(11)食工原理膜分離過(guò)程

1、第十章膜別離過(guò)程總學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)【學(xué)習(xí)要求】通過(guò)本章的學(xué)習(xí),了解各種膜別離過(guò)程的特點(diǎn)和別離設(shè)備,掌握膜別離操作的根本原理和根本概念。第一節(jié)膜別離過(guò)程概論【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：膜別離過(guò)程的特點(diǎn)；膜的結(jié)構(gòu)、材料和特性；膜別離設(shè)備 理解：幾種重要的膜別離過(guò)程的分類【課時(shí)】0.5學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】一、膜別離的概念了解膜別離過(guò)程：借助于膜而實(shí)現(xiàn)別離的過(guò)程。二、膜別離過(guò)程的效率了解常用來(lái)表示別離效率的指標(biāo)有兩種：一是組分在兩相中的濃度之比，常用選擇性系數(shù)表示；二是某組分在經(jīng)過(guò)別離后的兩股物流中的分配比例，常用截留率表示。選擇性系數(shù)或截留率表示了別離的質(zhì)的方面。對(duì)于別離的量的方面， 一般用通量，即單

2、位時(shí)間內(nèi)單位別離面積上的流量來(lái)表示。在大多數(shù)膜別離操作中，截留率和通量是表征過(guò)程的兩個(gè)最重要指標(biāo)。三、幾種重要的膜別離過(guò)程理解1、反滲透對(duì)溶液施加超過(guò)滲透壓的壓強(qiáng)，使溶劑分子通過(guò)半透膜而與溶液別離。2、超濾用孔徑為10-210-3mm的膜在壓差下過(guò)濾溶液，使大分子或細(xì)微粒與溶液別離。3、微濾與超濾相似，但孔徑更大，大致為0.110mm。4、電滲析以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)。5、滲透氣化溶液與某種特殊的膜接觸后，各組分在通過(guò)膜的同時(shí)發(fā)生氣化，且各組分的透過(guò)速率不同。6、氣體滲透利用混合氣體中各組分通過(guò)膜的速率不同而使組分別離。7、滲析在濃度梯度作用下，

3、溶質(zhì)通過(guò)膜進(jìn)入另一側(cè)的溶液，從而與原溶液別離。8、納濾介于超濾和反滲透之間的操作。四、膜的結(jié)構(gòu)、材料和特性了解一膜的分類和結(jié)構(gòu)1按膜的性質(zhì)分一一天然膜，合成膜、改性膜。2按膜的結(jié)構(gòu)分 一一多孔膜，致密膜，液膜。3按膜的作用機(jī)理分 一一吸附性膜，擴(kuò)散性膜，離子交換膜，選擇滲透膜，非選擇 性膜。4按膜的用途分一一氣相系統(tǒng)中用膜，氣一液系統(tǒng)中用膜，液一液系統(tǒng)中用膜，氣 固系統(tǒng)中用膜，液 一固系統(tǒng)中用膜，固 一固系統(tǒng)中用膜。二常用膜材料1醋酸纖維素2聚砜3聚丙烯晴4芳香酰胺5聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯6其它高分子材料7無(wú)機(jī)膜材料五、膜過(guò)程的流動(dòng)特征了解 膜過(guò)程的流動(dòng)特征：切向流動(dòng)。懸浮液QOQcQ ooq

4、QQ 0 O<* ©o O oO b-R- I L » a； mini 濾液常規(guī)過(guò)濾切向過(guò)濾常規(guī)過(guò)濾中的料液是在與膜垂直與膜外表成法向的方向流入。 切向過(guò)濾那么在與膜平行的方向上流動(dòng)。常規(guī)過(guò)濾中，被截留的粒子在過(guò)濾介質(zhì)上形成濾餅層。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，阻力越來(lái)越 大，通量越來(lái)越小。切向過(guò)濾中，大局部粒子被料液帶走，在膜外表只留下薄薄的一層粒子，過(guò)濾阻力就 大為減小。切向流動(dòng)的一個(gè)直接結(jié)果是別離過(guò)程實(shí)際上都是增濃過(guò)程。第二節(jié)超濾與微濾【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：微濾和超濾的過(guò)程特征；微濾和超濾的操作方式 理解：微濾和超濾過(guò)程的濃差極化；過(guò)濾曲線；壓差-通量曲線【課時(shí)】 0

5、.5 學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】一、微濾和超濾的別離范圍了解微濾 MF：0. 150mm超濾 UF ：粒子更小，實(shí)際已是大分子，而截留分子的相對(duì)分子量NWCO 來(lái)表征超濾的別離性能。一般認(rèn)為超濾的截留 NWCO 范圍為 5000100000 ?？蓜e離的粒子分子包 括病毒、蛋白質(zhì)、多糖、膠粒等。反滲透可以將所有的溶質(zhì)截留，只允許水分子通過(guò)。NWCO 為 18。納濾：介于超濾和反滲透之間， NWCO 值為 1005000 。二、微濾和超濾的操作特點(diǎn)了解 過(guò)濾機(jī)理：篩分過(guò)濾方式：切向過(guò)濾 過(guò)濾壓差：比常規(guī)過(guò)濾高 過(guò)濾溫度：取決于膜和物料的耐熱性三、微濾和超濾所用的膜了解以多孔膜為主， 大多是不對(duì)稱膜或復(fù)合

6、膜。 膜孔徑分布在正常情況下呈正態(tài)分布。 膜的 別離性能并不完全取決于孔徑，還與孔徑分布有關(guān)。微濾膜的孔徑較大，約為 0.0810mm ，有時(shí)也用對(duì)稱膜。 常用的有機(jī)膜材料有聚丙烯、聚四氟乙烯、纖維素酯、聚酰胺、聚砜、聚偏氟乙烯等， 無(wú)機(jī)膜材料那么有氧化鋁、氧化鋯、不銹鋼、碳纖維等。四、微濾和超濾的數(shù)學(xué)模型理解一邊界層和濃差極化理解 由于溶質(zhì)分子被截留，在膜外表附近形成濃度邊界層。根據(jù)費(fèi)克定律： 溶質(zhì)將從膜外表向主體溶液擴(kuò)散， 直至最終形成穩(wěn)定的濃度分布， 這一 現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化是不可防止的， 它的直接后果是濾液通量的下降。 通常， 濃差極化層是傳質(zhì)的 主要阻力。二過(guò)濾曲線理解固定操

7、作條件，測(cè)定濾液的通量 J,可以得到通量 J隨時(shí)間t變化的曲線，稱為過(guò)濾曲 線或動(dòng)力學(xué)曲線，如下圖：I區(qū)：通量快速下降；II區(qū)：通量顯著下降；III區(qū)：穩(wěn)定過(guò)濾三壓差一通量曲線理解虛線把曲線分為：壓差控制區(qū)J與p成正比擴(kuò)散控制區(qū)J近似為常數(shù)四、超濾與微濾的操作一微濾和超濾的操作方式1、單級(jí)間歇操作2、單級(jí)連續(xù)操作3、多級(jí)連續(xù)操作二影響通量的因素和提高濾液通量的措施1、壓差的影響提高壓差并不一定總能使濾液通量顯著增加。如果過(guò)濾已在傳質(zhì)控制區(qū)，增加壓差不僅不能使濾液通量增加，反而增加了膜堵塞的時(shí)機(jī)，此時(shí)最好通過(guò)減少濃度邊界層厚度來(lái)增加 濾液通量，可通過(guò)提高流速、安裝攪拌裝置等實(shí)現(xiàn)。2、進(jìn)料濃度的影

8、響通量J隨進(jìn)料濃度CB的增加呈指數(shù)型降低。3、溫度的影響提高操作溫度，可使液體黏度降低， 擴(kuò)散系數(shù)增大，使通量增加。 但不能超過(guò)膜的耐溫 能力。4、湍流程度的影響提高湍流程度可使邊界層厚度減薄，使傳質(zhì)系數(shù)增加，可提高通量。第三節(jié)反滲透【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：反滲透原理【課時(shí)】0.5學(xué)時(shí)一、滲透壓與反滲透現(xiàn)象用半透膜將純?nèi)軇┧?與溶液隔開(kāi)，在溶液側(cè)施加大于滲透壓的壓強(qiáng)，那么溶劑分子將 從溶液側(cè)向溶劑側(cè)滲透，這一現(xiàn)象就是反滲透。當(dāng)兩側(cè)為不同濃度的溶液時(shí)，結(jié)論相同。 RO的推動(dòng)力也是壓強(qiáng)差。平衡時(shí)膜兩側(cè)的壓差稱為滲透壓。如果半透膜兩側(cè)是兩種不同濃度的溶液，那么同樣存在滲透現(xiàn)象，其方向是從稀溶液

9、側(cè)向濃溶液側(cè)滲透。在濃溶液側(cè)施加大于兩溶液滲透壓之差的壓強(qiáng)，那么會(huì)發(fā)生反滲透。反滲透的推動(dòng)力為膜兩側(cè)的壓差減去兩側(cè)溶液的滲透壓差，即p二、反滲透所用的膜全為有機(jī)高分子膜，常見(jiàn)的膜材料有兩大類：纖維素、聚酰胺。三、影響反滲透操作的因素1、回收率滲透液流量與進(jìn)料流量之比，即濃縮比。2、溫度溫度升高時(shí)液體的粘度下降，但滲透壓增加。3、壓密效應(yīng)多數(shù)反滲透組件的壓差限度為8MPa,某些墊套式組件可在 20MPa下使用。4、膜的耐氯性5、抗氧化性6、有機(jī)溶劑用有機(jī)溶劑浸泡后，有些膜的水通量增大，有些膜的水通量減小，但截留率總是大為降 低。第四節(jié)電滲析【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：電滲析原理【課時(shí)】0.25

10、學(xué)時(shí)、電滲析過(guò)程的原理在直流電場(chǎng)作用下，電解質(zhì)溶液中的離子選擇性地通過(guò)離子交換膜，從而實(shí)現(xiàn)別離。 離子交換膜：只允許一種電荷的離子通過(guò)，而將另一種離子截留的膜，分陰、陽(yáng)兩種。在常規(guī)電滲析器內(nèi)，兩種膜成對(duì)交替平行排列，料液均勻分布于各室。在電場(chǎng)作用下, 形成交替的濃室和淡室。第五節(jié)滲透汽化【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：滲透汽化原理【課時(shí)】0.25學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】一、滲透汽化的原理滲透物當(dāng)液體混合物與滲透汽化膜接觸時(shí)，混合物中的組分在通過(guò)膜的同時(shí)發(fā)生汽化,的組成不同于料液，從而實(shí)現(xiàn)別離。PV推動(dòng)力：化學(xué)勢(shì)差，具體表現(xiàn)為分壓差?？梢约右欢栊話稁?，也可以抽真空。 般采用抽真空法。PV的優(yōu)點(diǎn)：能耗低，是唯一可能代替蒸餾的別離操作。三滲透汽化的操作方法1將滲透物冷凝；2冷凝和抽真空結(jié)合;3在滲透物側(cè)抽真空；4直接將吹掃氣放空；5用載氣吹掃，然后將吹掃氣冷凝，載氣循環(huán)；6用載氣吹掃，然后將載氣冷凝。四滲透汽化的特點(diǎn)1能耗低;2別離系數(shù)大，別離