第四章膜分離過程原理

1、第四章膜分離過程原理 膜分離包括最簡單的濾紙過濾到高選擇性的生物膜分離。從分離科學(xué)的角度看, 超濾、滲析、反滲析、電滲析等位壘分離過程是靠在外力的推動下各種物質(zhì)穿過一個有限制作用的界面時在速度上的差別來進(jìn)的。 微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過濾，用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮于過濾，用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體。微粒的液體。 1)1) 微濾微濾 2) 2) 超濾超濾 3) 3) 納濾納濾 4 4）反滲透）反滲透4.2 以壓力差為推動力的膜分離過程 微濾是指大于0.1m的顆?；蚩扇芪锉唤亓鞯膲毫︱?qū)動型膜過程(MF) 超濾是指小于0.1m大于2nm的顆?；蚩?/p>

2、溶物被截流的壓力驅(qū)動型膜過程(UF) 反滲透是指高壓下溶劑逆著其滲透壓而選擇性透過的膜過程(RO) 納濾是指小于2nm的顆?；蚩扇芪锉唤亓鞯膲毫︱?qū)動型膜過程(nF)一.各種膜分離法及其原理膜分離法傳質(zhì)推動力分離原理應(yīng)用舉例微濾壓差（0.050.5MPa）篩分除菌，回收菌，分離病毒超濾壓差（0.11.0MPa）篩分蛋白質(zhì)，多肽和多糖的回收和濃縮反滲透壓差（1.010MPa）篩分鹽，氨基酸，糖的濃縮，淡水制造透析濃差篩分脫鹽，除變性劑電滲析電位差篩分，荷電脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸的分離滲透氣化壓差，溫差溶質(zhì)與膜的親和力有機(jī)溶劑與水的分離，共沸物的分離（如乙醇濃縮）4.2.1.1滲透和滲透壓滲透和滲透壓

3、 18851885年年, Vant Hoff, Vant Hoff滲透壓定律滲透壓定律： RTRT C Ci i 滲透滲透是在膜兩邊滲透是在膜兩邊滲透壓差壓差 的作用下的的作用下的溶劑流動溶劑流動；而；而反滲透反滲透、超濾是在一外加壓力差超濾是在一外加壓力差 P P 的作用下的作用下, , 溶溶劑逆向流動。劑逆向流動。鹽溶液 純水H2O滲滲透透 P 反滲透反滲透超濾和微濾都是利用膜的篩分性質(zhì),以壓差為傳質(zhì)動力.超濾和微濾膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu),主要用于截留高分子溶劑超濾原理:超濾是利用膜的“篩分”作用進(jìn)行 分離的膜過程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過膜，大于膜孔的粒子被阻攔在膜的表面上，使

4、大小不同的粒子得以分離。由于膜孔小，其過濾精度很高，實際操作壓力一般為0.1-0.5MPa。 對象：超濾主要用于從液相物質(zhì)中分離大分子化合物（蛋白質(zhì)、核酸聚合物、淀粉、天然膠、酶等），膠體分散液（粘土、顏料、礦物料、乳液粒子、微生物）以及乳液（潤滑脂、洗滌劑、油水乳液） 采用先與適合的大分子結(jié)合的方法也可以從水溶液中分離金屬離子、可溶型溶質(zhì)和高分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、酶、病毒）以達(dá)到凈化、濃縮的目的。 超濾膜一般為非對稱膜，由一層極?。ㄍǔ?.1-1um）具有一定孔徑的表皮層和一層較厚（通常為125um）具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者起篩分作用，后者起支撐作用。分離機(jī)理：一般認(rèn)為超濾過程

5、的分離機(jī)理為篩分分離過程。 但膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素。即超濾過程中溶質(zhì)的截留包括在膜表面上的機(jī)械截留（篩分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附三種方式。 超濾的操作模式基本上是死端過濾和錯流過濾兩種。產(chǎn)物既可以是滲透液，也可以是截留液或者二者都有。微孔過濾 用于從氣相或液相物質(zhì)中截留分離微粒、用于從氣相或液相物質(zhì)中截留分離微粒、細(xì)菌、污染物等。細(xì)菌、污染物等。1 1 微過濾膜微過濾膜:孔徑孔徑0.025 30.025 3 m m，特種纖維，特種纖維素酯、高分子聚合物制成。素酯、高分子聚合物制成。三醋酸酯纖維素三醋酸酯纖維素 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 尼龍尼龍666

6、6 親水型親水型 憎水型憎水型 通用型通用型 水、低級醇水、低級醇 有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑* *濾膜溶解法濾膜溶解法(Soluble Membrane Filter)(Soluble Membrane Filter) 對于微過濾膜富集對于微過濾膜富集, , 通常采用酸等溶劑將通常采用酸等溶劑將沉積物溶解進(jìn)行后續(xù)測定。而沉積物溶解進(jìn)行后續(xù)測定。而可溶濾膜法將可溶濾膜法將目標(biāo)成分轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉倪m應(yīng)收集的形式；抽目標(biāo)成分轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉倪m應(yīng)收集的形式；抽濾于合適的可溶膜上；將濾膜及收集物溶于濾于合適的可溶膜上；將濾膜及收集物溶于合適溶劑中；有機(jī)相可直接分光等直接測定合適溶劑中；有機(jī)相可直接分光等直接測定。如用硝

7、化纖維素膜過濾如用硝化纖維素膜過濾, , 可以用甲基溶纖劑可以用甲基溶纖劑和和DMFDMF或濃硫酸溶解或濃硫酸溶解, , 也可用丙酮、乙腈、也可用丙酮、乙腈、THFTHF等溶解。等溶解。納濾過濾納濾過濾（nanofiltration, nF） 納濾過濾是上世紀(jì)納濾過濾是上世紀(jì)80 80 年代末問世的新型膜年代末問世的新型膜分離技術(shù)分離技術(shù) 。納濾膜的孔徑為納米級，介于反納濾膜的孔徑為納米級，介于反滲透膜滲透膜(RO)(RO)和超濾膜和超濾膜(UF)(UF)之間，因此稱為之間，因此稱為“納納濾濾”。納濾膜能夠截留分子量為幾百的物質(zhì)，納濾膜能夠截留分子量為幾百的物質(zhì)，對對NaClNaCl的截留率為

8、的截留率為50%-70%50%-70%，對某些低分子有，對某些低分子有機(jī)物的截留率可達(dá)機(jī)物的截留率可達(dá)90%90%。 納濾膜的表層較納濾膜的表層較RORO膜的表層要疏松得多，但較膜的表層要疏松得多，但較UFUF膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級的表層孔。疏松程度，以形成大量具納米級的表層孔。 納濾截留的相對分子量為納濾截留的相對分子量為100-1000100-1000其操作壓力較低其操作壓力較低, ,一般在一般在0.5-1.5MPa 0.5-1.5MPa 同時納濾膜的通量高同時納濾膜的通量高, , 與反滲透相

9、比，納濾具有能與反滲透相比，納濾具有能耗低的優(yōu)點。因此耗低的優(yōu)點。因此, ,納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白, ,它能截留透過超濾膜的那部分小分量的有機(jī)物它能截留透過超濾膜的那部分小分量的有機(jī)物, ,透析被反滲透膜透析被反滲透膜所截留的無機(jī)鹽。而且，納濾膜對不同價態(tài)離子的截留效果不所截留的無機(jī)鹽。而且，納濾膜對不同價態(tài)離子的截留效果不同同, ,對單價離子的截留率低對單價離子的截留率低(10%-80%),(10%-80%),對二價及多價離子的截留對二價及多價離子的截留率明顯高于單價離子率明顯高于單價離子(90%)(90%)以上。以上。應(yīng)用應(yīng)用： 低聚糖的分

10、離和精制低聚糖的分離和精制 果汁的高濃度濃縮果汁的高濃度濃縮 多肽和氨基酸的分離多肽和氨基酸的分離 離子與荷電膜之間存在唐南離子與荷電膜之間存在唐南(Donnan) (Donnan) 效應(yīng)效應(yīng), ,即相同電荷排斥即相同電荷排斥而相反電荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等電點時是中性的而相反電荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等電點時是中性的, , 當(dāng)高于或低于等電點時帶正電荷或負(fù)電荷。由于一些納濾膜帶當(dāng)高于或低于等電點時帶正電荷或負(fù)電荷。由于一些納濾膜帶有靜電官能團(tuán)有靜電官能團(tuán), , 基于靜電相互作用基于靜電相互作用, , 對離子有一定的截留率對離子有一定的截留率, , 可用于分離氨基酸和多肽。納濾膜對于

11、處于等電點狀態(tài)的氨基可用于分離氨基酸和多肽。納濾膜對于處于等電點狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質(zhì)的截留率幾乎為零酸和多肽等溶質(zhì)的截留率幾乎為零, , 因為溶質(zhì)是電中性的并且因為溶質(zhì)是電中性的并且大小比所用的膜孔徑要小。而對于非等電點狀態(tài)的氨基酸和多大小比所用的膜孔徑要小。而對于非等電點狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質(zhì)的截留率表現(xiàn)出較高的截留率肽等溶質(zhì)的截留率表現(xiàn)出較高的截留率, , 因為溶質(zhì)離子與膜之因為溶質(zhì)離子與膜之間產(chǎn)生靜電排斥間產(chǎn)生靜電排斥, , 即即Donnan Donnan 效應(yīng)而被截留。效應(yīng)而被截留。靜壓差膜分離小結(jié)靜壓差膜分離小結(jié)MF蛋白質(zhì)細(xì)菌MW 1umROUFF新型的新型的nFnF正好介于正

12、好介于UFUF和和RORO之間，截流分子量大概在之間，截流分子量大概在300 - 1000300 - 1000。1 1 溶劑溶劑 2 2 小分子小分子 3 3 大分子大分子 4 4 微粒微粒 鹽分子鹽分子 糖蛋白糖蛋白 病毒病毒 膠體膠體幾種靜壓差膜分離法應(yīng)用比較幾種靜壓差膜分離法應(yīng)用比較 1 2 3 4MF 1 2 3 4UF 1 2 3 4RO4.2.1 反滲透滲透是在膜兩側(cè)的壓力相等的情況下,在濃差作用下溶劑水分子從低濃度向高濃度透過.反滲透是利用外壓將滲透過程逆轉(zhuǎn),達(dá)到分離物質(zhì)的目的.反滲透原理反滲透原理 反滲透（反滲透（Reverse OsmosisReverse Osmosis）分

13、離過程）分離過程是使溶液是使溶液在一定壓力（在一定壓力（10-100 atm10-100 atm）下通過一個多孔膜，）下通過一個多孔膜，在常壓和環(huán)境溫度下收集膜滲透液。溶液中的一在常壓和環(huán)境溫度下收集膜滲透液。溶液中的一個或幾個組分在原液中富集，高濃度溶液留在膜個或幾個組分在原液中富集，高濃度溶液留在膜的高壓側(cè)。的高壓側(cè)。反滲透膜反滲透膜(homogeneous membrane or (homogeneous membrane or skinskintype membrane):type membrane):反滲透膜可截留反滲透膜可截留0.X - 0.X - 60 nm60 nm的粒子的粒子

14、, , 截留粒子分子量可達(dá)截留粒子分子量可達(dá)500500以下。以下。在分析上在分析上, , 反滲透膜可用于富集水溶液中微量有反滲透膜可用于富集水溶液中微量有機(jī)物。機(jī)物。 在反滲透過程的設(shè)計中，溶液的滲透壓數(shù)據(jù)是必不可少的。對于多組分體系得稀溶液，可用擴(kuò)展的范特霍夫滲透壓公式計算溶液的滲透壓 1iniRTc式中，ci溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度，kmol/m3; n溶液中的組分?jǐn)?shù)。對電解質(zhì)水溶液，常引入滲透壓系數(shù)來校正偏離程度，對水溶液中溶質(zhì)i組分，其滲透壓可用下式計算 1 ic RT在實際應(yīng)用中，常用以下簡化方程計算 sBx 4.2.1.2反滲透操作特性參數(shù)計算 基于Sourirajan的優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流

15、動機(jī)理，溶劑和溶質(zhì)通量可用Kimura-Sourirajan模型求算溶劑通量 ()()AARAPJApxx 2/()kmolms 溶質(zhì)通量 ()AmASRARPAPDKJc xc x2/()kmolms 反滲透與納濾膜的截流率 在反滲透過程中，膜的分離性質(zhì)一般用截流率R表示 01PcRc 式中，c0、cP分別為原料液和透過液的濃度，kmol/m3。在納濾過程中，則常用脫鹽率T來表示： 01RcTc 膜過程設(shè)計 過程回收率 定義透過液體積與原料液體積之比 稱為回收率，即0pVV截流液和透過液濃度、回收率和截流率的函數(shù)關(guān)系如下0(1)RRcc0(1)(1)RPccR溶質(zhì)的損失率與膜的截留率和回收率

16、有關(guān)，可用下式表示 1 (1)R 過程脫除率 對納濾過程，由于一次脫鹽率通常較低，一般需經(jīng)多次脫除，因此還取決于過程的總脫鹽率。在恒容脫鹽過程中，假定料液體積V0為常數(shù)，則料液中鹽的濃度由c0-降到c1，透過液的總體積為VP，若過程對鹽的脫鹽率T恒定不變，則有 0V dccTdV 01TtcTc設(shè)則有 101ln(1)pVTVT 4.2.2 超濾超濾 超濾是在超濾是在1-101-10大氣壓作用下分離分子量約大氣壓作用下分離分子量約大于大于10001000的大分子和膠體粒子的方法。超濾的大分子和膠體粒子的方法。超濾膜是一種微孔結(jié)構(gòu)的膜，分離是依靠孔徑的膜是一種微孔結(jié)構(gòu)的膜，分離是依靠孔徑的分布來

17、完成的。分布來完成的。 超濾膜對某一溶質(zhì)的阻止程度可表示為超濾膜對某一溶質(zhì)的阻止程度可表示為： R = (1Cp / Cf) 100C Cp p 和和C Cf f分別是溶質(zhì)在濾出液產(chǎn)物中和原料中分別是溶質(zhì)在濾出液產(chǎn)物中和原料中的濃度的濃度。 1.超濾的基本原理 超濾是通過莫德篩分作用將溶液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)截留，使這些溶質(zhì)與小分子溶劑分離的膜過程。流 速 增 大溫 度 升 高進(jìn) 料 濃 度 降 低膜 阻 力 增 加區(qū) 域 邊 界II II I IpJ純 水圖 1 3 2 4 超 濾 過 程 中 的 傳 質(zhì)I 壓 力 控 制 區(qū) ； I I 過 渡 區(qū) ； I I I 傳 質(zhì) 控 制 區(qū)4.

18、2.2.1 超濾通量方程 1.滲透壓阻力模型)(cmwRRpJ 2.濃差極化與凝膠層阻力模型J、cPcmcbdcDdzJ、cZ= Z=0膜膜凝膠層J,cpdcDdZJ、cZ= Z=0Ggcb圖1325 超濾過程中的濃差極化和凝膠層形成現(xiàn)象(a)濃差極化；(b)凝膠層現(xiàn)象exp()mmbxJxck式中， 稱為濃差極化比，其值越大，濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。mbxx01()vmcdVpJVA dtRrA超濾過程的透過率為 0.50.50()tvcpJr 通量與過率時間的0.5次方衰減的關(guān)聯(lián)式DzdCDJvCJs JvC:向著膜方向傳遞的溶質(zhì)通量 ：反向擴(kuò)散的溶質(zhì)通量Js :透過膜的溶質(zhì)通量dZdCD滲濾

19、是超濾的一種衍生過程，常用于小分子和大分子混合物的分離或精制，被分離的兩種溶質(zhì)的分子量差異較大，通常選取截留分子量介于兩者之間的膜，這種膜對大分子的截留率為100,而對小分子則完全透過。 回 流料 液 槽循 環(huán) 泵循 環(huán) 回 路膜 組 件截 留 液透 過 液料 液 泵（ a）回 流料 液 槽膜 組 件透 過 液料 液 泵循 環(huán) 泵截 留 液料 液膜 組透 過料 液截 留 液料 液料 液料 液槽膜 組 件透 過 液料 液 泵循 環(huán) 泵截 留 液膜 組 件透 過 液(b)(c )(d)圖 13 29 各 種 超 濾 操 作 工 藝（ a） 部 分 循 環(huán) 間 歇 操 作 ;(b)單 級 連 續(xù) 操

20、 作 ;(c )部 分 循 環(huán) 連 續(xù) 操 作 :(d)多 級 連 續(xù) 操 作 ;4.2.2.3超濾過程工藝流程4.2.3 微濾 微濾也是利用微濾膜的篩分機(jī)理，在壓力驅(qū)動下，截留直徑在0.11m之間的顆粒，如懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺寸膠體，多用于給水預(yù)處理系統(tǒng)。 微濾(MF)也可以稱為精過濾。可去除微米(10-6m)級的水中雜質(zhì)，其濾膜的孔徑為005500mm，凡太于孔徑的顆粒均可被截留，但孔徑增大則出水濁度隨之增加?？芍苯佑糜谥兴赜谩⒅迫?yōu)質(zhì)飲用水，也可作為反滲透或納濾的預(yù)處理設(shè)施。 根據(jù)原水水質(zhì)，可經(jīng)過預(yù)過濾以去除大顆粒防止膜過快堵塞，亦可視情況投加混凝劑或粉末活性炭，以生產(chǎn)有機(jī)物含

21、量低的水。但在生產(chǎn)高質(zhì)量水時，通常作為超濾、反滲透或納濾的預(yù)處理設(shè)施。 而在生產(chǎn)高純水時，微濾常作為純水或超濾水生產(chǎn)時的末端處理， 以去除剩余在水中的痕量雜質(zhì)。 目前，市場上的微濾膜多為平板膜折疊式濾芯，膜材料為聚丙烯(PP)或聚砜(PS)、尼龍等。聚砜膜的孔徑經(jīng)常為045mm、02mm或更小，其孔徑分布均勻，水通量大，不易堵塞。而聚丙烯膜的過濾精度范圍廣，價格便宜，但精度差。 另外，無機(jī)精濾膜亦是應(yīng)用在水處理上的重要微濾技術(shù)之一，如陶瓷膜和預(yù)涂膜過濾根據(jù)微濾過程中微粒被膜截留在膜表面或是膜深層的現(xiàn)象,可將微濾分為表面過濾和深層過濾. 表面過濾: 料液中的微粒直徑與膜的孔徑相近, 隨著微濾的進(jìn)

22、行,微粒被膜截留在膜表面并堵塞 膜孔。 完全堵塞式；逐級堵塞式；濾餅過濾式；中間堵塞式； 深層過濾：在微濾過程中，膜孔的孔徑大于被濾微粒的粒徑，流體中的粒子能進(jìn)入膜的深層并被除去。4.2.4滲透氣化與蒸汽滲透 1.滲透汽化及蒸汽滲透原理 滲透汽化是指液體混合物在膜兩側(cè)壓差得作用，利用膜對被分離混合物中某組分有優(yōu)先選擇性透過膜得特點，使料液側(cè)優(yōu)先滲透組分滲透通過膜，在膜得下游側(cè)汽化去除，從而達(dá)到混合物分離提純得一種新型膜分離技術(shù)。 蒸汽滲透過程與滲透汽化過程不同之處是，蒸汽滲透為氣相進(jìn)料，相變過程通常發(fā)生在 進(jìn)裝置前，在過程中蒸汽相 滲透通過膜，達(dá)到混合物的 分離與純化。t膜 上 游 側(cè) 液 相

23、膜 下 游 側(cè) 氣 相p2A=p2yAp1A=pA0 xAc1c2圖 13 30a 液 體 滲 透 汽 化 通 過 致 密 膜 時 的 濃 度 與 分 壓 差 分 布滲透通量和分離因子 根據(jù)滲透氣化傳遞過程的基本原理，組分A，B通過膜的滲透速率可用下式表示 02()AMAAAAAAmPJp xf P yl02(1)(1)BMBBBAAAmPJpxf Pyl 00(1)(1)ABMAAAAMBBAAPpyxPpxyPMA,PMB:組分A和B 的滲透率;lm:膜厚;p0A,p0B:組分A和B的飽和蒸氣壓;p1,p2:膜上下側(cè)汽相總壓;xA、yA：A在膜兩側(cè)的汽相組成兩式括號中的第二項可略，上式除以

24、下式并簡化后可得4.3 以濃度差為推動力的膜分離過程 4.3.1 滲析過程 在濃度梯度為推動力下,使一股液流中的一種或多種溶質(zhì)通過膜傳遞到另一股液流中,最后達(dá)到原料液中溶質(zhì)被脫除的過程稱為滲析。4.3.2氣體分離 1.氣體在膜內(nèi)的傳遞機(jī)理(a) (b) (c) (d)圖1331 氣體在各種不同膜中的傳遞(a)分子擴(kuò)散;(b)努森擴(kuò)散;(c)分子篩分;(d)溶解擴(kuò)散;氣體的選擇性和滲透性 對于理想氣體在多孔膜中的傳遞，如果膜兩側(cè)的氣體總壓力、溫度相等，則可用氣體的分壓差作為推動力來表示。若忽略主體流動，則氣體的滲透通量可用費(fèi)克定律來計算： 0()lMiiimDJppRTl為有效擴(kuò)散系數(shù)MD的計算

25、與氣體在膜孔內(nèi)的流動狀態(tài)有關(guān)，一般根據(jù)努森（Knudsen）數(shù)的大小來區(qū)分，努森數(shù)Kn可用下式計算d:膜孔徑; :氣體分子平均自由程MD PKnd 當(dāng)Kn0.01時，黏性流流動，可用Hagen-Poiseuille定律描述。在這種黏性流動范圍內(nèi)，氣體混合物不能被膜分離。)11(KPABPPDDD 當(dāng)kn1.0，尤其當(dāng)Kn10時，氣體分子平均自由成遠(yuǎn)大于膜孔徑，此類擴(kuò)散現(xiàn)象稱為努森擴(kuò)散，氣體以努森擴(kuò)散機(jī)理通過膜。 當(dāng)Kn數(shù)介于以上值之間，尤其當(dāng)Kn數(shù)在1附近時擴(kuò)散為過渡區(qū)擴(kuò)散。已知分子擴(kuò)散和努森擴(kuò)散系數(shù)，則過渡區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)可近似用下式計算：DAB:雙分子擴(kuò)散系數(shù);:孔隙率;:膜孔曲折因子;DKp

26、:努森擴(kuò)散系數(shù) 1248.5()KPPiTDdMABABPDD1)11(KPABPPDDD4.4以電位差為推動力的膜分離過程 電滲析和膜電解是以電位差為推動力來傳遞帶電荷組分的膜分離技術(shù)。在電場推動力作用下，溶液中帶電離子可以通過陰陽離子交換膜而分離。但膜電解過程中在電極上有電極反應(yīng)，常伴有氣體生成。4.4.1電滲析(Electrodialysis) 電滲析電滲析是利用離子交換膜和直流電場的是利用離子交換膜和直流電場的作用，從水溶液和其他不帶電組分中分離作用，從水溶液和其他不帶電組分中分離帶電離子組分的一種帶電離子組分的一種電化學(xué)分離電化學(xué)分離過程。過程。 用于海水淡化、純水制備和廢水處理。在

27、分用于海水淡化、純水制備和廢水處理。在分析上可用于無機(jī)鹽溶液的濃縮或脫鹽；溶解的析上可用于無機(jī)鹽溶液的濃縮或脫鹽；溶解的電離物質(zhì)和中性物質(zhì)的分離。電離物質(zhì)和中性物質(zhì)的分離。三、電滲析器的構(gòu)造與組裝：1、構(gòu)造：2、組裝： 4.4.1.1.電滲析過程原理 1C1C1C1C1C1CN aN aN aN aN aN a12345 陽 膜陰 膜陽 膜陰 膜陰 極陽 極濃 縮 室淡 化 室濃 縮 室圖 1 3 3 9 電 滲 析 過 程 原 理 示 意 圖電滲析器中交替排列著許多陽膜和陰膜，分隔成小水室。當(dāng)原水進(jìn)入這些小室時，在直流電場的作用下，溶液中的離子就作定向遷移。陽膜只允許陽離子通過而把陰離子截留

28、下來；陰膜只允許陰離子通過而把陽離子截留下來。結(jié)果這些小室的一部分變成含離子很少的淡水室淡水室，出水稱為淡淡水水。而與淡水室相鄰的小室則變成聚集大量離子的濃水室濃水室，出水稱為濃水濃水。從而使離子得到了分離和濃縮，水便得到了凈化。海水淡化-電滲析原理1 1 離子在電場下的定向遷移離子在電場下的定向遷移2 2 膜的選擇性透過膜的選擇性透過3 3 分離對象分離對象/ /產(chǎn)品的去向產(chǎn)品的去向關(guān)注+-極水極水 鹽水鹽水 淡水淡水 4.4.1.2.電滲析器及其脫鹽流程設(shè)計（1）電滲析器及其脫鹽流程(a)(b)(c)(d)圖1342 液體在各種組裝形式電滲析器中的流動(a)一級一段并聯(lián)；(b)二級一段并聯(lián)

29、；(c)一級二段并聯(lián)；(d)二級二段串聯(lián)進(jìn)水進(jìn)水進(jìn)水進(jìn)水（ a）（ b)濃 縮 液稀 釋 液原 液濃 縮 液稀 釋 液原 液濃 縮 液原 液稀 釋 液(c)圖 13 43 電 滲 析 器 的 脫 鹽 流 程（ a） 一 次 通 過 連 續(xù) 式 ； (b)部 分 循 環(huán) 式 ； (c)循 環(huán) 間 歇 式4.4.1.3 電滲析過程中的傳遞現(xiàn)象AC陰 膜陽 膜2(0)HC1Na+(H20)C1（ H2O）H2ONaC1+H2OOHHNa+(H2O)C1(H2O)Na+(H2O)123456+陽 極陰 極（ a）陰 極+陽 極AC邊 界 層陰 離 子 累 積 區(qū)陽 離 子 累 積 區(qū)陰 離 子 耗 竭

30、 區(qū)陽 離 子 耗 竭 區(qū)(b)圖 13 40 電 滲 析 過 程 中 的 傳 遞 與 濃 差 極 化 （ A 陰 離 子 交 換 膜 ； C 陽 離 子 交 換 膜 ） （ a） 各 種 遷 移 及 傳 遞 ;(b)濃 差 極 化4.4.1.4電滲析器工藝參數(shù)計算 （1）電解質(zhì)傳質(zhì)通量電解質(zhì)傳質(zhì)通量公式：CDsFIttNseac)1 (（2）水的傳遞通量 Nw=Ie+KwC ，Kw：水的電滲析系數(shù)和滲透系數(shù) 電解質(zhì)傳質(zhì)通量除以水的傳遞通量，得 當(dāng)膜的有關(guān)特性數(shù)據(jù)知道后，就可以算出電流效率和濃縮也濃度CKwIeCDsFIea tc tC) 1(（3）離子遷移數(shù) 在陰膜-NaCl溶液體系內(nèi)，膜內(nèi)

31、離子遷移數(shù)可用同名離子遷移數(shù)和反離子遷移數(shù)表示。 同名離子遷移數(shù)： 反離子遷移數(shù)：ClNaNaClNaNaqqqCCCatClNaClCllClClqqqCNaCCt某些離子的膜遷移數(shù)也可以由膜電位計算020mmmMEEEt（4）選擇透過度 反離子在膜內(nèi)遷移數(shù)實際增值與理想增值比為膜的選擇透過度： tL：反離子在溶液中的遷移數(shù) ：反離子在膜的遷移數(shù) ：反離子在理想膜中的遷移數(shù)為100%LLMLMLMtttttttP10Mt0Mt（5）電流效率 電流效率是電滲析器的主要技術(shù)指標(biāo) 實際過程中常采用單位時間內(nèi)實際脫鹽量與理論脫鹽量之比作為電流效率Q：淡化水量 C：滲析液進(jìn)出口濃度差I(lǐng)eFCDstta

32、c) 1(單位時間理論脫鹽量單位時間實際脫鹽量FICQ/（6）電流密度 極限電流密度：電滲析過程中，當(dāng)在脫鹽室側(cè)膜表面的液-膜邊界層內(nèi)形成濃差極化時所施加的電流密度。)(limLMttZFDsCI實際應(yīng)用中電滲析器的極限電流密度用Willson經(jīng)驗公式表示 Ilim= :膜面線速度 :滲析流進(jìn)、出口對數(shù)平均濃度 在實際店滲析工藝過程中，一般先求得極限電流密度，再計算操作電流密度 fc、ft、fs為電解質(zhì)組成換算系數(shù)、溫度換算系數(shù)、溶液特性安全系數(shù)CabCstcDf ffCICIlim4.4.1.5電滲析工藝設(shè)計基礎(chǔ) (1)最佳操作電流密度 利用電滲析進(jìn)行脫鹽或濃縮,其產(chǎn)品成本與電流密度有關(guān),如

33、p93圖4-32d=aIe+Ie/b+c對上式微分,即可得到既不超過極限電流密度,又使過程費(fèi)用為最低的最佳操作電流密度2/1)(abIopt通過對完成一定脫鹽量所需電能和膜面積 的分析可得:2/19 .22(）整psmoptdRydI(2)脫鹽率和濃度比 通常取一級一段膜對為基準(zhǔn)計算脫鹽率 將膜對滲析流和濃縮流進(jìn)口濃度的比值定義為濃度比%100XCCCRdidodicidiCCg 根據(jù)物料平衡,滲析液濃度Cdo和濃縮液濃度Cco可分別用脫鹽率表示 Cdo=Cdi(1-R) Cco=Cdi(1-R) 對多級多段電滲析過程,其總脫鹽率可用下式計算 Cdf,Cdp為進(jìn)料濃度和出口產(chǎn)物濃度%100XC

34、CCRdfdpdf總在極限電流密度下,流程長度與滲析六濃度分布的關(guān)系式有: F:法拉第常數(shù) L:脫鹽室流道長度 d:脫鹽室膜間距)exp(limCFdLICCdico若用實際操作電流密度代替極限電流密度 則有: 減小線速度可使脫鹽率提高,但由于極限電流密度降低,所需膜面積也將增大)(dFLf ffaEXPCCstcbdico操作電流、極限電流、操作濃度、極限濃度有如下關(guān)系式：limlim)()(IICCCCDdodiDdodi（3）膜面積的計算 對部分循環(huán)式多級電滲析脫鹽系統(tǒng)，有 QR：脫鹽室循環(huán)量 n：X系統(tǒng)段數(shù) QF：進(jìn)料量nFRPFCCQQCC1) 1(01膜面積 若所處理的進(jìn)料量已知則

35、膜面積有:DPFFIFCCQS)(VdLQSR4.4.2膜電解(自學(xué)) 4.5 濃差極化對膜分離過程的影響 濃差極化：電滲析器在運(yùn)轉(zhuǎn)中，膜兩邊出現(xiàn)濃度差的膜界面現(xiàn)象稱濃差極化。 濃差極化和膜污染常常同時發(fā)生,不能嚴(yán)格區(qū)分。但濃差極化現(xiàn)象是可逆的，可以改變操作條件來控制，而膜污染常常是不可逆的，必須通過對膜的清洗甚至調(diào)換來克服。4.5.1超濾和反滲透中的濃差極化 在膜分離過程中，水連同小分子透過膜，而大分子溶質(zhì)則被膜所阻攔并不斷積累在膜表面上，使溶質(zhì)在膜面處的濃度Cm高于溶質(zhì)在主體溶液中的濃度Cb，從而在膜附近邊界層內(nèi)形成濃度差Cm-Cb，并促使溶質(zhì)從膜表面向著主體溶液進(jìn)行反向擴(kuò)散，這種現(xiàn)象稱為

36、濃差極化。 由于進(jìn)行超濾的溶液主要含有大分子，其在水中的擴(kuò)散系數(shù)極小，導(dǎo)致超濾的濃差極化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。引起反滲透和超濾過程中濃差極化現(xiàn)象的原因是 相同的,但兩者所產(chǎn)生的影響是非常的不同。 反滲透中，積累在 膜表面上的低分子量組分，隨著溶液濃度的增加，滲透壓也會增加，通過膜的傳遞速率也會下降 超濾過程中，被膜所截留的通常為大分子，溶液濃度所引起的滲透壓變化對過程影響不大，一般不考慮，但濃差極化的影響則十分明顯。濃差極化的影響可以通過膜的傳遞模型描述。當(dāng)超濾達(dá)到平衡時，濃差極化模型方程可寫為： 若定義傳質(zhì)系數(shù)=D/，當(dāng)xp遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于xb和xm時上式可簡化為：CDJxxxxwpbpm)ln()exp(

37、CkJwxxbm式中， 稱為濃差極化比，其值越大，濃差極化現(xiàn)象越嚴(yán)重。 在反滲透中，當(dāng)膜的通量不太大，且溶質(zhì)為小分子物質(zhì)時，只要采用適當(dāng)?shù)牧黧w分布器改善料液的流動狀態(tài)，則濃差極化比可以很容易地下降到15以下。對純水，濾速隨壓差的增加呈線性增加。而大分子溶液，濾速增加到一定值后則不隨壓差的增大而增加。溶質(zhì)的濃度越高，則通量越低，溫度升高，通量增加。mbxx操作壓差對超濾通量的影響流速增大溫度升高進(jìn)料濃度降低膜阻力增加區(qū)域邊界II II I IpJ純水圖1 3 2 4 超濾過程中的傳質(zhì)I 壓力控制區(qū)；I I 過渡區(qū)；I I I 傳質(zhì)控制區(qū)4.5.2電滲析中的濃差極化 當(dāng)工作電流密度過大時時，在膜-

38、液界面 上會形成離子耗竭層,在耗竭層中溶液的 電阻會變得很大,當(dāng)恒定的工作電流通過 耗竭層時會引起非常大的電位降,并迫使 溶液中的水分子離解,產(chǎn)生的H+和OH-代 替離子導(dǎo)電，這一現(xiàn)象稱為極化。極化是電滲析器運(yùn)行中常見問題，其危害如下。極化是電滲析器運(yùn)行中常見問題，其危害如下。 (1)降低電流功率降低電流功率 由于極化時、導(dǎo)致水分子大量解由于極化時、導(dǎo)致水分子大量解離，在電場作用下，水的解離造成離，在電場作用下，水的解離造成H和和OH離子的離子的遷移，可見其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無關(guān)遷移，可見其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無關(guān)的的H和和OH離子遷移上，使電流功率下降。離子遷移上，使電

39、流功率下降。 (2)降低除鹽率和產(chǎn)率降低除鹽率和產(chǎn)率 極化會在濃水室陰膜表面上極化會在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對運(yùn)行帶來不良的影響。產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對運(yùn)行帶來不良的影響。 (3)淡水淡水pH值下降。值下降。 (4)膜的使用壽命縮短。膜的使用壽命縮短。 防止極化的方法： A、控制工作電流密度使之小于極限電流密度，控制i工=70- 90%i極， B、定期倒換電極，減緩水垢生成。 C、定期對電滲析器進(jìn)行酸洗，用11.5%鹽酸。 D、增加水流速度，減輕極化現(xiàn)象。極化與沉淀：防止和消除結(jié)垢的主要措施：電滲析技術(shù)的新發(fā)展： (1)頻繁倒極電滲析工藝：配有自動化控制，每小時倒換電極頻繁倒極電

40、滲析工藝：配有自動化控制，每小時倒換電極2-3次，對于消除和防止結(jié)垢有良好效果。次，對于消除和防止結(jié)垢有良好效果。 (2)提高電滲析器的水利用率：采用濃水循環(huán)并加入少量鹽酸提高電滲析器的水利用率：采用濃水循環(huán)并加入少量鹽酸的方法，使水利用率提高到的方法，使水利用率提高到7090。 (3)高溫電滲析：將進(jìn)水加熱到高溫電滲析：將進(jìn)水加熱到7075，電滲析工效大為提，電滲析工效大為提高，電耗顯著下降，但要求膜能耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、強(qiáng)度好。高，電耗顯著下降，但要求膜能耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、強(qiáng)度好。 (4)不解體清洗的電滲析：研制出有效的化學(xué)清洗液，用以清不解體清洗的電滲析：研制出有效的化學(xué)清洗液，用以清

41、除膜面附著物除膜面附著物(軟垢軟垢)，可使裝置在，可使裝置在23年內(nèi)不必拆開清洗。年內(nèi)不必拆開清洗。 (5)鼓泡式電滲析：借助于放入氣泡的攪動作用來提高傳質(zhì)效鼓泡式電滲析：借助于放入氣泡的攪動作用來提高傳質(zhì)效果，并能清除膜面污染，該裝置不設(shè)置隔網(wǎng)，預(yù)處理亦可簡化，果，并能清除膜面污染，該裝置不設(shè)置隔網(wǎng)，預(yù)處理亦可簡化，由于借空氣的提升力，即可注入水，給水泵亦可省去。由于借空氣的提升力，即可注入水，給水泵亦可省去。 (6)與其它脫鹽技術(shù)相組合的除鹽工藝研究：如與離子交換聯(lián)與其它脫鹽技術(shù)相組合的除鹽工藝研究：如與離子交換聯(lián)合組成適應(yīng)范圍更廣的電滲析離子交換除鹽系統(tǒng)。合組成適應(yīng)范圍更廣的電滲析離子交

42、換除鹽系統(tǒng)。4.5.3其他膜分離過程中的濃差極化 滲析過程中的濃差極化比較容易控制 氣體分離中濃差極化可以忽略不計 微孔過濾中被阻擋的微粒一般沉積在膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部,在膜表面很少有濃差極化. 降低濃差極化的方法有水力法和物理、化學(xué)方法 見P1044.7膜組件 膜一般被制成膜組件,然后將膜組件組裝成膜分離設(shè)備。不同的分離過程，采用的膜組件類型和結(jié)構(gòu)也不同常見的膜組件膜分離設(shè)備膜分離設(shè)備: : 1)1)平板式膜組件平板式膜組件 平板式膜組件使用平板式膜，這類膜器件的結(jié)平板式膜組件使用平板式膜，這類膜器件的結(jié)構(gòu)與常用的板框壓濾機(jī)類似，由導(dǎo)流板、膜、構(gòu)與常用的板框壓濾機(jī)類似，由導(dǎo)流板、膜、支承板交替重疊組成。支承板交替重疊組成。 優(yōu)點優(yōu)點: 組裝方便，膜的清洗更換比較容易，料液流通截面較 大，不易堵塞，同一設(shè)備可視生產(chǎn)需要而組裝不同數(shù)量的膜。 缺點缺點: : 需密封的邊界線長 2) 2) 卷式膜組件卷式膜組件 卷式膜組件也是用平板膜制成的，其結(jié)構(gòu)與卷式膜組件也是用平板膜制成的，其結(jié)構(gòu)與螺旋板式換熱器類似。螺旋板式換熱器類似。 優(yōu)