第八章膜分離

1、1第八章第八章 膜膜 分分 離離28.1 8.1 概概 述述1 1、膜分離：、膜分離：用天然或合成的、具有選擇透過性用天然或合成的、具有選擇透過性的薄膜，以的薄膜，以化學(xué)位差或電位差化學(xué)位差或電位差為推動(dòng)力，對(duì)雙為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分物系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富組分或多組分物系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集的過程。集的過程。涉及涉及氣體分離、水溶液分離、生化產(chǎn)品的分離氣體分離、水溶液分離、生化產(chǎn)品的分離與與純化等。純化等。3膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開發(fā) 膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率15158080倍倍 滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能

2、滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能6060 生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的404080%80% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纖維素纖維素發(fā)酵發(fā)酵蒸餾蒸餾蒸餾蒸餾脫水脫水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜傳統(tǒng)過程傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速發(fā)酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物反應(yīng)膜生物反應(yīng)器：器：實(shí)現(xiàn)連實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本低操

3、作成本4膜的應(yīng)用膜海水淡化海水淡化工業(yè)廢水處理工業(yè)廢水處理城市廢水資源化城市廢水資源化天然氣天然氣生物質(zhì)利用生物質(zhì)利用能源能源水資源水資源傳統(tǒng)工業(yè)傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵除塵COCO2 2 控制控制制制 藥藥食食 品品化工與石化化工與石化電電 子子冶冶 金金燃料電池燃料電池潔凈燃燒潔凈燃燒5膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例金屬工藝金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒金屬回收；污染控制；富氧燃燒 紡織及制革工業(yè)紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；污染控制余熱回收；藥劑回收；污染控制造紙工業(yè)造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)食品及生

4、化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)有機(jī)物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用有機(jī)物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)國防工業(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水6 膜分離法實(shí)際上是一般過濾法的發(fā)展和

5、延膜分離法實(shí)際上是一般過濾法的發(fā)展和延續(xù)。一般過濾法不是分子級(jí)水平的，它是利用續(xù)。一般過濾法不是分子級(jí)水平的，它是利用相的不同相的不同將固體從液體或氣體中分離出來；將固體從液體或氣體中分離出來； 膜分離是分子級(jí)水平的分離方法膜分離是分子級(jí)水平的分離方法，該法關(guān)，該法關(guān)鍵在于過程中使用的過濾介質(zhì)：膜。鍵在于過程中使用的過濾介質(zhì)：膜。72 2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：1 1）不發(fā)生相變不發(fā)生相變，與有相變的分離相比，與有相變的分離相比能耗低能耗低。如一個(gè)單級(jí)的水脫鹽蒸發(fā)過程需能耗約如一個(gè)單級(jí)的水脫鹽蒸發(fā)過程需能耗約2260kJ/kg,2260kJ/kg,而反而反滲透過程在滲透過程在6.8Mpa6.8Mpa、

6、泵效率、泵效率60%60%、水收率、水收率50%50%的條件下，的條件下，僅需要僅需要28kJ/kg28kJ/kg能量。能量。 2 2）在常溫下進(jìn)行，適合于）在常溫下進(jìn)行，適合于熱敏性物質(zhì)的分離熱敏性物質(zhì)的分離。 3 3） 適用于許多適用于許多特殊溶液體系的分離特殊溶液體系的分離。 如大分子、無機(jī)鹽、一些共沸物系的分離等。如大分子、無機(jī)鹽、一些共沸物系的分離等。 8典型的膜分離技術(shù)：典型的膜分離技術(shù)：微濾（微濾（MFMF）、超濾（）、超濾（UFUF）、反滲透（）、反滲透（RORO）、）、納濾（納濾（NFNF）、滲透（）、滲透（D D）、電滲透（）、電滲透（EDED）、）、膜膜:固相、液相和氣相

7、膜。固相、液相和氣相膜。特殊膜：特殊膜：液膜（液膜（LMLM）、滲透蒸發(fā)膜（）、滲透蒸發(fā)膜（PVPV）、氣體分）、氣體分離膜。離膜。9Pressure MF 0.1 m mm - 10 m mm UF 5 - 100 nm (10kD - 1MD) NF 48反滲透：反滲透：在濃溶液一側(cè)加壓，使膜兩側(cè)的壓差在濃溶液一側(cè)加壓，使膜兩側(cè)的壓差大于溶液的滲透壓大于溶液的滲透壓( ( pp ) )，溶劑從溶液一側(cè)，溶劑從溶液一側(cè)向純?nèi)軇┮粋?cè)液流動(dòng)。向純?nèi)軇┮粋?cè)液流動(dòng)。 反滲透是利用反滲透膜選擇性地反滲透是利用反滲透膜選擇性地只通過只通過溶劑溶劑（一般為水）的性質(zhì)，對(duì)溶液施加壓力（一般為水）的性質(zhì)，對(duì)溶

8、液施加壓力克服溶劑的滲透壓，使溶劑從溶液中透過反克服溶劑的滲透壓，使溶劑從溶液中透過反滲透膜而分離出來的過程。滲透膜而分離出來的過程。49 在一定的溫度壓力下，純水的化學(xué)位為在一定的溫度壓力下，純水的化學(xué)位為 而鹽水的化學(xué)為而鹽水的化學(xué)為 = + RTlna= + RTlna 純水的活度為純水的活度為1 1，而溶液中水的活度一般小于，而溶液中水的活度一般小于1 1， RTlnaRTlna0 0 純水的化學(xué)位大于溶液中水的化學(xué)位純水的化學(xué)位大于溶液中水的化學(xué)位，所以，所以引起純水向溶液方向滲透，并不斷增加溶液側(cè)的壓力。引起純水向溶液方向滲透，并不斷增加溶液側(cè)的壓力。當(dāng)溶液中水的化學(xué)位與純水的化學(xué)

9、位相等時(shí)滲透達(dá)到當(dāng)溶液中水的化學(xué)位與純水的化學(xué)位相等時(shí)滲透達(dá)到平衡，此時(shí)，兩側(cè)的壓力差稱為滲透壓。平衡，此時(shí)，兩側(cè)的壓力差稱為滲透壓。),(1PTm0),(1PTm),(1PTm0),(1PTm0),(1PTm50 滲透壓是每個(gè)物質(zhì)都具有的一種物性。滲滲透壓是每個(gè)物質(zhì)都具有的一種物性。滲透壓與溶液中鹽的濃度有關(guān)，鹽濃度透壓與溶液中鹽的濃度有關(guān)，鹽濃度 滲透壓滲透壓 。低滲透壓的溶液。低滲透壓的溶液高滲透壓溶液滲透。高滲透壓溶液滲透。 如果溶液中施加的壓力如果溶液中施加的壓力P(PP(P2 2-P-P1 1) )大于膜兩側(cè)大于膜兩側(cè)的滲透壓差時(shí)，溶液中的水向純水方向傳遞。的滲透壓差時(shí)，溶液中的水

10、向純水方向傳遞。這種在外壓作用下使?jié)B透現(xiàn)象的逆轉(zhuǎn)過程稱為這種在外壓作用下使?jié)B透現(xiàn)象的逆轉(zhuǎn)過程稱為反滲透反滲透 。溶質(zhì)不能或很難透過半透膜，。溶質(zhì)不能或很難透過半透膜， 溶液側(cè)失去了水而增濃。溶液側(cè)失去了水而增濃。51 對(duì)多組分物系的稀溶液，可用擴(kuò)展的對(duì)多組分物系的稀溶液，可用擴(kuò)展的VantVant Hoff(Hoff(范特荷夫范特荷夫) )公式計(jì)算溶液的滲透壓公式計(jì)算溶液的滲透壓 = RT= RT式中：式中：R-R-氣體常數(shù)氣體常數(shù); c; ci i- -溶質(zhì)摩爾濃度，溶質(zhì)摩爾濃度，mol/l;mol/l;ciic152反滲透過程的機(jī)理與傳質(zhì)方程：反滲透過程的機(jī)理與傳質(zhì)方程： 反滲透膜微孔孔徑

11、反滲透膜微孔孔徑2 nm,2 nm,而一般無機(jī)離子而一般無機(jī)離子直徑為直徑為0.1-0.3 nm, 0.1-0.3 nm, 形成水合離子后水合離子的形成水合離子后水合離子的直徑為直徑為0.3-0.6nm0.3-0.6nm。 用篩分作用無法解釋反滲透機(jī)理。用篩分作用無法解釋反滲透機(jī)理。 53 目前已提出多種反滲透機(jī)理，最典型的有目前已提出多種反滲透機(jī)理，最典型的有溶解擴(kuò)散模型；溶解擴(kuò)散模型；優(yōu)先吸附優(yōu)先吸附- -毛細(xì)孔流動(dòng)模型。毛細(xì)孔流動(dòng)模型。由由19601960年，年，SourirajanSourirajan在在GibbsGibbs吸附方程基礎(chǔ)上吸附方程基礎(chǔ)上提出的，是當(dāng)前比較流行的膜傳遞理論

12、之一，提出的，是當(dāng)前比較流行的膜傳遞理論之一，也是用反滲透進(jìn)行海水淡化等脫鹽過程設(shè)計(jì)的也是用反滲透進(jìn)行海水淡化等脫鹽過程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)。54優(yōu)先吸附優(yōu)先吸附- -毛細(xì)孔流動(dòng)機(jī)理毛細(xì)孔流動(dòng)機(jī)理1 1） 膜與無機(jī)鹽的稀溶液接觸時(shí)，膜與無機(jī)鹽的稀溶液接觸時(shí)，水優(yōu)先被膜表水優(yōu)先被膜表面吸附面吸附，形成純水層，其厚度，形成純水層，其厚度t=1nm;t=1nm;2 2）無機(jī)離子受到排斥，不能進(jìn)入純水層。離子）無機(jī)離子受到排斥，不能進(jìn)入純水層。離子的價(jià)數(shù)越高，受到的排斥力越強(qiáng)；的價(jià)數(shù)越高，受到的排斥力越強(qiáng)；553 3）當(dāng)外壓）當(dāng)外壓P P的作用下，當(dāng)膜表面的有效孔徑的作用下，當(dāng)膜表面的有效孔徑2t2t時(shí)，

13、透過的是純水；如果有效孔徑時(shí)，透過的是純水；如果有效孔徑2t2t時(shí)，溶質(zhì)也透過膜，而且有效孔徑越大離子時(shí)，溶質(zhì)也透過膜，而且有效孔徑越大離子泄露越多；泄露越多；4 4） 當(dāng)膜上的毛細(xì)孔孔徑當(dāng)膜上的毛細(xì)孔孔徑=2t=2t時(shí)能得到最大純水時(shí)能得到最大純水透過量。這一孔徑稱為臨界孔徑。透過量。這一孔徑稱為臨界孔徑。 由此看出，膜表面的由此看出，膜表面的物化性質(zhì)物化性質(zhì)（吸附水、（吸附水、排斥離子）和排斥離子）和合適的微孔孔徑合適的微孔孔徑是實(shí)現(xiàn)反滲透是實(shí)現(xiàn)反滲透操作的必要條件。操作的必要條件。 56溶解溶解- -擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理 由由LonsdaleLonsdale和和RileyRiley等人于等人

14、于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代中年代中期提出的。該機(jī)理認(rèn)為溶劑和溶質(zhì)透過膜的期提出的。該機(jī)理認(rèn)為溶劑和溶質(zhì)透過膜的過程分為三步：過程分為三步：1 1）溶劑和溶質(zhì)在膜的上游側(cè)吸附溶解溶劑和溶質(zhì)在膜的上游側(cè)吸附溶解；2 2） 溶劑和溶質(zhì)在化學(xué)位梯度作用下，以溶劑和溶質(zhì)在化學(xué)位梯度作用下，以分子分子擴(kuò)散形式透過膜擴(kuò)散形式透過膜；3 3）透過物在膜下游側(cè)表面解吸透過物在膜下游側(cè)表面解吸。 溶劑和溶質(zhì)在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)溶劑和溶質(zhì)在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)是該機(jī)理的核心參數(shù)。是該機(jī)理的核心參數(shù)。57 滲透通量：滲透通量：Kimura-Sourirajan模型求算溶劑和溶質(zhì)滲透通量。1 1）溶劑的滲透通

15、量）溶劑的滲透通量 JW = A ( P - ) J JW W- -水的滲透速率或滲透通量，水的滲透速率或滲透通量，kmol/mkmol/m2 2.s.s或或mol/(cmmol/(cm2 2.s);.s); P-P-膜兩側(cè)的壓力差，膜兩側(cè)的壓力差，Pa;Pa; - -膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，Pa;Pa; A- A-水的滲透系數(shù)，水的滲透系數(shù)，g/( cmg/( cm2 2.s.Mpa).s.Mpa)，表示純水透過膜的，表示純水透過膜的特性，它與特性，它與a a膜材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)膜材料和膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)b b操作溫度和壓力操作溫度和壓力有關(guān)，一般用純水實(shí)驗(yàn)測(cè)定。有關(guān)，一般用純

16、水實(shí)驗(yàn)測(cè)定。582 2）溶質(zhì)的滲透通量）溶質(zhì)的滲透通量Js= (cRxA,RcPxA,P) JsJs溶質(zhì)的滲透速率或滲透通量，溶質(zhì)的滲透速率或滲透通量，kmol/mkmol/m2 2.s.s或或mol/(cmmol/(cm2 2.s);.s);c cR R- - 料液在膜表面處的濃度，料液在膜表面處的濃度，kmol/mkmol/m3 3或或mol/cmmol/cm3 3; ;c cp p- -透過液在膜表面處的濃度，透過液在膜表面處的濃度，kmol/mkmol/m3 3或或mol/cmmol/cm3 3; ;x xA,RA,R-料液在膜表面處的摩爾分率；料液在膜表面處的摩爾分率；x xA,PA

17、,P-透過夜在膜表面處的摩爾分率；透過夜在膜表面處的摩爾分率； -溶質(zhì)的滲透系數(shù)，溶質(zhì)的滲透系數(shù)，m/sm/s; ;D DA,MA,M- - 溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散系數(shù)，溶質(zhì)在膜中的擴(kuò)散系數(shù)，m m2 2/s;/s;AMAKD,AMAKD,59- - 膜的厚度，膜的厚度，m;m;K KA A分配系數(shù)，因?yàn)槿苜|(zhì)在膜中的濃度無法測(cè)定，分配系數(shù)，因?yàn)槿苜|(zhì)在膜中的濃度無法測(cè)定，故常用分配系數(shù)故常用分配系數(shù)K KA A與膜表面出濃度表示，即與膜表面出濃度表示，即 K KA A=c=cA,MA,Mx xA,MA,M/ c/ cR Rx xA,RA,R 可以反映溶質(zhì)透過膜的特性，其數(shù)值小，表示溶可以反映溶質(zhì)透過膜

18、的特性，其數(shù)值小，表示溶質(zhì)透過膜的速率小，膜對(duì)溶質(zhì)的分離效率高；與質(zhì)透過膜的速率小，膜對(duì)溶質(zhì)的分離效率高；與溶質(zhì)和膜材料的物化性質(zhì)、膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)及操作溶質(zhì)和膜材料的物化性質(zhì)、膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)及操作條件有關(guān)。條件有關(guān)。 60濃差極化：濃差極化： 在反滲透過程中，大部分溶質(zhì)被截流，溶質(zhì)在膜表面附近積累，因此從料液主體到膜表面建立起有濃度梯度的濃度邊界層，溶質(zhì)在膜表溶質(zhì)在膜表面的濃度面的濃度C CAiAi大于料液主體濃度大于料液主體濃度C CA1A1。此現(xiàn)象。此現(xiàn)象稱為稱為濃差極化濃差極化。61傳質(zhì)機(jī)理與模型傳質(zhì)機(jī)理與模型濃度極化模型62濃差極化對(duì)反滲透過程的影響：濃差極化對(duì)反滲透過程的影響：1 1）由

19、于濃差極化，膜表面處溶質(zhì)濃度）由于濃差極化，膜表面處溶質(zhì)濃度 ， ，當(dāng)，當(dāng)P P一定時(shí)，過程的推動(dòng)力（一定時(shí)，過程的推動(dòng)力（P-P-） ，滲透通，滲透通量量J J ；2 2）隨滲透通量）隨滲透通量J JW W , ,濃差極化比濃差極化比 急劇地增加，急劇地增加，溶質(zhì)的溶質(zhì)的J JA A , ,截流率截流率 。說明濃差極化的存在對(duì)。說明濃差極化的存在對(duì)J JW W的的提高提出了限制。提高提出了限制。3 3）當(dāng)膜表面處溶質(zhì)濃度高于溶解度時(shí)，在膜表面上出）當(dāng)膜表面處溶質(zhì)濃度高于溶解度時(shí)，在膜表面上出現(xiàn)沉淀，形成凝膠層，透過膜的阻力現(xiàn)沉淀，形成凝膠層，透過膜的阻力 。料液主料液主體濃度體濃度x xA1

20、A1不能高于一定值。不能高于一定值。海水用反滲透處理時(shí)，水的利用率受到了限制，水海水用反滲透處理時(shí)，水的利用率受到了限制，水和鹽不能完全分離。和鹽不能完全分離。 1AAixx63由此看出，膜分離中完全避免濃差極化是不可由此看出，膜分離中完全避免濃差極化是不可能的。但可以采取如下措施減小濃差極化：能的。但可以采取如下措施減小濃差極化：1 1） 提高料液的流速，增加湍流程度；提高料液的流速，增加湍流程度；2 2） 提高操作溫度，使溶質(zhì)的溶解度增加；提高操作溫度，使溶質(zhì)的溶解度增加；3 3）對(duì)膜表面進(jìn)行定期清洗等。）對(duì)膜表面進(jìn)行定期清洗等。64滲透通量的影響因素滲透通量的影響因素操作壓差操作壓差P:P: P P , J, JW W , ,但濃差極化比但濃差極化比 ， ；能耗能耗 ； 應(yīng)權(quán)衡之后選擇最佳操作壓差應(yīng)權(quán)衡之后選擇最佳操作壓差P P。操作溫度操作溫度T:T: T T , ,水的滲透系數(shù)水的滲透系數(shù)A A