第十章膜分離

1、第十章 膜分離本章學(xué)習(xí)目的與要求n了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機理和各種分離膜的構(gòu)造與特性n了解膜組件的構(gòu)成、膜分離裝置及典型流程。n了解各種因素對膜分離的影響。 n掌握膜分離過程中濃差極化與膜污染的產(chǎn)生原因與消除方法。n重點掌握膜分離裝置的選用。10-1 概述v按膜的孔徑、傳質(zhì)動力和傳遞機理n膜分離過程過程孔徑推動力傳遞機制微濾0.0210m壓力差約為105Pa篩分超濾0.0010.02m相對分子質(zhì)量103106壓力差105106Pa篩分納濾1nm相對分子量2001000壓力差51051.5106Pa溶解擴散Donnan效應(yīng)反滲透0.11nm壓力差106107Pa優(yōu)先吸附、毛細(xì)管流動、

2、溶解-擴散氣體分離無孔壓力差106107Pa溶解-擴散滲析13nm濃度差篩分加上擴散度差電滲析相對分子質(zhì)量200電位差反離子遷移滲透蒸發(fā)無孔分壓差、濃度差溶解-擴散n按動力本質(zhì)分v以靜壓力差為推動力的過程微濾（microfiltration, MF)超濾（ultrafiltration, UF）反滲透（reverse osmosis, RO)納濾（nanofiltration, NF)v以蒸汽分壓為推動力的過程膜蒸餾（membrane distillation, MD)滲透蒸發(fā)（pervaporation, PV）v以濃度差為推動力的過程滲析（dialysis, D)v以電位差為推動力的過程電

3、滲析（electrodialysis, ED)n膜的分類n常見膜均質(zhì)膜非對稱性膜微孔對稱性膜n常見膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜n膜性能v分離透過性分離效率滲透通量通量衰減系數(shù)v物化穩(wěn)定性膜強度壓力溫度pH耐受性1pbcRc 1wbcRc 0mJJ10-2 反滲透n反滲透的基本原理滲透與反滲透反滲透的傳質(zhì)機理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進入膜內(nèi)，最后透過膜；溶質(zhì)通過高分子鏈間空穴，以空穴型擴散透過膜。優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動模型溶解擴散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原料一側(cè)膜表面，然后以擴散的方式通過膜，在膜另一側(cè)表面解吸。可用于通過致密均質(zhì)膜的傳質(zhì)過程，不要求致密是有孔的。10-2 反滲透n反滲透的濃差極化現(xiàn)

4、象v濃差極化現(xiàn)象v濃差極化對反滲透的影響n反滲透的滲透通量v因素滲透通量的因素：操作壓差操作溫度料液速度料液的濃縮程度膜材料與結(jié)構(gòu)反滲透的流程和裝置反滲透的工藝流程透過液的回收率不高，在工業(yè)中很少采用 v一級一段連續(xù)式v一級一段循環(huán)式部分濃縮液返回進料液貯槽與原有的進料液混合后，再次通過組件分離。因濃縮液中溶質(zhì)含量較原料液高，所以透過液的質(zhì)量有所下降 。反滲透的工藝流程v一級多段連續(xù)式水的回收率提高，濃縮液的量減少，但濃縮液中溶質(zhì)的含量增大。 這種方式得到的濃縮液由于經(jīng)過多段流動，壓力損失較大，生產(chǎn)率下降，為此需增設(shè)高壓泵。反滲透的工藝流程v一級多段循環(huán)式第二段的透過水質(zhì)較第一段差，這種方法可

5、得到較高濃度的濃縮液。 反滲透的工藝流程v多級多段配置對膜的選擇更廣泛每一級膜兩側(cè)的濃差減小，操作壓差可以降低對設(shè)備的要求降低；但各級多需要泵將料液提高到較高的壓力，能耗增加。 反滲透的工藝流程10-3 超濾n超濾原理超濾過程的傳質(zhì)模型v篩子模型wgmpJRR1bswpcJJc溶劑的滲透通量：溶質(zhì)的滲透通量：水的滲透通量：v細(xì)孔模型2222481 6119211pwsFpssFpprJPrSrrrSrr 超濾的濃差極化現(xiàn)象v減輕差極化的方法v超濾的濃差極化現(xiàn)象回收率的控制 （單個組件15%,整機50）流動型態(tài)和流程的控制 （壓降控制在3.924.9MPa）填料法攪拌法擴大擴散系數(shù)法設(shè)置湍流促進

6、器脈沖法影響超濾滲透通量的因素及控制方法v影響因素：操作壓差料液濃度料液流速溫度截留液濃度操作時間v控制方法選擇合適的膜材料料液的預(yù)處理膜的清洗超濾的流程和裝置間歇錯流v超濾的流程截留液全循環(huán)截留液部分循環(huán)連續(xù)錯流v超濾的流程單段連續(xù)操作多段連續(xù)操作超濾和反滲透的主要設(shè)備v主要設(shè)備 反滲透和超濾操作的基本設(shè)備包括預(yù)處理過濾器、高壓泵、膜組件。其中膜組件是反滲透和超濾操作的主體設(shè)備。v膜組件板式管式螺旋卷式中空纖維式平板式膜組件管式膜組件螺卷式膜組件中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件10-4 電滲析n基本原理10-4 電滲析n電滲析中的傳遞過程與伴隨過程10-4 電滲析n離子交換膜的選擇透過性空隙作用

7、磺酸型陽膜的空隙結(jié)構(gòu)作用靜電作用和擴散作用離子交換膜的選擇透過性0-4 電滲析n電滲析中的電化學(xué)過程v電滲析的推動力電位差電極反應(yīng)膜電位電阻電流+-222-1+-21HO = H+ O H ; 2 O H-2 e=O+ HO21C l-e=C l ; H+ C l = H C l2+-+22+-H +OH =H O; 2H +2e=H+OH =NaOHNa陽極陰極10-4 電滲析n濃差極化v濃差極化和極限電流密度v防治極化的方法v極限電流密度的計算極化時的濃度分布和離子遷移電流極限密度：0limAAAZFD cittZ 和DA分別是陽離子A的價數(shù)和擴散系，F(xiàn)法拉第常數(shù)10-4 電滲析n電滲析裝置v基本結(jié)構(gòu)n電滲析的主要部件v膜堆v極區(qū)v其他部件濃、淡水隔板（a）有回路 （b）無回路1，6料液流道；2，5進水孔；3，8出水孔；4，7隔網(wǎng)n電滲析的操作流程多級連續(xù)電滲析操作間歇電滲析操作單級連續(xù)電滲析操作膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用10-5 液膜分離技術(shù)析n液膜的分類與組成v乳狀液膜v支撐液膜乳狀液膜示意圖支撐液膜示意圖v液膜的組成 包括膜溶劑、表面活性劑和活性載體等。n液膜分離機理v無載體液膜分