分離技術(shù)課件(電滲析前)

1、一、教學(xué)參考書：一、教學(xué)參考書：1、新型化工分離技術(shù)新型化工分離技術(shù) 蔣維鈞蔣維鈞 主編主編 化工出版社化工出版社 1992 年年2、化工分離過程化工分離過程 陳洪鈁陳洪鈁 劉家祺劉家祺 編編 化工出版社化工出版社 1995 年年3、膜分離技術(shù)膜分離技術(shù) 劉茉娥劉茉娥 著著 化工出版社化工出版社 2001 年年4. 4. 膜科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)膜科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ) 賈志謙賈志謙 編編 化工出版社化工出版社 2012 年年二、內(nèi)容安排：二、內(nèi)容安排： 1、緒、緒 論論 2、膜分離技術(shù)、膜分離技術(shù) 3、特殊萃取、特殊萃取 4、特殊精餾、特殊精餾 5、吸吸 附附三、成績評定方法：三、成績評定方法： 平時成績：

2、平時成績：30 分（考勤、文獻作業(yè)）分（考勤、文獻作業(yè)） 期末考試：期末考試：70 分（開卷）分（開卷）第一章第一章 緒緒 論論一、分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性一、分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性 定義：分離過程是將定義：分離過程是將混合物混合物分為分為組成不同組成不同的的 兩種或幾種產(chǎn)品的操作兩種或幾種產(chǎn)品的操作 目的：目的： 原料的精制原料的精制 產(chǎn)物的提純產(chǎn)物的提純 提濃或回收提濃或回收 在大型石油化工生產(chǎn)中，在大型石油化工生產(chǎn)中，分離裝置分離裝置費用大到占費用大到占總投資總投資的的5090 %。對二甲苯對二甲苯 生產(chǎn)流程圖生產(chǎn)流程圖重整反應(yīng)器脫丁烷塔再生塔萃取塔甲苯塔二甲苯回收塔異構(gòu)化反應(yīng)

3、器氣液分離罐壓縮機氣液分離罐對二甲苯結(jié)晶器重芳烴苯和甲苯非芳烴輕烴類芳烴乙二醇循環(huán)混合二甲苯壓縮機 混合二甲苯間 鄰二甲苯、放空石腦油H2H2H2熔點熔點: 鄰二甲苯鄰二甲苯 -25.2 C, 間二甲苯間二甲苯 -47.9 C, 對二甲苯對二甲苯13.3 C 漳州漳州 PX項目項目 p-xylene 2個個2萬立方米的常渣油罐起火萬立方米的常渣油罐起火 另外，另外，冶金、食品、生化、原子能冶金、食品、生化、原子能領(lǐng)域領(lǐng)域: 如從礦產(chǎn)中提取和精選金屬如從礦產(chǎn)中提取和精選金屬 食品脫水、除有毒或有害組分食品脫水、除有毒或有害組分 抗生素的凈制和病毒的分離抗生素的凈制和病毒的分離 同位素的分離和重水

4、制備等同位素的分離和重水制備等 在在環(huán)保環(huán)保和和充分利用資源充分利用資源方面也有重要作用方面也有重要作用 生產(chǎn)大型化生產(chǎn)大型化 - - 三廢三廢處理處理 綜合利用綜合利用物料物料 環(huán)境污染、生態(tài)平衡環(huán)境污染、生態(tài)平衡 如電滲析：如電滲析： 電鍍廢水中回收電鍍廢水中回收Cu、Zn、Ni、Cr 等金屬等金屬 造紙廢水中回收堿、造紙廢水中回收堿、Na2SO4、木質(zhì)素等木質(zhì)素等 能源緊張能源緊張、石油提價石油提價對分離對分離能耗能耗要求苛刻，要求苛刻， 設(shè)備性能設(shè)備性能要求提高。要求提高。 分離技術(shù)的多樣化、新型化要求：分離技術(shù)的多樣化、新型化要求： 常規(guī)分離過程常規(guī)分離過程 蒸發(fā)、精餾、吸收、吸附、

5、萃取、結(jié)晶等改進和發(fā)展蒸發(fā)、精餾、吸收、吸附、萃取、結(jié)晶等改進和發(fā)展 新型分離技術(shù)新型分離技術(shù) 固膜和液膜分離、熱擴散、色層分離等出現(xiàn)和工業(yè)化固膜和液膜分離、熱擴散、色層分離等出現(xiàn)和工業(yè)化二、傳質(zhì)分離過程的二、傳質(zhì)分離過程的分類和特征分類和特征 分離過程分：分離過程分： （1）機械分離機械分離 分離分離兩相以上兩相以上混合物混合物 如如過濾過濾、沉降沉降、旋風(fēng)分離旋風(fēng)分離、離心分離離心分離、靜電除塵靜電除塵等等 （2）傳質(zhì)分離傳質(zhì)分離 均相均相混合物的分離，且有混合物的分離，且有質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生現(xiàn)象發(fā)生 據(jù)據(jù)物化物化原理不同，原理不同，傳質(zhì)分離過程傳質(zhì)分離過程分：分： 平衡分離過程平衡

6、分離過程 速率分離過程速率分離過程 1、平衡分離過程、平衡分離過程 定義：借助定義：借助分離媒介分離媒介( (如如熱能、溶劑熱能、溶劑和和吸附劑吸附劑) )，使，使均均相相混合物變?yōu)榛旌衔镒優(yōu)閮上鄡上?，再以各組份在處于，再以各組份在處于相平衡相平衡的兩相中的的兩相中的不等同的分配不等同的分配為依據(jù)而分離為依據(jù)而分離 分離媒介：分離媒介： 能量媒介能量媒介 ( ESA ) ：如：如 熱、功熱、功 物質(zhì)媒介物質(zhì)媒介 ( MSA ) ：與混合物中一個或幾個組份：與混合物中一個或幾個組份 部份互溶或完全互溶部份互溶或完全互溶 MSA和和ESA共同使用，改變相對揮發(fā)度，完全分離共同使用，改變相對揮發(fā)度，

7、完全分離 如萃取如萃取( (MSA) 精餾精餾( (ESA) 表表1-1 平衡分離過程的單元操作（常用）平衡分離過程的單元操作（常用）名稱名稱簡簡 圖圖原料原料相態(tài)相態(tài)分離分離媒介媒介產(chǎn)生相態(tài)產(chǎn)生相態(tài)或或MSA的的相態(tài)相態(tài)分離分離原理原理工業(yè)應(yīng)工業(yè)應(yīng)用實例用實例閃閃蒸蒸 液體液體減壓減壓氣體氣體揮發(fā)揮發(fā)度度有有差別差別海水淡海水淡化生產(chǎn)化生產(chǎn)純水純水精精餾餾汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物熱量熱量, ,有時有時為功為功汽體汽體液體液體揮發(fā)揮發(fā)度度有有差別差別石油裂石油裂解氣深解氣深冷分離冷分離L L VL V L精餾段精餾段提餾段提餾段精餾塔精餾塔冷凝器冷凝器進料進料塔底產(chǎn)品塔底產(chǎn)品(殘液

8、殘液)再沸器再沸器餾出液餾出液回流液回流液蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水冷卻水冷卻水連續(xù)精餾連續(xù)精餾:萃萃取取精精餾餾汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液體溶液體溶劑和塔劑和塔釜加熱釜加熱汽體汽體液體液體溶劑溶劑改變改變組份組份相對相對揮發(fā)揮發(fā)度度DMF做萃做萃取劑制取劑制丁丁二烯二烯單體單體恒恒沸沸精精餾餾汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液體共液體共沸劑和沸劑和熱量熱量汽體汽體液體液體共沸共沸劑改劑改變變相相對揮對揮發(fā)度發(fā)度醋酸丁酯醋酸丁酯做做共沸劑共沸劑從稀溶液從稀溶液分離分離醋酸醋酸?LVLL或VMSAC4LVLL或VMSALVLL或VDMFC4燕化橡膠廠燕化橡膠廠順丁橡膠順丁橡膠用用 DM

9、F 做萃取劑生產(chǎn)做萃取劑生產(chǎn)丁二烯單體丁二烯單體C4分離的實例分離的實例 組分組分異丁烯異丁烯 1- -丁烯丁烯丁二烯丁二烯 正丁烷正丁烷 反反- -2- -丁丁烯烯順順- -2- -丁丁烯烯 沸點沸點, K266.26266.90268.76272.66272.28276.88相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度（加前）（加前）1.0301.0131.0000.8860.8450.805相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度( (加加30 % DMF)3.393.391.00 -2.351.63碳四餾分中各組分的碳四餾分中各組分的沸點沸點及及加入萃取劑前后加入萃取劑前后相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度 順順(反反)-2-丁烯的相對揮發(fā)度

10、只有丁烯的相對揮發(fā)度只有0.845和和0.805，DMF 對對丁二烯有丁二烯有選擇性溶解選擇性溶解能力，使丁二烯變得較難揮發(fā)，而順能力，使丁二烯變得較難揮發(fā)，而順(反反)-2-丁烯變得較易揮發(fā)丁烯變得較易揮發(fā)吸吸收收氣氣體體 液液 體體吸收劑吸收劑液液體體溶解度溶解度不不 同同乙醇胺吸乙醇胺吸收除去天收除去天然氣中然氣中CO2和和H2S液液液液萃萃取取液液體體 液液 體體萃取劑萃取劑液液體體溶解度溶解度不不 同同丙烷從重丙烷從重渣油中萃渣油中萃取瀝青取瀝青V V L MSAL L L MSA吸吸附附氣體或氣體或液體液體固體固體吸附吸附劑劑固固體體吸附作吸附作用用差別差別分子篩分子篩吸附空吸附空

11、氣中水氣中水離離子子交交換換液液 體體固體固體樹脂樹脂固固體體質(zhì)量作質(zhì)量作用定律用定律水的水的軟化軟化L L或或V VL L或或V VL LL L 在新技術(shù)方面，在新技術(shù)方面，絡(luò)合吸收、鹽析蒸餾、變壓吸附、絡(luò)合吸收、鹽析蒸餾、變壓吸附、超臨界萃取超臨界萃取等都是常規(guī)分離操作的改進和發(fā)展等都是常規(guī)分離操作的改進和發(fā)展（7）干燥液體常見為固體氣體）干燥液體常見為固體氣體（MSA）熱量）熱量 （ESA） 氣氣 體水份蒸發(fā)用熱空氣脫除聚氯乙烯中水份體水份蒸發(fā)用熱空氣脫除聚氯乙烯中水份（8）蒸發(fā)液體熱量）蒸發(fā)液體熱量(ESA) 氣體蒸汽壓不同氣體蒸汽壓不同 NaOH水溶液中蒸出水份水溶液中蒸出水份（9）

12、結(jié)晶液體冷量或熱量固體利用過飽和度）結(jié)晶液體冷量或熱量固體利用過飽和度 由由二甲苯混合物中結(jié)晶分離對二甲苯二甲苯混合物中結(jié)晶分離對二甲苯 KNO3NaCl分離分離 KNO3結(jié)晶析出結(jié)晶析出（10）泡沫分離液體表面活性劑與鼓泡液體）泡沫分離液體表面活性劑與鼓泡液體(兩種兩種) 氣泡的氣液界面吸附清除廢水中的洗滌劑，礦石氣泡的氣液界面吸附清除廢水中的洗滌劑，礦石浮選浮選2、速率分離過程、速率分離過程 定義定義： 在在推動力推動力( (濃度差、壓力差、溫度差、電位差等濃度差、壓力差、溫度差、電位差等) )作用作用下，有時在下，有時在選擇性透過膜選擇性透過膜配合下，利用各組份配合下，利用各組份擴散速度

13、的擴散速度的差異實現(xiàn)組份分離差異實現(xiàn)組份分離 原料、產(chǎn)品通常屬原料、產(chǎn)品通常屬同一相態(tài)同一相態(tài)，僅有，僅有組成組成的的差別差別 膜分離：膜分離： 利用各組份對利用各組份對膜膜的的滲透速率滲透速率的差異實現(xiàn)分離的差異實現(xiàn)分離 熱擴散熱擴散屬屬場分離場分離的一種，以的一種，以溫度梯度溫度梯度為推動力，分子為推動力，分子量較小的分子向量較小的分子向熱端熱端漂移，建立濃度梯度，達到分離漂移，建立濃度梯度，達到分離 熱擴散可熱擴散可用于分離同位素、高粘度潤滑油，在精細用于分離同位素、高粘度潤滑油，在精細化工和藥物生產(chǎn)中應(yīng)用化工和藥物生產(chǎn)中應(yīng)用 膜分離：膜分離： 超超 濾：濾： 壓力差壓力差為推動力為推動

14、力 反反 滲滲 透：透： 壓力差壓力差 電電 滲滲 析析： 電位差電位差 氣體膜分離：氣體膜分離：壓力差壓力差 滲透汽化：滲透汽化： 蒸汽壓差蒸汽壓差 膜膜 蒸蒸 餾：餾： 水蒸汽壓差水蒸汽壓差 液膜分離：液膜分離： 濃度差濃度差（歸（歸 特殊萃?。┨厥廨腿。?精餾已有精餾已有160多多年歷史，在右上角年歷史，在右上角 正在起步的在左下角正在起步的在左下角 目前研究對象集中在中下段目前研究對象集中在中下段, ,因該段斜率最大因該段斜率最大123456789101211131415發(fā)明極限技術(shù)成熟度發(fā)明極限應(yīng)用成熟度 分離過程發(fā)展現(xiàn)狀分離過程發(fā)展現(xiàn)狀1精餾精餾 2吸收吸收 3結(jié)晶結(jié)晶4萃取萃取

15、5共沸共沸(萃取萃取)精餾精餾6離子交換離子交換7吸附吸附(氣體進料氣體進料)8吸附吸附(液體進料液體進料)9膜膜(液體液體) 10膜膜(氣體氣體)11色層分離色層分離12超臨界萃取超臨界萃取13液膜分離液膜分離 14場感應(yīng)分離場感應(yīng)分離15親和親和分離分離三、分離過程的相平衡常數(shù)和分離因子三、分離過程的相平衡常數(shù)和分離因子 1、相平衡常數(shù)相平衡常數(shù) 工程計算中常用工程計算中常用相平衡常數(shù)相平衡常數(shù)表示相平衡關(guān)系表示相平衡關(guān)系 相平衡常數(shù)相平衡常數(shù)Ki 定義：定義： 對對精餾精餾和和吸收吸收過程，過程，Ki 稱稱汽液平衡常數(shù)汽液平衡常數(shù) 對對萃取萃取過程，過程，xi1 ( = yi ) 和和

16、xi2 ( = xi ) 表示萃取相和萃表示萃取相和萃余相的濃度，余相的濃度，Ki 稱稱分配系數(shù)分配系數(shù)或或液液平衡常數(shù)液液平衡常數(shù)iiixyK 2、分離因子分離因子 可采用分離因子來表示平衡關(guān)系可采用分離因子來表示平衡關(guān)系 對對A、B 兩組分混合物，分離因子兩組分混合物，分離因子 定義：定義： 原料中原料中 i , j 組分組分摩爾分率摩爾分率 透過物中透過物中 i , j 組分組分摩爾分率摩爾分率jijiijxxyyjixx ,jiyy , 表示分離過程達到的表示分離過程達到的分離程度分離程度, ,精餾精餾中稱中稱相對揮發(fā)度相對揮發(fā)度 相對相對Ki 而言，而言， 隨隨溫度溫度和和壓力壓力變

17、化不敏感變化不敏感 值反映體系分離值反映體系分離難易難易（i為透過快的組分，為透過快的組分， 1 1） 大，組分透過速率差大，膜選擇性好，分離程度高大，組分透過速率差大，膜選擇性好，分離程度高 = 1 1，膜無分離能力，膜無分離能力對對雙組份雙組份：對對多組份多組份： iiixxyxxyy1111iiiiixxy第二章膜分離技術(shù)第二章膜分離技術(shù) 第一節(jié)緒第一節(jié)緒 論論一、發(fā)展史一、發(fā)展史 膜分離：膜分離：借助膜的借助膜的選擇滲透選擇滲透作用，對作用，對溶質(zhì)溶質(zhì)和和溶劑溶劑進行進行 分離、分級、提純分離、分級、提純和和富集富集的方法的方法 世界膜發(fā)展史：世界膜發(fā)展史： 30年代年代微孔過濾微孔過

18、濾; 40年代年代透析；透析； 50年代年代電滲析；電滲析； 60年代年代反滲透；反滲透； 70年代年代超濾和液膜分離；超濾和液膜分離； 80年代年代氣體分離；氣體分離； 90年代年代滲透汽化滲透汽化 1748年年，Nelkt發(fā)現(xiàn)水自發(fā)擴散到裝酒精溶液的發(fā)現(xiàn)水自發(fā)擴散到裝酒精溶液的豬膀胱豬膀胱內(nèi)內(nèi) 十九世紀十九世紀，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)天然橡膠天然橡膠對對氣體氣體有不同滲透率，提出有不同滲透率，提出用用多孔膜多孔膜分離分離氣體混合物的氣體混合物的思想，還提出用思想，還提出用微濾膜微濾膜分離分離細細菌、蛋白質(zhì)、膠體菌、蛋白質(zhì)、膠體等微細粒子的超過濾概念等微細粒子的超過濾概念 1918年年，Zsigmond

19、y制成制成微孔濾膜微孔濾膜 40年代年代，出現(xiàn)基于，出現(xiàn)基于滲析滲析原理的人工腎，除去血液中原理的人工腎，除去血液中蛋白代謝產(chǎn)物、尿素及其它有毒物質(zhì)蛋白代謝產(chǎn)物、尿素及其它有毒物質(zhì) 50年代年代，離子交換膜離子交換膜研制成功，研制成功，電滲析電滲析工業(yè)應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用， 開始開始反滲透反滲透研究研究 60年代年代，美國加州，美國加州Loeb和和Sourirajan研制成醋酸纖維研制成醋酸纖維素素非對稱性膜非對稱性膜，反滲透反滲透(RO)和和超濾超濾進入實用階段；進入實用階段；氣體氣體膜分離膜分離( (如氫的分離如氫的分離) )工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 70年代杜邦公司年代杜邦公司開發(fā)成功高效芳香聚酰胺中

20、空纖維開發(fā)成功高效芳香聚酰胺中空纖維反滲透膜反滲透膜，使，使RO膜性能進一步提高膜性能進一步提高 80年代后年代后，滲透汽化滲透汽化進行醇類等進行醇類等恒沸物恒沸物脫水進入工業(yè)脫水進入工業(yè)應(yīng)用。能耗為恒沸精餾的應(yīng)用。能耗為恒沸精餾的1/31/2，且不用，且不用苯苯等挾帶劑，等挾帶劑，在取代恒沸精餾及其它脫水技術(shù)上有很大優(yōu)勢。在取代恒沸精餾及其它脫水技術(shù)上有很大優(yōu)勢。 德國德國GFT公司率先開發(fā)成功唯一商品公司率先開發(fā)成功唯一商品GFT膜。膜。90年代年代初向巴西、法、美、英等國出售初向巴西、法、美、英等國出售100多套裝置，其中最大多套裝置，其中最大為為4萬噸萬噸/年年無水乙醇無水乙醇裝置，建

21、于法國。裝置，建于法國。 我國我國: : 58年年電滲析電滲析，66年年反滲透反滲透，70年代年代對對電滲析、反滲電滲析、反滲透、超濾和微濾透、超濾和微濾膜及組件研究開發(fā)，膜及組件研究開發(fā)，80年代年代推廣推廣應(yīng)用應(yīng)用。 80年代中期年代中期，我國，我國氣體分離膜氣體分離膜研究取得長足進步。研究取得長足進步。 1985年年, 中科院中科院大連化物所大連化物所首次研制成功首次研制成功中空纖維中空纖維N2/H2分離器分離器, 性能接近國外同類產(chǎn)品性能接近國外同類產(chǎn)品, 成本為進口裝置成本為進口裝置1/3。 我國我國滲透汽化滲透汽化(PV)研究開始于研究開始于1984年年。1995年年80 噸噸/年

22、年無水乙醇無水乙醇中試裝置在中試裝置在巨化集團公司巨化集團公司, 走向工業(yè)應(yīng)用。走向工業(yè)應(yīng)用。 1998年年大連建大連建國家膜工程中心國家膜工程中心，依托在中科院，依托在中科院大連化物所大連化物所，籌資籌資1.07億人民幣。億人民幣。 2000年年組建組建 膜技術(shù)國家工程研究中心膜技術(shù)國家工程研究中心，依托在大連化物所，依托在大連化物所與中鐵鐵龍集裝箱物流股份有限公司。與中鐵鐵龍集裝箱物流股份有限公司。 膜技術(shù)國家工程研究中心膜技術(shù)國家工程研究中心的主導(dǎo)產(chǎn)品的主導(dǎo)產(chǎn)品氮氫膜氮氫膜分離器及裝置，分離器及裝置，已在國內(nèi)、外已在國內(nèi)、外200余家石油、化工企業(yè)應(yīng)用。余家石油、化工企業(yè)應(yīng)用。有機蒸氣膜

23、有機蒸氣膜產(chǎn)品產(chǎn)品及膜工程正以國內(nèi)獨家生產(chǎn)、世界領(lǐng)先水平得到良好產(chǎn)業(yè)化及膜工程正以國內(nèi)獨家生產(chǎn)、世界領(lǐng)先水平得到良好產(chǎn)業(yè)化推廣。自行研制用于推廣。自行研制用于液體液體分離的分離的納濾膜納濾膜、超濾膜超濾膜、微孔濾膜微孔濾膜等多項產(chǎn)品，也在國內(nèi)近百家藥廠建立水處理設(shè)備和藥物分等多項產(chǎn)品，也在國內(nèi)近百家藥廠建立水處理設(shè)備和藥物分離裝置。還采用離裝置。還采用反滲透反滲透技術(shù)承接海水淡化和鍋爐補給水等大技術(shù)承接海水淡化和鍋爐補給水等大型水處理項目，利用型水處理項目，利用膜法富氮、富氧膜法富氮、富氧技術(shù)為石油、化工、醫(yī)技術(shù)為石油、化工、醫(yī)藥、冶煉等領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)解決了大量實際問題。藥、冶煉等領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)解

24、決了大量實際問題。二、膜分離過程的特點二、膜分離過程的特點 （1）是）是高效高效分離過程，可實現(xiàn)分離過程，可實現(xiàn)高純度高純度分離分離 （2）大多數(shù)過程）大多數(shù)過程不發(fā)生相變不發(fā)生相變，因此，因此能耗較低能耗較低 （3）常溫常溫操作，利于操作，利于熱敏物質(zhì)的熱敏物質(zhì)的分離分離 （4）適用于）適用于特殊溶液的特殊溶液的分離分離 如溶液中大分子的分離、無機鹽分離，共沸物或近如溶液中大分子的分離、無機鹽分離，共沸物或近沸點物系分離等沸點物系分離等第二節(jié)第二節(jié) 膜與膜組件膜與膜組件一、膜材料與分離膜一、膜材料與分離膜 目前使用的固體分離膜大多是目前使用的固體分離膜大多是高分子聚合物高分子聚合物膜，膜，近

25、年來又開發(fā)了近年來又開發(fā)了無機材料無機材料膜。膜。 制制膜的高分子材料膜的高分子材料：纖維素酯、脂肪族和芳香族聚酰：纖維素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡膠等。烯、硅橡膠等。 無機膜無機膜：陶瓷、玻璃、金屬和分子篩炭膜等：陶瓷、玻璃、金屬和分子篩炭膜等 1聚合物膜聚合物膜 按膜按膜結(jié)構(gòu)形態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)，分，分對稱對稱膜、膜、非對稱非對稱膜兩類膜兩類 不同類型膜橫斷面示意圖不同類型膜橫斷面示意圖（a）對稱膜）對稱膜 （b）非對稱膜）非對稱膜多孔支撐層多孔支撐層微孔膜微孔膜致密膜致密膜(a)一體化膜一體化

26、膜復(fù)合膜復(fù)合膜致 密致 密活 性活 性層層(b) 對稱膜對稱膜又稱又稱均質(zhì)膜均質(zhì)膜，是均勻薄膜，膜兩側(cè)截面結(jié)構(gòu)及，是均勻薄膜，膜兩側(cè)截面結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同，包括形態(tài)完全相同，包括 微孔膜微孔膜和和致密膜致密膜兩種兩種( (圖圖a） 微孔膜微孔膜：分分多孔膜多孔膜 (厚厚50250 m) 和和核孔膜核孔膜 (厚厚 5 m) 平均孔徑平均孔徑 0.02 10 m 致密膜致密膜：很?。汉鼙?5 nm 5 m), ,靠靠分子擴散分子擴散通過通過 傳質(zhì)阻力由膜總厚度決定，傳質(zhì)阻力由膜總厚度決定，降低膜厚降低膜厚可提高透過速率可提高透過速率 非對稱膜非對稱膜橫斷面有不對稱結(jié)構(gòu)，如圖橫斷面有不對稱結(jié)構(gòu)，如圖

27、b 一體化非對稱膜一體化非對稱膜用同種材料制備、由用同種材料制備、由0.1 0.5 厚的厚的表表面活性層面活性層 和和50 150 厚的厚的多孔支撐層多孔支撐層構(gòu)成，支撐層具一構(gòu)成，支撐層具一定強度，高壓下不會引起較大形變。定強度，高壓下不會引起較大形變。 在多孔支撐層覆一層在多孔支撐層覆一層致密致密活性活性層層可制成可制成復(fù)合膜復(fù)合膜( (屬非對屬非對稱膜稱膜) ) 對復(fù)合膜，可選對復(fù)合膜，可選不同材料不同材料制備致密制備致密活性活性層與多孔支撐層與多孔支撐層，使每層層，使每層獨立獨立發(fā)揮作用發(fā)揮作用 非對稱膜分離作用主要由非對稱膜分離作用主要由薄的薄的活性活性層層決定，傳質(zhì)阻力小，決定，傳

28、質(zhì)阻力小，透過速率比對稱膜高得多，應(yīng)用十分廣泛透過速率比對稱膜高得多，應(yīng)用十分廣泛 離子交換膜，由離子交換樹脂制成，用于電滲析，離子交換膜，由離子交換樹脂制成，用于電滲析，由基膜和活性基團構(gòu)成，膜多為均質(zhì)膜，厚由基膜和活性基團構(gòu)成，膜多為均質(zhì)膜，厚200 左右左右 離子交換膜離子交換膜分：分： 陽離子交換膜陽離子交換膜 具酸性活性基團，帶負電荷，吸附和透過陽離子具酸性活性基團，帶負電荷，吸附和透過陽離子 陰離子交換膜陰離子交換膜 具堿性活性基團，帶正電荷，吸附和透過陰離子具堿性活性基團，帶正電荷，吸附和透過陰離子2無機膜無機膜 聚合物膜通常在低溫下使用聚合物膜通常在低溫下使用( ( 200 )

29、，且要求待，且要求待分離物料分離物料與膜不發(fā)生化學(xué)作用與膜不發(fā)生化學(xué)作用。 需需高溫高溫或原料為化學(xué)活性物質(zhì)時，可用無機材料膜。或原料為化學(xué)活性物質(zhì)時，可用無機材料膜。 無機膜多以金屬及其氧化物、無機膜多以金屬及其氧化物、陶瓷陶瓷、多孔玻璃等為原、多孔玻璃等為原料，制成相應(yīng)金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。料，制成相應(yīng)金屬膜、陶瓷膜、玻璃膜等。 優(yōu)點優(yōu)點： 熱、機械和化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長，污染少熱、機械和化學(xué)穩(wěn)定性好，壽命長，污染少, , 易清洗，孔徑分布均勻等。易清洗，孔徑分布均勻等。 缺點缺點： 易破損、成型性差、造價高易破損、成型性差、造價高二、分離膜的性能二、分離膜的性能 膜膜( (membr

30、ane)是膜過程的核心部件，其性能直接是膜過程的核心部件，其性能直接影響分離效果、操作能耗及設(shè)備尺寸影響分離效果、操作能耗及設(shè)備尺寸 膜的性能膜的性能： 分離透過特性分離透過特性 包括包括分離效率分離效率、滲透通量滲透通量、通量衰減系數(shù)通量衰減系數(shù)三方面三方面 物化穩(wěn)定性物化穩(wěn)定性 決定使用壽命決定使用壽命 指強度、允許壓力、溫度、指強度、允許壓力、溫度、pH值及對有機溶劑和化值及對有機溶劑和化學(xué)藥品的抵抗性學(xué)藥品的抵抗性 1、分離效率、分離效率 對溶液脫鹽或微粒及高分子物質(zhì)的脫除等可用對溶液脫鹽或微粒及高分子物質(zhì)的脫除等可用脫鹽脫鹽率率或或截留率截留率表示：表示： C1、C2： 原原液液和透

31、過液和透過液被分離物被分離物(鹽、微?；蚋叻肿游镔|(zhì)鹽、微?；蚋叻肿游镔|(zhì)) )的濃度的濃度 對某些混合物的分離，可用分離系數(shù)對某些混合物的分離，可用分離系數(shù) 表示：表示： BABAABxxyy%100121CCCRxA , yA: 原液與透過液中組份原液與透過液中組份A的的mol 分率分率2、滲透通量滲透通量：單位時間通過單位膜面積的透過物量：單位時間通過單位膜面積的透過物量3、通量衰減系數(shù)通量衰減系數(shù)： 由于濃差極化、膜孔堵塞等原因，通量由于濃差極化、膜孔堵塞等原因，通量隨時間隨時間衰減衰減 J0 ：初始滲透通量：初始滲透通量 ( kg/m2 h ) ：時間（：時間（h） J ：時間：時間 時

32、的滲透通量時的滲透通量 m：衰減系數(shù)衰減系數(shù) 一般希望一般希望分離效率高、滲透通量大分離效率高、滲透通量大，但兩者矛盾，但兩者矛盾， 找最佳條件找最佳條件mJJ0 三、膜分離的三、膜分離的物理化學(xué)物理化學(xué)原理原理 截流機理和篩孔效應(yīng)：截流機理和篩孔效應(yīng)： 機械截留機械截留( (篩孔效應(yīng)篩孔效應(yīng)) ) 物理作用或吸附截留物理作用或吸附截留 架橋作用架橋作用 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截流 四、膜分離設(shè)備四、膜分離設(shè)備 膜可做成各種形狀：膜可做成各種形狀：平板平板膜，膜，管式管式膜或膜或中空纖維中空纖維膜膜 平板膜平板膜： 長寬各約長寬各約1 m，活性層厚度一般，活性層厚度一般500 5000 管式膜管

33、式膜： 直徑直徑0.5 5 cm，長約，長約 6 m ，致密活性層致密活性層可在可在管外側(cè)管外側(cè)或或內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)。用玻璃纖維、多孔金屬或其它。用玻璃纖維、多孔金屬或其它多孔多孔材料作材料作支撐體支撐體 中空纖維膜中空纖維膜(提供提供大大的的膜面積膜面積)： 內(nèi)徑內(nèi)徑100200 ，纖維長約，纖維長約1 m，致密活性層厚，致密活性層厚0.1 1.0 膜組件有膜組件有板框式板框式、螺旋卷式螺旋卷式、中空纖維式中空纖維式、圓管式圓管式等等 1 1、板框式膜器：、板框式膜器：用平板膜，與板框壓濾機類似用平板膜，與板框壓濾機類似 由由導(dǎo)流板導(dǎo)流板、膜膜和和多孔支撐板多孔支撐板交替重疊組成交替重疊組成透過液導(dǎo)

34、流板支撐板膜料液板框式膜器示意圖板框式膜器示意圖 板框式膜組件板框式膜組件 支撐板兩側(cè)覆以平板膜，用密封環(huán)和兩個端板密封、支撐板兩側(cè)覆以平板膜，用密封環(huán)和兩個端板密封、壓緊。海水從上部進入組件，沿膜表面逐層流動，純水透壓緊。海水從上部進入組件，沿膜表面逐層流動，純水透過膜到膜另一側(cè)，經(jīng)支撐板上過膜到膜另一側(cè)，經(jīng)支撐板上小孔小孔匯集在邊緣的導(dǎo)流管排匯集在邊緣的導(dǎo)流管排出，濃縮水從下部排出出，濃縮水從下部排出用板框式膜組件進行用板框式膜組件進行海水淡化海水淡化的裝置：的裝置：2、卷式膜器、卷式膜器：用用平板膜平板膜，結(jié)構(gòu)與螺旋板式換熱器類似，結(jié)構(gòu)與螺旋板式換熱器類似 支撐材料插入支撐材料插入三邊密

35、封三邊密封的的信封狀信封狀膜袋膜袋, ,袋口袋口與與中心集水管中心集水管相接相接, ,襯料液隔網(wǎng)，繞中心管卷成柱狀再放入壓力容器內(nèi)。襯料液隔網(wǎng)，繞中心管卷成柱狀再放入壓力容器內(nèi)。 原料進組件后，在隔網(wǎng)中流道沿平行中心管方向流動。透過物原料進組件后，在隔網(wǎng)中流道沿平行中心管方向流動。透過物進入膜袋后進入膜袋后旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)著沿著沿螺旋螺旋方向流動，最后匯集在中心管排出。方向流動，最后匯集在中心管排出。 優(yōu)點：優(yōu)點： 設(shè)備緊湊，透水量大，設(shè)備費用低，單位體積膜面積大設(shè)備緊湊，透水量大，設(shè)備費用低，單位體積膜面積大缺點：缺點： 濃差極化難控制，易堵，不易清洗，無法更換膜濃差極化難控制，易堵，不易清洗，無法

36、更換膜3、管式膜器：、管式膜器：由管式膜制成，與管式換熱器類似由管式膜制成，與管式換熱器類似 有支撐的管狀膜：有支撐的管狀膜： 缺點缺點：單位體積膜面積小，一單位體積膜面積小，一般般 33330 m2/m3一般，料液走管內(nèi)一般，料液走管內(nèi) ? 無支撐的中空纖維膜，一般為列管式無支撐的中空纖維膜，一般為列管式中空纖維膜組件中空纖維膜組件料液走管間料液走管間?如何判斷膜堵如何判斷膜堵? 優(yōu)點：優(yōu)點： 設(shè)備緊湊，單位體積膜面積大設(shè)備緊湊，單位體積膜面積大(1600030000 m2/m3) 缺點：缺點： 纖維內(nèi)徑小，阻力大，易堵，壓降大，去污難，對料纖維內(nèi)徑小，阻力大，易堵，壓降大，去污難，對料液要

37、求高，纖維無法更換液要求高，纖維無法更換透過液纖維束中心分布管濃縮液料液環(huán)氧樹脂幾十萬幾百萬根膜組件的特性比較膜組件的特性比較 項項 目目板框式板框式螺旋卷式螺旋卷式圓管式圓管式中空纖維式中空纖維式填充密度填充密度 /（m2/m3）30-500200-80030-200500-9000抗污染性能抗污染性能好好中等中等很好很好差差膜膜 清清 洗洗易易可可簡單簡單難難相對造價相對造價高高低低高高低低 小結(jié)：小結(jié)： 盡管板框式盡管板框式造價高，填充密度也不很大造價高，填充密度也不很大，但在工業(yè)，但在工業(yè)膜過程中普遍使用膜過程中普遍使用( (氣體分離除外氣體分離除外) ) 螺旋卷式由于螺旋卷式由于低造

38、價低造價和良好和良好抗污染性抗污染性被廣泛采用被廣泛采用 中空纖維膜組件由于具中空纖維膜組件由于具高填充密度高填充密度和和低造價低造價，在膜，在膜污染小和不需膜清洗的場合普遍應(yīng)用污染小和不需膜清洗的場合普遍應(yīng)用第三節(jié)第三節(jié)各種膜分離過程簡介各種膜分離過程簡介過程過程示意圖示意圖膜類型膜類型推動力推動力傳遞傳遞機理機理透過物透過物截留截留物物微濾微濾MF多孔膜多孔膜壓壓 差差( (0.1 MPa)篩分篩分水水溶劑溶劑溶解物溶解物懸浮懸浮顆粒顆粒超濾超濾UF非對稱非對稱膜膜壓壓 差差(0.1 1 MPa)篩分篩分溶劑溶劑離子離子小分子小分子膠體膠體及各及各類大類大分子分子、原料液原料液 濾液濾液原

39、料液原料液濾液濾液濃縮液濃縮液反滲透反滲透RO非對非對稱稱膜膜, ,復(fù)合復(fù)合膜膜壓壓差差( (210 MPa)溶劑的溶劑的 溶解溶解- -擴散擴散 水水溶劑溶劑懸浮物懸浮物溶解物溶解物膠膠 體體電滲析電滲析ED離子離子交換交換膜膜電位電位差差離子在離子在電場中電場中的傳遞的傳遞離子離子 非解離非解離和大分和大分子顆粒子顆粒極一極 產(chǎn)品(溶劑)濃電解質(zhì)陰膜陽膜進料進料溶劑（水） 溶質(zhì)（鹽）氣體氣體分離分離GS均質(zhì)均質(zhì)膜膜, ,復(fù)合復(fù)合膜膜, ,非對稱膜非對稱膜壓差壓差( (1-15 MPa)溶解溶解- -擴散擴散易滲易滲氣體氣體難滲難滲氣體氣體滲透滲透汽化汽化PV均質(zhì)均質(zhì)膜膜, ,復(fù)合復(fù)合膜膜,

40、 ,非對稱膜非對稱膜濃度濃度差差, ,分壓差分壓差溶解溶解- -擴散擴散易溶易溶或易或易揮發(fā)揮發(fā)組分組分不易溶不易溶或難揮或難揮發(fā)組分發(fā)組分膜蒸餾膜蒸餾MD微孔膜微孔膜由由溫度溫度差差產(chǎn)生產(chǎn)生的的蒸汽蒸汽壓差壓差通過通過膜的膜的擴散擴散易揮易揮發(fā)物發(fā)物質(zhì)質(zhì)非揮發(fā)非揮發(fā)物質(zhì)物質(zhì)混合氣混合氣滲透氣滲透氣滲余氣滲余氣原液原液滲透滲透蒸氣蒸氣溶質(zhì)或溶質(zhì)或 溶劑溶劑原液原液滲 透滲 透液液濃 縮濃 縮液液第四節(jié)反滲透第四節(jié)反滲透一、概述一、概述反滲透：反滲透： 利用利用反滲透膜反滲透膜選擇性地選擇性地只透過溶劑只透過溶劑( (通常是水通常是水) )的性質(zhì)，的性質(zhì)，對溶液對溶液加壓加壓克服溶劑的克服溶劑的

41、滲透壓滲透壓，使，使溶劑溶劑透過膜而分離出來透過膜而分離出來的過程。的過程。 截留截留水中無機離子、膠體水中無機離子、膠體和和大分子溶質(zhì)大分子溶質(zhì)（M 500） 反滲透研究較早，技術(shù)上較成熟，應(yīng)用較廣反滲透研究較早，技術(shù)上較成熟，應(yīng)用較廣 早在十八世紀，發(fā)現(xiàn)水能自發(fā)通過半透膜早在十八世紀，發(fā)現(xiàn)水能自發(fā)通過半透膜 60年年代代洛布洛布(Loeb)與索里拉簡與索里拉簡(Sourirajan)發(fā)明第一代發(fā)明第一代高性能非對稱高性能非對稱醋酸纖維素醋酸纖維素膜膜, 反滲透反滲透 (RO) 首次用于海水首次用于海水及苦咸水淡化及苦咸水淡化 70年代年代, 開發(fā)成功高效開發(fā)成功高效芳香聚酰胺芳香聚酰胺中空

42、纖維中空纖維RO膜，膜， 性能進一步提高性能進一步提高 90年代年代, 低壓低壓RO復(fù)合膜復(fù)合膜出現(xiàn)出現(xiàn), 為第三代為第三代 RO 膜，膜， 膜性能大幅提高，為膜性能大幅提高，為 RO 技術(shù)發(fā)展開辟廣闊前景技術(shù)發(fā)展開辟廣闊前景 目前目前, 許多領(lǐng)域應(yīng)用，超純水制造、許多領(lǐng)域應(yīng)用，超純水制造、鍋爐水軟化，鍋爐水軟化，食品、醫(yī)藥濃縮，城市污水處理，廢液有用物質(zhì)回收食品、醫(yī)藥濃縮，城市污水處理，廢液有用物質(zhì)回收 反滲透反滲透(Reverse Osmosis)，是自然界中水分，是自然界中水分自然滲透自然滲透的的反向反向過程。過程。1950年年, 美國科學(xué)家美國科學(xué)家Sourirajan無意中發(fā)現(xiàn)無意中

43、發(fā)現(xiàn)海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水，隔幾秒后吐出海鷗在海上飛行時從海面啜起一大口海水，隔幾秒后吐出一小口海水。他產(chǎn)生疑問：陸地上由肺呼吸動物是絕對無一小口海水。他產(chǎn)生疑問：陸地上由肺呼吸動物是絕對無法飲用高鹽份海水，為什么海鷗可飲用海水呢？這位科學(xué)法飲用高鹽份海水，為什么海鷗可飲用海水呢？這位科學(xué)家把海鷗帶回實驗室，解剖發(fā)現(xiàn)在海鷗囔嗉位置有一層薄家把海鷗帶回實驗室，解剖發(fā)現(xiàn)在海鷗囔嗉位置有一層薄膜，該薄膜構(gòu)造非常精密。海鷗利用這薄膜把海水過濾為膜，該薄膜構(gòu)造非常精密。海鷗利用這薄膜把海水過濾為可飲用淡水，而含雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴外?？娠嬘玫?，而含雜質(zhì)及高濃縮鹽份的海水則吐出嘴

44、外。這是以后這是以后逆滲透逆滲透(RO)的基本理論架構(gòu)。的基本理論架構(gòu)。 滲透現(xiàn)象在自然界常見，如將一根黃瓜放入鹽水中，滲透現(xiàn)象在自然界常見，如將一根黃瓜放入鹽水中，黃瓜會因失水變小。黃瓜中水分子進入鹽水溶液就是黃瓜會因失水變小。黃瓜中水分子進入鹽水溶液就是滲透滲透過程。過程。二、基本原理二、基本原理 滲透是由于滲透是由于化學(xué)位梯度化學(xué)位梯度存在而引起的存在而引起的自發(fā)擴散自發(fā)擴散現(xiàn)象現(xiàn)象 滲透、平衡與反滲透滲透、平衡與反滲透鹽溶液中水的化學(xué)位：鹽溶液中水的化學(xué)位：aRTPTPTln0,a：溶液中水的活度純水溶液中水的活度純水a(chǎn)1溶液溶液a 1 RTlna ，鹽水中水流向純水側(cè)，鹽水中水流向純

45、水側(cè) 推動力：推動力：P（P2P1） 實際過程，透過液并非純水，含溶質(zhì)，推動力：實際過程，透過液并非純水，含溶質(zhì)，推動力： P( (P2P1) )( ( 1 2) ? ? ) ? ? 分析分析 1、 2 : 原液側(cè)與透過液側(cè)溶液的滲透壓原液側(cè)與透過液側(cè)溶液的滲透壓 PEC-1000復(fù)合膜的斷面放大結(jié)構(gòu)圖復(fù)合膜的斷面放大結(jié)構(gòu)圖保護層保護層超薄的超薄的分離層分離層支撐層支撐層 (30 nm)聚砜基質(zhì)聚砜基質(zhì)纖維織物纖維織物反滲透膜多為反滲透膜多為非對稱非對稱或或復(fù)合膜復(fù)合膜，活性層為，活性層為表層致密層表層致密層致密層幾乎無孔，可截留多數(shù)溶質(zhì)致密層幾乎無孔，可截留多數(shù)溶質(zhì)( (離子離子) )而使溶

46、劑通過而使溶劑通過 操作壓力較高，一般操作壓力較高，一般 2 10 MPa 多采用多采用卷式卷式膜組件和膜組件和中空纖維中空纖維膜組件膜組件三、反滲透機理與傳質(zhì)方程三、反滲透機理與傳質(zhì)方程 膜微孔孔徑約膜微孔孔徑約2 nm，而一般無機離子直徑僅，而一般無機離子直徑僅0.1-0.3 nm，水合離子直徑，水合離子直徑0.30.6 nm，篩分無法篩分無法解釋解釋 目前機理模型有：目前機理模型有： 孔模型孔模型、溶解擴散模型溶解擴散模型、優(yōu)先吸附毛細孔流動模型優(yōu)先吸附毛細孔流動模型等等 各有不足，且大都以各有不足，且大都以醋酸纖維素膜醋酸纖維素膜為研究對象為研究對象 較流行的較流行的優(yōu)先吸附毛細孔流動

47、優(yōu)先吸附毛細孔流動模型模型優(yōu)先吸附毛細孔流優(yōu)先吸附毛細孔流 模型模型 H O Na Cl H O Na Cl H O222+-+-H O Na Cl H O Na Cl H O222+-+-H O H O H O 222H O H O22H O H O H O 222H O H O22H O2H O2H O2主體溶液界面臨界孔徑膜表面多孔膜壓力多孔膜多孔膜界面上的脫鹽水 在膜界面處的流動界面上膜的臨界孔徑2ttt 膜由膜由醋酸纖維素醋酸纖維素等等親水性親水性高分子材料制成高分子材料制成 與鹽溶液接觸，水優(yōu)先吸附于膜表面與鹽溶液接觸，水優(yōu)先吸附于膜表面(純水層純水層)，無機，無機離子被排斥，價數(shù)

48、越高，排斥力也大。離子被排斥，價數(shù)越高，排斥力也大。 吸附純水層厚吸附純水層厚 t = 1 nm。 膜表面膜表面 有效有效孔徑孔徑 2 t，透過為，透過為純水純水 膜表面膜表面 有效有效孔徑孔徑2 t，溶質(zhì)溶質(zhì)也透過也透過 毛細孔徑為毛細孔徑為 2 t 時時純水滲透量最大純水滲透量最大臨界孔徑臨界孔徑 水的滲透通量：水的滲透通量： Jw = A (P- ) Jw ：水滲透速率或通量，：水滲透速率或通量，kmol / m2 s P ：膜兩側(cè)壓差，：膜兩側(cè)壓差，Pa ： 膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，Pa A ：純水的滲透系數(shù)，：純水的滲透系數(shù)，kmol / m2 s Pa A 反映

49、反映純水透過膜純水透過膜的特性，與溫度、壓力及膜材料的特性，與溫度、壓力及膜材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可由和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可由純水實驗純水實驗測定測定 少量少量溶質(zhì)溶質(zhì)透過膜可看成是通過膜孔的透過膜可看成是通過膜孔的分子擴散分子擴散 溶質(zhì)的滲透通量：溶質(zhì)的滲透通量：22MAMMAiMiMAAxCxCDJ JA : A的滲透通量，的滲透通量，kmol / m2 s DMA：A在膜中的有效擴散系數(shù)，在膜中的有效擴散系數(shù)，m2 / s ： 膜厚，膜厚，m CMi ：料液側(cè)料液側(cè)表面處表面處膜中膜中總總mol濃度濃度(kmol /m3) CM2：透過液側(cè)透過液側(cè)表面處表面處膜中膜中總總mol 濃度濃度 xMAi：料

50、液側(cè)料液側(cè)表面處表面處A的的mol 分率分率 xMA2：透過液側(cè)透過液側(cè)表面處表面處A的的mol 分率分率MAMAxKCCx 溶質(zhì)在溶質(zhì)在溶液溶液與與膜間膜間的平衡關(guān)系呈的平衡關(guān)系呈線性線性： C：溶液總：溶液總mol 濃度，濃度，kmol / m3 xA：溶液中：溶液中A的的mol 分率分率 K ：相平衡常數(shù)：相平衡常數(shù) 代入平衡關(guān)系：代入平衡關(guān)系： CAi：料液側(cè)表面溶液料液側(cè)表面溶液中中A的的mol濃度，濃度，kmol/m3 CA2：透過液透過液中中A的的mol濃度，濃度，kmol/m3 DMA / K: 反映反映溶質(zhì)透過膜溶質(zhì)透過膜的特性的特性 與與溶質(zhì)、膜材料的物化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形態(tài)溶質(zhì)

51、、膜材料的物化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形態(tài)和和P、T有關(guān)有關(guān) 其值小，溶質(zhì)透過膜的速率小，分離效率高其值小，溶質(zhì)透過膜的速率小，分離效率高222AAiMAAAiiMAACCKDxCxCKDJ三、反滲透的濃差極化三、反滲透的濃差極化 1、濃差極化、濃差極化 由于膜的由于膜的選擇透過性選擇透過性，溶質(zhì)在料液側(cè)膜表面積累，溶質(zhì)在料液側(cè)膜表面積累，形成濃度邊界層，形成濃度邊界層，膜表面膜表面濃度濃度CAi 主體濃度主體濃度，導(dǎo)致，導(dǎo)致溶質(zhì)從膜表面向料液主體溶質(zhì)從膜表面向料液主體的的反向擴散反向擴散。此現(xiàn)象叫濃差極化此現(xiàn)象叫濃差極化邊界層膜Z0JxA1JAJxA2JxAxAxA2xMA2xA1xAicxMA1 I：邊

52、界層內(nèi)平行膜面的邊界層內(nèi)平行膜面的任意截面任意截面 II：透過液側(cè)透過液側(cè)膜表面膜表面 I、II 間溶質(zhì)間溶質(zhì)A的物料衡算：的物料衡算：02AAwAAJxdzdxCDJx J ： 透過液的總滲透通量，透過液的總滲透通量，kmol/m2 s xA, xA2： 截面截面 I, II 上上A的的mol 分率分率 DWA ： A 在水中的擴散系數(shù)，在水中的擴散系數(shù)，m2/s C ：截面截面I處料液總濃度，處料液總濃度，kmol/m3，可視為常數(shù)可視為常數(shù)AwAAAdxCDdzxxJ)(22AAAwAxxdxdzCDJ從從 z = 0 (xA= xA1) 到到 z = l (xA= xAi) 積分：積分

53、： k k為溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)為溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù) 反滲透有較高截留率，反滲透有較高截留率， xAi xA1 xA2 簡化：簡化：CkJxxAAiexp11AAixx 稱稱濃差極化比濃差極化比此值大，膜表面濃度比主體濃度此值大，膜表面濃度比主體濃度升值大升值大，濃差極化嚴重，濃差極化嚴重lDkCkJxxxxCkJDlCJxxxxWAAAAAiAWAAAAiexpln212212或2、濃差極化對過程的不利影響、濃差極化對過程的不利影響（1 1）由于濃差極化，膜表面溶液濃度升高，）由于濃差極化，膜表面溶液濃度升高， P一定時，有效推動力一定時，有效推動力，Jw（2）J，急劇增加，溶質(zhì)滲透通量，急劇增加，溶

54、質(zhì)滲透通量JA，截留量，截留量， J 增加受限增加受限（3）CAi高于溶解度時，產(chǎn)生沉淀高于溶解度時，產(chǎn)生沉淀()，阻力，阻力 為避免沉淀，主體為避免沉淀，主體xA1不能高于一定值，因此不能高于一定值，因此 用反滲透進行海水淡化時，用反滲透進行海水淡化時，水利用率水利用率受限受限1AAixxCkJxxAAiexp13、減輕濃差極化的有效途徑減輕濃差極化的有效途徑 （提高傳質(zhì)系數(shù)（提高傳質(zhì)系數(shù)k）（1）提高）提高料液流速料液流速 邊界層減薄，邊界層減薄，l，k（2）增強料液）增強料液湍流湍流程度程度 加加湍流促進器、湍流促進器、采用采用脈沖脈沖流動等流動等 與單純增加流速比，效果好與單純增加流速

55、比，效果好（3）提高溫度提高溫度 粘度粘度，DwA，k（4）對膜表面定期）對膜表面定期清洗清洗CkJxxAAiexp1lDkWA 總結(jié)總結(jié): :1、反滲透的推動力：、反滲透的推動力： P（P2P1）（）（12）2、反滲透過程反滲透過程的兩個主要步驟：的兩個主要步驟： （1）料液到膜表面的傳遞料液到膜表面的傳遞 涉及膜表面附近的濃差極化涉及膜表面附近的濃差極化CkJxxAAiexp1（2）透過膜的過程透過膜的過程 優(yōu)先吸附毛細孔流優(yōu)先吸附毛細孔流或或溶解擴散溶解擴散模型模型2AAiMAACCKDJ)(PAJw四、影響滲透通量的主要因素四、影響滲透通量的主要因素 1、操作壓差操作壓差 P，Jw，但

56、，但 xAi / xA1 ，膜表面溶液的，膜表面溶液的， 推動力不能按相應(yīng)比例增大；推動力不能按相應(yīng)比例增大； 另外，另外，P，能耗，能耗，易沉淀。，易沉淀。P：210 MPa 2、溫度溫度 T，純水透過系數(shù)，純水透過系數(shù)A，且，且 xAi / xA1(T，k)， 膜表面膜表面溶液溶液，推動力，推動力，Jw 但溫度升高受膜但溫度升高受膜耐溫性限制耐溫性限制 3、料液流速料液流速 u，k，xAi / xA1，小，推動力小，推動力，Jw 4、料液的濃縮程度料液的濃縮程度 濃縮程度高，水回收率高。但濃縮程度高，水回收率高。但高，有效壓差高，有效壓差，J 料液濃度高還會引起膜污染。料液濃度高還會引起膜

57、污染。 5、膜材料與結(jié)構(gòu)（膜材料與結(jié)構(gòu)（決定決定J 的基本因素）的基本因素） 研究好的膜材料與制膜工藝是主要方向研究好的膜材料與制膜工藝是主要方向 鹽水淡化的滲透通量一般為幾十鹽水淡化的滲透通量一般為幾十 kg/ /m2 h 五、反滲透的分離效率五、反滲透的分離效率 用用溶質(zhì)的截留率溶質(zhì)的截留率表示表示 截留率取決截留率取決被分離物質(zhì)的性質(zhì)被分離物質(zhì)的性質(zhì)和和膜材料與結(jié)構(gòu)膜材料與結(jié)構(gòu) 對于一定膜，對于一定膜，J，截留率，截留率 六、工藝流程六、工藝流程 據(jù)料液情況、分離要求及膜器一次分離效率高低，據(jù)料液情況、分離要求及膜器一次分離效率高低， 流程不同流程不同（1 1）一級一段連續(xù)式流程一級一段

58、連續(xù)式流程:一級一段連續(xù)式流程一級一段連續(xù)式流程料液貯槽膜組件濃縮液透過液料液泵料液貯槽膜組件濃縮液透過液料液泵（2 2）一級一段循環(huán)式流程）一級一段循環(huán)式流程: 一級一段循環(huán)式一級一段循環(huán)式流程流程可提高料液的濃縮率（或水利用率）可提高料液的濃縮率（或水利用率）但透過的水質(zhì)會下降但透過的水質(zhì)會下降料液貯槽料液泵第一段第二段第n段透過液（3）一級多段連續(xù)式一級多段連續(xù)式 一級多段連續(xù)式一級多段連續(xù)式流程流程（每段并聯(lián)的膜組件個數(shù)呈（每段并聯(lián)的膜組件個數(shù)呈錐形錐形排列？）排列？） 料液濃縮率（或水利用率）高料液濃縮率（或水利用率）高 段段: : 濃縮液濃縮液 級級: : 透過液透過液 多級，提高

59、淡水質(zhì)量多級，提高淡水質(zhì)量七、應(yīng)用七、應(yīng)用 從從溶液溶液( (水溶液水溶液) )中中分離出分離出溶劑溶劑( (水水) )，決定應(yīng)用范圍：，決定應(yīng)用范圍：（1）海水和苦咸水淡化）海水和苦咸水淡化 (反滲透法占反滲透法占20 %) 近期，國外已有近期，國外已有日產(chǎn)日產(chǎn)10萬噸萬噸反滲透海水淡化裝置反滲透海水淡化裝置目前大型卷式膜海水淡化裝置目前大型卷式膜海水淡化裝置單機能力為單機能力為6000噸水噸水/天天 04年年12月月, 我國最大海水淡化工程在浙江舟山市普陀我國最大海水淡化工程在浙江舟山市普陀區(qū)六橫鎮(zhèn)開工區(qū)六橫鎮(zhèn)開工, 06年完工年完工, 日產(chǎn)淡水日產(chǎn)淡水1萬噸萬噸（2）廢水處理：）廢水處理

60、： 金屬電鍍廢水金屬電鍍廢水(電鍍槽、清洗槽電鍍槽、清洗槽) 隨廢水排放和水資源再生要求提高，有廣闊前景隨廢水排放和水資源再生要求提高，有廣闊前景 但存在膜的但存在膜的化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性問題問題 優(yōu)點：能耗低優(yōu)點：能耗低 可得清水可得清水 有用物濃縮可回收利用有用物濃縮可回收利用（3）與）與離子交換離子交換制高純水制高純水 (電子工業(yè)電子工業(yè)) 反滲透（除反滲透（除 9095%）離子交換脫殘留的鹽）離子交換脫殘留的鹽（4）低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮）低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮 牛奶、果汁等的部分脫水牛奶、果汁等的部分脫水 與與冷凍干燥冷凍干燥和和蒸發(fā)蒸發(fā)比較，經(jīng)濟，香味、營養(yǎng)不破壞比較，經(jīng)濟，香