類308



11.2膜蒸餾傳遞機理309



11.2.1傳質過程309



11.2.2傳熱過程312



11.3膜蒸餾用膜313



11.3.1膜特性參數313



11.3.2膜材料314



11.3.3膜蒸餾用膜的制備方法316



11.3.4膜蒸餾用膜的疏水改性318



11.3.5膜蒸餾用膜的發展趨勢318



11.4操作參數320



11.5膜污染及膜潤濕321



11.6膜組件323



11.7膜組件的優化323



11.8膜蒸餾集成過程323



11.9膜蒸餾的應用325



11.10膜蒸餾的發展方向326



課後習題326



參考文獻326







第12章膜基耦合分離過程及液膜技術330



12.1均相混合物分離過程中的非均相分離問題330



12.2膜接觸器概述331



12.3膜接觸器中膜材料的選擇332



12.3.1膜潤濕或浸潤對傳質的影響332



12.3.2吸收膜材料的選擇333



12.3.3萃取膜材料的選擇333



12.4膜組件結構333



12.5膜接觸器傳質過程的影響因素334



12.5.1膜吸收技術傳質過程的影響因素334



12.5.2膜萃取技術傳質過程的影響因素336



12.6中空纖維膜接觸器的傳質模型336



12.6.1管程傳質關聯式337



12.6.2膜相傳質關聯式337



12.6.3殼程傳質關聯式337



12.7膜接觸器傳質過程的強化研究339



12.7.1通過膜接觸器結構優化設計強化傳質339



12.7.2加入第三相強化傳質339



12.7.3通過外場作用強化傳質339



12.8膜接觸器的應用研究及發展前景340



12.8.1膜吸收技術的應用340



12.8.2膜萃取技術的應用341



12.9液膜技術342



12.9.1液膜發展概述342



12.9.2同級萃取-反萃膜過程的優勢342



12.9.3液膜構型343



12.9.4傳質的影響因素346



12.9.5液膜分離技術的傳質機理及傳質模型347



12.9.6液膜的應用研究348



課後習題349



參考文獻349







第13章膜反應器355



13.1膜反應器概述355



13.1.1膜反應器的定義和特征355



13.1.2膜反應器中膜的功能356



13.2用於水處理的膜生物反應器356



13.2.1膜生物反應器概述356



13.2.2膜生物反應器的數學描述357



13.2.3膜生物反應器的種類359



13.2.4膜生物反應器對各種污染物的去除效果361



13.2.5水處理過程中的膜污染及其控制362



13.2.6膜生物反應器在水處理中的應用365



課後習題368



參考文獻368

前言



膜分離過程作為一項分離、濃縮、純化高新技術，廣泛應用於海水淡化、廢水處理、食品加工等領域。膜應用年增長率達到14%～30%，有力地促進了經濟社會及科技的發展。進入21世紀，世界各國都將膜技術列入優先發展的高新技術課題，設立專項，投入巨資，開展研發，使膜技術進入全面發展時期。因此，順應市場需要及技術發展，大力普及推廣膜技術具有重要的經濟價值與現實意義。



《膜分離技術基礎》自2000年首次出版以來，受到了廣大讀者的歡迎和肯定。本書第1版被348個圖書館收藏，累計引用達1480次，被118部科技書籍引用。2008年第2版出版後，又被328個圖書館收藏，引用達393次，被80部科技書籍引用。本書作為膜技術教材，在普及膜知識、傳播膜技術方面發揮了積極的推動作用，產生了良好的社會效益。2008年，本書被評為“北京高等教育精品教材”。



本書的第3版是在2006年第2版的基礎上，經修訂、增補而成。同第2版相比，新增正滲透、膜蒸餾和膜基耦合分離過程及液膜技術3章內容。全書共13章，包括緒論、膜材料及其制備、反滲透、正滲透、納濾、超濾、微濾、氣體分離膜、電滲析與離子交換膜、滲透汽化、膜蒸餾、膜基耦合分離過程及液膜技術、膜反應器等內容，宗旨是全面繫統地介紹常見膜過程的原理、特性、操作特點及其應用，是廣大膜工作者了解、學習膜技術知識的基礎教材。本書簡明實用，可供高等院校相關專業本科生、研究生及工程技術人員參考使用。



本書第3版修訂及編著分工如下：北京工業大學的王湛、李平、劉松柏修訂第1章（緒論），北京工業大學的王湛、北京賽諾膜技術有限公司的張景隆、北京理工大學的趙爽修訂第2章（膜的定義、分類、材料、制備及其應用），北京工業大學的王湛、北京碧水源科技股份有限公司的朱中亞、啟迪桑德環境資源股份有限公司的侯磊修訂第3章（微濾），天津大學的王志、趙頌修訂第4章（超濾），北京林業大學的王璐瑩修訂第5章（納濾），中國海洋大學的高學理、徐源、王群、王劍、王小娟修訂第6章（反滲透），中國海洋大學的王鐸編著第7章（正滲透），北京工業大學的王乃鑫、李倩修訂第8章（滲透汽化），北京工業大學的安全福、張文海修訂第9章（氣體分離），中國海洋大學的賈玉香重新編著第10章（電滲析與離子交換），北京惠源三達水處理有限公司的張永剛、北京工業大學的彭躍蓮、北京穎泰嘉和生物科技股份有限公司的晉彩蘭編著第11章（膜蒸餾)，北京化工大學的袁學玲、張衛東編著第12章（膜基耦合分離過程及液膜技術），北京工業大學的宋芃、班旻修訂第13章（膜反應器) 。全書後由王湛、王志和高學理老師統編定稿。



全書在修改和補充過程中，參考了本領域前賢、同行的有關研究論文、專門書籍，在此向這些為膜技術發展做出貢獻的前輩、同行及編著者表示衷心的感謝。本書在編寫過程中，正值國家自然科學基金及北京市自然科學基金資助項目的研究時期，這些項目研究資料及資金支持也為完成本書的編著提供了必要的條件。



限於編者水平，書中疏漏及不妥之處在所難免，懇請廣大讀者和同行指正。







編著者於平樂園



2018年4月28日















版前言



膜分離過程作為一門新型的高分離、濃縮、提純及淨化技術，在近30年來發展迅速，已在各工業領域和科學研究中得到廣泛的應用。1994年，世界膜和膜組件的銷售總值為3，並且每年以14%～30%的速度繼續上升，到2004年預計將達10。膜分離過程是解決當代能源、資源和環境污染問題的重要高新技術，是可持續發展技術的基礎。美國、日本等西方發達國家都將膜技術列入21世紀優先發展的高新技術之一。



在中國，隨著膜技術的引進和國家各部委科研攻關研究的深入，膜技術已在海水、苦咸水淡化、工業廢水處理、環境污染治理等領域獲得成功的應用，顯示出其強大的生命力。因此，適應市場需求，迅速普及和推廣膜知識，是目前的迫切任務。



膜技術是一門涉及多學科的高新技術邊緣學科，盡管國內陸續有這方面的譯著、專著出版，但其讀者對像都是針對具有一定膜分離基礎知識的專家、學者、研究人員，而缺乏適用於大眾的繫統教材。有鋻於此，本書分緒論和膜的定義、反滲透、納濾、超濾、微濾5章，比較全面繫統地介紹了壓力驅動膜過程的原理、特性、操作特點及其應用，是初學者學習膜技術知識的理想學習用書，同時也可供研究生、教師及工程人員參考。



全書由北京工業大學王樹森教授審校。在編寫過程中還引用了高從堦院士、М.Т.Брык、Е.А.Цапюк教授、劉茉娥教授等人的專著，北京工業大學高以烜研究員、姚士仲、劉淑秀、紀樹蘭副教授、孟聲、佘遠斌教授，北京海澱區彙文圖書發行部譚隆全經理給予了大力幫助，在此謹向他們表示衷心的感謝。



限於編者水平，書中疏漏及不妥之處，懇請廣大讀者和同行賜教。







北京工業大學 王湛 博士



2000年3月於平樂園















第二版前言



膜分離過程作為一項高分離、濃縮、 提純及淨化技術廣泛應用於各工業領域，年增長率達到14%～30%，有力地促進了社會、經濟及科技的發展。膜技術是21世紀優先發展的高新技術之一，已進入全面發展時期。西方發達國家都將膜技術列入21世紀優先發展的高新技術，投入巨資進行開發研究。在中國，膜分離同樣得到了國家相關部門的高度重視，將之列為“六五”“七五”“八五”“九五”“十五”以及863、973計劃的重點研究課題，給予專項資金支持，取得了重大進展，其成果已在海水淡化、工業廢水處理、食品加工等領域得到廣泛應用，顯示出其強大的生命力，因此，順應市場需要，大力普及推廣膜技術具有重要的現實意義。



本書是在化學工業出版社2000年出版的《膜分離技術基礎》一書的基礎上經修改、增補而成的第二版, 同版相比，本書增加了氣體分離、電滲析、滲透汽化和膜反應器等內容以及相應的復習和思考題。全書共分十章，包括緒論、膜材料及其制備、反滲透、納濾、超濾、微濾、氣體分離、電滲析、滲透汽化和膜反應器等內容，力圖全面繫統地介紹常見膜過程的原理、特性、操作特點及其應用，是了解、學習膜技術知識的理想學習用書，同時還可供高等院校相關專業的本科生、研究生、教師及工程人員參考。



王湛、周翀修訂書中的第1章～第6章，張陽編寫第7章，江定國編寫第8章，周翀編寫第9章，劉美編寫第10章。孫本惠教授審核第1章，高從堦院士審核第2章與第3章，姚士仲副教授審核第4章與第7章，劉忠洲研究員審核第5章與第6章，莫劍雄研究員與孟洪博士審核第8章，郭紅霞博士審核第9章與第10章。全書後由王湛、周翀統編。



全書在修改和補充過程中，參閱了大量相關論文與著述，特在此向各位作者及審核者表示衷心的感謝。本書在編寫過程中正值國家自然基金及北京市自然基金的研究時期，這些項目的研究資料及資金支持也是完成本書的必要條件，在此一並致謝。



限於編者水平，書中疏漏及不妥之處在所難免，懇請廣大讀者和同行賜教、斧正。







編者



2006年4月