第八章新型分離技術(shù)

第六章新型分離技術(shù)第一節(jié)膜分離技術(shù)一、膜分離技術(shù)的發(fā)展膜分離是利用固體薄膜對(duì)混合物組分選擇性透過的性能使混合物分離的過程。1748年科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)水能自然的擴(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)，這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了膜滲透的研究。1854年Graham發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象。1964年Traube成功地制成了歷史上第一片人造膜----亞鐵氰化鐵膜。20世紀(jì)40年代，利用滲析原理研制出人工腎。20世紀(jì)50年代初，離子膜研制成功，電滲析技術(shù)成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。20世紀(jì)60年代Loeb研制成醋酸纖維素非對(duì)稱性膜，這在膜分離技術(shù)的發(fā)展中是一個(gè)重要的突破，使反滲透，超濾進(jìn)入了實(shí)用階段。膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：操作溫度低，能耗低，分離效率高，分離過程中不伴隨相變，無二次污染。特別適合于熱敏性物質(zhì)、稀溶液、難分離物質(zhì)的分離。二、膜的定義和分類（1）、膜的定義在一種流體相（液態(tài)或氣態(tài)）內(nèi)或兩流體之間，有一個(gè)較為致密的薄層凝聚相物質(zhì)把流體相分隔成兩部分，這一薄層物質(zhì)就是膜。

膜的組成：膜可以是均勻一相，也可以是由兩相以上的凝聚態(tài)物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體，也可以是固態(tài)，也可以是液態(tài)。膜的特性：具有完全透過性，也可以是半透過性。膜的作用：隔離作用，阻止膜兩側(cè)的流體相直接接觸。（2）、膜的分類2、膜分離技術(shù)的定義和分類膜分離技術(shù)的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜一側(cè)的過程，與篩分過程相似，根據(jù)孔徑的大小達(dá)到物質(zhì)分離的目的。種類推動(dòng)力孔徑應(yīng)用微濾MF壓力差0.025~14μm不溶物濃縮過濾，如除水、藥液中的菌、啤酒中的混濁物超濾UF壓力差0.01~0.02μm分離溶液中的大分子、微粒，如制純水、食品藥物濃縮，紙漿的廢水處理滲析DL濃度差1.5~10nm用于人工腎、化工食品中高聚物及低分子的分離電滲析ED電位差1~10nm利用離子交換膜選擇透過性分離，如溶液脫鹽、堿的制備、重金屬離子的回收反滲透RO壓力差0.0001~0.001μm從溶液中分離出溶劑，如海水脫鹽，溶液、食品脫水。納米過濾NF壓力差2nm介于超濾和反滲透之間，從溶液中分離出相對(duì)分子質(zhì)量300~1000的物質(zhì)的膜分離過程，如制藥、純水制造、廢水處理。三、膜過濾的基本概念微濾超濾反滲透膜過濾反滲透與超濾的區(qū)別：反滲透分離的物質(zhì)是無機(jī)鹽類小分子，滲透壓較高，為了使溶劑透過薄膜，其操作壓力要大，采用壓差1~10Mpa；而超濾則是從小分子溶質(zhì)或溶劑分子中分離出較大的溶質(zhì)分子（如有機(jī)膠體、蛋白質(zhì)、多糖），由于高分子溶質(zhì)的存在,滲透壓較低，采用較低的壓力即可過濾,采用100~1000kpa。均為壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離過程反滲透的工作原理：淡水海水淡水淡水海水海水壓力＞滲透壓滲透壓半透膜半透膜半透膜a）、滲透b）、滲透平衡c）、反滲透1)、滲透：淡水穿過半透膜進(jìn)入含鹽海水。2）、滲透平衡：在滲透過程中，淡水穿過半透膜進(jìn)入海水后，會(huì)呈現(xiàn)出一種流體靜壓差，在此壓差下，物質(zhì)靜傳遞量為零，兩側(cè)達(dá)成平衡。3）、反滲透：若在海水一側(cè)加壓，水又會(huì)通過半透膜進(jìn)行逆向流動(dòng)。p超濾的工作原理：在外壓p作用下，當(dāng)含有高、低分子化合物溶質(zhì)的溶液通過膜表面時(shí)，溶劑和小分子（水、無機(jī)鹽類）將通過薄膜，作為透過物被收集。膜另一側(cè)的高分子溶液（如有機(jī)膠體）被薄膜截留作為濃溶液被收集起來。四、膜過濾的理論基礎(chǔ)１、滲透通量滲透通量就是單位時(shí)間、單位面積透過膜的溶液量。可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。２、濃差極化在膜分離過程中，大分子溶質(zhì)被截留下來，而在膜表面處積聚，形成大分子溶質(zhì)濃度邊界層，膜表面處的溶質(zhì)濃度變得比原溶液主體濃度大，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。CmCbCPδJV３、截留率CmCbCPδJV分析：１）、超濾超濾主要是截留大分子物質(zhì)，由于濃差極化的形成，阻力除了膜通透阻力外，還有膜側(cè)面溶質(zhì)附著層產(chǎn)生的通透阻力，所以溶劑通過超濾膜的流量與外壓成正比，與膜的阻力成反比。２）、反滲透在反滲透時(shí)，由于溶劑的體積通量取決于凈壓差，溶質(zhì)的透過率不取決于壓差，因此，增加原液一側(cè)的壓力可以提高溶劑的透過量，而溶質(zhì)的透過率基本不變。對(duì)于高濃度的溶液，可以提高操作壓力，防止溶劑的透過量降低，溶質(zhì)的透過量升高，而溶劑的純度會(huì)降低。五、膜組件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1、平板式膜組件特點(diǎn):膜組件中原溶液流過平坦的矩形通道,充填密度可以達(dá)到100~400m2/m3,能量較少,整個(gè)元件均可更換.2、管式膜組件結(jié)構(gòu):膜呈軟管形式置于耐壓管內(nèi)側(cè),支撐管和膜之間安裝一個(gè)薄的多孔聚乙烯管,也取到支撐作用.特點(diǎn):流動(dòng)狀態(tài)好,流速易控制,易清洗,無死角,適宜于含固體較多的原料液的處理,機(jī)械除雜質(zhì)較容易,還可以調(diào)整流動(dòng)狀態(tài),防止?jié)獠顦O化現(xiàn)象和污染.與平板膜比較,管膜的制備條件難以控制,單位體積中所含過濾面積較小,壓降大,管口密封較困難.3、螺旋卷式膜組件結(jié)構(gòu):雙層結(jié)構(gòu),中間為多孔支撐材料,兩面均是膜,其中三邊密封,卷起來形成螺旋式組件,外面為壓力容器.特點(diǎn):充填密度高(＞900m2/m3),結(jié)構(gòu)簡單.但無法用機(jī)械清洗,料液必須預(yù)處理,此外壓降較大.4、中空纖維式膜組件結(jié)構(gòu):將數(shù)十萬根中空纖維捆扎成纖維束彎成U型,裝入圓柱型耐壓容器中,纖維端部只與一個(gè)端板粘合.中空纖維是一種形狀較細(xì)的高強(qiáng)度空心管,能夠自身支撐膜.原液可以與中空纖維平行,也可以成徑向流動(dòng),濾液只能從一端引出.特點(diǎn):單位體積中所含過濾面積大,操作壓力低,該膜不需支撐材料,使用壽命長.但制造技術(shù)較復(fù)雜,原料液需預(yù)處理,易堵塞,不易清洗.六、超濾和反滲透的應(yīng)用超濾：主要用于油水乳液的分離，電泳漆的回收，廢水處理，食品加工，以及生物工程中酶和蛋白質(zhì)的分離與濃縮，純化血漿，脫鹽等方面。反滲透：主要用于純水，超純水和醫(yī)療衛(wèi)生用水的制備，工業(yè)廢水的凈化，食品加工及生物工程中的單鹽、非游離酸的濃縮等方面。第二匙節(jié)單超臨惡界流敵體萃說取超臨品界流巾體是寨指溫牧度和您壓力撿處于磁臨界悼溫度勁及臨桐界壓歸力以苦上的父流體煤。這神種處春于臨董界狀獲態(tài)下螞的流校體具旦有氣熊體和愁液體飯之間手的性抱質(zhì)，甜對(duì)許象多物生質(zhì)具種有較揚(yáng)強(qiáng)的滋溶解繞能力纏，同珠時(shí)還獎(jiǎng)具有騎與氣貝體相蓄近的午擴(kuò)散爹系數(shù)慮和滲勉透能粱力，盲其分領(lǐng)離速嘩率遠(yuǎn)械比液零體溶組劑萃襖取快窩。而錄超臨易界流彎體萃濟(jì)取技托術(shù)正被是利茂用這郊一特蒙性，諷用超案臨界等流體樹作為旱萃取堤劑，奪從液林體或牙固體屑中萃淹取出偶待分挺離的蝴組分嘩。目前碑超臨崖界流暖體萃鐘取已呢形成暈了一右門新袖的化巴工分闖離技玩術(shù)，議應(yīng)用悠領(lǐng)域刃十分肢廣泛騎，特彼別適僑合于舍萃取刪某些具高沸妻點(diǎn)和膏熱敏居性組候分。纏可分免離高貧附加箱值的微產(chǎn)品哭，如箏：煉袋油、肢食品災(zāi)、醫(yī)腳藥、貌香料愚的方捕面有涂著廣李闊的馬應(yīng)用騙前景肉。一、堆超臨捎界流證體的練性質(zhì)1、超悔臨界俊流體恥的P-叉V-剩T性質(zhì)穩(wěn)定殘的純弓物質(zhì)啟及由縮慧其組齊成的摧定組裂成混魂合物肅具有捕固有晉的臨城界點(diǎn)芽（即興臨界菠壓力PC、臨鳥界溫犁度TC、臨忠界密裝度ρC），去在純哭物質(zhì)堵中，真一旦養(yǎng)超過驅(qū)它的肥臨界關(guān)溫度么，那鎮(zhèn)么無叉論施露加多購大的阿壓力留也不捎能使章其液固化。父下表騰為常數(shù)見萃享取劑碌的超趣臨界探物性園：P-晉V-勤T性質(zhì)圖中纖分為難四個(gè)如區(qū)：泥氣體子區(qū)、窩液體小區(qū)、墨固體繡區(qū)及飲超臨趴界流逢體區(qū)熊。在臨喚界區(qū)午附近朵，溫窩度和差壓力捉的微社小變葡化，納都會(huì)繡引起戀流體撤的密畢度大紀(jì)幅度姨變化抽。難獄揮發(fā)玻性溶法質(zhì)在軋超臨莊界流萍體中咽的溶辛解度晌大致炸上與煮流體滑密度臣成正冠比。利用砌超臨科界流儀體的血特性濟(jì)，在予高密貌度（習(xí)低溫城、高棍壓）夸下萃國取分添離所余需物煌質(zhì)，垃然后牙稍微余提高擔(dān)溫度因或降屈低壓洽力，瘦可以衣將萃床取劑本與待姨分離柴物質(zhì)纏分離郊。2、超統(tǒng)臨界澆流體視的選闊擇性為了投使超瞞臨界雖流體略萃取別過程棒能夠滅有效籮地分兄離或辨除去是微量日雜質(zhì)栗。必男須要屈求萃張取劑辣具有趨良好蔑的選獄擇性夠，要憤提高吵溶劑蕩的選同擇性鉤就必資須滿何足以諷下兩聰點(diǎn)：1）、咸操作憲溫度相和臨殺界流殺體的饞臨界登溫度栗接近璃。2）、器超臨趣界流飲體的消化學(xué)蕉性質(zhì)名和待報(bào)分離柴溶質(zhì)畢的化航學(xué)性俗質(zhì)相倦近。3、超覽臨界銜流體判的選壩擇作為燥萃取奏劑的恒超臨校界流迎體必蝕須具恥備以稠下條杜件：1）、盤具有殘化學(xué)息穩(wěn)定爛性，小對(duì)設(shè)蹦備無異腐蝕扶。2）、伶臨界枕溫度店要適羨中，辰最好本在室錯(cuò)溫附躬近或盡操作稿溫度引附近霞。3）、袋操作樹溫度云應(yīng)低顆于被菌萃取主溶質(zhì)熱的分姓解溫寇度或涼變質(zhì)顯溫度銀。4）、倉臨界貓壓力磚不可守太高膨，以炒節(jié)省桐壓縮型動(dòng)力粘費(fèi)用5）、較選擇淡性要冒好，聯(lián)容易醬獲得廳高純首度制息品。6）、京溶解膏度要艷高，露以減貫少溶立劑循滅環(huán)量啄。7）、卻來源成方便年、價(jià)尤格低站廉。8）、咸對(duì)一舍些特隊(duì)殊場(chǎng)厲合，兩如醫(yī)僵藥和念食品緒工業(yè)躺中使伶用的悔萃取退劑還悟應(yīng)要鼻求無裁毒。二、稱超臨道界流撥體萃趣取過木程超臨優(yōu)界流緩體萃害取過忘程由棚萃取席階段襲和分幕離階洪段組壇成。其萃霉取過承程如蕉下：萃取分離原料含萃取質(zhì)的溶液萃取質(zhì)循環(huán)萃取劑新鮮萃取劑萃取殘質(zhì)超臨路界流若體萃云取的悄典型艱流程P1T1P2膨脹閥壓縮機(jī)萃取釜分離釜溶質(zhì)原料萃取殘質(zhì)1）、委等溫外法等溫具法又考稱絕脖熱法孕，它驚主要蒼是依宴靠壓化力變及化而訴進(jìn)行詠萃取炮分離嘆的方控法，爭(zhēng)就是割在一嗽定的悉溫度戰(zhàn)下，姐使超堅(jiān)臨界懷流體直減壓壩，經(jīng)全過膨蒙脹、劃分離振氣體微經(jīng)壓騰縮機(jī)水加壓淚后再仙返回嶼萃取腸釜循車環(huán)使稿用，厘而溶岡質(zhì)從羊分離呈釜下剪部取咐出。PT1加熱器循環(huán)泵萃取釜分離釜溶質(zhì)原料萃取殘質(zhì)PT2冷卻器2）、睜等壓逼法等壓鍬法是寄利用粥溫度脖的變披化來培實(shí)現(xiàn)遞溶質(zhì)坐與萃搏取劑搖分離找的方慎法。駛萃取撒了溶祝質(zhì)的論超臨手界流福體經(jīng)著加熱糠升溫練使萃揀取劑非與溶緒質(zhì)分妖離。癥萃取駝物由盟分離財(cái)釜下谷方取狡出，可作為懶萃取辛劑的栗氣體狗經(jīng)過男降溫錄壓縮徹后送姨回萃愈取釜煩使用編。PT循環(huán)泵萃取釜分離釜溶質(zhì)原料萃取殘質(zhì)PT3）、求吸附峰法吸附刪法是銷采用睡可吸代附溶萬質(zhì)而晃不吸儉附萃亮取劑進(jìn)的吸鉆