膜分离技术基础(王湛)（第三版）

1.《膜分离技术基础》第二版，被评为2008年北京高等教育精品教材。

2.《膜分离技术基础》第三版，保持与时俱进，新增内容包括正渗透、膜蒸馏、膜基耦合分离工程及液膜技术等内容。

3.《膜分离技术基础》第三版的参与人员均为长期从事膜分离研究和应用的技术人员，对该行业的技术有较深的理解和掌握。内容参考性强。

 

 

《膜分离技术基础》第三版详细阐述了膜分离技术的基本理论、膜的制备及其应用，包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、正渗透、渗透汽化、气体分离膜、电渗析与离子交换膜、膜蒸馏、膜基耦合分离过程及液膜技术、膜反应器。本书（第三版）与第二版（2006年8月）相比，增加了正渗透、膜蒸馏和膜基耦合分离过程及液膜技术，并在每章增加了课后习题，删除了陈旧及重复的内容，添加了膜技术发展的*成果，使得本书更为全面系统，能够反映当前膜领域基础知识体系和*技术成果，是一部针对性和实用性极强的教科书。本书的出版，不但能为初学者提供的基本内容，而且对膜研究工作者也有一定的借鉴与参考作用。本书可供高等院校化学工程、分离技术等专业师生使用，也可供膜分离技术研究人员及工程技术人员参考。

王湛，北京工业大学教授，博导。主持包括国家基金、市基金、市*项目、科技部国际合作项目和国家基金中俄项目在内的科研项目多项。兼任《水处理技术》杂志编委,《膜科学与技术》杂志编委，《环境科学与技术》杂志特邀编委，中国环境科学学会高级会员，中国纺织出版社编委会委员，北京市工程技术系列（化工）高级专业技术资格评审委员会评审委员，担任中国国际工程咨询公司、 国家基金委、市基金委、浙江省自然科学基金委员会、河北省自然基金委员会等部门的项目评议人及《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Membrane Science》、《Separation Science and Technology》、《Desalination》、《Desalination and Water Treatment》、《Materials Research》、《化工学报》、《环境工程》、《膜科学与技术》等刊物的审稿专家。

第1章绪论1

1.1膜及膜过程1

1.2膜分离过程的特点3

1.3膜分离过程的分类3

课后习题6

参考文献6

第2章膜的定义、分类、材料、制备及其应用7

2.1膜的定义7

2.2膜的分类7

2.2.1按膜的材料分类7

2.2.2按膜的构型分类7

2.2.3按膜的用途分类8

2.2.4按膜的作用机理分类8

2.3膜材料9

2.3.1高分子分离膜材料9

2.3.2无机膜材料11

2.3.3新型膜材料12

2.4膜的结构13

2.5膜的制备14

2.5.1高分子膜的制备14

2.5.2无机膜的制备方法19

2.6膜性能表征23

2.6.1膜的分离性能23

2.6.2膜的透过性能23

2.6.3膜的物理化学稳定性24

2.6.4膜的经济性24

2.7膜缺陷24

2.7.1膜的微观结构24

2.7.2膜缺陷24

2.8膜的应用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

课后习题27

参考文献27

第3章微滤29

3.1概述29

3.2微滤原理及其操作模式31

3.2.1微滤过程31

3.2.2微滤分离机理31

3.2.3微滤操作模式32

3.3微滤过程的数学描述33

3.3.1基于膜表面吸附量或沉积量的通量模型33

3.3.2基于膜面上物理量变化的通量模型37

3.4典型的微滤膜材料39

3.4.1纤维素酯类39

3.4.2聚酰胺类40

3.4.3氟化合物类40

3.4.4聚烯烃类（除聚氯乙烯）40

3.4.5聚碳酸酯41

3.4.6无机材料类41

3.5微滤膜的制备42

3.5.1相转化法42

3.5.2溶出法45

3.5.3浸出法（分相法）45

3.5.4核径迹蚀刻法46

3.5.5拉伸法47

3.5.6辐射固化48

3.5.7烧结法48

3.5.8阳极氧化法49

3.6微滤膜储存和膜性能的评价方法50

3.6.1微滤膜的储存50

3.6.2微滤膜的一般性能50

3.6.3微滤膜的形貌及关键性能的表征51

3.6.4商业微滤膜54

3.7微滤装置（设备）及其应用54

3.7.1微滤装置（设备）54

3.7.2微滤技术的应用56

课后习题62

参考文献62

第4章超滤65

4.1概述65

4.2超滤分离原理及操作模式66

4.2.1超滤的过程特点66

4.2.2超滤的分离机理67

4.2.3超滤的操作模式67

4.3超滤过程的数学描述69

4.3.1现象学模型69

4.3.2孔模型69

4.3.3阻力叠加模型69

4.3.4浓差极化模型与凝胶模型69

4.4超滤膜材料71

4.4.1有机高分子材料71

4.4.2无机材料类72

4.4.3超滤膜材料的现状及发展趋势72

4.5超滤膜的制备73

4.5.1有机高分子超滤膜的制备73

4.5.2无机超滤膜的制备74

4.5.3超滤膜的制备工艺及装置76

4.5.4超滤膜的储存方式77

4.5.5超滤膜的现状及发展趋势78

4.6超滤膜结构表征及性能测定78

4.6.1超滤膜的结构特点78

4.6.2超滤膜的结构表征79

4.6.3超滤膜的性能测定81

4.7超滤膜污染及其清洗83

4.7.1超滤膜污染机理83

4.7.2超滤膜污染的影响因素及控制策略84

4.7.3超滤膜的清洗方式88

4.8超滤膜组件及装置88

4.8.1超滤膜组件的分类及特点88

4.8.2超滤膜组件的排列方式90

4.8.3超滤装置的配套设备及工艺流程90

4.8.4超滤过程分离效率的强化措施91

4.9超滤技术的应用及发展前景92

4.9.1超滤技术的应用92

4.9.2超滤技术的发展前景98

课后习题99

参考文献99

第5章纳滤104

5.1概述104

5.1.1纳滤的发展历史104

5.1.2纳滤的特点106

5.2纳滤原理106

5.2.1纳滤膜的性能评价106

5.2.2纳滤过程的数学模型108

5.3纳滤膜材料116

5.3.1高分子纳滤膜材料116

5.3.2无机纳滤膜材料119

5.4纳滤膜制备119

5.4.1非对称膜的制备119

5.4.2复合膜的制备120

5.4.3疏松型纳滤膜制备122

5.4.4无机膜的制备123

5.4.5膜改性123

5.5纳滤工艺及应用124

5.5.1纳滤膜组件及设备124

5.5.2纳滤技术的工业应用124

5.6纳滤技术的未来发展趋势129

课后习题130

参考文献130

第6章反渗透132

6.1概述132

6.1.1全球反渗透技术的发展历程132

6.1.2中国反渗透技术的发展历程133

6.1.3反渗透技术的市场概况134

6.2反渗透的基本原理134

6.2.1渗透与反渗透过程134

6.2.2渗透压及其计算方法135

6.2.3反渗透膜分离机理及分离规律137

6.3反渗透过程的热力学137

6.3.1经典热力学137

6.3.2不可逆热力学138

6.3.3不可逆过程的数学描述138

6.3.4不可逆过程的热力学基本方程139

6.4反渗透过程的传质机理及模型140

6.4.1溶解-扩散理论140

6.4.2优先吸附-毛细孔流动理论142

6.4.3形成氢键理论148

6.4.4其他传质理论149

6.5反渗透膜的制备与成膜机理153

6.5.1典型的反渗透膜材料153

6.5.2制膜液的选择156

6.5.3非对称反渗透膜的制备工艺158

6.5.4复合型反渗透膜的制备工艺163

6.5.5新型反渗透膜材料及膜性能预测手段168

6.5.6反渗透膜的保存及使用170

6.6反渗透膜的结构表征与性能评价171

6.6.1反渗透膜的结构表征171

6.6.2反渗透膜的性能评价172

6.7反渗透膜的污染及防治措施173

6.7.1膜污染分类173

6.7.2膜污染成因及形成机理173

6.7.3膜污染预防措施177

6.7.4反渗透膜的清洗、消毒和再生182

6.8反渗透分离装置及膜成型机械装置186

6.8.1实验室规模的膜分离装置186

6.8.2工业规模的膜分离装置186

6.8.3工业规模的膜成型装置192

6.9膜分离工艺流程及设计194

6.9.1预处理工艺的设计194

6.9.2段与级的概念及膜组件排列组合方式的确定195

6.9.3反渗透的后处理系统199

6.9.4辅助设备及主要零部件202

6.9.5设备的操作与维修203

6.9.6经济性分析203

6.10反渗透的应用案例204

6.10.1海水淡化204

6.10.2苦咸水淡化205

6.10.3纯水和超纯水生产205

6.10.4料液脱水浓缩211

6.10.5工业废水处理及回用213

6.10.6饮用水处理215

6.11反渗透技术的发展趋势215

课后习题216

参考文献216

第7章正渗透220

7.1正渗透概述220

7.2正渗透原理220

7.3正渗透膜过程221

7.3.1正渗透膜过程的特点222

7.3.2内浓差极化与外浓差极化222

7.4典型的正渗透膜材料及其制备方法224

7.4.1醋酸纤维素正渗透膜225

7.4.2聚酰胺复合正渗透膜226

7.4.3聚苯并咪唑正渗透膜226

7.4.4其他正渗透膜材料227

7.5正渗透膜组件228

7.5.1板框式膜组件228

7.5.2螺旋卷式膜组件228

7.5.3管式膜组件229

7.5.4正渗透水袋229

7.6正渗透膜的结构表征及其性能测定230

7.6.1正渗透膜的形态结构表征230

7.6.2正渗透膜的结构参数与表征230

7.6.3正渗透膜的性能参数与测定231

7.7正渗透汲取液232

7.7.1无机汲取液233

7.7.2有机汲取液233

7.7.3挥发型汲取液233

7.7.4磁性汲取液233

7.7.5水凝胶234

7.8正渗透膜过程的应用234

7.8.1淡化234

7.8.2浓缩235

7.8.3正渗透-膜生物反应器联用235

7.8.4能源235

7.9正渗透膜过程的发展前景236

课后习题236

参考文献236

第8章渗透汽化239

8.1渗透汽化概述239

8.1.1渗透汽化的发展历史及其应用239

8.1.2我国渗透汽化技术的发展及其应用240

8.2渗透汽化的基本原理240

8.2.1渗透汽化分离机理240

8.2.2渗透汽化操作模式241

8.3渗透汽化过程的数学描述243

8.3.1溶解-扩散模型243

8.3.2孔流模型245

8.4渗透汽化膜的性能表征245

8.5典型的渗透汽化膜材料246

8.5.1聚合物渗透汽化膜246

8.5.2有机/无机杂化渗透汽化膜248

8.5.3分子筛渗透汽化膜249

8.6渗透汽化膜的制备方法250

8.7渗透汽化的工业应用及发展前景251

8.7.1渗透汽化装置251

8.7.2渗透汽化的应用252

8.7.3渗透汽化应用中存在的问题254

课后习题255

参考文献255

第9章气体分离膜258

9.1气体分离膜概述258

9.2气体分离膜的分离机理及数学描述259

9.2.1多孔膜分离机理259

9.2.2非多孔膜分离机理261

9.3典型的气体分离膜材料263

9.3.1有机高分子材料263

9.3.2无机材料268

9.3.3金属有机骨架化合物269

9.3.4有机/无机杂化材料270

9.4气体分离膜的制备271

9.5气体分离膜的评价273

9.5.1溶解度系数273

9.5.2渗透系数274

9.5.3扩散系数275

9.5.4分离系数276

9.6气体分离膜系统及其应用278

9.6.1气体分离膜系统278

9.6.2气体分离膜的应用280

9.7气体分离膜技术未来的发展方向283

9.8商业气体分离膜284

课后习题284

参考文献285

第10章电渗析与离子交换膜287

10.1电渗析基本原理287

10.1.1电渗析的工作原理287

10.1.2电渗析的基本过程与伴随过程288

10.2电渗析过程的质量传递现象289

10.2.1基本传质方程289

10.2.2电解质通过离子交换膜的质量传递290

10.3面向电渗析过程的离子交换膜291

10.3.1离子交换膜的基本概念291

10.3.2离子交换膜的分类291

10.3.3离子交换膜的制备292

10.3.4离子交换膜的表征295

10.4电渗析器299

10.4.1隔板300

10.4.2电极301

10.5电渗析的应用301

10.5.1电渗析在给水处理中的应用301

10.5.2电渗析在废水和废气处理中的应用302

10.5.3电渗析在化工生产中的应用302

10.5.4电渗析在生物制品和食品

工业中的应用302

课后习题303

参考文献303

第11章膜蒸馏306

11.1膜蒸馏的概述306

11.1.1膜蒸馏的原理及特征307

11.1.2膜蒸馏工艺分类308

11.2膜蒸馏传递机理309

11.2.1传质过程309

11.2.2传热过程312

11.3膜蒸馏用膜313

11.3.1膜特性参数313

11.3.2膜材料314

11.3.3膜蒸馏用膜的制备方法316

11.3.4膜蒸馏用膜的疏水改性318

11.3.5膜蒸馏用膜的发展趋势318

11.4操作参数320

11.5膜污染及膜润湿321

11.6膜组件323

11.7膜组件的优化323

11.8膜蒸馏集成过程323

11.9膜蒸馏的应用325

11.10膜蒸馏的发展方向326

课后习题326

参考文献326

第12章膜基耦合分离过程及液膜技术330

12.1均相混合物分离过程中的非均相分离问题330

12.2膜接触器概述331

12.3膜接触器中膜材料的选择332

12.3.1膜润湿或浸润对传质的影响332

12.3.2吸收膜材料的选择333

12.3.3萃取膜材料的选择333

12.4膜组件结构333

12.5膜接触器传质过程的影响因素334

12.5.1膜吸收技术传质过程的影响因素334

12.5.2膜萃取技术传质过程的影响因素336

12.6中空纤维膜接触器的传质模型336

12.6.1管程传质关联式337

12.6.2膜相传质关联式337

12.6.3壳程传质关联式337

12.7膜接触器传质过程的强化研究339

12.7.1通过膜接触器结构优化设计强化传质339

12.7.2加入第三相强化传质339

12.7.3通过外场作用强化传质339

12.8膜接触器的应用研究及发展前景340

12.8.1膜吸收技术的应用340

12.8.2膜萃取技术的应用341

12.9液膜技术342

12.9.1液膜发展概述342

12.9.2同级萃取-反萃膜过程的优势342

12.9.3液膜构型343

12.9.4传质的影响因素346

12.9.5液膜分离技术的传质机理及传质模型347

12.9.6液膜的应用研究348

课后习题349

参考文献349

第13章膜反应器355

13.1膜反应器概述355

13.1.1膜反应器的定义和特征355

13.1.2膜反应器中膜的功能356

13.2用于水处理的膜生物反应器356

13.2.1膜生物反应器概述356

13.2.2膜生物反应器的数学描述357

13.2.3膜生物反应器的种类359

13.2.4膜生物反应器对各种污染物的去除效果361

13.2.5水处理过程中的膜污染及其控制362

13.2.6膜生物反应器在水处理中的应用365

课后习题368

参考文献368

 

前言

膜分离过程作为一项分离、浓缩、纯化高新技术，广泛应用于海水淡化、废水处理、食品加工等领域。膜应用年增长率达到14%～30%，有力地促进了经济社会及科技的发展。进入21世纪，世界各国都将膜技术列入优先发展的高新技术课题，设立专项，投入巨资，开展研发，使膜技术进入全面发展时期。因此，顺应市场需要及技术发展，大力普及推广膜技术具有重要的经济价值与现实意义。

《膜分离技术基础》自2000年首次出版以来，受到了广大读者的欢迎和肯定。本书第1版被348个图书馆收藏，累计引用达1480次，被118部科技书籍引用。2008年第2版出版后，又被328个图书馆收藏，引用达393次，被80部科技书籍引用。本书作为膜技术教材，在普及膜知识、传播膜技术方面发挥了积极的推动作用，产生了良好的社会效益。2008年，本书被评为“北京高等教育精品教材”。

本书的第3版是在2006年第2版的基础上，经修订、增补而成。同第2版相比，新增正渗透、膜蒸馏和膜基耦合分离过程及液膜技术3章内容。全书共13章，包括绪论、膜材料及其制备、反渗透、正渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离膜、电渗析与离子交换膜、渗透汽化、膜蒸馏、膜基耦合分离过程及液膜技术、膜反应器等内容，宗旨是全面系统地介绍常见膜过程的原理、特性、操作特点及其应用，是广大膜工作者了解、学习膜技术知识的基础教材。本书简明实用，可供高等院校相关专业本科生、研究生及工程技术人员参考使用。

本书第3版修订及编著分工如下：北京工业大学的王湛、李平、刘松柏修订第1章（绪论），北京工业大学的王湛、北京赛诺膜技术有限公司的张景隆、北京理工大学的赵爽修订第2章（膜的定义、分类、材料、制备及其应用），北京工业大学的王湛、北京碧水源科技股份有限公司的朱中亚、启迪桑德环境资源股份有限公司的侯磊修订第3章（微滤），天津大学的王志、赵颂修订第4章（超滤），北京林业大学的王璐莹修订第5章（纳滤），中国海洋大学的高学理、徐源、王群、王剑、王小娟修订第6章（反渗透），中国海洋大学的王铎编著第7章（正渗透），北京工业大学的王乃鑫、李倩修订第8章（渗透汽化），北京工业大学的安全福、张文海修订第9章（气体分离），中国海洋大学的贾玉香重新编著第10章（电渗析与离子交换），北京惠源三达水处理有限公司的张永刚、北京工业大学的彭跃莲、北京颖泰嘉和生物科技股份有限公司的晋彩兰编著第11章（膜蒸馏)，北京化工大学的袁学玲、张卫东编著第12章（膜基耦合分离过程及液膜技术），北京工业大学的宋芃、班旻修订第13章（膜反应器) 。全书后由王湛、王志和高学理老师统编定稿。

全书在修改和补充过程中，参考了本领域前贤、同行的有关研究论文、专门书籍，在此向这些为膜技术发展做出贡献的前辈、同行及编著者表示衷心的感谢。本书在编写过程中，正值国家自然科学基金及北京市自然科学基金资助项目的研究时期，这些项目研究资料及资金支持也为完成本书的编著提供了必要的条件。

限于编者水平，书中疏漏及不妥之处在所难免，恳请广大读者和同行指正。

编著者于平乐园

2018年4月28日

版前言

膜分离过程作为一门新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，在近30年来发展迅速，已在各工业领域和科学研究中得到广泛的应用。1994年，世界膜和膜组件的销售总值为35亿美元，并且每年以14%～30%的速度继续上升，到2004年预计将达100亿美元。膜分离过程是解决当代能源、资源和环境污染问题的重要高新技术，是可持续发展技术的基础。美国、日本等西方发达国家都将膜技术列入21世纪优先发展的高新技术之一。

在中国，随着膜技术的引进和国家各部委科研攻关研究的深入，膜技术已在海水、苦咸水淡化、工业废水处理、环境污染治理等领域获得成功的应用，显示出其强大的生命力。因此，适应市场需求，迅速普及和推广膜知识，是目前的迫切任务。

膜技术是一门涉及多学科的高新技术边缘学科，尽管国内陆续有这方面的译著、专著出版，但其读者对象都是针对具有一定膜分离基础知识的专家、学者、研究人员，而缺乏适用于大众的系统教材。有鉴于此，本书分绪论和膜的定义、反渗透、纳滤、超滤、微滤5章，比较全面系统地介绍了压力驱动膜过程的原理、特性、操作特点及其应用，是初学者学习膜技术知识的理想学习用书，同时也可供研究生、教师及工程人员参考。

全书由北京工业大学王树森教授审校。在编写过程中还引用了高从堦院士、М.Т.Брык、Е.А.Цапюк教授、刘茉娥教授等人的专著，北京工业大学高以烜研究员、姚士仲、刘淑秀、纪树兰副教授、孟声、佘远斌教授，北京海淀区汇文图书发行部谭隆全经理给予了大力帮助，在此谨向他们表示衷心的感谢。

限于编者水平，书中疏漏及不妥之处，恳请广大读者和同行赐教。

北京工业大学 王湛 博士

2000年3月于平乐园

第二版前言

膜分离过程作为一项高分离、浓缩、 提纯及净化技术广泛应用于各工业领域，年增长率达到14%～30%，有力地促进了社会、经济及科技的发展。膜技术是21世纪优先发展的高新技术之一，已进入全面发展时期。西方发达国家都将膜技术列入21世纪优先发展的高新技术，投入巨资进行开发研究。在中国，膜分离同样得到了国家相关部门的高度重视，将之列为“六五”“七五”“八五”“九五”“十五”以及863、973计划的重点研究课题，给予专项资金支持，取得了重大进展，其成果已在海水淡化、工业废水处理、食品加工等领域得到广泛应用，显示出其强大的生命力，因此，顺应市场需要，大力普及推广膜技术具有重要的现实意义。

本书是在化学工业出版社2000年出版的《膜分离技术基础》一书的基础上经修改、增补而成的第二版, 同版相比，本书增加了气体分离、电渗析、渗透汽化和膜反应器等内容以及相应的复习和思考题。全书共分十章，包括绪论、膜材料及其制备、反渗透、纳滤、超滤、微滤、气体分离、电渗析、渗透汽化和膜反应器等内容，力图全面系统地介绍常见膜过程的原理、特性、操作特点及其应用，是了解、学习膜技术知识的理想学习用书，同时还可供高等院校相关专业的本科生、研究生、教师及工程人员参考。

王湛、周翀修订书中的第1章～第6章，张阳编写第7章，江定国编写第8章，周翀编写第9章，刘美编写第10章。孙本惠教授审核第1章，高从堦院士审核第2章与第3章，姚士仲副教授审核第4章与第7章，刘忠洲研究员审核第5章与第6章，莫剑雄研究员与孟洪博士审核第8章，郭红霞博士审核第9章与第10章。全书后由王湛、周翀统编。

全书在修改和补充过程中，参阅了大量相关论文与著述，特在此向各位作者及审核者表示衷心的感谢。本书在编写过程中正值国家自然基金及北京市自然基金的研究时期，这些项目的研究资料及资金支持也是完成本书的必要条件，在此一并致谢。

限于编者水平，书中疏漏及不妥之处在所难免，恳请广大读者和同行赐教、斧正。

编者

2006年4月