第十章膜分離

1、第十章 膜分離本章學(xué)習(xí)目的與要求n了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機(jī)理和各種分離膜的構(gòu)造與特性n了解膜組件的構(gòu)成、膜分離裝置及典型流程。n了解各種因素對(duì)膜分離的影響。 n掌握膜分離過(guò)程中濃差極化與膜污染的產(chǎn)生原因與消除方法。n重點(diǎn)掌握膜分離裝置的選用。10-1 概述v按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理n膜分離過(guò)程過(guò)程孔徑推動(dòng)力傳遞機(jī)制微濾0.0210m壓力差約為105Pa篩分超濾0.0010.02m相對(duì)分子質(zhì)量103106壓力差105106Pa篩分納濾1nm相對(duì)分子量2001000壓力差51051.5106Pa溶解擴(kuò)散Donnan效應(yīng)反滲透0.11nm壓力差106107Pa優(yōu)先吸附、毛細(xì)管流動(dòng)、

2、溶解-擴(kuò)散氣體分離無(wú)孔壓力差106107Pa溶解-擴(kuò)散滲析13nm濃度差篩分加上擴(kuò)散度差電滲析相對(duì)分子質(zhì)量200電位差反離子遷移滲透蒸發(fā)無(wú)孔分壓差、濃度差溶解-擴(kuò)散n按動(dòng)力本質(zhì)分v以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程微濾（microfiltration, MF)超濾（ultrafiltration, UF）反滲透（reverse osmosis, RO)納濾（nanofiltration, NF)v以蒸汽分壓為推動(dòng)力的過(guò)程膜蒸餾（membrane distillation, MD)滲透蒸發(fā)（pervaporation, PV）v以濃度差為推動(dòng)力的過(guò)程滲析（dialysis, D)v以電位差為推動(dòng)力的過(guò)程電

3、滲析（electrodialysis, ED)n膜的分類n常見(jiàn)膜均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜n常見(jiàn)膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜n膜性能v分離透過(guò)性分離效率滲透通量通量衰減系數(shù)v物化穩(wěn)定性膜強(qiáng)度壓力溫度pH耐受性1pbcRc 1wbcRc 0mJJ10-2 反滲透n反滲透的基本原理滲透與反滲透反滲透的傳質(zhì)機(jī)理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過(guò)膜；溶質(zhì)通過(guò)高分子鏈間空穴，以空穴型擴(kuò)散透過(guò)膜。優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型溶解擴(kuò)散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原料一側(cè)膜表面，然后以擴(kuò)散的方式通過(guò)膜，在膜另一側(cè)表面解吸?？捎糜谕ㄟ^(guò)致密均質(zhì)膜的傳質(zhì)過(guò)程，不要求致密是有孔的。10-2 反滲透n反滲透的濃差極化現(xiàn)

4、象v濃差極化現(xiàn)象v濃差極化對(duì)反滲透的影響n反滲透的滲透通量v因素滲透通量的因素：操作壓差操作溫度料液速度料液的濃縮程度膜材料與結(jié)構(gòu)反滲透的流程和裝置反滲透的工藝流程透過(guò)液的回收率不高，在工業(yè)中很少采用 v一級(jí)一段連續(xù)式v一級(jí)一段循環(huán)式部分濃縮液返回進(jìn)料液貯槽與原有的進(jìn)料液混合后，再次通過(guò)組件分離。因濃縮液中溶質(zhì)含量較原料液高，所以透過(guò)液的質(zhì)量有所下降 。反滲透的工藝流程v一級(jí)多段連續(xù)式水的回收率提高，濃縮液的量減少，但濃縮液中溶質(zhì)的含量增大。 這種方式得到的濃縮液由于經(jīng)過(guò)多段流動(dòng)，壓力損失較大，生產(chǎn)率下降，為此需增設(shè)高壓泵。反滲透的工藝流程v一級(jí)多段循環(huán)式第二段的透過(guò)水質(zhì)較第一段差，這種方法可

5、得到較高濃度的濃縮液。 反滲透的工藝流程v多級(jí)多段配置對(duì)膜的選擇更廣泛每一級(jí)膜兩側(cè)的濃差減小，操作壓差可以降低對(duì)設(shè)備的要求降低；但各級(jí)多需要泵將料液提高到較高的壓力，能耗增加。 反滲透的工藝流程10-3 超濾n超濾原理超濾過(guò)程的傳質(zhì)模型v篩子模型wgmpJRR1bswpcJJc溶劑的滲透通量：溶質(zhì)的滲透通量：水的滲透通量：v細(xì)孔模型2222481 6119211pwsFpssFpprJPrSrrrSrr 超濾的濃差極化現(xiàn)象v減輕差極化的方法v超濾的濃差極化現(xiàn)象回收率的控制 （單個(gè)組件15%,整機(jī)50）流動(dòng)型態(tài)和流程的控制 （壓降控制在3.924.9MPa）填料法攪拌法擴(kuò)大擴(kuò)散系數(shù)法設(shè)置湍流促進(jìn)

6、器脈沖法影響超濾滲透通量的因素及控制方法v影響因素：操作壓差料液濃度料液流速溫度截留液濃度操作時(shí)間v控制方法選擇合適的膜材料料液的預(yù)處理膜的清洗超濾的流程和裝置間歇錯(cuò)流v超濾的流程截留液全循環(huán)截留液部分循環(huán)連續(xù)錯(cuò)流v超濾的流程單段連續(xù)操作多段連續(xù)操作超濾和反滲透的主要設(shè)備v主要設(shè)備 反滲透和超濾操作的基本設(shè)備包括預(yù)處理過(guò)濾器、高壓泵、膜組件。其中膜組件是反滲透和超濾操作的主體設(shè)備。v膜組件板式管式螺旋卷式中空纖維式平板式膜組件管式膜組件螺卷式膜組件中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件10-4 電滲析n基本原理10-4 電滲析n電滲析中的傳遞過(guò)程與伴隨過(guò)程10-4 電滲析n離子交換膜的選擇透過(guò)性空隙作用

7、磺酸型陽(yáng)膜的空隙結(jié)構(gòu)作用靜電作用和擴(kuò)散作用離子交換膜的選擇透過(guò)性0-4 電滲析n電滲析中的電化學(xué)過(guò)程v電滲析的推動(dòng)力電位差電極反應(yīng)膜電位電阻電流+-222-1+-21HO = H+ O H ; 2 O H-2 e=O+ HO21C l-e=C l ; H+ C l = H C l2+-+22+-H +OH =H O; 2H +2e=H+OH =NaOHNa陽(yáng)極陰極10-4 電滲析n濃差極化v濃差極化和極限電流密度v防治極化的方法v極限電流密度的計(jì)算極化時(shí)的濃度分布和離子遷移電流極限密度：0limAAAZFD cittZ 和DA分別是陽(yáng)離子A的價(jià)數(shù)和擴(kuò)散系，F(xiàn)法拉第常數(shù)10-4 電滲析n電滲析裝置v基本結(jié)構(gòu)n電滲析的主要部件v膜堆v極區(qū)v其他部件濃、淡水隔板（a）有回路 （b）無(wú)回路1，6料液流道；2，5進(jìn)水孔；3，8出水孔；4，7隔網(wǎng)n電滲析的操作流程多級(jí)連續(xù)電滲析操作間歇電滲析操作單級(jí)連續(xù)電滲析操作膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用10-5 液膜分離技術(shù)析n液膜的分類與組成v乳狀液膜v支撐液膜乳狀液膜示意圖支撐液膜示意圖v液膜的組成 包括膜溶劑、表面活性劑和活性載體等。n液膜分離機(jī)理v無(wú)載體液膜分