化工分離過(guò)程基礎(chǔ)(zizhikejian第九章).ppt

1、第9章 膜分離 Multi-component distillation and special distillation,膜分離過(guò)程 利用天然或合成的、具有選擇透過(guò)性的薄膜，以化學(xué)位差或電位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分體系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集的過(guò)程。,9.1 膜分離概述,近幾十年來(lái)，膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化工、輕工、食品、生物、醫(yī)藥、環(huán)保、水處理等多個(gè)領(lǐng)域。,膜分離過(guò)程原理： 以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩邊施加一個(gè)推動(dòng)力（如濃度差、壓力差或電壓差等）時(shí)，使原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過(guò)側(cè)稱為膜下游。,9.1 膜分離概述,膜分離技術(shù)發(fā)展

2、史,十八世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物體膜的天然半透性； 十九世紀(jì)，用某些天然材料制作半透膜； 1918年Zsigmondy制成微孔濾膜，微濾技術(shù)誕生； 50年代研制成功離子交換膜，電滲析實(shí)現(xiàn)工業(yè)化； 1960年Loeb和Sourirajan研制成醋酸纖維素非對(duì)稱膜，反滲透和超濾技術(shù)得到廣泛應(yīng)用； 1968年，Norman提出液膜分離技術(shù)； 70年代Prism中空纖維膜問(wèn)世，氣體分離技術(shù)誕生； 80年代Heins發(fā)明阻力復(fù)合膜，氣體膜分離飛躍發(fā)展。,9.1 膜分離概述,膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史,高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A. Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透

3、的研究。,9.1 膜分離概述,1861年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超過(guò)濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過(guò)濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過(guò)濾可稱為超過(guò)濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過(guò)濾應(yīng)稱為微孔過(guò)濾。,9.1 膜分離概述,7,然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過(guò)濾膜。美國(guó)Amicon公司首先將這種膜商品化

4、。,9.1 膜分離概述,8,50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。 1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍-66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。,9.1 膜分離概述,9,自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過(guò)濾膜（UF膜）、微孔過(guò)濾膜（MF膜）和反滲透膜（RO膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)一步提高。,9.1 膜分離概述,10,具有分離

5、選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初 研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的， 為支撐液膜。 60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的 水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新 型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動(dòng)載體的 液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。,9.1 膜分離概述,11,膜分離過(guò)程的類型,分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f(shuō)，物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇性透過(guò)實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過(guò)程及其傳遞機(jī)理如表7-1所示。,9.1

6、 膜分離概述,9.1.3 膜分離技術(shù)的種類,膜 分 離 過(guò) 程 特 點(diǎn),沒有相變,常溫完成,特殊溶液體系的分離,產(chǎn)品互溶,清晰分離難,分離過(guò)程的能耗低,適合熱敏物質(zhì)分離,溶液中大分子分離 無(wú)機(jī)鹽分離 共沸物或近沸點(diǎn)物系分離,膜分離技術(shù)的特點(diǎn),9.1 膜分離概述,不需添加物質(zhì)媒介,不會(huì)引入新的污染源,適應(yīng)性強(qiáng) 使用方便,處理規(guī)模靈活 操作方式多樣,9.1.1 膜 膜的定義 在一定流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄層凝聚相物質(zhì)把流體相分隔成為兩部分，那么這一薄層物質(zhì)就是膜。 膜具備兩個(gè)特性： 1.至少有兩個(gè)界面 2.具有選擇透過(guò)性（完全透過(guò)性，半透過(guò)性）,9.1 膜分離概述,膜的分類,9.1 膜分離概

7、述,按膜的材料分類,9.1 膜分離概述,膜材料的要求： 良好的成膜性能 物化穩(wěn)定性 耐酸、堿、微生物侵蝕 耐氧化等,膜和種類及結(jié)構(gòu)： 按形狀 平板膜 管式膜 中空纖維膜,9.1 膜分離概述,致密膜就是均勻的致密薄膜，物質(zhì)通過(guò)這類膜是依靠分子擴(kuò)散。致密膜的滲透阻力與膜的厚度成正比。因此，通常致密膜都很薄(5nm-5m)，又成為超薄膜。,9.1 膜分離概述,微孔膜的孔徑很小，一般在（0.02-10 m)，微孔膜有兩種：多孔膜和核孔膜，前者的膜孔有一較寬的分布范圍，孔徑曲折，膜厚50-250m，核孔膜用10-15m的致密膜經(jīng)過(guò)特殊處理制得，其特點(diǎn)是孔為圓柱型直孔，孔徑均勻，開孔率小。,微孔膜,致密膜

8、（無(wú)孔膜）,按膜孔徑的大小,按膜的結(jié)構(gòu) 對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜、復(fù)合膜,9.1 膜分離概述,膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)相同，且孔徑與孔徑分布也基本一致的膜,有表面活性層和支撐層組成，表面活性層很薄（0.1-1.5 m)，膜的分離作用主要取決于它，表面活性層致密無(wú)孔或孔徑小于1nm的用于反滲透、氣體分離等。表面活性層孔徑為1-20nm的膜成為超濾膜。支撐層的厚度為50-250m，主要起支撐作用，它決定膜的機(jī)械強(qiáng)度，為多孔狀。,復(fù)合膜,9.1 膜分離概述,復(fù)合膜是在非對(duì)稱膜的表面再加上一層0.25-15m厚的致密膜形成的膜，膜的分離作用主要決定致密活性層，她的優(yōu)點(diǎn)在于活性層可以用各種材料，因此具有較廣的選擇

9、余地。它廣泛用于反滲透、氣體膜分離和滲透汽化等過(guò)程。,醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖,99,表皮層， 孔徑 0.81nm,過(guò)渡層， 孔徑 20nm,多孔層， 孔徑100400nm,1%,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,聚合物膜通常在較低的溫度使用（不高于200），而且要求原料與膜不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)在較高的溫度下或原料流體為化學(xué)活性混合物時(shí)，可以采用由無(wú)機(jī)材料制成的膜。無(wú)機(jī)膜多以金屬及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃為原料，制成相應(yīng)的金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。這類膜的特點(diǎn)是耐熱、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，污染少且易清洗，孔徑分布均勻等，缺點(diǎn)是易破損，成型性能差，造價(jià)高。 無(wú)機(jī)膜的發(fā)展大大擴(kuò)寬了膜

10、分離的應(yīng)用領(lǐng)域。將無(wú)機(jī)材料與聚合物材料制成性能更好的雜合膜。,無(wú)機(jī)膜,9.1 膜分離概述,膜性能,膜 的 性 能,物化穩(wěn)定性,較好的機(jī)械強(qiáng)度 耐受一定壓力 耐受一定的溫度 耐酸腐蝕。pH 耐有機(jī)溶劑和各種化學(xué)品的抵抗性,分離透過(guò)特性,滲透通量 分離效率 通量衰減系數(shù),決定膜的使用壽命,9.1 膜分離概述,(1)滲透通量,通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量表示，對(duì)任何一種膜分離過(guò)程，滲透通量越大越有利。,(2)通量衰減系數(shù),因?yàn)檫^(guò)程的濃差極化、膜的壓密以及膜孔堵塞等原因，膜的滲透通量將隨時(shí)間而衰減,J時(shí)間的滲透通量, 使用時(shí)間,J0時(shí)間0(初始時(shí)間)的滲透通量,m 衰減系數(shù),分離透過(guò)特性,

11、9.1 膜分離概述,(1)滲透通量,通常用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物量表示,(2)通量衰減系數(shù),因?yàn)檫^(guò)程的濃差極化、膜的壓密以及膜孔堵塞等原因，膜的滲透通量將隨時(shí)間而衰減,J時(shí)間的滲透通量, 使用時(shí)間,J0時(shí)間0(初始時(shí)間)的滲透通量,m 衰減系數(shù),理化穩(wěn)定性 強(qiáng)度、耐溫、耐壓性等,分離透過(guò)特性,9.1 膜分離概述,(3)分離效率,原料液C1,透過(guò)液C2,對(duì)于不同的膜分離過(guò)程和分離對(duì)象可以用不同的表示方法。對(duì)于溶液中的鹽、微粒和某些高分子物質(zhì)的脫除等可以用脫鹽率或截留率R表示,膜的分離透過(guò)特性還可以用分離因子或分離系數(shù)表示：,在分離、純化氣體時(shí)，我們希望膜對(duì)混合氣中某一組分A有高的選擇性

12、和較大的滲透率，而對(duì)別一組分B只有較低的選擇性和較小的滲透率，這樣才能獲得較滿意的純化效果。,原料液（氣）C1A,透過(guò)液（氣）C2A A多B少,AB,9.1 膜分離概述,1. 分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對(duì)分離膜的性能十分重要。同樣 的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能 差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性 能分離膜的重要保證。 目前，國(guó)內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的 是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。,膜的制備,9.1 膜分離概述,2. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過(guò)溶劑的揮發(fā)或 向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣?相的過(guò)程。相轉(zhuǎn)化制膜工

13、藝中最重要的方法是LS 型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里 拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造 醋酸纖維素膜。,9.1 膜分離概述,將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜。 其工藝框圖可表示如下圖7-1：,LS型制膜法,9.1 膜分離概述,圖7-1 LS法制備 分離膜工藝流程框圖,9.1 膜分離概述,3. 復(fù)合制膜工藝 由LS法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251m，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可知，膜的透過(guò)速

14、率與膜的厚度成反比。而用LS法制備表面層小于0.1m的膜極為困難。為此，發(fā)展了復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖7-2所示。,9.1 膜分離概述,圖7-2 復(fù)合制膜工藝流程框圖,9.1 膜分離概述,分離膜的保存對(duì)其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對(duì)膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；而水解和冷凍破壞則對(duì)任何膜都可能發(fā)生。 溫度、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會(huì)造成膜的水解。冷凍會(huì)使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。,膜的保存,9.1 膜分離概述,36,膜的收縮 主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸

15、時(shí)，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會(huì)造成膜的變形收縮。,9.1 膜分離概述,膜污染,凝膠極化引起的凝膠層; 溶質(zhì)在膜表面的吸附層; 膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附; 膜孔堵塞。,膜污染不僅造成滲透通量的大幅度下降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。 造成膜污染主要原因來(lái)自以下幾個(gè)方面:,9.1 膜分離概述,為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對(duì)膜進(jìn)行定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，恢復(fù)膜的透過(guò)性能。,膜的清洗,9.1 膜分離概述,膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗劑。 具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力

16、，同時(shí)又不能損害膜的過(guò)濾性能。,如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過(guò)性能，則不需使用其他清洗劑。對(duì)于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）溶液清洗，效果較好。,39,清洗操作是膜分離過(guò)程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過(guò)程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時(shí)，得采取必要的措施防止或減輕膜污染。 例如，選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理（如聚砜膜用乙醇溶液浸泡），均可緩解污染程度。此外，對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理（如進(jìn)行預(yù)過(guò)濾、調(diào)節(jié)pH值），也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,膜組件定義,固定膜的支撐材料、間隔物或管式外

17、殼等組裝成的一個(gè)單元稱為膜組件。,膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀，工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有板框式、管式、螺旋卷式、中空纖維式四種。,良好的膜組件應(yīng)具備下列條件： 沿膜面的流動(dòng)情況好，濃差極化小。 單位體積中所含的膜面積較大。 組件的價(jià)格低。 清洗和膜的更新方便。 保留體積小，且無(wú)死角。,9.1.2 膜組件,操作：與板框式過(guò)濾裝置類似。 優(yōu)點(diǎn)：保留體積小，操作費(fèi)用低，壓力降小，流液穩(wěn)定，比較成熟。,板框式,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,缺點(diǎn)： A、投資費(fèi)用高; B、大的固體含量會(huì)堵塞進(jìn)料液流通，撤卸清洗管道費(fèi)時(shí)。 應(yīng)用： 適合于處理懸浮液較高的料液。,9.1 膜分離概述,9.1 膜分

18、離概述,螺旋卷式膜組件,膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起，然后將其裝入能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過(guò)改變料液和過(guò)濾液流動(dòng)通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計(jì)成多種不同的形式。,密封,密封,密封,螺旋卷式膜器一個(gè)膜葉結(jié)構(gòu)示意圖,多孔透水材料,膜，上下兩層,9.1 膜分離概述,膜葉,透水網(wǎng)狀材料,透過(guò)水,濃水,進(jìn)水,螺旋卷式膜器組合示意圖,9.1 膜分離概述,9.1 膜分離概述,膜組件的組裝示意圖,進(jìn)水口,耐壓容器,連接器,膜組件,密封圈,端蓋,透過(guò)液,濃縮液,9.1 膜分離概述,卷式膜器應(yīng)用于反滲透裝置,工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接,9.1 膜分

19、離概述,缺點(diǎn)： A、料液需預(yù)處理； B、壓力降大； C、易污染，難清洗； D、液流不易控制。,應(yīng)用： 適用于低固體含量的料液。,優(yōu)點(diǎn)： A、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更新膜容易，比表面積大； B、價(jià)格低，操作費(fèi)用低。,螺旋卷式膜組件,53,9.1 膜分離概述,管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。 內(nèi)壓式膜組件，膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過(guò)，透過(guò)膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。 外壓式膜組件，膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過(guò)，滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過(guò)膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無(wú)論是內(nèi)壓式還是外壓式，都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。,管式膜組件,操

20、作：(10-20根并聯(lián)管） 優(yōu)點(diǎn)：A、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)徑較大； B、操作清洗容易。,9.1 膜分離概述,管式,內(nèi)壓式原料液走管內(nèi),外壓式原料液走管外,管式膜器,缺點(diǎn)： A、單位體積的過(guò)濾表面積在各種膜組件中最小; B、投資大，操作費(fèi)用高，保留體積大; C、壓力降大。 應(yīng)用： 適合于處理懸浮液較高的料液。,9.1 膜分離概述,操作： (數(shù)百至數(shù)百萬(wàn)根中空毛細(xì)纖維管)， 中空纖維膜ID = 40-80um， 毛細(xì)管膜ID = 0.25-2.5mm 優(yōu)點(diǎn)： A、比表面積最大，效率高； B、可以逆流操作，壓力較小； C、設(shè)備投資低。,9.1 膜分離概述,中空纖維式膜組件,內(nèi)壓式,外壓式,中空纖維膜結(jié)構(gòu),單

21、 內(nèi) 皮 層,雙 皮 層,9.1 膜分離概述,外壓式原料走管外,9.1 膜分離概述,內(nèi)壓式,9.1 膜分離概述,61,材質(zhì)為聚偏氟乙烯 (PVDF) 的微濾膜組件,中空纖維超濾膜組件,62,中空纖維超濾膜,9.1 膜分離概述,中空纖維超濾膜設(shè)備,缺點(diǎn)： A、料液需預(yù)處理、易堵塞； B、單根管的損壞常使整個(gè)組件報(bào)廢； C、不夠成熟。 應(yīng)用： A、 中空纖維式(能耐高壓)： 大規(guī)模透析，人工腎； B、 適合于處理低固體含量的料液。,9.1 膜分離概述,優(yōu)點(diǎn)： A、比表面積最大，效率高； B、可以逆流操作，壓力較?。?C、設(shè)備投資低。,9.1 膜分離概述,四種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能,毛細(xì)管式膜組

22、件,毛細(xì)管式膜組件是由管徑較中空纖維大(di=0.56mm)，耐壓性相對(duì)較弱的膜管構(gòu)成?；钚苑蛛x層在管內(nèi)側(cè)，進(jìn)料走管內(nèi)。膜管平行排列，兩個(gè)端頭被粘合在一起。裝填密度比管式膜組件高，可達(dá)1000m2/m3。由于管內(nèi)的流動(dòng)多為層流，故物質(zhì)交換性能較差。,9.1 膜分離概述,無(wú)機(jī)陶瓷膜膜管,9.1 膜分離概述,無(wú)機(jī)陶瓷膜膜管,9.1 膜分離概述,根據(jù)被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)可以將以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程分為微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.1 反滲透,透過(guò)：溶劑 截留：水中無(wú)機(jī)離子、膠體物質(zhì)、大分子溶液 應(yīng)用：

23、海水、苦咸水淡化； 廢水處理； 鍋爐用水軟化； 乳品、果汁濃縮； 生產(chǎn)產(chǎn)品、生物制劑的分離、濃縮。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,基本原理 借助于半透膜對(duì)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(dòng)力,使溶劑滲透通過(guò)半透膜. 鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,當(dāng)膜兩側(cè)的溶液化學(xué)位不相等時(shí),溶劑會(huì)從化學(xué)位較高的一側(cè)向化學(xué)位較低側(cè)流動(dòng),直到兩側(cè)溶液的化學(xué)位相等時(shí)達(dá)到平衡,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,鹽水溶液：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,溶液中水反滲透，使溶液增濃。 對(duì)于實(shí)際反滲透過(guò)程： 溶劑滲透時(shí)

24、，少量溶質(zhì)也滲透，兩邊都有溶質(zhì)，溶質(zhì)與水之間各有滲透壓，對(duì)于正常操作：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,P2P1=21,反滲透過(guò)程原理,半透膜,開始時(shí)兩邊液面相同,由于化學(xué)勢(shì)差存在，所以水透過(guò)半透膜，使鹽水一側(cè)液面升高，產(chǎn)生滲透壓,在鹽水側(cè)加壓，當(dāng)壓力超過(guò)滲透壓時(shí)，則水透過(guò)半透膜，即反滲透，實(shí)現(xiàn)凈化過(guò)程。,反滲透過(guò)程原理,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,二、過(guò)程機(jī)理與傳質(zhì)方程 1.過(guò)程機(jī)理（不成熟） 1）是否篩分機(jī)理？ 反滲透采用膜孔徑：2nm 不通過(guò)離子： 無(wú)機(jī)離子直徑：0.10.3nm 水合離子直徑：0.30.6nm,所以：不存在篩分機(jī)理,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,膜的物化性質(zhì)

25、使水優(yōu)先吸附于膜表面，形成純水層厚度t=1nm。在外界壓力下如果將該純水層通過(guò)膜表面的毛細(xì)孔，就有可能從溶液中獲得純水。 無(wú)機(jī)離子受排斥，不能進(jìn)入純水層，價(jià)數(shù)越高，斥力越強(qiáng)。 當(dāng)膜孔徑2t時(shí)，透過(guò)的是純水，孔徑增大，溶質(zhì)開始透過(guò)，越大，透過(guò)溶質(zhì)越多。 孔徑為2t時(shí)稱臨界孔徑。,2）選擇吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.傳質(zhì)方程 通過(guò)膜的水滲透通量：,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,通過(guò)膜的少量溶質(zhì)滲透通量：,JA,溶質(zhì)R的透系數(shù)。與溶質(zhì)和膜材料的物化性質(zhì)、膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)以及操作條件有關(guān)。,CR、 CP膜兩側(cè)溶液濃度,（1）濃差極化現(xiàn)象,3、反滲透過(guò)程的濃差極化,9.2

26、微濾、超濾、納濾和反滲透,（2）濃差極化影響： 由于膜表面濃度升高使?jié)B透壓升高，過(guò)程有效推動(dòng)力降低，滲透通量下降； 凝膠層的形成使膜透過(guò)阻力增大。 （3）減輕影響的措施： 提高料液流速，增大料液湍動(dòng)程度； 提高操作溫度； 定期清洗膜面。,三、濃差極化及影響,這種現(xiàn)象為濃差極化,溶質(zhì)在膜表面附近積累,傳質(zhì)方向,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,減輕濃差極化的有效途徑： 提高傳質(zhì)系數(shù) 方法： 增加料液流速；增加湍流速度；提高溫度；清洗膜面。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,濃差極化對(duì)過(guò)程的不利影響： 1）使 若 不變，傳質(zhì)通量變低。 2）使截留率R下降 3）xAi高于溶解度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沉淀，使膜阻

27、力增加。,四、反滲透過(guò)程通量與下列因數(shù)有關(guān)： （1）操作壓差 ：P P ,使水滲透通量JA=A（ P ) 但有能耗大。 選擇適當(dāng)?shù)?P (2)操作溫度:T T ,使純水的透過(guò)系數(shù)A ,JA 但受膜耐溫所限。 (3)料液流速 流速大,傳質(zhì)系數(shù)大。 但溶質(zhì)的滲透通量JS大。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,（4）料液的濃縮程度 濃縮程度高，水回收率高。 但： 有效壓差小； 污染膜。 （5）膜材料與結(jié)構(gòu) （主要研究方向）,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,五、反滲透過(guò)程工藝流程 1. 一級(jí)一段連續(xù)式,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.一級(jí)一段循環(huán)式（閉路循環(huán)）,料液不返回到原料槽，而是返回到膜

28、組件 特點(diǎn)：目標(biāo)產(chǎn)物濃度的增加比開路循環(huán)快，透過(guò)通量小于開路循環(huán)。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,3.反滲透過(guò)程的工藝流程,一級(jí)一段連續(xù)式,一級(jí)一段循環(huán)式,一級(jí)多段連續(xù)式,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,一級(jí)多段循環(huán)式,二級(jí)五段連續(xù)式,六、應(yīng)用舉例 1. 反滲透（RO）技術(shù)在果蔬汁濃縮中應(yīng)用,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.反滲透法濃縮茶液,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.2 超濾 膜: 非對(duì)稱性膜,表面活性層孔徑10-200微孔,能截留分子量500以上大分子或膠體微粒.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,原理: 原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量 物質(zhì)透過(guò)膜上微孔

29、,流到低壓側(cè)，膠體大分子被截留。 機(jī)理: 篩分機(jī)理.,壓差: 0.1-0.5MPa,應(yīng)用： 純水制造 電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。 廢水處理回收有用的物質(zhì) 3. 產(chǎn)品加工各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2.3 微濾過(guò)程(微孔過(guò)濾) 膜: 微孔、均質(zhì)的多孔膜,孔徑0.02-10m微孔, 能截留直徑為0.05-10m 的微?；蚍肿恿看笥?06 的高分子 壓差: 0.01-0.2MPa 原理: 原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量 物質(zhì)透過(guò)膜上微孔,流到低壓側(cè). 機(jī)理: 篩分機(jī)理.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,過(guò)程與操作 1.透過(guò)通量 溶劑

30、: 溶質(zhì):,2.影響因數(shù) (1) 操作壓差(推動(dòng)力) 壓差大,通量大,能耗大; 一般取一較好值(接近于凝界滲透通量時(shí)壓差),9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,(2)料液流速 采用錯(cuò)流裝置,使料液與膜面平行流動(dòng). 流速高,傳質(zhì)系數(shù)大,有利于提高滲透通量; 但:膜面壓降大,能耗大. 因此:可采用湍流促進(jìn)器,脈沖流動(dòng)等提高流速. (3)溫度 溫度高,料液粘度小,擴(kuò)散系數(shù)大,有利于提高滲透通量. (4)截留液濃度 濃度增加,濃度邊界層增厚,易形成凝膠層,使?jié)B透通量減小.,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,工藝流程和應(yīng)用 1.超、微濾流程,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,2.超濾應(yīng)用 (1)食品、飲料

31、工業(yè),9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,失。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,(2)膜分離技術(shù)在油脂加工中和應(yīng)用,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,另外： a.對(duì)生物活性物質(zhì)： 酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分離提純； b.從植物或動(dòng)物中提取藥物： 如生物堿、荷爾蒙等； c.血液過(guò)濾 除去有害成分或進(jìn)行血清分離。 （5）工業(yè)廢水處理 造紙工業(yè)廢水：回收有用成分、水重新使用； 食品工業(yè)廢水：回收有用的高分子物質(zhì)； 紡織工業(yè)廢水：含聚乙烯醇水處理、回收。,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,3.微濾

32、應(yīng)用 同于超濾，例：,。,返回,9.2 微濾、超濾、納濾和反滲透,一、定義 在直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜的選擇滲透性，產(chǎn)生陰陽(yáng)離子的定向遷移。,9.5 電滲析,二、采用的膜 由高分子材料制成，具有離子交換基團(tuán)的薄膜。 陽(yáng)離子交換膜陽(yáng)膜 陰離子交換膜陰膜,9.5 電滲析,1、陽(yáng)膜：,例：,通常含有帶負(fù)電的酸性活性基團(tuán)，能選擇溶液中的陽(yáng)離子透過(guò)，而溶液中的陰離子則受陽(yáng)膜上所帶負(fù)電荷基團(tuán)的同性相拆作用不能透過(guò)陽(yáng)膜。,磺酸型的陽(yáng)膜，R-SO3H，其中-SO3H為活性基因,R-SO3H,H+ +R-SO3-,進(jìn)入水溶液,帶負(fù)電荷的基團(tuán)R-SO3- 留在膜上，可吸引溶液中帶正電荷的離子，排斥帶負(fù)電荷

33、的離子；,9.5 電滲析,2、陰膜：,通常含有帶正電的堿性活性基團(tuán)，能選擇溶液中的陰離子透過(guò)，而溶液中的陽(yáng)離子則受陰膜上所帶正電荷基團(tuán)的同性相拆作用不能透過(guò)陰膜。,例：,季胺型，R-N(CH3)3OH，其中-N(CH3)3OH 為 活性基團(tuán)，,R-N(CH3)3OH,OH-+ R-N(CH3)3+,進(jìn)入水溶液中,帶正電荷的基團(tuán)R-N(CH3) 3+留在膜上，可吸引溶液中帶負(fù)電荷的離子，排斥帶正電荷的離子；,這種現(xiàn)象稱為反離子遷移與膜所帶電荷相反的離子穿過(guò)膜的現(xiàn)象稱反離子遷移。,三、 電滲析操作過(guò)程,9.5 電滲析,1. 在正、負(fù)兩電極間交替放置陰陽(yáng)離子膜；,9.5 電滲析,2. 在二膜形成的隔

34、室中充入含離子水溶液；,9.5 電滲析,接上電源后，溶液中帶正電荷離子在電場(chǎng)作用下，向陰極方向運(yùn)動(dòng)，易穿過(guò)陽(yáng)膜，被陰膜擋住。,帶負(fù)電荷離子反之。,9.5 電滲析,4. 結(jié)果 2、4隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。,1.良好的選擇透過(guò)性(反離子遷移)； 2.較小的膜電阻； 3.良好的化學(xué)穩(wěn)定性，較高的機(jī)械強(qiáng)度； 4.良好的抗?jié)B漏性能。,四、 電滲析的條件,1.直流電場(chǎng)溶液中的陽(yáng)、陰離子作定向運(yùn)動(dòng) 2.離子交換膜的選擇透過(guò)使溶液中離子作反離子遷移,9.5 電滲析,五、電滲析對(duì)膜的性能要求,六、電滲析中傳遞過(guò)程 1.反離子遷移； 2.同名離子遷移； 3.電解質(zhì)離子遷移； 4.水的滲透； 5.滲

35、漏； 6.水的電滲析。,9.5 電滲析,七、電極反應(yīng)和電極電位 濃、淡隔室及膜中導(dǎo)電：離子型 電極上導(dǎo)電：電子型,9.5 電滲析,電滲析器的組裝,電滲析器的構(gòu)造,例：食鹽水溶液 四種離子： 電極反應(yīng)： 在陽(yáng)極： （氧化反應(yīng)）,特點(diǎn)：,2.產(chǎn)生O2、Cl2;另外HCl腐蝕設(shè)備。,1.OH-減少，極水呈酸性；,9.5 電滲析,在陰極： （還原反應(yīng)）,一般操作中； 要按一定時(shí)間調(diào)換電極；并排除或加入水。,9.5 電滲析,特點(diǎn)：,七、離子交換膜的選擇透過(guò) 實(shí)用膜應(yīng)具備： 1.選擇透過(guò)性良好； 2.膜阻?。?3.較好的化學(xué)穩(wěn)定性； 4.較高的化學(xué)強(qiáng)度，良好的尺寸穩(wěn)定性，較低的擴(kuò)散性能； 5.便宜。 評(píng)價(jià)

36、膜好壞的方法： 1.反離子遷移數(shù)； 2.膜的通過(guò)性。,9.5 電滲析,八、 電滲析過(guò)程的影響因素及對(duì)策,1.由膜的選擇性能不良引起的同性離子遷移： 選用合適的膜材料 2.由膜兩側(cè)離子濃度差引起的電解質(zhì)擴(kuò)散和水的滲透： 提高料液流速；降低濃度差 3.由于濃差極化使水分子電離發(fā)生電滲析： 降低電流密度；增加料液湍動(dòng)以減小邊界層厚度 4.因濃差極化使水電離引起的CaCO3、Mg(OH)2沉淀： 預(yù)處理除去料液中的Ca2+、Mg2+；定期清洗膜面 5.由膜兩側(cè)壓力差引起的滲漏：調(diào)整料液流速,降低壓差,9.5 電滲析,八、工藝流程 1.循環(huán)操作流程,9.5 電滲析,2.三級(jí)連續(xù)操作,9.5 電滲析,九、應(yīng)用 1.水的純化 海水、苦咸水、普通自然水純化生產(chǎn)：飲用水，初級(jí)水（鍋爐或醫(yī)用）或純水。 方法特點(diǎn)： （1）與其他方法比較,電滲析不適用于含鹽高的海水淡化；適用與含鹽低的苦咸水。,優(yōu)點(diǎn)：操