新型分離技術第3章.ppt

1、分離技術傳遞模型,浙江大學材料與化工學院 陳歡林教授、張林博士 ,膜傳遞模型 Models of the membrane transports,膜的功能,The Basic Forms of Transport,Simple diffusion（被動傳遞） Facilitated diffusion （被動傳遞） Active transport（主動傳遞） Group translocation （分子輸送反應） Cytosis （細胞吞吐）,膜內(nèi)傳遞的三種典型方式,膜分離過程的推動力與傳質,膜的促進傳遞機理,流動及固定載體促進傳遞,尿素透過固定化尿酶膜,氯離子傳遞分離膜,光敏促進傳遞分離

2、,Active transport,膜傳遞模型的分類,不可逆熱力學為基礎的模型 （Irrersible Thermodynamics Models） 引進耗散函數(shù)i（表示自由能的減少速率） 不考慮膜結構及性質（黑箱、灰箱） Kedem-Kathalsky Spiegler- Kedem 與膜結構和性質有關的傳遞模型,非平衡熱力學模型,穩(wěn)態(tài)體系的耗散函數(shù)積分方程,或 m 為整個膜的耗散函數(shù),單溶質的稀水溶液體系,假定為稀溶液，引進Gibbs-Duhem 方程，用相關變量替代溶質與溶劑的化學位，可得：,線性定律,Kedem-Katchalsky 模型,式中，Lp 為 水力滲透系數(shù)（過濾系數(shù)）； 為

3、反射系數(shù)，其范圍在此期0與1之間; 為溶質滲透系數(shù)。,Kedem-Katchalsky 模型,應用條件,對小流量和低濃度，模型的誤差較小； 對大流量和高濃度，維象系數(shù)與濃度有關； Lp 、對濃度影響不敏感。,LP的估算值,Spiegler-Kedem 模型,把線性定律用于膜的局部區(qū)域（微分形式）,Spiegler-Kedem 模型,Spiegler-Kedem 模型,假定： ,Spiegler-Kedem model,近似取,Coefficients of Spiegler-Kedem model,摩擦模型（Friction model）,This considers that passage

4、 through the porous membrane occurs both by viscous flow and diffusion.,Frictional force and Coefficient,Proportionality factor is called the friction coefficient,Coefficients of the Frictional model,Phenomenological equations of the friction model,Each force is linearly related to the fluxes,Coeffi

5、cient of Steric hindrance （位阻現(xiàn)象模型）,=1-SF1+（16/9）q2 Lp=（r2p/8）（Ak/x） =DSD（Ak/x） 式中，q為溶質和膜孔半徑之比 （rs/rp）； Ak為膜的孔隙率； SF 為過濾流位阻因子，也可用q 表示為SF=2（1-q）2-（1-q）4； SD為擴散流位阻因子, 也可用q 表示，SD=（1-q）2。,Kedem-Katchalsky model,JV、JS 分別為溶劑與溶質的通量； LP為水力滲透系數(shù)； Pm為溶質滲透系數(shù)； 為反射系數(shù)； P、分別為膜兩側的壓差及溶質的滲透壓差。,Coefficient of Steric hin

6、drance （位阻現(xiàn)象模型）,式中，為膜的曲折因子； q為溶質與膜孔半徑之比，rp/rm； Ak為膜表面空隙率； L為膜的厚度； Dw為溶質在水中的擴散系數(shù)； Km 為溶質擴散滲透率。,式中的 可分別用下列方程計算 SD -diffusion steric; SF -filtration steric.,Coefficient of Steric hindrance （位阻現(xiàn)象模型）,與膜性質有關的傳遞模型,與膜結構和性質有關的傳遞模型,幾何 孔徑、孔徑分布、孔隙率、曲折因子 膜特性 物理 溶質與溶劑的溶解度、溶脹比 傳遞 溶質與溶劑的擴散系數(shù) 已知以上性質，可以用模型預測或估算通量和分離因

7、子,典型的傳遞模型,溶解-擴散模型（Lonsdals, 1965） 溶解-擴散不完全模型 （Sherwood） 表面力-孔流動模型 （Kimura-Sourirajan, 1967）,膜傳遞機理和模型研究較多的過程為反滲透、超濾，但某些結論也適用于其他膜過程。 問題： 模型很多，但許多觀點尚未論證及公認； 基于某些假定的傳統(tǒng)機理，其應用有局限性。,溶解擴散模型,假定： 溶質和溶液溶解在膜表皮層； 從膜上游側擴散傳遞到膜下游側； 從膜下游側解吸,Solution-diffusion model,式中, 為溶劑的滲透參數(shù)； P為膜兩側壓力差； Ki為平衡分配系數(shù)； Cr，Cp分別為膜上游溶液中溶質

8、的濃度和透過產(chǎn)品中溶質的濃度。,溶解擴散不完全模型,Sherwood 等認為，膜內(nèi)存在微孔，有一部分組分不是以溶解擴散滲透通過膜，而是通過微孔透過膜。 式中，K1、K2、K3 分別為與溶質擴散和孔內(nèi)流動有關的常數(shù),孔流作用的影響,當料液濃度小于0.05時，孔流量占總流量的2%； 當料液濃度為0.1左右，孔流量占總流量的8； 當料液濃度為0.5時，孔流作用增至20。,優(yōu)先吸附毛細孔流動機理,1960年 Sourirajan 教授提出,膜的臨界孔徑和水層厚度,Kimura-Sourirajan model,式中，A為水的滲透系數(shù)；P 、分別為膜兩側的壓力差和溶液滲透壓差； 為溶質的滲透系數(shù), 其與

9、溶質性質、膜材料性質以及膜表面平均孔徑有關。其中DAm為溶質在膜中的擴散系數(shù)；CR、CP分別為膜兩側溶液濃度，若過程中有濃差極化現(xiàn)象存在，則為緊靠膜表面的溶液濃度；xAR、xAP分別為膜兩側溶液中溶質的摩爾分數(shù)。,K-K模型和溶解擴散不完全模型關系,Transport through membranes:A unified approach,The flux of component i v-the diffusional flow; u-the convective flow. The main term in any discretion of transport through poro

10、us membranes; For nonporous, only diffusional flow contributes to transport.,Convective flow and diffusional flow,Poiieuille equantion Solution diffusion model NOTE: In going from porous to nonporous membranes, an intermediate region exists where both contributions have to be taken into account.,Tra

11、nsport in ideal and interactive systems,P=SD Permeability（P） =Solubility（S）xDiffusitive（D）,Time-leg method for gas permeation,If the diffusion coefficient follows a linear function of concentration,Time-leg method for gas permeation,在t=0時，滲透通量為零，在t時刻氣體滲透通過膜的量為Qt,當t趨向無窮大時，可得: 將Qt 對t作圖，可得一曲線，當t很大時為直線，

12、其斜率為（D/）（C1-C2）,t 的截矩為： 通常C2C0=0，則延滯時間:,Time-leg measurement of gas permeation,Determination of the solubility coefficient,對t 的關系呈直線，從其斜率可得擴散系數(shù):,Diffusion coefficient for short times,Or,Diffusion coefficient for long times,Or,Interactive systems,For non-ideal systems, the main difference with ideal systems is: The solubility can no longer be described by Henrys law; The diffusion coefficient is not a constant.,Per