子任務3技能點1：能完成膜分離過程的描述選擇合適的膜類型分

1、淄博職業(yè)學院離子膜燒堿生產(chǎn)操作課程教學方案教師： 序號：授課時間授課班級上課地點實訓室學習內(nèi)容子任務3：一次鹽水制備過程-技能點1：能完成膜分離過程的描述，選擇合適的膜類型分離不同的液體中的微粒學時教學目標專業(yè)能力能分析利用膜分離技術分離粗鹽水中雜質(zhì)碳酸鈣顆粒的基本過程；能分析反滲透過濾裝置的生產(chǎn)過程。方法能力學會膜分離裝置的選用和使用維護保養(yǎng)方法，完成任務小組內(nèi)、外部資源協(xié)調(diào)使用的方法。社會能力在完成工作任務的過程中，要做到團結合作，互相配合，共同完成膜分離裝置分離懸浮物的工作任務，能做到理論分析與實際操作有機結合。目標群體之前已學習了一次鹽水生產(chǎn)過程中除鈣離子、除鎂離子的基本方法，熟悉了完

2、成鹽水輸送工作任務需要的工作條件，了解了膜分離的類型與膜組件。為完成工作任務，需要進一步學習膜分離操作，通過反滲透裝置的操作訓練，提高了學生的解決膜過濾實際問題的工作能力，幫助學生學會完成實際工作任務的基本方法。教學環(huán)境多媒體教室教學方法 課堂講授、討論提問法時間安排教學過程設計一、任務資訊1.膜分離裝置的資料與相關的圖片。2.反滲透裝置生產(chǎn)工藝流程圖。3.反滲透、超濾和微濾的工作差異性學習。二、任務決策 通過對完成任務的工作條件、基本生產(chǎn)資料、完成后將獲得的結果與過程的要求進行了逐一分析，確定對粗鹽水制備過程中的新生成的碳酸鈣顆粒，將通過采用薄膜過濾器的方法實施分離操作，達到完成粗鹽水中所含

3、的雜質(zhì)碳酸鈣顆粒的目的，因此，需要學習液體混合物中的顆粒的分離中的膜分離操作中的相關技能與裝置操作方法。三、任務計劃 根據(jù)決策方案的完成要求和任務完成需要的時間要求，在教師的指導下，由組長負責組織成員共同完成膜分離裝置操作的工作計劃。本次完成膜分離操作技能工作任務的完成大約需要2 課時。四、任務實施根據(jù)本次膜分離裝置操作工作任務的計劃進度要求，著手實施工作任務，首先需要了解反滲透裝置的工作過程。了解膜過濾裝置工作過程的基礎上，與小組內(nèi)的學生一起完成膜分離操作技能的培訓學習。如下：u 膜分離技術膜分離技術的類型 反滲透(重點與難點)a 反滲透工作過程滲透壓：如圖1-49所示。當純水與鹽水用一張能

4、透過水的半透膜隔開時，純水則透過膜向鹽水側(cè)滲透，過程的推動力是純水和鹽水的化學位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓。反滲透：隨著水的不斷滲透，鹽水側(cè)水位升高，當提高到h時，鹽水側(cè)的壓力p2與純水側(cè)的壓力p1之差等于滲透壓時，滲透過程達到動態(tài)平衡，宏觀滲透為零。如果在鹽水側(cè)加壓，使鹽水側(cè)與純水側(cè)壓差p2-p1大于滲透壓，則鹽水中的水將通過半透膜流向純水側(cè)，這一過程就是所謂反滲透。半透膜純水 P1鹽水hP1P2滲透壓P1P2P(a)滲透現(xiàn)象 (b)滲透平衡 (c)反滲透圖1-49 反滲透原理b 反滲透過程的操作反滲透過程設計的目標在于提高分離效率，降低能耗。除膜本身質(zhì)量以外，過程的濃差極化、操作條件對其影響甚

5、大。濃差極化：在反滲透過程中，由于膜的選擇透過性，溶劑從高壓側(cè)透過膜到低壓側(cè)表面上，造成由膜表面到主體溶液之間的濃度梯度，如圖1-55，引起溶質(zhì)從膜表面通過邊界層向主體溶液擴散，這種現(xiàn)象即稱之為濃差極化。濃差極化現(xiàn)象的存在將會給反滲透帶來不利影響。由于濃差極化，使膜表面處溶液濃度升高，導致溶液的滲透壓升高，因此反滲透操作壓力亦必須相應提高，同時，膜表面處溶液濃度升高，易使溶質(zhì)在膜表面沉積下來，使膜的傳質(zhì)阻力大為增加，膜的滲透通量下降。為了克服濃差極化的不利影響，在反滲透操作過程中必須予以考慮，盡量減少其影響。一般通過提高料液的流速可以使邊界層大大減薄，導致傳質(zhì)系數(shù)增大。另一些學者采用脈沖形式進

6、料也可起到增加湍動程度的作用，雖然這類方法給裝置設計帶來很大的困難，但卻能有效地降低濃差極化的影響。在操作方式上，提高溫度可使分子運動加快，降低黏度，也可以使?jié)獠顦O化得到部分的控制。邊界層 膜 xA1JxA1xAiXMA11XMA2XA2JAXACZ=0Z=1圖1-55濃差極化() 操作條件在反滲透過程中，除濃差極化影響外，料液中含有的固體微粒、膠體、可溶性高分子物、微生物等對膜亦有堵塞、沉積等影響，因此為提高分離效率、降低能耗、常采用以下措施，以達到最佳效果。 料液的預處理 預處理的目的在于除去料液中的固體物質(zhì)，降低濃度；抑制和控制微溶鹽的沉淀；調(diào)節(jié)的控制進料的溫度和PH值；殺死和抑制微生物

7、的生長；去除各種有機物等。在反滲透過程中，一般均加砂濾、微濾、超濾對料液進行預過濾，并根據(jù)料液和膜的性質(zhì)而加入一些特定的化學物質(zhì)處理料液以增加滲透過程的效率。 溫度 溫度升高有利于降低濃差極化的影響，提高膜的滲透通量，但溫度升高導致能耗增大，并且對高分子膜的使用壽命有影響，因此反滲透過程一般在常溫或略高于常溫下操作。 壓力 反滲透過程的推動力是壓差，因此操作壓差愈高，滲透通量增大，但壓差增大往往導致濃差極化的增加，使得膜面的滲透壓增高，達到一定壓力，增加壓力并不能提高滲透通量，即膜面形成了一層凝膠層。另一方面，操作壓差的增大將導致能耗增加，因此綜合考慮，必須根據(jù)經(jīng)濟核算選擇適宜的操作壓差。一般

8、來說，反滲透的操作壓差在23MPa之間。() 膜的清洗清洗的方法有兩種：物理清洗和化學清洗。物理清洗中最簡便的方法是采用流動的清水沖洗膜的表面，也可以采用水和空氣的混合流沖洗。對于內(nèi)壓管式膜，尚可以加入海綿球用水帶動海綿球沖刷膜面。化學清洗則是采用各種清洗劑來清洗，清洗效果好。如果在膜的微孔中有膠體堵塞，則可以利用分離效率極差的物質(zhì)，如尿素、硼酸、醇等作清洗劑。這些物質(zhì)易于滲入細孔而達到清洗的目的。() 工藝流程根據(jù)料液的情況和對分離過程的要求，反滲透過程可以采用以下幾種工藝流程。 一級一段連續(xù)流程 如圖1-56，料液通過膜組件一次即排出，由于單個組件料液流程不可能很長，因此料液的濃縮率低，這

9、種流程工業(yè)上較少采用。泵料液貯槽膜組件濃縮液透過液1-56一級一段連續(xù)流程 一級一段循環(huán)式流程 如圖1-57所示，采用部分濃縮液循環(huán)的操作流程，這種流程濃縮倍數(shù)較高，但料液濃度必然也高，將導致膜通量的下降或滲透壓的增高。泵料液貯槽膜組件濃縮液透過液1-57一級一段循環(huán)流程一級多段連續(xù)式流程 如圖1-58，實質(zhì)是多個組件串聯(lián)的操作方式，直至達到設定的濃度倍數(shù)。采用這種流程，各段膜組件大小要根據(jù)膜的滲透通量和分離要求進行設計。泵料液貯槽第一段濃縮液透過液1-58一級多段連續(xù)流程第二段料液第n段 wwdm一級多段循環(huán)式流程 如圖1-59，這種流程主要適宜以料液為目的的分離過程。泵料液貯槽第一段濃縮液

10、1-59一級多段循環(huán)流程第二段料液去貯槽 wwdm透過液 () 反滲透的應用反滲透過程的特征是從水溶液中分離出水，其應用也主要局限于水溶液的分離。目前反滲透的應用主要是海水和苦咸水淡化，純水制備以及生活用水處理，并逐漸滲透到食品，醫(yī)藥、化工等部門的分離、精制、濃縮操作之中。 苦咸水與海水淡化 純水生產(chǎn) 廢水處理 低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮 超濾和微濾(難點)()過程原理超過濾（簡稱超濾）和微孔過濾（簡稱微濾）也是以壓力差為推動力的膜分離過程，一般用于液相分離，也可用于氣相分離，比如空氣細菌與微粒的去除。超濾所用的膜為非對稱膜，其表面活性分離層平均孔徑約為10100，能夠截留分子量為500以上的大

11、分子與膠體微粒，所用操作壓差在0.10.5MPa。原料液在壓差作用下，其中溶劑透過膜上的微孔流到膜的低壓側(cè)，為透過液；大分子物質(zhì)或膠體微料被膜截留，不能透過膜，為濃縮液，從而實現(xiàn)原料液中大分子物質(zhì)與膠體物質(zhì)和溶劑的分離。超濾膜對大分子物質(zhì)的截留機理主要是篩分作用，決定截留效果的主要是膜的表面活性層上孔的大小與形狀。除了篩分作用外，膜表面、微孔內(nèi)的吸咐和粒子在膜孔中的滯留也使大分子被截留。實踐證明，有的情況下，膜表面的物化性質(zhì)對超濾分離有重要影響，因為超濾處理的是大分子溶液，溶液的滲透壓對過程有影響。從這一意義上說，它與反滲透類似，但是，由于溶質(zhì)分子量大、滲透壓低，可以不考慮滲透壓的影響。微濾所

12、用的膜是微孔膜，平均孔徑0.0210m，能夠截留直徑510m的微粒或相對分子質(zhì)量大于100萬的高分子物質(zhì)，操作壓差一般為0.0160。進料膜濃縮液透過液 圖1-60 超濾與微濾原理示意圖超濾膜一般為非對稱膜，其制造方法與反滲透法類似，一般采用相轉(zhuǎn)化方法。微濾膜一般為均勻的多孔膜，孔徑較大，可用多種方法測定，如氣體泡壓法、液體排除法等，直接用測得的孔徑來表示其膜孔的大小。超濾、微濾和反滲透均是以壓差作為推動力的膜分離過程，它們組成了可以分離溶液中的離子、分子、固體微粒的這樣一個3級分離過程。根據(jù)所要分離物質(zhì)的不同，選用不同的方法，但也需說明，這3種分離方法之間的分界并不十分嚴格。表1-11列出超

13、濾、微濾和反滲透過程的原理和操作性能，以資比較。表1-11超濾、微濾和反滲透的比較性能反滲透超過濾微濾過程用膜表面致密的不對稱膜不對稱微孔膜微孔膜操作壓力/MPa210分離物質(zhì)相對分子質(zhì)量小500的小分子物質(zhì)相對分子質(zhì)量大于500的分子直至細小膠體微粒m的分子分離機理非簡單篩分，膜物化性能起主要作用篩分，但膜物化性能有影響篩分水通量/m3/(m2.d)0.5522000() 過程與操作與反滲透過程相似，微濾、超濾過程也必須克服濃差極化和膜孔的堵塞帶來的影響。超濾的工作壓力范圍一般為，過高的壓力不僅無益而且有害。超濾過程操作一般均呈錯流，即料液與膜面平行流動，料液流速影響著膜面邊界層的厚度，提高

14、膜面流速有利于降低濃差極化影響，提高過濾通量，這與反滲透過程機理是類似的。微濾過程以前大都采用折褶筒過濾，屬終端過濾，對于固相含量高的料液無法處理，近年來發(fā)展起來的錯流微濾技術的過濾過程類似于反滲透和超濾，設計時可以借鑒。微濾、超濾過程的操作壓力、溫度以及料液預處理、膜清洗過程的原理與反滲透極為相似，但其操作過程亦有自己的特點。超濾過程流程與反滲透類似，采用錯流操作，常用的操作模式有三種。 單段間歇操作 如圖1-61，在超濾過程中，為了減輕濃差極化的影響，膜組件必須保持較高的料液流速，但膜的滲透通量較小，所以料液必須在膜組件中循環(huán)多次才能使料液濃縮到要求的程度。圖示兩種回路的區(qū)別在于閉式回路中

15、采用雙泵輸送方式，料液從膜組件出來后不進料液槽而直接流至循環(huán)泵入口，這樣輸送大量循環(huán)液所需能量僅僅是克服料液流動系統(tǒng)的能量損失，而開式回路中的循環(huán)泵除了需提供料液流動系統(tǒng)的能量損失外，還必須提供超濾所需的推動力即壓力差，所以閉式回路的能耗低。料液膜組件循環(huán)液滲透液（b）間歇操作-閉式回路循環(huán)泵料液泵膜組件循環(huán)液滲透液（a）間歇操作-開式回路圖1-61 單段間歇操作間歇操作適用于實驗室或小規(guī)模間歇生產(chǎn)產(chǎn)品的處理。 單段連續(xù)操作 如圖1-62，與間歇操作相比，其特點是超濾過程始終處于接近濃縮液的濃度下進行，因此滲透量與截留率均較低，為了克服此缺點，可采用多段連續(xù)操作。膜組件循環(huán)液透過液圖1-62單段連續(xù)操作濃縮液料液 多段連續(xù)操作 如圖1-63，各段特環(huán)液的濃度依次升高，最后一段引出濃縮液，因此前面幾段中料液可以在較低的濃度下操作。這種連續(xù)多段操作適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。膜組件循環(huán)液滲透液（a）間歇操作-開式回路料液濃縮液圖1-63多段連續(xù)操作() 應用 超濾的應用超濾技術廣泛用于微粒的脫除，包括細菌、病毒、熱源和其他異物的去除，在食品工業(yè)、電子工業(yè)、水處理工程、醫(yī)藥、化工等領域已經(jīng)獲得廣泛的應用，并在快速發(fā)展著。 微濾的應用微濾主要用于除去溶液中大于0.05um左右的超細粒子，其應用十分廣泛，在目前膜過程營業(yè)銷售額中占首位。