環(huán)境工程原理課件-第10章其他分離過程

第十章其他別離過程第十章其他別離過程第一節(jié)離子交換第二節(jié)萃取第三節(jié)膜別離本章主要內(nèi)容一、離子交換劑概述二、離子交換根本原理三、離子交換速度本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)離子交換

〔一〕離子交換劑的分類一般將具有離子交換功能的物質(zhì)稱為離子交換劑。離子交換劑可以是任何物質(zhì)，包括有機(jī)離子交換劑〔天然的和合成的〕和無機(jī)離子交換劑〔如沸石等〕。

一、離子交換劑概述第一節(jié)離子交換

離子交換樹脂分類方法多種：〔1〕按物理結(jié)構(gòu)：可分為凝膠型、大孔型和等孔型?！?〕按合成單體：可分為苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等?！?〕按活性基團(tuán)性質(zhì)：陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂等?！捕畴x子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂是具有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架〔即母體〕和附著在骨架上的許多活性基團(tuán)所構(gòu)成。

第一節(jié)離子交換

活性基團(tuán)遇水電離，分成：固定局部和活動局部〔三〕離子交換樹脂的物理化學(xué)性質(zhì)第一節(jié)離子交換

〔1〕交聯(lián)度交聯(lián)度是指交聯(lián)劑的用量〔用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示〕〔2〕粒度離子交換樹脂通常為球形〔3〕密度真密度和視密度〔4〕溶脹性〔5〕交換容量全交換容量：指單位質(zhì)量〔或體積〕的樹脂中可以交換的化學(xué)基團(tuán)的總數(shù)，亦稱理論交換容量。工作交換容量：指樹脂在給定工作條件下實(shí)際可利用的交換能力。第一節(jié)離子交換

〔6〕選擇性樹脂選擇性是指離子交換樹脂對不同離子親和力強(qiáng)弱的反響。影響離子交換樹脂選擇性的因素：離子的水化半徑：離子在水溶液中通常發(fā)生水化作用，離子在水溶液中的實(shí)際大小以水化半徑來表征。水化半徑越小的離子越易被交換。離子的化合價(jià)：離子的化合價(jià)越高，其與樹脂的親和力越強(qiáng)，越易被樹脂交換?！惨弧畴x子交換反響二、離子交換根本原理第一節(jié)離子交換

1.可逆反響固態(tài)樹脂和溶液接觸的界面發(fā)生可逆離子交換。含Ca2＋的硬水通過RNa型樹脂：食鹽水使樹脂再生：反響式可寫為：〔〕〔〕〔〕第一節(jié)離子交換

2.強(qiáng)型樹脂的交換反響強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂〔〕〔〕〔1〕中性鹽分解反響〔〕〔〕〔2〕中和反響第一節(jié)離子交換

3.弱型樹脂的交換反響弱酸性陽離子交換樹脂和弱堿性陰離子交換樹脂〔〕〔〕〔3〕復(fù)分解反響〔〕〔〕〔1〕非中性鹽的分解反響第一節(jié)離子交換

〔〕〔〕〔2〕強(qiáng)酸或弱堿的中和反響〔〕〔〕〔3〕復(fù)分解反響〔二〕離子交換平衡和選擇性系數(shù)二、離子交換根本原理第一節(jié)離子交換

1.一價(jià)離子之間的交換離子交換平衡是在一定溫度下，經(jīng)過一定時間，離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反響到達(dá)的平衡。一價(jià)離子對一價(jià)離子的交換反響通式：〔〕第一節(jié)離子交換

當(dāng)離子交換到達(dá)平衡時，平衡常數(shù)為式中：，—樹脂相中的離子濃度，kmol/m3；〔〕，—溶液中的離子濃度，kmol/m3；平衡常數(shù)亦稱為離子交換樹脂的選擇性系數(shù)，表示離子交換樹脂對溶液中B+的親和程度和離子交換反響的進(jìn)行方向。如果選擇性系數(shù)大于1，說明樹脂對B+的親和力大于對A+的親和力，離子交換反響向右進(jìn)行。第一節(jié)離子交換

選擇性系數(shù)亦可用離子摩爾分?jǐn)?shù)來表示。式中：c0—溶液中兩種交換離子的總濃度，kmol/m3；

cB—溶液中B+離子的總濃度，kmol/m3；

q0—樹脂全交換容量，kmol/m3；

qB

—樹脂中B+離子濃度，kmol/m3?！病衬敲矗簒B＝cB/c0，yB＝qB/q0第一節(jié)離子交換

式〔〕變?yōu)椤病橙绻?，那么B+優(yōu)先交換到樹脂相，并且隨的增加，yB增加顯著。反之，如果，那么A+優(yōu)先交換到樹脂相。第一節(jié)離子交換

1.二價(jià)離子對一價(jià)離子的交換二價(jià)離子對一價(jià)離子的交換反響通式：〔〕其離子交換的選擇性系數(shù)為〔〕：表觀選擇性系數(shù)，無量綱。第一節(jié)離子交換

可以看出，該系數(shù)隨和q0值的增大或c0值的減小而增大，該系數(shù)大于1時，有利于B+優(yōu)先交換到樹脂相；反之，那么有利于再生反響?！惨弧畴x子交換速度的控制步驟三、離子交換速度第一節(jié)離子交換

①邊界水膜內(nèi)的遷移②交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散③離子交換④交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的擴(kuò)散⑤邊界水膜內(nèi)的遷移其中①⑤稱為液膜擴(kuò)散步驟，或稱為外擴(kuò)散；②和④樹脂顆粒內(nèi)擴(kuò)散，或稱為孔道擴(kuò)散步驟；③稱為交換反響步驟。離子交換速度實(shí)際上是由液膜擴(kuò)散或者孔道擴(kuò)散步驟控制。判斷離子交換過程是由液膜擴(kuò)散還是顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制，可采用Helfferich準(zhǔn)數(shù)〔He〕或Vermeulen準(zhǔn)數(shù)〔Ve〕進(jìn)行確定。第一節(jié)離子交換

1.Helfferich準(zhǔn)數(shù)〔He〕He＝1，表示液膜擴(kuò)散與顆粒內(nèi)擴(kuò)散兩種控制因素同時存在，且作用相等；He>>1，表示液膜擴(kuò)散所需要之半交換周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒內(nèi)擴(kuò)散時之半交換周期，故為液膜擴(kuò)散控制；He<<1，表示為顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制?！病掣鶕?jù)液膜擴(kuò)散控制與顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制兩種模型得到的半交換周期，即交換率到達(dá)一半時所需要的時間之比，得到：第一節(jié)離子交換

1.Vermeulen準(zhǔn)數(shù)〔Ve〕Ve<0.3，為顆粒內(nèi)擴(kuò)散控制；Ve>3.0，為液膜擴(kuò)散控制；0.3<Ve<3.0，為兩種因素皆起作用的中間狀態(tài)?！病砅e—皮克來準(zhǔn)數(shù)，定義式為〔〕〔二〕離子交換速度的表達(dá)式第一節(jié)離子交換

〔〕—單位時間單位體積樹脂的離子交換量，kmol/m3；—總的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—與粒度均勻程度有關(guān)的系數(shù)；—分別表示同一種離子在溶液相和樹脂相中的濃度，kmol/m3；—樹脂顆粒的孔隙率；—樹脂顆粒的粒徑，m—擴(kuò)散距離，m〔三〕離子交換速度的影響因素第一節(jié)離子交換

〔1〕離子性質(zhì)：化合價(jià)越高，其孔道擴(kuò)散速度越慢；水合半徑越大，擴(kuò)散速度越慢?！?〕樹脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度大，離子在樹脂網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散慢〔3〕樹脂的粒徑：粒徑小整體交換速度快，但顆粒太小，會增加樹脂層阻力，且反洗樹脂容易流失?！?〕水中離子濃度：濃度高，其在水膜中的擴(kuò)散很快，離子交換速度受孔道擴(kuò)散控制。反之，為液膜擴(kuò)散控制?！?〕溶液溫度：溫度升高有利于提高離子交換速度?！?〕流速或攪拌速度：增加樹脂外表水流流速或增加攪拌速度，在一定程度上可提高液膜擴(kuò)散速度，但增加到一定程度以后，其影響變小。(1)離子交換在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些應(yīng)用。(2)離子交換劑的分類有哪些。(3)離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么。(4)影響離子交換樹脂選擇性的因素有哪些。(5)離子交換反響有哪些主要類型。本節(jié)思考題第一節(jié)離子交換

(6)離子交換過程有哪些主要步驟，可能的控制步驟是什么。(7)如何判斷離子交換速度的控制步驟。(8)哪些主要因素影響離子交換速度。本節(jié)思考題第一節(jié)離子交換

第二節(jié)萃取一、萃取別離的特點(diǎn)二、萃取過程的熱力學(xué)根底三、萃取劑的選擇四、萃取過程的流程與計(jì)算本節(jié)的主要內(nèi)容一、萃取別離的特點(diǎn)利用混合液中被別離組分A在兩相中分配差異的性質(zhì)，使該組分從混合液中別離。該過程稱為液-液萃取，或溶劑萃取，或液體萃取。萃取過程是物質(zhì)由一相轉(zhuǎn)到另一相的傳質(zhì)過程。溶劑B稱為稀釋劑第二節(jié)萃取可在常溫下操作，無相變；萃取劑選擇適當(dāng)可以獲得較高別離效率；對于沸點(diǎn)非常相近的物質(zhì)可以進(jìn)行有效別離；利用萃取的方法別離混合液時，混合液中的溶質(zhì)既可是揮發(fā)性物質(zhì)，也可以是非揮發(fā)性物質(zhì)，如無機(jī)鹽類等。萃取別離的特點(diǎn)第二節(jié)萃取萃取法主要用于水處理，通常用于萃取工業(yè)廢水中有回收價(jià)值的溶解性物質(zhì)；從染料廢水中提取有用染料；從洗毛廢水中提取羊毛脂；含酚廢水的萃取處理等。在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用第二節(jié)萃取在萃取操作中至少涉及三個組分：待別離混合液中的溶質(zhì)A、稀釋劑B和參加的萃取劑S到達(dá)平衡時的兩個相均為液相：萃取相和萃余相當(dāng)萃取劑和稀釋劑局部互溶時，萃取相和萃余相均含有三個組分，因此表示平衡關(guān)系時要用三角相圖。二、萃取過程的熱力學(xué)根底第二節(jié)萃取三角形任何一個邊上的任一點(diǎn)均代表一個二元混合物，如E點(diǎn)。三角形內(nèi)的任一點(diǎn)代表一個三元混合物，如M點(diǎn)。純?nèi)苜|(zhì)純稀釋劑純?nèi)軇┫鄕mA=0.4xmB=0.3xmS=0.3第二節(jié)萃取〔一〕三角形相圖在萃取操作中，根據(jù)組分間互溶度的不同，可分為以下三種情況：溶質(zhì)A可溶于稀釋劑B和萃取劑S中，但稀釋劑B和萃取劑S之間不互溶。溶質(zhì)A可溶于稀釋劑B和萃取劑S中，但B和S之間局部互溶。組分A、B完全互溶，但B、S及A、S之間局部互溶。第I類物系：第(1)和第(2)情況〔以下主要討論〕第II類物系：第(3)情況〔二〕溶解度曲線與聯(lián)結(jié)線第二節(jié)萃取萃取相E及萃余相R：到達(dá)平衡時的共軛液相。聯(lián)結(jié)線：連線RE，都互不平行P點(diǎn)：臨界混溶點(diǎn)，溶液為均相在含有溶質(zhì)A和稀釋劑B的原混合液中參加適量的萃取劑S，經(jīng)充分混合，到達(dá)平衡。如果改變萃取劑的用量，將會建立新的平衡。溶解度曲線把三角形分為兩個區(qū)，曲線以內(nèi)為兩相區(qū)，以外為均相區(qū)。萃取相萃余相第二節(jié)萃取輔助曲線：連接F、G、H，得輔助曲線。利用輔助曲線，可以求任一平衡液相的共軛相，如從R點(diǎn)求E點(diǎn)。溶解度實(shí)測數(shù)據(jù)少時，如何處理？第二節(jié)萃取〔三〕杠桿規(guī)那么混合物M分成任意兩個相，或由任意兩個相E和R混合成一個相M,那么表示組成的點(diǎn)M、E和R在一直線上。式中，E、R、M—混合液E、R及M的質(zhì)量，E+R＝M。……杠桿規(guī)那么M：點(diǎn)E和R的“和點(diǎn)〞；E(或R)：點(diǎn)M與R〔或E〕的“差點(diǎn)〞由其中的任意二點(diǎn)求得第三點(diǎn)。表示了混合物M和兩個相E和R之間的質(zhì)量與組成間的關(guān)系。第二節(jié)萃取〔〕假設(shè)在原料液F中參加純?nèi)軇㏒，那么表示混合液組成的點(diǎn)M視溶劑參加量的多少沿FS線變化，根據(jù)杠桿規(guī)那么：萃取過程在三角相圖中的表示由聯(lián)結(jié)線和溶解度曲線可得萃取相E和萃取相R的組成。第二節(jié)萃取〔〕1.分配曲線將三角形相圖上各組相對應(yīng)的共扼平衡液層中溶質(zhì)A的組成轉(zhuǎn)移到xm-ym直角坐標(biāo)上，所得的曲線稱為分配曲線。分配曲線表達(dá)了溶質(zhì)A在相互平衡R相與E相中的分配關(guān)系。

〔四〕分配曲線與分配系數(shù)第二節(jié)萃取2.分配系數(shù)溶質(zhì)A在兩相中的平衡關(guān)系可以用相平衡常數(shù)k來表示。ymA—溶質(zhì)A在萃取劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)xmA—溶質(zhì)A在萃余相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)k通常稱為分配系數(shù)。該值隨溫度與溶質(zhì)的組成而異。當(dāng)溶質(zhì)濃度較低時，k接近常數(shù)，分配曲線接近直線。第二節(jié)萃取〔〕〔一〕萃取劑的選擇性系數(shù)萃取劑的選擇性是指萃取劑對原料混合液中兩個組分的溶解能力的大小，可以用選擇性系數(shù)來表示：ymA，ymB——分別為組分A和B在萃取相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)xmA，xmB——分別為組分A和B在萃余相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)假設(shè)>1,表示溶質(zhì)A在萃取相中的相對含量比萃余相中高。愈大，組分A與B的別離愈容易。假設(shè)＝1，那么組分A與B在兩相中的組成比例相同，該溶液不能用萃取方法別離。三、萃取劑的選擇第二節(jié)萃取〔〕1.萃取劑的選擇性2.萃取劑的物理性質(zhì)：密度、界面張力、黏度3.萃取劑的化學(xué)性質(zhì)4.萃取劑回收的難易：一般常用的回收方法是蒸餾，如果不宜用蒸餾，可以考慮采用其它方法，如反萃取、結(jié)晶別離等。5.廢水常用的萃取劑：苯及焦油類、酯類〔醋酸丁酯、三甲酚磷酸酯等〕、醇類〔二〕萃取劑的選擇第二節(jié)萃取〔一〕單級萃取單級萃取是液-液萃取中最簡單、也是最根本的操作方式。混和器分層器萃取相分離設(shè)備萃余相分離設(shè)備四、萃取過程的流程和計(jì)算第二節(jié)萃取單級萃取可以間隙操作，也可以連續(xù)操作。理論級：萃取相和萃余相之間到達(dá)平衡。級效率：單級操作實(shí)際的級數(shù)和理論級的差距單級萃取過程的計(jì)算：：待處理的原料液量和組成、萃取劑組成、萃余相組成、相平衡數(shù)據(jù)計(jì)算：所需的萃取劑量、萃取相和萃余相量和組成第二節(jié)萃取以溶質(zhì)A為對象建立物料平衡關(guān)系式：或S、B——萃取劑用量、原料液中稀釋劑量；kg或kg/sXmF——原料液溶質(zhì)A質(zhì)量比＝A/BYmE——溶質(zhì)A在萃取相中的質(zhì)量比=A/SXmR——溶質(zhì)A在萃余相中的質(zhì)量比=A/B1.萃取劑與稀釋劑不互溶的體系第二節(jié)萃取〔〕聯(lián)立分配曲線方程和物料平衡方程，即可得到萃取劑用量和溶質(zhì)在萃取相中的組成。溶質(zhì)在兩液相間的分配曲線如下：第二節(jié)萃取如果分配系數(shù)不隨溶液組成而變，則有：

（10.2.6）2.萃取劑與稀釋劑局部互溶的體系，如何計(jì)算？則：由萃取劑量求組成xmR?1.根據(jù)已知平衡數(shù)據(jù)在三角相圖中畫出溶解度曲線及輔助曲線。2.在AB邊上根據(jù)原料液的組成xmF確定F點(diǎn)，根據(jù)所用萃取劑組成確定S點(diǎn)（假設(shè)為純萃取劑），連接FS。3.由已知的xmR（萃余相中溶質(zhì)A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）定出點(diǎn)R,再利用輔助曲線求出E點(diǎn)，連接RE直線，與FS交點(diǎn)為M。萃取相萃余相第二節(jié)萃取〔二〕多級錯流萃取萃余相原料液萃取劑萃取劑和稀釋劑之間不互溶體系第二節(jié)萃取對于第1級，作溶質(zhì)A的物料衡算：由上式得：

……第1級操作線

任意一個萃取級n的操作線方程：物料平衡第二節(jié)萃取〔〕〔〕〔〕直到萃余相的組成Xmn等于或小于所要求的XmR為止。重復(fù)操作線的次數(shù)即為理論級數(shù)。理論級數(shù)如何求？原料液組成：XmF萃取劑量：S萃取劑組成：Ym0第二節(jié)萃取〔三〕多級逆流萃取原料液萃取劑萃取相中溶質(zhì)含量高，接近與原料液相平衡的程度萃余相中溶質(zhì)含量低，接近與新鮮萃取劑相平衡的程度第二節(jié)萃取第1級至i級的物料衡算方程為:……操作線1.理論級數(shù)的計(jì)算第二節(jié)萃取〔〕〔〕圖解法求多級逆流萃取所需的理論級數(shù)第二節(jié)萃取萃取劑用量確實(shí)定影響萃取效果和設(shè)備費(fèi)用。萃取劑用量少，所需理論級數(shù)多，設(shè)備費(fèi)用大；反之，萃取劑用量大，所需的理論級數(shù)少，萃取設(shè)備費(fèi)用低，但萃取劑回收設(shè)備大，相應(yīng)的回收萃取劑的費(fèi)用高。在多級逆流操作中對于一定的萃取要求存在著一個最小萃取劑比和最小萃取劑用量Smin。當(dāng)萃取劑用量減少到Smin時，所需的理論級數(shù)為無窮大。2.最小萃取劑用量的計(jì)算第二節(jié)萃取萃取劑用量S值越小，理論級數(shù)越多。萃取劑的最小用量：圖解法求最小萃取劑用量第二節(jié)萃取〔〕連續(xù)萃取多用塔式裝置，種類很多，包括：填料塔、篩板塔、往復(fù)振動篩板塔、離心萃取機(jī)等?！菜摹尺B續(xù)逆流萃取第二節(jié)萃取第二節(jié)萃取往復(fù)振蕩篩板塔在連續(xù)逆流萃取計(jì)算中，主要是要確定塔徑和塔高。塔徑取決于兩液相的流量與塔中兩相適宜的流速。塔高的計(jì)算有兩種方法：

1.理論級當(dāng)量高度法理論級當(dāng)量高度He：指相當(dāng)于一個理論級萃取效果的塔段高度。由實(shí)驗(yàn)研究或根據(jù)實(shí)際裝置的數(shù)據(jù)求得。理論級數(shù)：NT塔高H=NTHe第二節(jié)萃取2.傳質(zhì)單元法將萃取塔分隔成無數(shù)個微元段，對微元段中溶質(zhì)從料液到萃取相中的傳質(zhì)過程進(jìn)行分析。第二節(jié)萃取溶質(zhì)從萃余相進(jìn)入萃取相的量等于萃取相中溶質(zhì)的增量：E——萃取相流量，kg/hab——單位塔體積中兩相界面積，m2/m3

——塔截面面積，m2

Ky——總傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2

s)Ym*——與組成為xm的萃余相呈平衡的萃取相組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第二節(jié)萃取〔〕當(dāng)萃取相中溶質(zhì)濃度較低，且萃取相和稀釋劑不互溶時，E可認(rèn)為不變，Ky也可以取平均值作為常數(shù)。HOE——稀溶液時萃取相總傳質(zhì)單元高度，m；NOE——稀溶液時萃取相總傳質(zhì)單元數(shù)；ym0——原始萃取劑中溶質(zhì)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ymE——最終萃取劑中溶質(zhì)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第二節(jié)萃取〔〕本節(jié)總結(jié)萃取平衡的概念分配曲線與分配系數(shù)的概念萃取過程的操作線萃取工藝的計(jì)算單級、多級錯流、多級逆流第二節(jié)萃取(1)萃取別離的原理和特點(diǎn)是什么。(2)萃取別離在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些應(yīng)用。(3)說明三角形相圖中各區(qū)域點(diǎn)〔三角形頂點(diǎn)、三條邊上的點(diǎn)以及三角形內(nèi)的點(diǎn)〕的物理意義。(4)說明三角形相圖中溶解性曲線和聯(lián)結(jié)線是如何得到的。哪些區(qū)域是均相，哪些是多相，相的組成如何計(jì)算〔稀釋劑和萃取劑完全不互溶〕。(5)說明單級萃取過程在三角形相圖上如何表示。本節(jié)思考題第二節(jié)萃取(6)說明如何從三角形相圖的溶解度曲線得到分配曲線，分配系數(shù)的物理意義。(7)萃取劑的選擇原那么是什么。(8)畫圖說明單級萃取、多級錯流萃取和多級逆流萃取分配曲線和操作線的不同關(guān)系。(9)多級逆流萃取的理論級數(shù)如何確定。(10)萃取劑用量確實(shí)定有哪些考慮。本節(jié)思考題第二節(jié)萃取一、膜別離概述二、膜別離過程中的傳遞過程三、反滲透和納濾四、超濾和微濾五、電滲析六、其他膜別離本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié)膜別離〔一〕膜別離過程的分類根據(jù)推動力的不同：壓力差：微濾、超濾、反滲透、氣體別離、滲透蒸發(fā)濃度差：滲析電位差：電滲析、膜電解溫度差：膜蒸餾一、膜別離概述第三節(jié)膜別離〔二〕膜別離特點(diǎn)膜別離過程不發(fā)生相變，能耗較低，能量轉(zhuǎn)化效率高?？稍诔叵逻M(jìn)行，特別適于對熱敏感物質(zhì)的處理。不需要投加其他物質(zhì)，可節(jié)省化學(xué)藥劑，并有利于不改變別離物質(zhì)原有的屬性。在膜別離過程中，別離和濃縮同時進(jìn)行，能回收有價(jià)值的物質(zhì)。膜別離裝置簡單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)別離，適應(yīng)性強(qiáng)，操作容易且易于實(shí)現(xiàn)自動控制。第三節(jié)膜別離〔三〕膜種類按別離機(jī)理：有反響膜、離子交換膜、滲透膜等按膜的性質(zhì)：有天然膜〔生物膜〕和合成膜〔有機(jī)膜和無機(jī)膜〕按膜的形狀：有平板膜〔Flatmembrane〕、管式膜〔Tubularmembrane〕、中空纖維膜〔Hollowfibermembrane〕。按膜的結(jié)構(gòu)：有對稱膜〔Symmetricmembrane〕、非對稱膜〔Asymmetricmembrane〕和復(fù)合膜〔Compositemembrane〕第三節(jié)膜別離對稱膜橫斷面示意圖

膜的厚度大致在10～200

m范圍內(nèi)，其傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度有利于提高滲濾速率。第三節(jié)膜別離非對稱膜由厚度為0.1～0.5

m的致密表皮層及厚度為50～150

m的疏松多孔支撐層組成。非對稱膜的傳質(zhì)阻力主要由很薄的致密表皮層決定。由于非對稱膜表皮層比均致膜的厚度薄很多，故其滲透速率比對稱膜大。不稱膜橫斷面圖

第三節(jié)膜別離〔一〕膜別離的表征參數(shù)膜別離的特征通常用兩個參數(shù)來表征：滲透性和選擇性。1.滲透性滲透性也稱為通量和滲透速率，表示單位時間通過單位面積膜的滲透物的通量體積通量Nv：單位為m3/(m2s)質(zhì)量通量和物質(zhì)的量通量：單位分別為kg/(m2s)和kmol/(m2s)。二、膜別離過程中的傳遞過程第三節(jié)膜別離2.選擇性指膜將混合物中的組分別離開來的能力.對于溶液脫鹽或脫除微粒、高分子等物質(zhì)，可用截留率截留率定義為：膜對液體混合物或氣體混合物的選擇性通常以別離因子，別離因子A/B定義為：yA和yB——組分A和B在滲透物中的摩爾分?jǐn)?shù)xA和xB——在過濾原料中的摩爾分?jǐn)?shù)第三節(jié)膜別離〔〕〔〕在選擇別離因子時應(yīng)使其值大于1。如果A組分通過膜的速度大于B組分，那么別離因子表示為A/B；反之，那么為B/A如果A/B＝B/A＝1；那么不能實(shí)現(xiàn)A組分和B組分的別離第三節(jié)膜別離1.推動力在膜別離過程中，膜是過濾原料和滲透物兩個均相之間的一個有選擇性的屏障。過濾混合液中的滲透組分在某種或某幾種推動力的作用下，從高位相向低位相傳遞。傳遞過程推動力的大小與兩相之間的位差，即位梯度有關(guān)。作用在膜兩側(cè)的平均推動力＝位差〔G〕/膜厚〔〕?！捕衬鬟f過程的推動力及一般表述第三節(jié)膜別離

G(

c,

p,

T,

E)

膜過濾原料滲透物位差主要有：壓力差〔p〕濃度差〔c〕溫度差〔T〕電位差〔E〕化學(xué)位差電化學(xué)位差膜別離過程的推動力第三節(jié)膜別離在等溫條件下，某一組分i的化學(xué)位與壓力和濃度的關(guān)系可用下式表示：

i——混合物中組分i的化學(xué)位；

i0——純組分的化學(xué)位，為常數(shù)；bi——組分i的活度Vi——組分i的摩爾體積p——壓力那么化學(xué)位差可進(jìn)一步表示為：化學(xué)位的計(jì)算第三節(jié)膜別離〔〕〔〕2.膜傳遞過程的一般表述通量N與推動力之間的關(guān)系可以用下式表示：

K為傳遞系數(shù)，dG/dz為推動力，即位梯度該方程不僅用于描述傳質(zhì)方程，也可以用于表征熱通量、體積通量、動量通量及電通量。

第三節(jié)膜別離〔〕膜別離過程的類型不同，其作用的機(jī)理也不同。目前在膜的傳遞過程中，普遍認(rèn)為，主要有兩種不同的機(jī)理支配著膜中的質(zhì)量傳遞和滲透過程。通過微孔的傳遞——多孔模型基于擴(kuò)散的傳遞——溶解-擴(kuò)散模型〔三〕膜傳遞過程模型第三節(jié)膜別離1.多孔模型

多孔模型是借助Kozeny-Carman方程來描述流體透過膜的過程。該模型可以用于描述多孔膜中的傳遞過程。多孔膜一般用于微濾和超濾過程。第三節(jié)膜別離在該模型中，是將多孔膜簡化成一個由一系列平行的毛細(xì)管體系組成的膜結(jié)構(gòu)dm

NV’NV料液滲透液結(jié)構(gòu)參數(shù)：孔隙率〔-〕單位體積的比外表積a〔m2/m3〕多孔膜的模型第三節(jié)膜別離假定在毛細(xì)管中的流動可以用Hagen-Poiseuille定律來描述：根據(jù)Kozeny-Carman模型，假設(shè)膜孔是緊密堆積球所構(gòu)成的體系：又，膜單位面積的滲透通量：

那么：K第三節(jié)膜別離〔〕〔〕〔〕2.溶解－擴(kuò)散模型主要用于描述致密膜〔無孔膜〕的傳遞過程〔滲透蒸發(fā)、氣體別離〕。溶劑和溶質(zhì)透過膜的過程分為3步：溶劑和溶質(zhì)的滲透能力取決于物質(zhì)在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)。即：滲透系數(shù)〔K〕＝溶解度系數(shù)〔H〕擴(kuò)散系數(shù)〔D〕第三節(jié)膜別離溶劑和溶質(zhì)在膜上游側(cè)吸附溶解；溶劑和溶質(zhì)在化學(xué)位梯度下，以分子擴(kuò)散形式透過膜；透過物在膜下游側(cè)外表解吸。假設(shè)滲透物的溶解度與濃度無關(guān)，滲透物在膜中的溶解服從Henry定律，即膜中滲透物濃度c與外界壓力p之間存在線性關(guān)系：對于滲透物在膜中的擴(kuò)散，可以用Fick定律表示：

第三節(jié)膜別離〔〕〔〕該式說明滲透物通過膜的通量正比于膜兩側(cè)壓差，反比于膜厚。對于溶解－擴(kuò)散機(jī)理應(yīng)更進(jìn)一步研究溶解度、擴(kuò)散系數(shù)和滲透系數(shù)的影響。上述兩式聯(lián)立并對膜厚

積分，得：第三節(jié)膜別離〔〕反滲透和納濾是借助于半透膜對溶液中低分子量溶質(zhì)的截留作用，以高于溶液滲透壓的壓差為推動力，使溶劑滲透透過半透膜。反滲透和納濾在本質(zhì)上非常相似，別離所依據(jù)的原理也根本相同。兩者的差異僅在于所別離的溶質(zhì)的大小。反滲透：脫鹽；納濾：脫鹽、小分子有機(jī)物反滲透和納濾膜可視為介于多孔膜〔微濾、超濾〕與致密膜〔滲透蒸發(fā)、氣體別離〕之間的過程。三、反滲透和納濾第三節(jié)膜別離〔一〕溶液滲透壓溶液中溶劑的化學(xué)位可以用理想溶液的化學(xué)位公式表示：x——溶液中溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)溶液中溶質(zhì)濃度越高，溶劑化學(xué)位越低。溶液溶劑第三節(jié)膜別離〔〕在反滲透過程中，溶液的滲透壓是非常重要的數(shù)據(jù)。對于多組分體系的稀溶液，可用擴(kuò)展的范特霍夫滲透壓公式計(jì)算溶液的滲透壓。ci——溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度n——溶液中的組分?jǐn)?shù)滲透壓計(jì)算第三節(jié)膜別離〔〕當(dāng)溶液濃度增大時，溶液偏離理想程度加大，需要修正。如：

i：滲透壓系數(shù)，來校正偏離程度。在實(shí)際應(yīng)用中，常用以下簡化方程：

xi——溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；w——常數(shù)?？刹楸?。第三節(jié)膜別離〔〕〔〕〔二〕反滲透和納濾過程機(jī)理1.氫鍵理論第三節(jié)膜別離2.優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流機(jī)理當(dāng)水溶液與多孔膜接觸時，如果膜的物化性質(zhì)使膜對水具有選擇性吸水斥鹽的作用，那么在膜與溶液界面附近的溶質(zhì)濃度就會急劇下降，而在膜界面上形成一層吸附的純水層。在壓力作用下，優(yōu)選吸附的水就會滲透通過膜外表的毛細(xì)孔，從而獲得純水。當(dāng)膜毛細(xì)孔孔徑接近或等于純水層厚度t兩倍時，滲透通量最高；2t稱為膜的“臨界孔徑〞第三節(jié)膜別離3.溶解－擴(kuò)散模型根據(jù)該模型水的滲透速率或滲透體積通量Nv的計(jì)算式如下：

p為膜兩側(cè)壓力差；

為溶液滲透壓差；Dwm為溶劑在膜中的擴(kuò)散系數(shù)；Cw為溶劑在膜中的溶解度；Vw為溶劑的摩爾體積；Kw為溶劑的滲透系數(shù)，是溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的函數(shù)上式說明：隨著壓力升高水通量線性增加。第三節(jié)膜別離〔〕溶質(zhì)的擴(kuò)散通量可近似地表示為:DAm——溶質(zhì)A在膜中的擴(kuò)散系數(shù)cAm——溶質(zhì)A在膜中的濃度第三節(jié)膜別離〔〕由于膜中溶質(zhì)的濃度cAm無法測定，故通常用溶質(zhì)在膜和液相主體之間的分配系數(shù)k與膜外溶液的濃度來表示，假設(shè)膜兩側(cè)的k值相等，于是上式可表示：kA——溶質(zhì)A在膜和液相主體之間的分配系數(shù)cAF，cAP——分別為膜上游溶液中和透過液中溶質(zhì)的濃度KA——溶質(zhì)A的滲透系數(shù)溶質(zhì)通量幾乎不受壓差影響，而只取決于膜兩側(cè)濃度差。

第三節(jié)膜別離〔〕〔三〕反滲透和納濾膜過程計(jì)算1.膜通量溶劑〔水〕通量：溶質(zhì)通量：第三節(jié)膜別離〔〕〔〕2.截留率

膜材料的選擇通過常數(shù)Kw和KA直接影響別離效率。如果要實(shí)現(xiàn)高效的別離，常數(shù)Kw應(yīng)盡可能大，而KA盡可能地小。即膜材料必須對溶劑的親合力高，而對溶質(zhì)的親合力低。因此，在反滲透過程中，膜材料的選擇十分重要。這與微濾和超濾有明顯區(qū)別。也稱為脫鹽率又因?yàn)閏p＝Nn/NV,那么：第三節(jié)膜別離〔〕3.過程回收率

透過液與原料液體積之比稱為回收率：VP和VF——透過液和原料液的體積第三節(jié)膜別離〔〕在微濾和超濾過程中采用的膜一般為多孔膜。超濾膜的孔徑在0.05m至1nm，微濾膜孔徑在10～0.05m超濾：主要別離生物大分子微濾：主要別離懸浮物微粒、細(xì)菌等微濾或超濾的根本別離過程主要有：①在膜外表及微孔內(nèi)被吸附〔一次吸附〕；②在膜孔中停留而被去除〔阻塞〕；③在膜面被機(jī)械截留〔篩分〕。而一般認(rèn)為物理篩分起主導(dǎo)作用四、微濾和超濾第三節(jié)膜別離通過微濾或超濾膜的水通量可由Darcy定律描述：其中滲透系數(shù)Kw包括孔隙率、孔徑〔孔徑分布〕等結(jié)構(gòu)因素及滲透液粘度的影響。對于在多孔體系中的滲流的描述，可以參見多孔模型。〔一〕別離過程的根本傳遞理論第三節(jié)膜別離〔〕〔二〕濃差極化與凝膠層在超濾過程中，被膜所截留的通常為大分子，大分子溶液的滲透壓較小，由濃度變化引起的滲透壓變化對別離過程的影響不大，可以不予考慮。第三節(jié)膜別離但超濾過程中的濃差極化對通量的影響那么十清楚顯。一旦膜投入運(yùn)行，濃差極化現(xiàn)象不可防止，但是可逆的。濃差極化和凝膠層形成現(xiàn)象第三節(jié)膜別離到達(dá)穩(wěn)態(tài)時超濾膜的物料平衡算式為：從邊界層透過膜的溶質(zhì)通量

對流傳質(zhì)進(jìn)入邊界層的溶質(zhì)通量

從邊界層向主體溶液的擴(kuò)散通量

根據(jù)邊界條件：z=0,c=cb;z=

bl,c＝cm，積分上式可得：第三節(jié)膜別離〔〕〔〕當(dāng)以摩爾分?jǐn)?shù)表示時，濃差極化模型方程變?yōu)椋?/p>

當(dāng)xp<<xb和xm時，上式可簡化為：當(dāng)膠體或大分子溶質(zhì)在膜外表上的濃度超過其在溶液中的溶解度時，便會在膜外表形成凝膠層，此時的濃度稱為凝膠濃度cg。一旦凝膠層形成后，滲透速率就與超濾壓差無關(guān)。濃差極化比，其值越大，濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

第三節(jié)膜別離〔〕〔〕對于有凝膠層存在的超濾過程，常用阻力模型表示。假設(shè)忽略溶液的滲透壓，膜阻力為Rm、濃差極化層阻力為Rp及凝膠層阻力為Rg，那么有：由于Rg>>Rp，那么：第三節(jié)膜別離〔〕〔〕對于微濾過程，可將沉積在膜外表上的顆粒層視為濾餅層?？蓪V餅層的阻力Rc取代式〔〕中的凝膠層阻力Rg。第三節(jié)膜別離〔一〕電滲析過程的根本原理五、電滲析第三節(jié)膜別離電滲析中使用的是陽離子交換膜〔簡稱陽膜，以符號CM表示〕和陰離子交換膜〔簡稱陰膜，以符號AM表示〕。陰、陽離子交換膜具有帶電的活性基團(tuán)，能選擇性地分別使陰離子或陽離子透過。陰膜陽膜〔二〕電滲析中的傳遞過程第三節(jié)膜別離電滲析中，反離子的遷移是主要的傳遞過程。但在電滲析的傳遞過程中，還存在其他復(fù)雜的傳遞現(xiàn)象。①同性離子遷移②電解質(zhì)的濃差擴(kuò)散③水的〔電〕滲析④壓差滲漏⑤水的電解〔三〕離子交換膜第三節(jié)膜別離1.離子交換膜的種類磺酸型陽膜的示意為：〔1〕按活性基團(tuán)分類陽離子交換膜〔簡稱陽膜〕、陰離子交換膜〔簡稱陰膜〕和特種膜。季胺型陰膜的示意為：基膜活性基團(tuán)基膜固定離子可交換離子基膜活性基團(tuán)基膜固定離子可交換離子第三節(jié)膜別離〔2〕按膜的結(jié)構(gòu)分類異相膜〔或稱非均相膜〕：容易制造，價(jià)格廉價(jià)，但選擇性較差，膜電阻也大。均相膜：優(yōu)良的電化學(xué)性能和物理性能，近年來離子交換膜的主要開展方向。半均相膜〔3〕按材料性質(zhì)分類有機(jī)離子交換膜和無機(jī)離子交換膜第三節(jié)膜別離2.對離子交換膜的性能要求〔1〕具有較高的選擇透過性：這是衡量離子交換膜性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其定義式為式中：－陽膜對陽離子的選擇透過率，％－陽離子在溶液中的遷移數(shù)；－陽離子在陽膜內(nèi)的遷移數(shù)，理想膜的應(yīng)等于1?！病车谌?jié)膜別離〔2〕較好的化學(xué)穩(wěn)定性〔3〕較低的離子反擴(kuò)散和滲水性〔4〕較高的機(jī)械強(qiáng)度〔5〕較低的膜電阻第三節(jié)膜別離3.離子交換膜的選擇透過機(jī)理離子交換膜在化學(xué)性質(zhì)上和離子交換樹脂很相像，都是由某種聚合物構(gòu)成的，含有由可交換離子組成的活性基團(tuán)。以陽離子交換膜為例：〔四〕電滲析過程中的濃差極化和極限電流密度第三節(jié)膜別離邊界層和主流層之間出現(xiàn)濃度差〔Cb-Cm〕。當(dāng)電流密度增大到一定程度時，離子遷移被強(qiáng)化，使膜邊界層內(nèi)Cl-離子濃度Cm趨于零時，邊界層內(nèi)的水分子就會被電離成H+和OH-，OH-將參與遷移，以補(bǔ)充Cl-的缺乏。這種現(xiàn)象即為濃差極化現(xiàn)象。使Cm趨于零時的電流密度稱為極限電流密度。以NaCl溶液在電滲析中的遷移過程為例：〔一〕氣體膜別離六、其他膜別離第三節(jié)膜別離氣體膜別離是一種很簡單的氣體混合物的別離技術(shù)。常用的氣體別離膜有多孔膜和致密膜兩種。一般認(rèn)為氣體通過多孔膜與致密膜的機(jī)理是不同的，分別可用多孔擴(kuò)散機(jī)理和溶解－擴(kuò)散機(jī)理解釋。1.多孔擴(kuò)散機(jī)理氣體在多孔膜中的傳遞機(jī)理包括分子擴(kuò)散、黏性流動、Knudsen擴(kuò)散及外表擴(kuò)散等。由于多孔介質(zhì)孔徑及內(nèi)孔外表性質(zhì)的差異使得氣體分子與多孔介質(zhì)之間的相互作用程度有所不同，從而表現(xiàn)出不同的傳遞特征。第三節(jié)膜別