分離術(shù)膜的傳遞模型教學(xué)課件

1、分離技術(shù)膜的傳遞模型周民杰膜傳遞模型 models of the membrane transports膜的功能膜的功能the basic forms of transport1. simple diffusion（被動(dòng)傳遞）（被動(dòng)傳遞）2. facilitated diffusion （被動(dòng)傳遞）（被動(dòng)傳遞）3. active transport（主動(dòng)傳遞）（主動(dòng)傳遞）4. group translocation （分子輸送反應(yīng)）（分子輸送反應(yīng)）5. cytosis （細(xì)胞吞吐）（細(xì)胞吞吐）膜內(nèi)傳遞的三種典型方式膜內(nèi)傳遞的三種典型方式膜分離過(guò)程的推動(dòng)力與傳質(zhì)膜分離過(guò)程的推動(dòng)力與傳質(zhì)膜的促進(jìn)傳

2、遞機(jī)理膜的促進(jìn)傳遞機(jī)理流動(dòng)及固定載體促進(jìn)傳遞流動(dòng)及固定載體促進(jìn)傳遞尿素透過(guò)固定化尿酶膜尿素透過(guò)固定化尿酶膜氯離子傳遞分離膜氯離子傳遞分離膜光敏促進(jìn)傳遞分離光敏促進(jìn)傳遞分離active transport膜傳遞模型的分類膜傳遞模型的分類1. 不可逆熱力學(xué)為基礎(chǔ)的模型不可逆熱力學(xué)為基礎(chǔ)的模型 （irrersible thermodynamics models）a. 引進(jìn)耗散函數(shù)引進(jìn)耗散函數(shù)i（表示自由能的減少速率）（表示自由能的減少速率）b. 不考慮膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)（黑箱、灰箱）不考慮膜結(jié)構(gòu)及性質(zhì)（黑箱、灰箱） kedem-kathalsky spiegler- kedem2. 與膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)的傳

3、遞模型與膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)的傳遞模型非平衡熱力學(xué)模型非平衡熱力學(xué)模型穩(wěn)態(tài)體系的耗散函數(shù)積分方程穩(wěn)態(tài)體系的耗散函數(shù)積分方程 m 為整個(gè)膜的耗散函數(shù) x為膜厚 為化學(xué)位xniiixdxgradjdx010)(niiimj1)(1iniigradj單溶質(zhì)的稀水溶液體系單溶質(zhì)的稀水溶液體系 假定為稀溶液，引進(jìn)假定為稀溶液，引進(jìn)gibbs-duhem 方程，方程，用相關(guān)變量替代溶質(zhì)與溶劑的化學(xué)位，可用相關(guān)變量替代溶質(zhì)與溶劑的化學(xué)位，可得：得：sswwmjj)(wswdvmvvvjpj下標(biāo)w與s分別代表溶劑與溶質(zhì)線性定律線性定律ddpdpdpvlpljlpljkedem-katchalsky 模型式中，式中

4、，lp 為為 水力滲透系數(shù)（水力滲透系數(shù)（過(guò)濾系數(shù)）；過(guò)濾系數(shù)）； 為反射系數(shù)，其范圍在此期為反射系數(shù)，其范圍在此期0與與1之間之間; 為溶質(zhì)滲透系數(shù)。為溶質(zhì)滲透系數(shù)。vsspvjcjplj)1 ()(kedem-katchalsky 模型0)(pjlvp0)(vjp0)(vjsj應(yīng)用條件應(yīng)用條件1. 對(duì)小流量和低濃度，模型的誤差較小；對(duì)小流量和低濃度，模型的誤差較小；2. 對(duì)大流量和高濃度，維象系數(shù)與濃度有關(guān)；對(duì)大流量和高濃度，維象系數(shù)與濃度有關(guān)；3. lp 、對(duì)濃度影響不敏感。對(duì)濃度影響不敏感。lp的的估算值估算值 膜過(guò)程膜過(guò)程lp/l （m2h.atm） 反滲透、納濾反滲透、納濾 50

5、超濾超濾 50500 微濾微濾 500spiegler-kedem 模型模型 把線性定律用于膜的局部區(qū)域（微分形式）把線性定律用于膜的局部區(qū)域（微分形式）)()()()(dxdldxdljdxdldxdljssswswsswswwwwspiegler-kedem 模型模型)1()()()(00dxdpvdxdcdxdpvdxddxddxdpvdxdvdxdpvdxddxdssssswwwwwspiegler-kedem 模型模型假定：假定： ,wwcv1dxdcdxdss1)(dxdcllclvjvlljdxdclcldxdpvljssswwswswwwwwswsswwwwswwww)()1

6、()(spiegler-kedem model近似取近似取dxddxdcpjdxddxdppjssshv)1 (vwwjvjcoefficients of spiegler-kedem model xrtpxplccllshpswwwws1)(,22sswwwssswwwhlllcrtpvlp以傳遞機(jī)理為基礎(chǔ)的模型以傳遞機(jī)理為基礎(chǔ)的模型 孔流模型孔流模型 表面力表面力-孔流動(dòng)模型孔流動(dòng)模型孔流作用的影響孔流作用的影響1.當(dāng)料液濃度小于當(dāng)料液濃度小于0.05時(shí)，孔流量占總流量的時(shí)，孔流量占總流量的2%；2.當(dāng)料液濃度為當(dāng)料液濃度為0.1左右，孔流量占總流量的左右，孔流量占總流量的8；3.當(dāng)料液濃

7、度為當(dāng)料液濃度為0.5時(shí)，孔流作用增至?xí)r，孔流作用增至20?？琢髂Ｐ涂琢髂Ｐ蛒skpjxprjvv)1 (832優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)機(jī)理優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)機(jī)理1960年年 sourirajan 教授提出教授提出表面力表面力-孔流動(dòng)模型孔流動(dòng)模型)()()()(21000)ln(12211ammammamsaparwxcxcdjxxpapajcddrttaddrt與膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)的傳遞模型與膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)的傳遞模型1. 幾何幾何 孔徑、孔徑分布、孔隙率、曲折因子孔徑、孔徑分布、孔隙率、曲折因子2. 膜特性膜特性 物理物理 溶質(zhì)與溶劑的溶解度、溶脹比溶質(zhì)與溶劑的溶解度、溶脹比3. 傳遞傳遞 溶質(zhì)

8、與溶劑的擴(kuò)散系數(shù)溶質(zhì)與溶劑的擴(kuò)散系數(shù)已知以上性質(zhì)，可以用模型預(yù)測(cè)或估算通量和分離因子已知以上性質(zhì)，可以用模型預(yù)測(cè)或估算通量和分離因子典型的傳遞模型典型的傳遞模型1. 溶解溶解-擴(kuò)散模型（擴(kuò)散模型（lonsdals, 1965）2. 溶解溶解-擴(kuò)散不完全模型擴(kuò)散不完全模型 （sherwood）膜傳遞機(jī)理和模型研究較多的過(guò)程為反滲膜傳遞機(jī)理和模型研究較多的過(guò)程為反滲透、超濾，但某些結(jié)論也適用于其他膜過(guò)透、超濾，但某些結(jié)論也適用于其他膜過(guò)程。程。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：1. 模型很多，但許多觀點(diǎn)尚未論證及公認(rèn)；模型很多，但許多觀點(diǎn)尚未論證及公認(rèn)；2. 基于某些假定的傳統(tǒng)機(jī)理，其應(yīng)用有局限基于某些假定的傳統(tǒng)機(jī)理，

9、其應(yīng)用有局限性。性。溶解擴(kuò)散模型溶解擴(kuò)散模型假定：假定： 1.溶質(zhì)和溶液溶解在膜表皮層；溶質(zhì)和溶液溶解在膜表皮層；2.從膜上游側(cè)擴(kuò)散傳遞到膜下游從膜上游側(cè)擴(kuò)散傳遞到膜下游側(cè)；側(cè)；3.從膜下游側(cè)解吸從膜下游側(cè)解吸c(diǎn)ibcircimcilcipcimsolution-diffusion model式中式中, 為溶劑的滲透參數(shù)；為溶劑的滲透參數(shù)； p為膜兩側(cè)壓力差；為膜兩側(cè)壓力差； ki為平衡分配系數(shù)；為平衡分配系數(shù)； cr，cp分別為膜上游溶液中溶質(zhì)的濃度和透過(guò)產(chǎn)品中溶質(zhì)的分別為膜上游溶液中溶質(zhì)的濃度和透過(guò)產(chǎn)品中溶質(zhì)的濃度。濃度。)(plrtvcdjwwwwlrtvcdawwwlcckdjprii

10、mi)(溶解擴(kuò)散不完全模型溶解擴(kuò)散不完全模型 sherwood 等認(rèn)為，膜內(nèi)存在微孔，有一部分組等認(rèn)為，膜內(nèi)存在微孔，有一部分組分不是以溶解擴(kuò)散滲透通過(guò)膜，而是通過(guò)微孔分不是以溶解擴(kuò)散滲透通過(guò)膜，而是通過(guò)微孔透過(guò)膜。透過(guò)膜。 式中，式中，k1、k2、k3 分別為與溶質(zhì)擴(kuò)散和孔內(nèi)流動(dòng)分別為與溶質(zhì)擴(kuò)散和孔內(nèi)流動(dòng)有關(guān)的常數(shù)有關(guān)的常數(shù)rprrsswwwwpckcckpckjnpckpkpckjn323313)()(膜的臨界孔徑和水層厚度膜的臨界孔徑和水層厚度kimura-sourirajan model 式中，a為水的滲透系數(shù)；p 、分別為膜兩側(cè)的壓力差和溶液滲透壓差； 為溶質(zhì)的滲透系數(shù), 其與溶質(zhì)性

11、質(zhì)、膜材料性質(zhì)以及膜表面平均孔徑有關(guān)。其中dam為溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散系數(shù)；cr、cp分別為膜兩側(cè)溶液濃度，若過(guò)程中有濃差極化現(xiàn)象存在，則為緊靠膜表面的溶液濃度；xar、xap分別為膜兩側(cè)溶液中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。)()(aparaxxpaj)(apparraamsxcxckdjaamkdk-k模型和溶解擴(kuò)散不完全模型關(guān)系模型和溶解擴(kuò)散不完全模型關(guān)系rpckkkkrtkkklkkk3131231311transport through membranes:a unified approach the flux of component i v-the diffusional flow; u-the c

12、onvective flow. the main term in any discretion of transport through porous membranes; for nonporous, only diffusional flow contributes to transport.)(uvcjiiiconvective flow and diffusional flow poiieuille equantion solution diffusion model note: in going from porous to nonporous membranes, an inter

13、mediate region exists where both contributions have to be taken into account. smxprjw/1021010810)10(25. 06 . 083435272smxrtddxdljwwpw/101102500210849transport in ideal and interactive systems p=sdpermeability（p） =solubility（s）xdiffusitive（d）time-leg method for gas permeation if the diffusion coeffic

14、ient follows a linear function of concentrationnnntltdnnlcdltldcq122222121)exp() 1(2)6()1 (0cdd2114116002ccdltime-leg method for gas permeation在在t=0時(shí)，滲透通量為零，在時(shí)，滲透通量為零，在t時(shí)刻氣體滲時(shí)刻氣體滲透通過(guò)膜的量為透通過(guò)膜的量為qt,當(dāng)當(dāng)t趨向無(wú)窮大時(shí)，可得趨向無(wú)窮大時(shí)，可得:將將qt 對(duì)對(duì)t作圖，可得一曲線，當(dāng)作圖，可得一曲線，當(dāng)t很大時(shí)為很大時(shí)為直線，其斜率為（直線，其斜率為（d/）（）（c1-c2）,t 的截的截矩為：矩為：通常通常

15、c2c0=0，則，則延滯時(shí)間延滯時(shí)間: 20/ 6ld236)(20222121dlcdlcdlctccldqt236)(120222121dlcdlcdlccctime-leg measurement of gas permeationdetermination of the solubility coefficient 對(duì)對(duì)t 的關(guān)系呈直線，從其斜率可得擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系呈直線，從其斜率可得擴(kuò)散系數(shù):22222081(21)1exp(21)tmdntmnl 22ln(1/)tdmmlddt ln 1tmmdiffusion coefficient for short times or 24ld

16、tmmt212049.0tld diffusion coefficient for long times or )exp(8122ldtmmtdtmmdldt)1ln(82interactive systemsfor non-ideal systems, the main difference with ideal systems is:1. the solubility can no longer be described by henrys law; 2. the diffusion coefficient is not a constant.permeabilities of various components in polydimethylsiloxane at 40ccomponent permeability（barrer）nitrogen280oxygen600methane940carbon dioxide3200ethanol53000methylene chloride1930001,2-dichloroethane248000carbon tetr