氣固液固傳質(zhì)分離過程

1、1.1.學(xué)習(xí)并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸學(xué)習(xí)并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸附動力學(xué)、吸附過程及設(shè)備。附動力學(xué)、吸附過程及設(shè)備。2.2.結(jié)晶過程的熱力學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)，吸附、結(jié)結(jié)晶過程的熱力學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ)，吸附、結(jié)晶設(shè)備及流程。晶設(shè)備及流程。3.3.了解膜分離的基本原理、過程分類、膜和膜了解膜分離的基本原理、過程分類、膜和膜組件的類型以及膜分離技術(shù)的應(yīng)用。組件的類型以及膜分離技術(shù)的應(yīng)用。主要內(nèi)容及要求：主要內(nèi)容及要求：第六章第六章 氣固、液固傳質(zhì)分離過程氣固、液固傳質(zhì)分離過程6.1 吸附分離過程6.1.1 6.1.1 吸附過程基礎(chǔ)吸附過程基礎(chǔ)6.1.2 6.1.2 吸附分離過程與技術(shù)吸附

2、分離過程與技術(shù)6.1.1 吸附過程基礎(chǔ)吸附過程基礎(chǔ)一、吸附過程一、吸附過程吸附吸附是指流體（氣體或液體）與是指流體（氣體或液體）與固體多孔物質(zhì)接觸時(shí)，流體中的固體多孔物質(zhì)接觸時(shí)，流體中的一種或多種組分傳遞到多孔物質(zhì)一種或多種組分傳遞到多孔物質(zhì)外表面和微孔內(nèi)表面并附著在這外表面和微孔內(nèi)表面并附著在這些表面上形成單分子層或多分子些表面上形成單分子層或多分子層的過程。層的過程。被吸附的流體稱為被吸附的流體稱為吸附質(zhì)吸附質(zhì)，多孔固體顆，多孔固體顆粒稱為粒稱為吸附劑吸附劑。吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附。吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附劑內(nèi)的流體稱為劑內(nèi)的流體稱為吸附相吸附相，剩余的流體本，剩余的流體本體相稱為體相稱為吸余相

3、吸余相。由于吸附質(zhì)和吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)不由于吸附質(zhì)和吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)不同，同，吸附劑對不同吸附質(zhì)的吸附能力也吸附劑對不同吸附質(zhì)的吸附能力也不同不同，因此當(dāng)流體與吸附劑接觸時(shí)，吸，因此當(dāng)流體與吸附劑接觸時(shí)，吸附劑對流體中的某個(gè)或某些組分相對其附劑對流體中的某個(gè)或某些組分相對其他組分具有較高的吸附選擇性，從而實(shí)他組分具有較高的吸附選擇性，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。現(xiàn)物質(zhì)的分離。物理吸附與化學(xué)吸附的比較物理吸附與化學(xué)吸附的比較理化指標(biāo)理化指標(biāo) 物理吸附物理吸附 化學(xué)吸附化學(xué)吸附吸附作用力吸附作用力 范德華力范德華力 化學(xué)鍵化學(xué)鍵吸附熱吸附熱 接近于液化熱接近于液化熱 接近于化學(xué)反應(yīng)熱接近于化學(xué)反應(yīng)熱

4、選擇性選擇性 低低 高高吸附層吸附層 單或多分子層單或多分子層 單分子層單分子層吸附速率吸附速率 快，活化能小快，活化能小 慢，活化能大慢，活化能大可逆性可逆性 可逆可逆 不可逆不可逆發(fā)生吸附溫度發(fā)生吸附溫度 低于吸附質(zhì)臨界溫度低于吸附質(zhì)臨界溫度 遠(yuǎn)高于吸附質(zhì)沸點(diǎn)遠(yuǎn)高于吸附質(zhì)沸點(diǎn)吸附類型的判斷吸附類型的判斷（1 1）物理吸附熱與冷凝熱在一個(gè)數(shù)量級上，而化學(xué)）物理吸附熱與冷凝熱在一個(gè)數(shù)量級上，而化學(xué)吸附熱與其反應(yīng)熱在一個(gè)數(shù)量級上；吸附熱與其反應(yīng)熱在一個(gè)數(shù)量級上；（2 2）適宜溫度和壓力條件下，所有的氣體固體體）適宜溫度和壓力條件下，所有的氣體固體體系中都將發(fā)生物理吸附，而化學(xué)吸附只有當(dāng)氣體分子系

5、中都將發(fā)生物理吸附，而化學(xué)吸附只有當(dāng)氣體分子與吸附劑表面能形成化學(xué)鍵時(shí)才發(fā)生；與吸附劑表面能形成化學(xué)鍵時(shí)才發(fā)生；（3 3）物理吸附的吸附質(zhì)分子可通過降低壓力的方法）物理吸附的吸附質(zhì)分子可通過降低壓力的方法解吸，而化學(xué)吸附的吸附質(zhì)分子的解吸要困難得多，解吸，而化學(xué)吸附的吸附質(zhì)分子的解吸要困難得多，往往是不可逆的；往往是不可逆的；（4 4）物理吸附可以是單分子層吸附也可以是多分子）物理吸附可以是單分子層吸附也可以是多分子層吸附，而化學(xué)吸附通常只是單分子層吸附，某些情層吸附，而化學(xué)吸附通常只是單分子層吸附，某些情況下，化學(xué)吸附單分子層上還可能發(fā)生物理吸附；況下，化學(xué)吸附單分子層上還可能發(fā)生物理吸附；

6、（5 5）物理吸附瞬時(shí)發(fā)生，而化學(xué)吸附一般需要達(dá)到）物理吸附瞬時(shí)發(fā)生，而化學(xué)吸附一般需要達(dá)到一定的活化能后才發(fā)生。一定的活化能后才發(fā)生。 無論是物理吸附，還是化學(xué)吸無論是物理吸附，還是化學(xué)吸附，吸附都是發(fā)生在吸附劑表面附，吸附都是發(fā)生在吸附劑表面的一種表面現(xiàn)象，為了增大吸附的一種表面現(xiàn)象，為了增大吸附容量，吸附劑應(yīng)具有大的比表面容量，吸附劑應(yīng)具有大的比表面積，因此，吸附劑常為積，因此，吸附劑常為多孔結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)的固體顆粒。的固體顆粒。二、二、常用吸附劑常用吸附劑吸附劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有機(jī)吸附吸附劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有機(jī)吸附劑和無機(jī)吸附劑。劑和無機(jī)吸附劑。 常用的有機(jī)吸附劑有常用的有機(jī)吸附劑有

7、活性炭活性炭、球性炭、球性炭化樹脂、聚酰胺、纖維素、化樹脂、聚酰胺、纖維素、大孔樹脂大孔樹脂等；等；常用的無機(jī)吸附劑有常用的無機(jī)吸附劑有硅膠硅膠、活性氧化活性氧化鋁鋁、硅藻土硅藻土、分子篩分子篩等。等。1.1.活性碳活性碳非極性吸附劑非極性吸附劑n活性碳是碳質(zhì)吸附劑的總稱。各種含碳有機(jī)活性碳是碳質(zhì)吸附劑的總稱。各種含碳有機(jī)物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有兩步：兩步： 1 1碳化；碳化；2 2 活化?；罨?。n活性炭具有非極性表面。為活性炭具有非極性表面。為疏水親有機(jī)物疏水親有機(jī)物的的吸附劑，特別適合于吸附非極性或弱極性有吸附劑，特別適合于吸附非極性或弱

8、極性有機(jī)物；它性能穩(wěn)定、抗腐蝕、吸附容量大。機(jī)物；它性能穩(wěn)定、抗腐蝕、吸附容量大。 廣泛用于：脫除水中有機(jī)物；水溶液中的色廣泛用于：脫除水中有機(jī)物；水溶液中的色素等。素等。2.2.活性氧化鋁活性氧化鋁極性吸附劑極性吸附劑n活性氧化率的化學(xué)通式為：活性氧化率的化學(xué)通式為：al2o3nh2on氫氧化鋁膠體經(jīng)過灼燒脫水而制得一種多孔大表氫氧化鋁膠體經(jīng)過灼燒脫水而制得一種多孔大表面吸附劑。面吸附劑。n活性氧化鋁的表面活性中心是羥基和路易斯酸中活性氧化鋁的表面活性中心是羥基和路易斯酸中心，極性強(qiáng)，對水具有很高的親和作用。心，極性強(qiáng)，對水具有很高的親和作用。n廣泛用于脫除氣體中的水分，也常用作色譜柱填廣泛

9、用于脫除氣體中的水分，也常用作色譜柱填充材料充材料。3.3.硅膠極性吸附劑硅膠極性吸附劑n硅膠的化學(xué)通式為：硅膠的化學(xué)通式為：sio2nh2o。n用硅酸鈉與無機(jī)酸反應(yīng)生成硅酸，其聚合物在適用硅酸鈉與無機(jī)酸反應(yīng)生成硅酸，其聚合物在適宜的條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚宜的條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚物，經(jīng)聚集、洗鹽、脫水而成為硅膠。物，經(jīng)聚集、洗鹽、脫水而成為硅膠。n硅膠的表面保留著大約硅膠的表面保留著大約5wt.的羥基，是硅膠的的羥基，是硅膠的吸附活性中心。在吸附活性中心。在200以上羥基會脫去，所以以上羥基會脫去，所以硅膠的活化溫度應(yīng)低于硅膠的活化溫度應(yīng)低于200。n硅膠常作

10、為干燥劑用于氣體或液體的干燥脫水，硅膠常作為干燥劑用于氣體或液體的干燥脫水，也可用于分離烷烴與烯烴、烷烴與芳烴，同時(shí)硅也可用于分離烷烴與烯烴、烷烴與芳烴，同時(shí)硅膠也是常用的色譜柱填充材料。膠也是常用的色譜柱填充材料。 硅藻土硅藻土是由硅藻類植物死亡后的硅酸鹽遺骸是由硅藻類植物死亡后的硅酸鹽遺骸形成的，基本質(zhì)是含水的無定形形成的，基本質(zhì)是含水的無定形sio2，并含有，并含有少量少量fe2o3、cao、mgo、al2o3及有機(jī)雜質(zhì)，及有機(jī)雜質(zhì)，外觀一般呈淺黃色或淺灰色，優(yōu)質(zhì)的呈白色，外觀一般呈淺黃色或淺灰色，優(yōu)質(zhì)的呈白色，質(zhì)軟，多孔而輕。硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)使它成為質(zhì)軟，多孔而輕。硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)使它

11、成為一種良好吸附劑，在食品、化工生產(chǎn)中常用來一種良好吸附劑，在食品、化工生產(chǎn)中常用來作助濾劑及脫色劑。作助濾劑及脫色劑。 沸石分子篩沸石分子篩是結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，是結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，其化學(xué)通式為：其化學(xué)通式為：mx/m(alo2)x(sio2)yzh2o。m代表陽離子，代表陽離子，m表示其價(jià)態(tài)數(shù)，表示其價(jià)態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)表示水合數(shù)，x和和y是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結(jié)構(gòu)，孔徑為除去，余下的原子形成籠形結(jié)構(gòu)，孔徑為310。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的

12、孔（也稱空穴之間有許多同直徑的孔（也稱“窗口窗口”）相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。（a a）a a 型型 （b b）x x 型型兩種常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu)兩種常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu) 沸石分子篩沸石分子篩的吸附作用有兩個(gè)特點(diǎn)：（的吸附作用有兩個(gè)特點(diǎn)：（1 1）表）表面上的路易斯中心極性很強(qiáng)；（面上的路易斯中心極性很強(qiáng)；（2 2）沸石中的籠）沸石中的籠或通道的尺寸很小，使得其中的引力場很強(qiáng)?；蛲?/p>

13、道的尺寸很小，使得其中的引力場很強(qiáng)。因此，其對吸附質(zhì)分子的吸附能力遠(yuǎn)超過其他因此，其對吸附質(zhì)分子的吸附能力遠(yuǎn)超過其他類型的吸附劑。即使吸附質(zhì)的分壓（或濃度）類型的吸附劑。即使吸附質(zhì)的分壓（或濃度）很低，吸附量仍很可觀。沸石分子篩的吸附分很低，吸附量仍很可觀。沸石分子篩的吸附分離效果不僅與吸附質(zhì)分子的尺寸和形狀有關(guān)，離效果不僅與吸附質(zhì)分子的尺寸和形狀有關(guān)，而且還與其極性有關(guān)，因此，沸石分子篩也可而且還與其極性有關(guān)，因此，沸石分子篩也可用于尺寸相近的物質(zhì)的分離。用于尺寸相近的物質(zhì)的分離。7.3 吸附平衡一定條件下，流體（氣體或液體）與吸附劑接一定條件下，流體（氣體或液體）與吸附劑接觸，流體中的吸附

14、質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)足夠長觸，流體中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)足夠長時(shí)間后，吸附質(zhì)在兩相中的含量不再改變，即時(shí)間后，吸附質(zhì)在兩相中的含量不再改變，即吸附質(zhì)在流體和吸附劑上的分配達(dá)到一種動態(tài)吸附質(zhì)在流體和吸附劑上的分配達(dá)到一種動態(tài)平衡，稱為平衡，稱為吸附平衡吸附平衡。 相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度時(shí)，吸附質(zhì)將被吸附；反之，流體平衡濃度時(shí)，吸附質(zhì)將被吸附；反之，流體中吸附質(zhì)濃度低于平衡濃度時(shí)，吸附劑上已中吸附質(zhì)濃度低于平衡濃度時(shí)，吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)將解吸進(jìn)入流體相，直到達(dá)到吸附的吸附質(zhì)將解吸進(jìn)入流體相，直到達(dá)到新的吸附平衡?？梢姡碌奈狡胶?。可見，

15、吸附平衡關(guān)系決定著吸附平衡關(guān)系決定著吸附過程的方向和極限吸附過程的方向和極限，是吸附過程的基本，是吸附過程的基本依據(jù)。依據(jù)。 吸附平衡關(guān)系通常用等溫下吸附劑上吸吸附平衡關(guān)系通常用等溫下吸附劑上吸附質(zhì)的含量與流體相中吸附質(zhì)的濃度或分壓附質(zhì)的含量與流體相中吸附質(zhì)的濃度或分壓間的關(guān)系表示（間的關(guān)系表示（吸附等溫線吸附等溫線）。）。相對壓力相對壓力p/p0相對壓力相對壓力p/p0相對壓力相對壓力p/p0相對壓力相對壓力p/p0相對壓力相對壓力p/p0吸吸附附量量吸吸附附量量吸吸附附量量吸吸附附量量吸吸附附量量i五類實(shí)驗(yàn)吸附等溫線五類實(shí)驗(yàn)吸附等溫線: : ii型 和 iv型 等溫線多層吸附多層吸附 (從

16、點(diǎn)從點(diǎn) b開始開始)對無孔材料比較適用對無孔材料比較適用在低壓下類似于在低壓下類似于 ii 型型在高壓下發(fā)生孔內(nèi)冷凝在高壓下發(fā)生孔內(nèi)冷凝p/piinad0bivnadp/p0biiiiii型型 和和 v v型型 等溫線等溫線iiinadp/p0vnadp/p0吸附質(zhì)之間具有強(qiáng)相互吸附質(zhì)之間具有強(qiáng)相互作用作用, 比如當(dāng)水分子吸附比如當(dāng)水分子吸附到疏水性活性炭上時(shí)到疏水性活性炭上時(shí)在低壓下類似于在低壓下類似于 iii 型型在高壓下發(fā)生孔內(nèi)冷凝在高壓下發(fā)生孔內(nèi)冷凝（1）亨利定律在足夠低的濃度范圍，吸附平衡關(guān)系可用亨利定律表述：在足夠低的濃度范圍，吸附平衡關(guān)系可用亨利定律表述： 或或亨利常數(shù)亨利常數(shù)單

17、組份吸附平衡關(guān)系單組份吸附平衡關(guān)系（2）langmuir吸附等溫方程吸附等溫方程langmuir基于單分子層吸附理論對氣體推導(dǎo)出簡單和基于單分子層吸附理論對氣體推導(dǎo)出簡單和廣泛應(yīng)用的近似表達(dá)式：廣泛應(yīng)用的近似表達(dá)式： 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定單分子層單分子層最大吸附量最大吸附量langmuir常數(shù)，與溫度有關(guān)常數(shù)，與溫度有關(guān)盡管與盡管與langmuir方程完全吻合的物系相當(dāng)少，但有大方程完全吻合的物系相當(dāng)少，但有大量的物系近似符合。該模型在低濃度范圍就簡化為亨利量的物系近似符合。該模型在低濃度范圍就簡化為亨利定律。定律。langmuir模型被公認(rèn)為定性或半定量研究變壓模型被公認(rèn)為定性或半定

18、量研究變壓吸附系統(tǒng)的基礎(chǔ)。吸附系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（3 3）freundlich和和langmuir-freundlich吸附等溫方程吸附等溫方程freundlich方程是用于描述平衡數(shù)據(jù)的最早的經(jīng)驗(yàn)關(guān)方程是用于描述平衡數(shù)據(jù)的最早的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式之一，其表達(dá)式為：系式之一，其表達(dá)式為： freundlich方程不但適用于氣體吸附，也適用于液體吸附。方程不但適用于氣體吸附，也適用于液體吸附。就氣體吸附而言，壓力范圍不能太寬，在低壓下不能簡化成就氣體吸附而言，壓力范圍不能太寬，在低壓下不能簡化成亨利定律，壓力足夠高時(shí)又無確定的使用極限，通常適于描亨利定律，壓力足夠高時(shí)又無確定的使用極限，通常適于描述窄范圍的吸

19、附數(shù)據(jù)，大范圍的數(shù)據(jù)也可分段關(guān)聯(lián)。述窄范圍的吸附數(shù)據(jù)，大范圍的數(shù)據(jù)也可分段關(guān)聯(lián)。特征常數(shù)，與溫度有關(guān)特征常數(shù)，與溫度有關(guān)langmuir-freundlich吸附等溫方程：吸附等溫方程： 純經(jīng)驗(yàn)方程純經(jīng)驗(yàn)方程多組分吸附平衡關(guān)系多組分吸附平衡關(guān)系(1) (1) langmuir方程擴(kuò)展式方程擴(kuò)展式忽略各吸附組分之間的相互作用，其他組分的吸附僅僅減小了吸附表面上的空位:純組分吸附時(shí)的對應(yīng)值例 6-1(2) (2) langmuir-freundlichlangmuir-freundlich方程的擴(kuò)展式方程的擴(kuò)展式langmuir方程擴(kuò)展式和方程擴(kuò)展式和langmuir-freundlich方程方程

20、的擴(kuò)展式缺乏熱力學(xué)一致性，故理論依據(jù)不充分，的擴(kuò)展式缺乏熱力學(xué)一致性，故理論依據(jù)不充分，只具有半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，但應(yīng)用起來比較簡便。只具有半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，但應(yīng)用起來比較簡便。吸附過程的傳質(zhì)吸附過程的傳質(zhì)一、一、 吸附機(jī)理吸附機(jī)理吸附質(zhì)在吸附劑的多孔表面上的吸附過程分四步：吸附質(zhì)在吸附劑的多孔表面上的吸附過程分四步：1、吸附質(zhì)從流體主體通過分子擴(kuò)散與對流擴(kuò)散穿過薄膜或邊吸附質(zhì)從流體主體通過分子擴(kuò)散與對流擴(kuò)散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑外表面，稱為外擴(kuò)散過程。界層傳遞到吸附劑外表面，稱為外擴(kuò)散過程。2、吸附質(zhì)通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的吸附質(zhì)通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的 內(nèi)內(nèi)表面

21、，稱為內(nèi)擴(kuò)散過程。表面，稱為內(nèi)擴(kuò)散過程。3、吸附質(zhì)沿內(nèi)孔表面的表面擴(kuò)散。吸附質(zhì)沿內(nèi)孔表面的表面擴(kuò)散。4、吸附質(zhì)被吸附在孔表面上。吸附質(zhì)被吸附在孔表面上。 對于化學(xué)吸附：對于化學(xué)吸附：吸附質(zhì)與吸附劑之間有鍵的形成，第四步可吸附質(zhì)與吸附劑之間有鍵的形成，第四步可能較慢，甚至是控制步驟。能較慢，甚至是控制步驟。 對于物理吸附：對于物理吸附：由于吸附速率僅取決于吸附質(zhì)分子與孔表面由于吸附速率僅取決于吸附質(zhì)分子與孔表面的碰撞頻率和定向作用，第四步幾乎是瞬間完成的，吸附的碰撞頻率和定向作用，第四步幾乎是瞬間完成的，吸附速率由前三步控制，統(tǒng)稱為擴(kuò)散控制。速率由前三步控制，統(tǒng)稱為擴(kuò)散控制。吸附解吸多孔吸附劑中

22、流體的濃度分布和溫度分布多孔吸附劑中流體的濃度分布和溫度分布(2)外擴(kuò)散傳質(zhì)過程 吸附質(zhì)從流體主體對流擴(kuò)散到吸附劑顆粒外表面吸附質(zhì)從流體主體對流擴(kuò)散到吸附劑顆粒外表面的傳質(zhì)速率方程為：的傳質(zhì)速率方程為： 相應(yīng)的傳熱方程為：相應(yīng)的傳熱方程為：(3)內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)過程 吸附質(zhì)在微孔中的擴(kuò)散有兩種形式吸附質(zhì)在微孔中的擴(kuò)散有兩種形式- -沿孔截面的擴(kuò)沿孔截面的擴(kuò)散和沿孔表面的表面擴(kuò)散。前者根據(jù)孔徑和吸附分散和沿孔表面的表面擴(kuò)散。前者根據(jù)孔徑和吸附分子平均自由程之間大小的關(guān)系又有三種情況：分子子平均自由程之間大小的關(guān)系又有三種情況：分子擴(kuò)散、紐特遜擴(kuò)散和介于這兩種情況之間的擴(kuò)散。擴(kuò)散、紐特遜擴(kuò)散和介于這兩種

23、情況之間的擴(kuò)散。當(dāng)微孔表面吸附有吸附質(zhì)時(shí)，沿孔口向里的表面上當(dāng)微孔表面吸附有吸附質(zhì)時(shí)，沿孔口向里的表面上存在著吸附質(zhì)的濃度梯度，吸附質(zhì)可以沿孔表面向存在著吸附質(zhì)的濃度梯度，吸附質(zhì)可以沿孔表面向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，稱為表面擴(kuò)散。顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，稱為表面擴(kuò)散。 在吸附劑顆粒的微孔中進(jìn)行傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型很在吸附劑顆粒的微孔中進(jìn)行傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型很類似于在多孔催化劑顆粒中的催化反應(yīng)，一般應(yīng)類似于在多孔催化劑顆粒中的催化反應(yīng)，一般應(yīng)用用fick第一定律第一定律來進(jìn)行描述來進(jìn)行描述 根據(jù)待分離物系中各組分的性質(zhì)和過程的分離要根據(jù)待分離物系中各組分的性質(zhì)和過程的分離要求求( (如純度、回收率、能耗等如純度、回收率、能耗

24、等) )，在選擇適當(dāng)?shù)奈剑谶x擇適當(dāng)?shù)奈絼┖徒馕鼊┗A(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備。劑和解吸劑基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備。常用的吸附分離設(shè)備有：常用的吸附分離設(shè)備有： 吸附攪拌槽吸附攪拌槽 固定床吸附器固定床吸附器 移動床移動床 流化床流化床6.1.2 吸附分離過程與技術(shù)分離組分的多少分離組分的多少單組份吸附單組份吸附多組分吸附多組分吸附分離組分濃度的高低分離組分濃度的高低痕量組分脫除痕量組分脫除主體分離主體分離床層溫度的變化床層溫度的變化不等溫操作不等溫操作恒溫操作恒溫操作進(jìn)料方式進(jìn)料方式連續(xù)進(jìn)料連續(xù)進(jìn)料分批進(jìn)料分批進(jìn)料吸附劑的再生方法主要有吸附劑的再生方法主要有變溫法、變壓法、惰

25、性氣變溫法、變壓法、惰性氣體吹掃法和置換再生法體吹掃法和置換再生法吸附方法分類吸附方法分類ti吸附質(zhì)首先出現(xiàn)在床層出口端時(shí)間；吸附質(zhì)首先出現(xiàn)在床層出口端時(shí)間；tb對應(yīng)餾出物最大允許濃度時(shí)間，稱破點(diǎn)時(shí)間；對應(yīng)餾出物最大允許濃度時(shí)間，稱破點(diǎn)時(shí)間；te床層飽和時(shí)間。床層飽和時(shí)間。（te-ti）對應(yīng)床層吸附區(qū)或傳質(zhì)區(qū)長度對應(yīng)床層吸附區(qū)或傳質(zhì)區(qū)長度一、固定床吸附二、變溫吸附（tsa） 變溫吸附原理：利用吸附量隨溫度變化的特性而實(shí)現(xiàn)的變溫吸附原理：利用吸附量隨溫度變化的特性而實(shí)現(xiàn)的變溫吸附變溫吸附循環(huán)操作在兩個(gè)平行的固定床吸附器中進(jìn)循環(huán)操作在兩個(gè)平行的固定床吸附器中進(jìn)行。其中一個(gè)在環(huán)境溫度附近吸附溶質(zhì)，而

26、另一個(gè)行。其中一個(gè)在環(huán)境溫度附近吸附溶質(zhì)，而另一個(gè)在較高溫度下解吸吸附質(zhì)，使吸附劑床層再生。在較高溫度下解吸吸附質(zhì)，使吸附劑床層再生。三、變壓吸附（psa） 變壓吸附原理：變壓吸附原理：變壓吸附是在變壓吸附是在接近等溫條件接近等溫條件下依據(jù)吸附量下依據(jù)吸附量隨壓力的變化隨壓力的變化特性而實(shí)現(xiàn)的特性而實(shí)現(xiàn)的吸附過程。吸附過程。6.2 結(jié)晶結(jié)晶晶體的粒度分布是產(chǎn)品的一個(gè)重要的質(zhì)量指標(biāo)，通常用平均粒度來描述粒度分布。平均粒度為相當(dāng)于篩下累計(jì)質(zhì)量比為50%處的篩孔尺寸值。6.3.1 6.3.2 膜分離：以天然或合成薄膜為質(zhì)量分離劑，以膜分離：以天然或合成薄膜為質(zhì)量分離劑，以壓力差、化學(xué)位差等為推動力，

27、根據(jù)液體或氣壓力差、化學(xué)位差等為推動力，根據(jù)液體或氣體混合物的不同組分通過膜的滲透率的差異實(shí)體混合物的不同組分通過膜的滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級、提純或富集的過程?，F(xiàn)組分的分離、分級、提純或富集的過程。 6.3.1 膜膜膜應(yīng)具備下述兩個(gè)特性：膜應(yīng)具備下述兩個(gè)特性：第一：膜必須具有兩個(gè)界面，分別與上游第一：膜必須具有兩個(gè)界面，分別與上游側(cè)與下游側(cè)的流體物質(zhì)互相接觸。側(cè)與下游側(cè)的流體物質(zhì)互相接觸。第二：膜應(yīng)具有選擇透過性。第二：膜應(yīng)具有選擇透過性。 膜的種類膜的種類根據(jù)膜的材質(zhì)固體膜液體膜根據(jù)材料來源天然膜合成膜無機(jī)材料膜有機(jī)高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜致密膜離子交換膜滲析膜微孔過濾膜超過濾膜

28、反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能膜材料選擇膜材料選擇 選擇依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，以選擇依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，以及膜材料與分離體系中組分間的相互作用。及膜材料與分離體系中組分間的相互作用。 選擇方法：溶解度參數(shù)選擇法、選擇方法：溶解度參數(shù)選擇法、 lansdale 膜膜材料選擇法、高效液相色譜法、膜材料含水率材料選擇法、高效液相色譜法、膜材料含水率法、分子模擬法等。法、分子模擬法等。 常用有機(jī)膜材料：常用有機(jī)膜材料： 纖維素衍生物、聚砜類、纖維素衍生物、聚砜類、乙烯類高分子、含硅高分子、聚烯烴（聚乙烯、乙烯類高分子、含硅高分子、聚烯烴（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺類及雜

29、環(huán)含氮高聚物（最聚丙烯等）、聚酰胺類及雜環(huán)含氮高聚物（最常用的是聚酰亞胺、含氟高分子（聚四氟乙烯常用的是聚酰亞胺、含氟高分子（聚四氟乙烯等）。等）。 膜的制備方法1 1、高分子膜的制備、高分子膜的制備定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）、定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）、熔融擠壓法、溶出法等。熔融擠壓法、溶出法等。2 2、無機(jī)膜的制備、無機(jī)膜的制備燒結(jié)法、溶膠燒結(jié)法、溶膠- -凝膠法、化學(xué)提取法、凝膠法、化學(xué)提取法、高溫分解法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法等高溫分解法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)沉積法等四、膜的分離性能：四、膜的分離性能：1. 選擇性選擇性a. 用截留率表示用截留率表示： （r）

30、截留率；截留率；表示膜對溶質(zhì)的截留能力，可表示膜對溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。 %100)1 (%100fpfpfcccccr原料濃度透過物濃度原料濃度b. 分離系數(shù)分離系數(shù)： （ ）aaaax1y1xyaa 原原料料中中其其它它組組分分濃濃度度透透過過物物其其它它組組分分濃濃度度濃濃度度原原料料濃濃度度透透過過物物 3、 通量率減系數(shù)通量率減系數(shù)膜滲透通量隨時(shí)間衰減膜滲透通量隨時(shí)間衰減率率減減系系數(shù)數(shù)（小小數(shù)數(shù)）時(shí)時(shí)的的滲滲透透通通量量時(shí)時(shí)間間使使用用時(shí)時(shí)間間mhmkgjjjm 20/.wvjs t2 2、透過性通常用單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面、透過性通常用單位時(shí)間

31、內(nèi)通過單位膜面積的透過物量積的透過物量jw表示表示五、膜中的傳遞過程五、膜中的傳遞過程1、膜分離過程的機(jī)理非常復(fù)雜膜分離過程的機(jī)理非常復(fù)雜2、目前，比較常用的機(jī)理模型有篩分機(jī)理、目前，比較常用的機(jī)理模型有篩分機(jī)理、 溶解溶解- -擴(kuò)散機(jī)理和孔流機(jī)理等擴(kuò)散機(jī)理和孔流機(jī)理等6.3.2 膜組件1.膜分離裝置的核心是膜組件膜分離裝置的核心是膜組件2.一個(gè)性能良好的膜組件一般應(yīng)具備下述要求：一個(gè)性能良好的膜組件一般應(yīng)具備下述要求：原料側(cè)與透過側(cè)的流體有良好的流動狀態(tài)，以減少返原料側(cè)與透過側(cè)的流體有良好的流動狀態(tài)，以減少返混、濃差極化和膜污染；混、濃差極化和膜污染；具有盡可能高地裝填密度，使單位體積的膜組

32、件中具具有盡可能高地裝填密度，使單位體積的膜組件中具有較高的有效膜面積；有較高的有效膜面積；對膜能提供足夠高的機(jī)械支撐，密封性良好，膜的安對膜能提供足夠高的機(jī)械支撐，密封性良好，膜的安裝和更換方便；裝和更換方便；設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)低；設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)低；（1）板框式膜組件（2）卷式膜具 由四層組成膜膜鹽水鹽水中心管中心管多孔支多孔支撐材料撐材料進(jìn)料液進(jìn)料液隔網(wǎng)隔網(wǎng)淡化水流淡化水流（3）管式膜具纖維束管纖維束管中心分布管中心分布管透過液透過液濃縮液濃縮液料液料液（4）.濃差極化濃差極化 這種現(xiàn)象為濃差極化這種現(xiàn)象為濃差極化溶質(zhì)在膜表面溶質(zhì)在膜表面附近積累附近積累,引起引起邊界層組分濃邊界層組分濃度的增

33、加度的增加對于液體混合物的膜分對于液體混合物的膜分離過程，其在邊界層的離過程，其在邊界層的擴(kuò)散很慢，濃差極化往擴(kuò)散很慢，濃差極化往往不能忽略。往不能忽略。濃差極化對過程的不利影響：濃差極化對過程的不利影響：濃差極化使膜表面被截留的溶質(zhì)濃度增高，引濃差極化使膜表面被截留的溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)推動力；起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)推動力； 當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會在當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會在膜表面形成沉積或凝膠層，增加透過阻力；膜表面形成沉積或凝膠層，增加透過阻力； 膜表面沉積或凝膠層的形成會改變膜的分離特膜表面沉積或凝膠層的形成會改變膜的分離特性

34、；性； 當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度則有可能對當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度則有可能對膜發(fā)生溶脹或溶解，惡化膜的性能；膜發(fā)生溶脹或溶解，惡化膜的性能；嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。行惡化。 減少濃差極化的有效途徑：減少濃差極化的有效途徑：1、減少邊界層厚度、減少邊界層厚度2、提高傳質(zhì)系數(shù)、提高傳質(zhì)系數(shù)方法：方法：增加料液流速；增加湍流速度；增加料液流速；增加湍流速度；提高溫度；清洗膜面。提高溫度；清洗膜面。6.3.3 膜分離過程膜分離過程膜分離過程推動力：壓力差、濃度差、電位差等。膜分離過程推動力：壓力差、濃度差、電位差等。 圖圖 6

35、-44 各種膜分離過程的應(yīng)用范圍各種膜分離過程的應(yīng)用范圍 膜分離過程的特點(diǎn)：膜分離過程的特點(diǎn)： 1 1）多數(shù)膜分離過程無相變發(fā)生，能耗通常較低。）多數(shù)膜分離過程無相變發(fā)生，能耗通常較低。 2 2）一般無需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源）一般無需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。和保護(hù)環(huán)境。 3 3）可使分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大）可使分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，大大提高了分離效率。提高了分離效率。 4 4）通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性）通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級、濃縮與富集。物質(zhì)的分離、分級、濃縮與富集。 5 5 應(yīng)用范圍廣。

36、應(yīng)用范圍廣。 6 6）規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而效率、）規(guī)模和處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，而效率、設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。設(shè)備單價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用等都變化不大。 7 7）膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在頻繁的啟停下）膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可在頻繁的啟停下工作，易自控和維修，且可直接插入已有的生產(chǎn)工藝工作，易自控和維修，且可直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程。流程。 膜分離過程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢：膜分離過程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢：圖圖6-45 各種膜分離過程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢各種膜分離過程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 一、過程原理：一、過程原理：1.1.超濾過程超濾過程膜膜: : 非對稱性膜，表面活性層孔徑非對

37、稱性膜，表面活性層孔徑10-200微孔，微孔， 能截留分子量能截留分子量500以上大分子或膠體微粒。以上大分子或膠體微粒。壓差壓差: :0.1-0.5mpa性能性能: :透過性能以純水的透過速度表示，截留性能透過性能以純水的透過速度表示，截留性能 以截留相對分子質(zhì)量表示。以截留相對分子質(zhì)量表示。機(jī)理機(jī)理: :篩分機(jī)理。篩分機(jī)理。 超濾：超濾：進(jìn)料進(jìn)料溶劑、水溶劑、水膠體大分子應(yīng)用：應(yīng)用：1. 純水制造純水制造電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。 2. 廢水處理廢水處理 回收有用的物質(zhì)回收有用的物質(zhì) 3. 產(chǎn)品加工產(chǎn)品加工 各種大分子物質(zhì)分離，

38、濃縮。各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。2.微濾過程微濾過程(微孔過濾微孔過濾)膜膜: : 微孔，均質(zhì)的多孔膜，孔徑微孔，均質(zhì)的多孔膜，孔徑0.02-幾十微米幾十微米， 能截留直徑為能截留直徑為0.05-10微米的微粒。微米的微粒。 壓差壓差: : 0.01-0.2mpa。原理原理: : 原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)與小分原料液在壓差作用下，小分子物質(zhì)與小分 子量物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓側(cè)。子量物質(zhì)透過膜上微孔，流到低壓側(cè)。機(jī)理機(jī)理: : 篩分機(jī)理。篩分機(jī)理。三、工藝流程和應(yīng)用三、工藝流程和應(yīng)用1. 超、微濾流程超、微濾流程透過液原料膜組件儲槽儲槽2.超濾應(yīng)用(1)食品、飲料工業(yè)超濾超濾反滲透反滲

39、透3.微濾應(yīng)用 同于超濾，例：。2 2 ）反滲透和納濾過程）反滲透和納濾過程1.反滲透是最早工業(yè)化和最成熟的膜分離過程反滲透是最早工業(yè)化和最成熟的膜分離過程之一，其工業(yè)應(yīng)用是從海水、苦咸水的脫之一，其工業(yè)應(yīng)用是從海水、苦咸水的脫鹽開始的，現(xiàn)又有許多新的應(yīng)用。鹽開始的，現(xiàn)又有許多新的應(yīng)用。2.納濾是新近發(fā)展起來的介于反滲透和超濾之納濾是新近發(fā)展起來的介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，因其能夠截留間的壓力驅(qū)動膜分離過程，因其能夠截留納米級物質(zhì)，故得名納濾，又稱低壓反滲納米級物質(zhì)，故得名納濾，又稱低壓反滲透。透。3.反滲透和納濾過程的傳質(zhì)模型：微孔模型、反滲透和納濾過程的傳質(zhì)模型：微孔模型、

40、孔隙開閉理論和溶解孔隙開閉理論和溶解- -擴(kuò)散理論。擴(kuò)散理論。 滲透率滲透率p:m3/m(m3.s.pa)。 滲透系數(shù)滲透系數(shù)j：單位時(shí)間、單位膜面積、：單位時(shí)間、單位膜面積、單位推動力作用下所透過的氣體的量，常用單位為單位推動力作用下所透過的氣體的量，常用單位為cm3/(cm2.s.cmhg) 分離因子分離因子 (2) (2) 氣體膜分離過程氣體膜分離過程jiijjj /（3）滲透汽化）滲透汽化 類型：真空滲透汽化、載氣吹掃滲透汽化、熱滲透類型：真空滲透汽化、載氣吹掃滲透汽化、熱滲透汽化或溫度梯度滲透汽化、溶劑吸收滲透汽化等。汽化或溫度梯度滲透汽化、溶劑吸收滲透汽化等。主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：

41、分離選擇性高。分離選擇性高。 分離作用不受組分汽液平衡的限制，而主要受組分離作用不受組分汽液平衡的限制，而主要受組分在膜內(nèi)的滲透速率的控制。分在膜內(nèi)的滲透速率的控制。 滲透通量低，一般小于滲透通量低，一般小于1000g/m2h 。 過程中有相變過程中有相變。 在操作過程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不在操作過程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不會導(dǎo)致膜的壓密。在操作過程中將形成溶脹活性層會導(dǎo)致膜的壓密。在操作過程中將形成溶脹活性層及所謂膜的及所謂膜的“干區(qū)干區(qū)”，膜可自動轉(zhuǎn)化為非對稱膜。，膜可自動轉(zhuǎn)化為非對稱膜。 應(yīng)用場合：應(yīng)用場合： 從混合液中分離出少量物質(zhì)，如有機(jī)物中少量水的從混合液中分離出少量物質(zhì)，如有機(jī)物