新型分離技術(shù)2教學(xué)課件

第四節(jié)電滲析1-4-1電滲析過程原理1.基本原理電滲析指在直流電場(chǎng)下溶液中的離子選擇性地通過離子交換膜的過程。目前電滲析主要用于溶液中電解質(zhì)的分離。第四節(jié)電滲析+++++++++++++++---------------+直流電源陽極陰極陽膜陽膜陰膜陰膜濃縮室濃縮室淡化室Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl_Cl_Cl_Cl_Cl_Cl_12345圖1-30電滲析過程示意圖第四節(jié)電滲析圖1-30是除去水中NaCl的電滲析器示意圖。在正負(fù)兩電極間交替地平行放置陽離子交換膜(簡(jiǎn)稱陽膜)和陰離子交換膜(簡(jiǎn)稱陰膜),并依次構(gòu)成濃縮室與淡化室。

陽膜由帶負(fù)電荷的酸性活性基團(tuán)(如磺酸基)的陽離子交換樹脂構(gòu)成,它能選擇性地使陽離子透過,而陰離子不能透過。

陰膜由帶正電荷的堿性活性基團(tuán)(如胺基)的陰離子交換樹脂構(gòu)成,它能選擇性地使陰離子透過,而陽離子不能透過。第四節(jié)電滲析2.電滲析中的傳遞過程反離子遷移——與離子交換膜所帶電荷相反的離子穿過膜的遷移過程。反離子遷移是電滲析中起分離作用的主要傳遞過程。但在電滲析中還存在其它一些不需要而有害的過程。(1)同性離子遷移（與膜孔電荷符號(hào)相同的離子透過膜）(2)電解質(zhì)的濃差擴(kuò)散（在濃度差的作用下電解質(zhì)自濃縮室向兩側(cè)淡化室擴(kuò)散）

第四節(jié)電滲析(3)水的滲透（淡化室中的水在滲透壓的作用下向濃縮室滲透）(4)水的電滲透（由于離子的水合作用，在反離子遷移和同性離子遷移過程中都會(huì)攜帶一定數(shù)量的水分子一起遷移）(5)壓差滲漏（當(dāng)膜兩側(cè)產(chǎn)生壓差時(shí)，溶液將向壓力小的一側(cè)滲漏）(6)水的電解（當(dāng)發(fā)生濃差極化時(shí)，水電離產(chǎn)生的H+和OH-也可以通過膜）第四節(jié)電滲析第四節(jié)電滲析陰膜陽膜淡化室濃縮室濃縮室性3.離子交換膜的功能離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團(tuán)的薄膜。其所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團(tuán)的作用。第四節(jié)電滲析磺酸型陽膜：R—SO3——H+基膜固定基團(tuán)解離離子（反離子）活性基團(tuán)季胺型陰膜：R—N+(CH3)3——OH-基膜固定基團(tuán)解離離子（反離子）活性基團(tuán)1-4-2電滲析設(shè)備與操作1.離子交換膜的性能要求及分類離子交換膜是電滲析裝置的關(guān)鍵部件，應(yīng)具有以下性能：離子選擇透過性要大離子的反擴(kuò)散速度要小具有較低的滲水性具有較低的膜電阻膜的物理強(qiáng)度要高膜的結(jié)構(gòu)要均勻膜廉價(jià)第四節(jié)電滲析2.電滲析器主要由濃、淡水室隔板、離子交換膜、極水隔板、電極以及鎖緊裝置等組裝成的第四節(jié)電滲析3.電滲析流程(1)二段電滲析器(2)多臺(tái)電滲析串聯(lián)連續(xù)操作(3)循環(huán)式脫鹽第四節(jié)電滲析1-4-3電滲析的應(yīng)用1.海水、苦咸水的淡化2.鹽水、鹽泉鹵水濃縮制鹽3.醫(yī)藥、食品工業(yè)中的應(yīng)用脫除有機(jī)物有機(jī)物中酸的脫除或中和有機(jī)酸鹽取代反應(yīng)制有機(jī)酸利用離子的可滲透性分離氨基酸等4.電廠和其他工業(yè)鍋爐用水的制備5.純水、超純水的制備6.廢水處理、有用物質(zhì)的回收和再生水的回用7.離子膜電解第四節(jié)電滲析第五節(jié)氣體的膜分離過程1-5-1氣體的膜分離過程的原理1.基本原理氣體膜分離的推動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓力差。有多種機(jī)理模型，按簡(jiǎn)單的溶解-擴(kuò)散模型，組分通過膜的過程有三步：在膜的高壓側(cè)，氣體混合物中的滲透組分溶解在膜表面上；溶解在膜表面上的組分從膜的高壓側(cè)通過分子擴(kuò)散傳遞到膜的低壓側(cè)；在膜的低壓側(cè)表面組分解吸到氣相。第五節(jié)氣體的膜分離過程第五節(jié)氣體的膜分離過程2.影響滲透通量與分離系數(shù)因素(1)膜材料(2)膜的厚度(3)溫度(4)壓力1-5-2氣體分離膜與設(shè)備1.氣體分離膜復(fù)合膜是常用的膜，有兩種類型：阻力復(fù)合膜引起分離作用的超薄膜與多孔基膜形成的復(fù)合膜2.氣體膜分離設(shè)備中空纖維管式膜器卷式膜器第五節(jié)氣體的膜分離過程第五節(jié)氣體的膜分離過程1-5-3氣體膜分離的應(yīng)用1.工業(yè)氣體中氫的回收2.氧氮分離3.天然氣中氦的提取4.二氧化碳的分離第五節(jié)氣體的膜分離過程膜分離回收乙烯、丙烯、丁烷、氯乙烯、氯甲烷及苯蒸氣等有機(jī)氣體技術(shù)設(shè)備

膜分離制氮裝置第六節(jié)滲透蒸發(fā)(氣化)

(Pervaporation,簡(jiǎn)稱PV）1-6-1滲透蒸發(fā)過程原理1.基本原理滲透蒸發(fā)是指被分離物透過膜時(shí),在膜兩側(cè)組分的蒸氣分壓差的作用下,液體混合物部分地蒸發(fā),從而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法。分離機(jī)理可分為三步(1)被分離的物質(zhì)在膜表面上有選擇性地被吸附并被溶解；(2)以擴(kuò)散形式在膜內(nèi)滲透；(3)在膜的另一側(cè)變成氣相脫附而與膜分離開來。第六節(jié)滲透蒸發(fā)進(jìn)料未透產(chǎn)品冷凝器液蒸汽滲透蒸發(fā)膜真空泵(1—500mmHg)透過產(chǎn)品圖1-41滲透蒸發(fā)的原理示意圖第六節(jié)滲透蒸發(fā)在滲透蒸發(fā)過程中，膜的上游側(cè)壓力一般維持常壓，而膜的下游側(cè)有三種方式維持組分的蒸氣分壓差：(1)掃氣滲透蒸發(fā)采用惰性氣體吹掃的方式(2)真空滲透蒸發(fā)以真空泵獲得一定的真空方式(3)熱滲透蒸發(fā)采用冷凝器連續(xù)冷卻的方式2.滲透蒸發(fā)的特點(diǎn)(1)單級(jí)選擇性好(2)操作簡(jiǎn)單(3)操作穩(wěn)定，膜不會(huì)壓密(4)能耗高(5)滲透通量小第六節(jié)滲透蒸發(fā)3.滲透蒸發(fā)膜復(fù)合膜非對(duì)稱性膜4.影響滲透蒸發(fā)過程的因素(1)膜材料及其結(jié)構(gòu)，以及被分離組分的物化性質(zhì)(2)溫度的影響(3)液體濃度的影響(4)上、下游壓力的影響(5)濃差極化及溫度梯度的影響(6)膜厚度的影響第六節(jié)滲透蒸發(fā)1-6-2滲透蒸發(fā)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：分離系數(shù)高，過程簡(jiǎn)單，操作方便缺點(diǎn)：滲透通量?。?lt;1kg/m2·h），有相變。適用于：1.恒沸物的分離2.近沸組分混合物的分離3.混合物中少量雜質(zhì)的分離第六節(jié)滲透蒸發(fā)水丙醇丙醇—水恒沸物恒沸物富水相富醇相冷凝器精餾塔1精餾塔2滲透蒸發(fā)圖1-42滲透蒸發(fā)—精餾聯(lián)合流程第六節(jié)滲透蒸發(fā)95%工業(yè)酒精第一產(chǎn)品，大批量，98.5—99.5%酒精第二產(chǎn)品，小批量，99.9%酒精淡酒回用智能柔性化計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)第六節(jié)滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)分離乙醇裝置滲透蒸發(fā)膜器滲透蒸發(fā)膜剖面電鏡照片第七節(jié)透析(dialysis)1-7-1透析過程原理當(dāng)把一張半透膜置于兩種溶液之間并使其與之接觸時(shí),將會(huì)出現(xiàn)雙方溶液中的大分子溶質(zhì)原地不動(dòng),小分子溶質(zhì)(包括溶劑)透過膜而相互交換的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象就是所謂的透析。濃度差(化學(xué)位)是唯一推動(dòng)力。第七節(jié)透析膜滲析液水或溶劑水溶質(zhì)x1x2原液滲出液(溶劑+擴(kuò)散分子)圖1-43透析的原理示意圖透析過程的簡(jiǎn)單原理如圖1-43所示,即中間以膜相隔,A側(cè)通原液、B側(cè)通溶劑。如此,溶質(zhì)由A側(cè)根據(jù)擴(kuò)散原理,而溶劑(水)由B側(cè)根據(jù)滲透原理互進(jìn)行移動(dòng),一般低分子比高分子擴(kuò)散得快。透析的目的就是借助這種擴(kuò)散速度的差,使A側(cè)二組分以上的溶質(zhì)得以分離。不過這里所說的不是溶劑與溶質(zhì)的分離(濃縮),而是溶質(zhì)之間的分離。第七節(jié)透析AB1-7-4透析的應(yīng)用1.人工腎第七節(jié)透析第七節(jié)透析血液透析系統(tǒng)流程圖第七節(jié)透析2.從人造絲漿壓榨液中回收堿第八節(jié)其它膜分離過程1-8-1膜蒸餾1.基本原理

第八節(jié)其它膜分離過程圖1-51是膜蒸餾原理的示意圖,它所用的是疏水微孔膜,孔徑一般為0.1～0.4.膜的一側(cè)是熱的(40～50℃)非揮發(fā)性物質(zhì)(如鹽等)的水溶液,另一側(cè)為冷水。因?yàn)槟な杷?膜兩側(cè)的熱水溶液與冷水均不能進(jìn)入膜孔,孔內(nèi)為氣相.膜孔熱端液面上水的飽和蒸汽壓高,冷端液面上水的飽和蒸汽壓低,由于水蒸汽的壓差,熱端水汽化,水汽通過膜孔擴(kuò)散到冷端冷凝.這樣,水便從熱的水溶液中分離出來,熱水溶液得到濃縮。2.傳遞過程(1)從熱溶液主體擴(kuò)散到膜表面的孔口(2)在膜孔口的液面處水汽化(3)汽化的水汽擴(kuò)散通過膜孔(4)水汽在膜孔的冷凝，并隨冷水流出第八節(jié)其它膜分離過程過程的推動(dòng)力是水蒸汽的分壓差，或者說是溫度差。4.應(yīng)用鹽水淡化，熱敏性物質(zhì)溶液的濃縮等。1-8-2膜分相1.基本原理膜分相是利用多孔固體膜表面對(duì)乳濁液中兩液相吸附力不同的性質(zhì),在壓差的作用下使親膜液透過膜,從而使兩液相分離和過程.第八節(jié)其它膜分離過程第八節(jié)其它膜分離過程

如圖1-53所示,當(dāng)乳濁液與多孔固體膜接觸時(shí),與膜表面親和力較強(qiáng)的液體在膜表面形成一薄層,在膜兩側(cè)壓差的作用下,這層液體可以穿過膜孔而從乳濁液中分離出來。圖中(a)是親膜液為分散相的情況,此時(shí)分散相在膜面凝聚一層液膜,隨著這層液體在壓差作用下穿過膜,外層的分散相液滴不斷向膜面補(bǔ)充,而不親膜的連續(xù)相不能靠近膜。圖中(b)是親膜液為連續(xù)相的情況,不親膜的分散相始終與膜面保持一定距離。這樣,利用一對(duì)分相膜(各與乳濁液中的一種液體親和)就可以使乳濁液完全分離成兩相。膜分離過程小結(jié)1．反滲透反滲透是利用反滲透膜，只能透過溶劑（通常是水），可對(duì)溶液施加壓力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而從溶液中分離出來的過程。2．超濾應(yīng)用孔徑為10到200埃（或更大）的超濾膜來過濾含有大分子或微細(xì)粒子的溶液，使大分子或微細(xì)粒子從溶液中分離的過程。3．微濾與超濾的原理相同，它是利用孔徑大于0.02~10m的多孔膜來過濾含有微粒的溶液，將微粒從溶液中除去。第一節(jié)緒論4．透析利用多孔膜兩側(cè)溶液的濃度差使溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)通過膜孔擴(kuò)散到濃度低的一側(cè)從而得到分離的過程。5．電滲析基于離子交換膜能選擇性地使陰離子或陽離子通過的性質(zhì)，在直流電場(chǎng)的作用下使陰陽離子分別透過相應(yīng)的膜以達(dá)到從溶液中分離電解質(zhì)的目的。6．氣體膜分離利用氣體組分在膜內(nèi)溶解和擴(kuò)散性能的不同，即滲透速率的不同來實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)。7．滲透汽化也稱滲透蒸發(fā)，利用膜對(duì)液體混合物中組分的溶解和擴(kuò)散性能的不同來實(shí)現(xiàn)其分離的新膜分離過程。8．膜蒸餾實(shí)質(zhì)上是利用膜的蒸發(fā)過程，應(yīng)用疏水的微孔膜將熱的水溶液與冷卻水隔開，熱水溶液中的水汽化，擴(kuò)散通過膜孔而在冷卻水側(cè)冷凝，因而從非揮發(fā)性物質(zhì)的溶液中分離出水，這一過程稱為膜蒸餾。可用于純水制造與水溶液的濃縮。9．膜分