分離技術(shù)課件(電滲析后)

1、第五節(jié)電滲析第五節(jié)電滲析一、基本原理一、基本原理在在直流電場(chǎng)直流電場(chǎng)作用下，利用作用下，利用離子交換膜離子交換膜的的選擇透過性選擇透過性，產(chǎn)生產(chǎn)生陰陽(yáng)離子陰陽(yáng)離子的的定向遷移定向遷移，達(dá)到溶液，達(dá)到溶液分離、提純分離、提純和和濃濃縮縮的傳遞過程。的傳遞過程。 離子交換膜：離子交換膜：高分子材料高分子材料制成，具制成，具離子交換基團(tuán)離子交換基團(tuán)的薄膜的薄膜 可離解的可離解的活性基團(tuán)活性基團(tuán)： 磺酸型陽(yáng)膜磺酸型陽(yáng)膜SO3H 季胺型陰膜季胺型陰膜N(CH3)3OH 在水溶液中解離：在水溶液中解離： R-SO3- H RN(CH3)3OH電滲析的原理（以鹽水中電滲析的原理（以鹽水中NaCl 的的脫除為

2、例）脫除為例）:NaNaNaNaNaNaClClClClClCl陽(yáng)膜陰膜陽(yáng)膜陰膜陰極陽(yáng)極濃縮室濃縮室淡化室直流電源12345 反離子遷移：與反離子遷移：與膜所帶電荷相反膜所帶電荷相反的的離子穿過膜離子穿過膜的現(xiàn)象的現(xiàn)象 膜上的反離子膜上的反離子( H、OH)進(jìn)入溶液，進(jìn)入溶液，固定基團(tuán)固定基團(tuán)吸引吸引溶液中的異性電荷離子，溶液中的異性電荷離子，具選擇性具選擇性 脫除離子的基本條件：脫除離子的基本條件： 直流電場(chǎng)使陽(yáng)、陰離子直流電場(chǎng)使陽(yáng)、陰離子定向運(yùn)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng) 陽(yáng)離子陽(yáng)離子陰極，陰離子陰極，陰離子陽(yáng)極陽(yáng)極 離子交換膜的選擇透過，溶液中離子作離子交換膜的選擇透過，溶液中離子作反離子遷移反離子遷移二

3、、電滲析中的傳遞過程二、電滲析中的傳遞過程1、反離子遷移反離子遷移 為主要傳遞過程，起脫鹽分離作用為主要傳遞過程，起脫鹽分離作用2、同性離子遷移同性離子遷移 與膜的固定基團(tuán)帶相同電荷的離子透過膜與膜的固定基團(tuán)帶相同電荷的離子透過膜 （膜選擇性膜選擇性 JA( e ) 膜面右側(cè)陽(yáng)離子濃度下降，引起濃度差傳遞膜面右側(cè)陽(yáng)離子濃度下降，引起濃度差傳遞JA ( d ) DA ：陽(yáng)離子：陽(yáng)離子A+ 的擴(kuò)散系數(shù)的擴(kuò)散系數(shù) dC/ / dx ： - - 濃度梯度濃度梯度 設(shè)邊界層內(nèi)為層流，且設(shè)邊界層內(nèi)為層流，且DA為常數(shù)，則上式積分為：為常數(shù)，則上式積分為： 20CCDdJAA C0、C2：溶液主體與陽(yáng)膜右側(cè)

4、界面溶液中：溶液主體與陽(yáng)膜右側(cè)界面溶液中A+的濃度的濃度過程達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)：過程達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)： dxdCDdJdJeJeJAAAAACDCCDttzFiAAAA20)( 當(dāng)當(dāng)i ilim ，C2 = 0，迫使水解離由，迫使水解離由H傳遞電流，傳遞電流， 此為電滲析的此為電滲析的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象 實(shí)際實(shí)際 i ilim 陰膜陰膜兩側(cè)也會(huì)產(chǎn)生極化兩側(cè)也會(huì)產(chǎn)生極化AAoAttCzFDilim 當(dāng)當(dāng)i，濃差，濃差C，C2； 當(dāng)當(dāng)i 增大到一定程度，增大到一定程度， C20，CC0， 此時(shí)的此時(shí)的 i 稱極限電流稱極限電流 ilim 影響極限電流密度影響極限電流密度ilim 的因素的因素： 膜種類、離子種類、膜種

5、類、離子種類、 離子濃度、溫度、水流速、離子濃度、溫度、水流速、 隔板結(jié)構(gòu)形成等。隔板結(jié)構(gòu)形成等。 ilim，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率提高電滲器的性能提高電滲器的性能 影響影響濃差極化濃差極化的因素的因素： 離子性質(zhì)與膜的性質(zhì)離子性質(zhì)與膜的性質(zhì)：DA, tA , tA, Z 溶液的溶液的濃度濃度C0： C0 小小 ， ilim小小 溫度溫度：溫度高，：溫度高， DA大，大， ilim大，有利大，有利 邊界層的厚度邊界層的厚度 ： 小，小， ilim大，有利大，有利 與流速、膜間流道間距、溶液粘度有關(guān)與流速、膜間流道間距、溶液粘度有關(guān) 流速高，間距小，粘度低，流速高，間距小，粘度低

6、， 小，小，有利有利AAoAttCzFDilim 濃差極化的濃差極化的危害危害： 易形成沉淀的離子在膜面產(chǎn)生沉淀，膜電阻易形成沉淀的離子在膜面產(chǎn)生沉淀，膜電阻， 有效面積有效面積 水電離和水電離和 H、OH的的遷移損耗電流，電流效率遷移損耗電流，電流效率， 電耗電耗 極化時(shí)的極化時(shí)的pH值變化值變化, 造成膜腐蝕，縮短壽命造成膜腐蝕，縮短壽命減輕濃差極化的措施減輕濃差極化的措施: 控制電流控制電流, ,使其低于使其低于極限電流密度極限電流密度 提高淡化室兩側(cè)離子的傳遞速率提高淡化室兩側(cè)離子的傳遞速率 定期定期清洗清洗或采用或采用防垢劑防垢劑和和倒換電極倒換電極等措施消除等措施消除 沉淀沉淀,

7、,也可對(duì)水進(jìn)行預(yù)處理也可對(duì)水進(jìn)行預(yù)處理, ,除去易沉淀的離子除去易沉淀的離子 提高溫度提高溫度, ,減小溶液粘度減小溶液粘度, ,增大增大DA 高溫電滲析高溫電滲析五、電滲析的流程五、電滲析的流程 多采用多采用板框式板框式陰極陰膜濃縮室隔板陽(yáng)膜淡化室隔板陰膜陰極陰膜濃縮室隔板陽(yáng)膜淡化室隔板陰膜濃縮室隔板陽(yáng)膜陽(yáng)極濃縮室隔板陽(yáng)膜陽(yáng)極等構(gòu)成組件等構(gòu)成組件 為減輕濃差極化，電流密度為減輕濃差極化，電流密度不能太高，水流速不能太低，不能太高，水流速不能太低，故水經(jīng)淡化室一次除去的離子故水經(jīng)淡化室一次除去的離子量有限，量有限， 據(jù)原水含鹽量與據(jù)原水含鹽量與脫鹽要求，采用不同流程脫鹽要求，采用不同流程一+出

8、水出水進(jìn)水進(jìn)水二段電滲析器二段電滲析器串聯(lián)，提串聯(lián)，提高脫鹽率高脫鹽率D+一CDCDD+一CDCD第1臺(tái)第2臺(tái)第3臺(tái)C濃縮室D淡化室脫鹽水一次連續(xù)脫鹽流程一次連續(xù)脫鹽流程D+一CDCD循環(huán)操作流程（間歇）循環(huán)操作流程（間歇）六、電滲析法的應(yīng)用六、電滲析法的應(yīng)用 1、水的脫鹽純化和濃縮：、水的脫鹽純化和濃縮： 與與離子交換離子交換結(jié)合制高純水結(jié)合制高純水 苦咸水和海水淡化苦咸水和海水淡化 海水、鹽泉鹵水海水、鹽泉鹵水濃縮制鹽濃縮制鹽 日本日本 增加產(chǎn)量，降低成本（與增加產(chǎn)量，降低成本（與真空蒸發(fā)真空蒸發(fā)制鹽比較制鹽比較） 與與蒸餾法蒸餾法、萃取法萃取法、離子交換法離子交換法、反滲透法反滲透法相比

9、相比, ,電滲析電滲析脫鹽的脫鹽的特點(diǎn)特點(diǎn)：（1）僅用電能，連續(xù)操作，不需再生（反滲透用高壓）僅用電能，連續(xù)操作，不需再生（反滲透用高壓）（2）無(wú)物質(zhì)狀態(tài)的變化，耗能較?。o(wú)物質(zhì)狀態(tài)的變化，耗能較小（3）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便（4）電極上的氧化、還原反應(yīng)可利用電極上的氧化、還原反應(yīng)可利用 電滲析法電滲析法純化水純化水還有以下特點(diǎn)：還有以下特點(diǎn)：（1）脫鹽能耗與）脫鹽能耗與含鹽量含鹽量成成正比正比，只適用于，只適用于含鹽量低含鹽量低的的 苦咸水苦咸水脫鹽，不適合含鹽量高的海水淡化脫鹽，不適合含鹽量高的海水淡化（2）當(dāng)原水含鹽濃度當(dāng)原水含鹽濃度過低過低時(shí)，溶液時(shí)，溶液電阻大電阻大，

10、也不經(jīng)濟(jì)，也不經(jīng)濟(jì) 制高純水采用制高純水采用電滲析電滲析和和離子交換離子交換結(jié)合結(jié)合 2、廢水處理：廢水處理： 廢水凈化、重新利用并回收其中有價(jià)值的組份廢水凈化、重新利用并回收其中有價(jià)值的組份 從從金屬酸洗金屬酸洗廢水中回收廢水中回收酸酸與與金屬金屬 從從電鍍電鍍廢水中回收廢水中回收Cu、Zn、Ni、Cr等金屬等金屬 從合從合成纖維成纖維廠廢水中回收廠廢水中回收Z(yǔ)nSO4、Na2SO4等等 從從造紙?jiān)旒垙U水中回收堿、廢水中回收堿、Na2SO3、木質(zhì)素木質(zhì)素等等 木質(zhì)素木質(zhì)素： 世界第二位最豐富的有機(jī)物世界第二位最豐富的有機(jī)物(纖維素第一纖維素第一)，造紙?jiān)旒埡谝汉谝?由四種醇的由四種醇的單體單

11、體(對(duì)香豆醇、松柏醇、對(duì)香豆醇、松柏醇、5-羥基松柏醇、芥羥基松柏醇、芥子醇子醇) 形成的一種形成的一種復(fù)雜的酚類聚合物復(fù)雜的酚類聚合物 廢棄物資源化與可再生資源的利用廢棄物資源化與可再生資源的利用, 是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)與社是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重大課題。自然界中會(huì)發(fā)展的重大課題。自然界中, 木質(zhì)素木質(zhì)素儲(chǔ)量?jī)H次于儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素纖維素, 且每年以且每年以500 億噸的速度再生。制漿造紙業(yè)每年要從植物億噸的速度再生。制漿造紙業(yè)每年要從植物中分離出大約中分離出大約 1.4 億噸纖維素億噸纖維素, 同時(shí)得到同時(shí)得到 5000萬(wàn)噸左右的萬(wàn)噸左右的木質(zhì)素副產(chǎn)品。但迄今為止木質(zhì)素副產(chǎn)品。但迄今為止, 超過超過9

12、5 %木質(zhì)素仍以木質(zhì)素仍以“黑液黑液”直接排入江河或濃縮后燒掉直接排入江河或濃縮后燒掉, 很少得到有效利用很少得到有效利用。化石能源日益枯竭、木質(zhì)素的豐富儲(chǔ)量、木質(zhì)素科學(xué)化石能源日益枯竭、木質(zhì)素的豐富儲(chǔ)量、木質(zhì)素科學(xué)的飛速發(fā)展決定木質(zhì)素經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)發(fā)展性。的飛速發(fā)展決定木質(zhì)素經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)發(fā)展性。 木質(zhì)素成本較低，木質(zhì)素及其衍生物具有多種功能，木質(zhì)素成本較低，木質(zhì)素及其衍生物具有多種功能，可作為分散劑、吸附可作為分散劑、吸附/解吸劑、石油回收助劑、瀝青乳化劑。解吸劑、石油回收助劑、瀝青乳化劑。木質(zhì)素對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展最重大貢獻(xiàn)就在于提供穩(wěn)定、持木質(zhì)素對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展最重大貢獻(xiàn)就在于提供穩(wěn)定

13、、持續(xù)的有機(jī)物質(zhì)來(lái)源，應(yīng)用前景十分廣闊。續(xù)的有機(jī)物質(zhì)來(lái)源，應(yīng)用前景十分廣闊。3、醫(yī)藥、食品工業(yè)醫(yī)藥、食品工業(yè) 葡萄糖、甘露醇、維生素葡萄糖、甘露醇、維生素C 等的脫鹽等的脫鹽 牛奶、乳清的脫鹽牛奶、乳清的脫鹽 (與與超濾超濾、反滲透反滲透結(jié)合使用結(jié)合使用) 有機(jī)物中酸、堿、鹽的脫除有機(jī)物中酸、堿、鹽的脫除 果汁中過量檸檬酸的脫除果汁中過量檸檬酸的脫除 兩側(cè)均用兩側(cè)均用陰膜陰膜， 酸根一側(cè)滲出，另側(cè)滲入酸根一側(cè)滲出，另側(cè)滲入OH與與H中和中和 檸檬酸鈉檸檬酸鈉 檸檬酸檸檬酸 陽(yáng)膜陽(yáng)膜4、化工生產(chǎn)中化工生產(chǎn)中離子性物質(zhì)離子性物質(zhì)與與非離子性物質(zhì)非離子性物質(zhì)的分離的分離5、離子膜電解、離子膜電解 氯

14、堿生產(chǎn)（舉例，氯堿生產(chǎn)（舉例，1975年后）年后） Na+OHClH2O NaCl濃溶液濃溶液膜膜陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極Cl 2 , NaCl 稀溶液稀溶液NaOH溶液溶液, H2第六節(jié)氣體膜分離第六節(jié)氣體膜分離一、基本原理一、基本原理 氣體膜分離：利用氣體膜分離：利用氣體混合物氣體混合物中各組份在中各組份在致密膜致密膜中中滲透速率滲透速率的不同使各組份分離的過程。的不同使各組份分離的過程。壓縮機(jī)壓縮機(jī)滲透氣滲透氣滲余氣滲余氣真空泵真空泵原料氣原料氣氣體氣體膜膜分離過程示意圖分離過程示意圖 推動(dòng)力：推動(dòng)力：壓力差壓力差 機(jī)理復(fù)雜，有多種機(jī)理模型機(jī)理復(fù)雜，有多種機(jī)理模型 按簡(jiǎn)單的按簡(jiǎn)單的溶解擴(kuò)散溶解擴(kuò)

15、散模型，氣體透過膜的步驟：模型，氣體透過膜的步驟： 膜膜高壓側(cè)高壓側(cè)，氣體中易滲組份，氣體中易滲組份溶解溶解在在膜表面膜表面 溶解組份通過溶解組份通過分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散從從高壓側(cè)高壓側(cè)傳遞到傳遞到低壓側(cè)低壓側(cè) 膜膜低壓側(cè)低壓側(cè)表面組份表面組份 解吸解吸到氣相到氣相 氣體透過膜為氣體透過膜為溶解、擴(kuò)散、解吸溶解、擴(kuò)散、解吸過程過程 純氣體在高分子膜中的純氣體在高分子膜中的溶解平衡溶解平衡可用可用亨利定律亨利定律表示：表示： CHP 據(jù)據(jù)費(fèi)克定律費(fèi)克定律，穩(wěn)態(tài)條件下，氣體在膜中，穩(wěn)態(tài)條件下，氣體在膜中擴(kuò)散通量擴(kuò)散通量：21CCDJ J： 氣體擴(kuò)散通量氣體擴(kuò)散通量C1、C2：氣體組份在：氣體組份在膜高

16、壓側(cè)膜高壓側(cè)與與低壓側(cè)低壓側(cè)表面的濃度表面的濃度 D：擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù) ：膜厚膜厚若膜兩側(cè)若膜兩側(cè)溫度相同溫度相同( (H 相等相等) )，則：，則：2121PPQPPDHJ P1、P2 ：高壓側(cè)、低壓側(cè)氣體的壓力：高壓側(cè)、低壓側(cè)氣體的壓力 Q ：氣體組份通過膜的滲透率：氣體組份通過膜的滲透率 QD H 二組份氣體混合物透過膜的二組份氣體混合物透過膜的理想情況理想情況： 即假設(shè)一種組份對(duì)膜的滲透即假設(shè)一種組份對(duì)膜的滲透不受不受另一組份透過的影響另一組份透過的影響 兩組份兩組份i、j 的滲透通量：的滲透通量：iiiiPPQJ21 jjjjPPQJ21分離系數(shù)：分離系數(shù)：iiiiijxxyy11

17、 x、y ：高壓側(cè)、低壓側(cè)摩爾分率：高壓側(cè)、低壓側(cè)摩爾分率 對(duì)對(duì) i. g. (理想氣體理想氣體) )，摩爾比等于分壓比，摩爾比等于分壓比( (道爾頓定律道爾頓定律) )jijiijPPPP1122 1：高壓側(cè)：高壓側(cè)2：低壓側(cè)：低壓側(cè) 膜膜低壓側(cè)低壓側(cè)兩組份兩組份分壓比分壓比等于兩組份等于兩組份滲透通量滲透通量之比之比 ?可證明：可證明： 當(dāng)當(dāng)?shù)蛪簜?cè)壓力比高壓側(cè)壓力小得多時(shí)低壓側(cè)壓力比高壓側(cè)壓力小得多時(shí)： P2 / P10P2j / P1j0 即即兩組份兩組份分離系數(shù)分離系數(shù)等于在膜中等于在膜中滲透率滲透率之比之比jiijQQjjjjijjiijPPPPQQ121211mmQQmmmppQQ

18、mpppmppQQmpppppQQppppppppQQJJppmppmppppppmppjiiijiiiiiijiijjiijijjijjjiijijijiiiiijijijj11111112121212122112212121221212112212兩邊分子同除以即：兩邊分母同除以設(shè) 由于擴(kuò)散組份由于擴(kuò)散組份分子間分子間和擴(kuò)散組份和擴(kuò)散組份分子分子與與高分子膜高分子膜間的間的相互作用，一個(gè)組份的滲透通量受其它組份的同時(shí)滲透而相互作用，一個(gè)組份的滲透通量受其它組份的同時(shí)滲透而改變，具體模型可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。改變，具體模型可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。)()(jijijjiiijHHDDHDHD 擴(kuò)散型擴(kuò)散型

19、溶解度型溶解度型 ( (都決定膜的選擇性都決定膜的選擇性) )二、影響滲透通量與分離系數(shù)的因素二、影響滲透通量與分離系數(shù)的因素1、膜材料膜材料 (決定因素決定因素) ) 高分子聚合物高分子聚合物: 醋酸纖維素、聚酰胺、聚砜、含氟聚合物、有機(jī)硅等醋酸纖維素、聚酰胺、聚砜、含氟聚合物、有機(jī)硅等 對(duì)膜對(duì)膜改性改性或進(jìn)行或進(jìn)行交鏈交鏈處理，可使處理，可使ij 除高分子膜外除高分子膜外, 可用金屬箔、玻璃等無(wú)機(jī)膜可用金屬箔、玻璃等無(wú)機(jī)膜2、膜厚膜厚 ，J，采用復(fù)合膜采用復(fù)合膜 (超薄膜多孔基膜超薄膜多孔基膜)，J 致密活性層致密活性層薄薄，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力 3、溫度溫度 T, H，但，但 D，比較而言

20、，比較而言，T 對(duì)對(duì)D 的影響大的影響大 總體上，總體上，T，J 4、壓力壓力 P，J 實(shí)際實(shí)際P 受受能耗能耗、膜強(qiáng)度膜強(qiáng)度和和制造費(fèi)用制造費(fèi)用的限制的限制 應(yīng)綜合考慮應(yīng)綜合考慮三、氣體分離膜與設(shè)備三、氣體分離膜與設(shè)備 1、膜、膜 要求：要求：滲透通量大滲透通量大，分離系數(shù)高分離系數(shù)高(或選擇性高或選擇性高) 另外有較高的另外有較高的機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 采用復(fù)合膜采用復(fù)合膜 (包括包括非對(duì)稱性膜非對(duì)稱性膜) 阻力型復(fù)合膜阻力型復(fù)合膜 表層表層薄薄而而致密，致密，但因有孔隙但因有孔隙, 降低降低，涂易滲材料涂易滲材料 構(gòu)成薄層構(gòu)成薄層 (堵孔堵孔), 加試劑加試劑 (三氟化硼處理聚砜膜三氟化硼處

21、理聚砜膜)，減小孔隙減小孔隙 起分離作用的起分離作用的超薄膜超薄膜與與多孔基膜多孔基膜形成形成復(fù)合膜復(fù)合膜（常用）（常用） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：活性層材料活性層材料的的選擇余地大選擇余地大(但制造困難但制造困難) 2、膜分離設(shè)備膜分離設(shè)備（1）中空纖維管式中空纖維管式膜器膜器 用阻力型復(fù)合膜用阻力型復(fù)合膜 (如如聚砜聚砜表面涂表面涂聚甲基硅氧烷聚甲基硅氧烷) 例：合成氨弛放氣中例：合成氨弛放氣中H2的回收的回收（2）卷式卷式膜器膜器 醋酸纖維素非對(duì)稱膜醋酸纖維素非對(duì)稱膜 例：例： H2、CO2、H2S、H2O (氣氣) 與烴的分離與烴的分離 O2、N2 的的 分離分離四、分離流程四、分離流程 一般串級(jí)

22、使用，組成級(jí)聯(lián)，四種類型一般串級(jí)使用，組成級(jí)聯(lián)，四種類型1、簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)（與簡(jiǎn)單蒸餾對(duì)比）（與簡(jiǎn)單蒸餾對(duì)比） 每級(jí)每級(jí)滲透氣滲透氣作為下一級(jí)作為下一級(jí)進(jìn)料氣進(jìn)料氣，每級(jí)每級(jí)排出排出滲余氣滲余氣， 末級(jí)滲透氣末級(jí)滲透氣作為作為產(chǎn)品。產(chǎn)品。R1進(jìn)氣F1P1R2進(jìn)氣2P2R3進(jìn)氣3P32、精餾級(jí)聯(lián)精餾級(jí)聯(lián) 每級(jí)每級(jí)滲透氣滲透氣作為作為下一級(jí)進(jìn)料下一級(jí)進(jìn)料，末級(jí)滲透氣末級(jí)滲透氣為為易滲產(chǎn)品易滲產(chǎn)品，第一級(jí)滲余氣第一級(jí)滲余氣為為難滲產(chǎn)品難滲產(chǎn)品。各級(jí)。各級(jí)滲余氣滲余氣回流，部份易滲產(chǎn)回流，部份易滲產(chǎn)品回流，品回流，易滲產(chǎn)品易滲產(chǎn)品純度純度與與產(chǎn)量產(chǎn)量 (比簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)比簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián))R1滲余氣回流F 1 P

23、1R22 P2R33 P3部份易滲產(chǎn)品回流滲透氣滲透氣串聯(lián)及回流，提高串聯(lián)及回流，提高易滲產(chǎn)品的易滲產(chǎn)品的純度純度滲余氣滲余氣回流提高回流提高易滲產(chǎn)品的易滲產(chǎn)品的產(chǎn)量產(chǎn)量 ？3、提餾級(jí)聯(lián)、提餾級(jí)聯(lián) 每級(jí)滲余氣作下一級(jí)進(jìn)料，每級(jí)滲余氣作下一級(jí)進(jìn)料，末級(jí)滲余氣末級(jí)滲余氣為為難滲產(chǎn)品難滲產(chǎn)品，第第一級(jí)滲透氣一級(jí)滲透氣為為易滲產(chǎn)品易滲產(chǎn)品，后各級(jí)滲透氣回流進(jìn)前一級(jí)，后各級(jí)滲透氣回流進(jìn)前一級(jí) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：難滲產(chǎn)品的難滲產(chǎn)品的 純度純度與與產(chǎn)量產(chǎn)量(因滲透氣回流因滲透氣回流)高高 （比簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)）（比簡(jiǎn)單級(jí)聯(lián)）4、完全級(jí)聯(lián)、完全級(jí)聯(lián) 精餾與提餾級(jí)聯(lián)組合，精餾與提餾級(jí)聯(lián)組合，易滲與難滲易滲與難滲產(chǎn)品產(chǎn)品純度純

24、度與與產(chǎn)量產(chǎn)量R1P1R2P2R3P3五、應(yīng)用五、應(yīng)用 氣體膜分離既無(wú)相變化，又不用質(zhì)量分離劑，氣體膜分離既無(wú)相變化，又不用質(zhì)量分離劑，節(jié)能節(jié)能 用于提取或濃縮有用成份用于提取或濃縮有用成份 1、工業(yè)氣體中氫回收工業(yè)氣體中氫回收 合成氨弛放氣中合成氨弛放氣中H2的的回收回收 回收回收 96% 的的H2，經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)效益 大連化物所，大連化物所，H2、N2 膜膜分離器分離器 煉廠氣中煉廠氣中H2的的回收回收 i) 從催化重整尾氣中回收從催化重整尾氣中回收 H2 ii) 從渣油催化裂化干氣從渣油催化裂化干氣(H2 = 10-30 %)中中回收回收H2 2、氧氮分離氧氮分離 制制O2含量含量30-

25、40 %的富氧空氣的富氧空氣(醫(yī)療和工業(yè)爐助燃醫(yī)療和工業(yè)爐助燃) 同時(shí)得同時(shí)得含氮量高的含氮量高的N2 (惰氣保護(hù)、管道吹洗、加壓、水果庫(kù)存保護(hù)氣惰氣保護(hù)、管道吹洗、加壓、水果庫(kù)存保護(hù)氣) 3、從天然氣從天然氣(含含He 5 %)中提取氦中提取氦 經(jīng)二級(jí)分離可將氦濃縮到經(jīng)二級(jí)分離可將氦濃縮到82%左右左右 膜材料：膜材料：聚醋酸纖維聚醋酸纖維 或或 氟塑料氟塑料4、CO2的分離的分離 （醋酸纖維非對(duì)稱性膜）（醋酸纖維非對(duì)稱性膜） 從天然氣中分離從天然氣中分離CO2 以提高以提高CH4含量含量 油井壓油井壓CO2 降低油的黏度降低油的黏度, 用膜分離。用膜分離。 除發(fā)酵法產(chǎn)生的生物氣中的除發(fā)酵法

26、產(chǎn)生的生物氣中的CO2，以提高熱值，以提高熱值 滲透汽化分離原理滲透汽化分離原理汽化汽化第七節(jié)第七節(jié) 滲透汽化滲透汽化 (Pervaporation )一、基本原理一、基本原理 有相變有相變的的膜滲透膜滲透過程過程 將液體混合物在一側(cè)與膜接觸，另一側(cè)維持較低的易將液體混合物在一側(cè)與膜接觸，另一側(cè)維持較低的易滲組分的蒸汽壓。由于滲組分的蒸汽壓。由于蒸汽壓蒸汽壓的差異，易滲組分較多地溶的差異，易滲組分較多地溶解在膜上，并擴(kuò)散通過膜，在膜另一側(cè)汽化抽出解在膜上，并擴(kuò)散通過膜，在膜另一側(cè)汽化抽出。 按按溶解溶解-擴(kuò)散模型，擴(kuò)散模型，被分離組分通過膜的傳遞被分離組分通過膜的傳遞 分三步：分三步：（1）被

27、分離組分在膜）被分離組分在膜上游表面上游表面吸附吸附并并溶解溶解 （液固平衡）（液固平衡）（2）在）在膜內(nèi)以膜內(nèi)以分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散形式形式通過膜通過膜（3）在在膜下游表面膜下游表面脫附脫附并并汽化汽化 （固氣平衡）（固氣平衡） 據(jù)造成膜兩側(cè)據(jù)造成膜兩側(cè)蒸汽壓差蒸汽壓差的方法不同，滲透汽的方法不同，滲透汽化主要有三種形式：化主要有三種形式：（1）真空滲透汽化真空滲透汽化 膜透過側(cè)用膜透過側(cè)用真空泵抽真空真空泵抽真空，造成膜兩側(cè)組分蒸汽壓差，造成膜兩側(cè)組分蒸汽壓差（2）載氣吹掃滲透汽化載氣吹掃滲透汽化 載氣吹掃載氣吹掃膜的透過側(cè)，帶走透過組分膜的透過側(cè)，帶走透過組分（3）熱滲透汽化熱滲透汽化 料液

28、料液加熱加熱和透過側(cè)冷凝，形成膜兩側(cè)蒸汽壓差和透過側(cè)冷凝，形成膜兩側(cè)蒸汽壓差原液原液滲透液滲透液滲余液滲余液冷凝器冷凝器真空泵真空泵 原液原液滲透液滲透液滲余液滲余液冷凝器冷凝器載氣載氣原液原液滲透液滲透液滲余液滲余液冷凝器冷凝器加熱器加熱器真空真空滲透汽化滲透汽化載氣吹掃載氣吹掃滲透汽化滲透汽化 熱熱滲透汽化滲透汽化 滲透汽化示意圖滲透汽化示意圖 工業(yè)生產(chǎn)中常采用工業(yè)生產(chǎn)中常采用真空真空與與熱滲透汽化熱滲透汽化結(jié)合的方式結(jié)合的方式二、滲透汽化二、滲透汽化膜膜 致密均質(zhì)膜、復(fù)合膜或非對(duì)稱膜，其中致密均質(zhì)膜、復(fù)合膜或非對(duì)稱膜，其中復(fù)合膜復(fù)合膜應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣 表征膜分離性能的主要參數(shù)：表征膜分離

29、性能的主要參數(shù)： 分離系數(shù)分離系數(shù) 透過速率透過速率(或滲透通量或滲透通量) 要求：分離系數(shù)大、滲透通量大（但矛盾）要求：分離系數(shù)大、滲透通量大（但矛盾） 在選膜和制膜時(shí)在選膜和制膜時(shí), 需據(jù)需據(jù)具體情況具體情況進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行優(yōu)化三、應(yīng)用三、應(yīng)用 滲透汽化過程復(fù)雜，原料滲透汽化過程復(fù)雜，原料組成組成對(duì)分離性能影響大對(duì)分離性能影響大 一般用于一般用于普通蒸餾難分離的普通蒸餾難分離的近沸物近沸物或或恒沸物恒沸物或或液體混液體混合物中除少量雜質(zhì)合物中除少量雜質(zhì) 推動(dòng)力為膜兩側(cè)組分的推動(dòng)力為膜兩側(cè)組分的濃度差濃度差或或分壓差分壓差 分離主要受組分在膜內(nèi)分離主要受組分在膜內(nèi)滲透速率滲透速率限制限制(控制步

30、驟控制步驟)， 不受不受組分在膜兩側(cè)組分在膜兩側(cè)平衡條件平衡條件的限制的限制 優(yōu)點(diǎn)：分離系數(shù)大優(yōu)點(diǎn)：分離系數(shù)大 缺點(diǎn)：通量小，有相變，需提供汽化熱缺點(diǎn)：通量小，有相變，需提供汽化熱 （1）恒沸物的分離恒沸物的分離典型過程典型過程: 工業(yè)乙醇脫水工業(yè)乙醇脫水制無(wú)水乙醇（易透制無(wú)水乙醇（易透? 膜）膜）分離能耗比恒沸精餾低得多，已大規(guī)模分離能耗比恒沸精餾低得多，已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 含水量大含水量大的恒沸物的恒沸物: 如如丙醇丙醇-水水(71%)，異丙醇異丙醇-水水(88%)的的分離分離 滲透汽化滲透汽化與與精餾精餾結(jié)合結(jié)合 流程流程( 2 ) 近沸點(diǎn)近沸點(diǎn)有機(jī)物的分離有機(jī)物的分離 如苯如苯/

31、環(huán)己烷（沸點(diǎn)環(huán)己烷（沸點(diǎn)80.1 和和 80.7 C） 丁烷丁烷 / 丁烯等的分離丁烯等的分離( (3 ) ) 混合物中少量雜質(zhì)的分離混合物中少量雜質(zhì)的分離 從廢水中除去有機(jī)污染物從廢水中除去有機(jī)污染物(如含氯的化合物、酚等如含氯的化合物、酚等)第八節(jié)第八節(jié) 膜接觸器膜接觸器 (Membrane Contactors) 一、概述一、概述 傳統(tǒng)分離單元操作如蒸餾、吸收、萃取等也可通過傳統(tǒng)分離單元操作如蒸餾、吸收、萃取等也可通過膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，即為膜蒸餾、膜吸收、膜萃取。膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，即為膜蒸餾、膜吸收、膜萃取。 膜過程與常規(guī)分離過程結(jié)合，是開發(fā)中的新型膜分膜過程與常規(guī)分離過程結(jié)合，是開發(fā)中的新型膜分離技術(shù)

32、，也是今后膜過程的發(fā)展方向。離技術(shù)，也是今后膜過程的發(fā)展方向。 實(shí)現(xiàn)上述膜過程的設(shè)備，統(tǒng)稱膜接觸器。實(shí)現(xiàn)上述膜過程的設(shè)備，統(tǒng)稱膜接觸器。 膜接觸器是以膜接觸器是以多孔膜多孔膜為傳遞介質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩相傳質(zhì)的裝置為傳遞介質(zhì)實(shí)現(xiàn)兩相傳質(zhì)的裝置 其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在微孔膜微孔膜表面開孔處表面開孔處的的兩相界面兩相界面上接觸而進(jìn)行傳質(zhì)上接觸而進(jìn)行傳質(zhì)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 具極大的兩相傳質(zhì)面積具極大的兩相傳質(zhì)面積 比氣體吸收器大比氣體吸收器大30 倍以上，比液倍以上，比液-液萃取器大液萃取器大500 倍以上倍以上 操作范圍寬操作范圍寬 高流量下不會(huì)造成液泛、霧沫

33、夾帶等不正常操作高流量下不會(huì)造成液泛、霧沫夾帶等不正常操作 低流量下不致滴液，能正常操作低流量下不致滴液，能正常操作缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 傳質(zhì)中引入一個(gè)新相傳質(zhì)中引入一個(gè)新相 膜膜 膜的存在影響總傳質(zhì)阻力，程度取決于膜和體系性質(zhì)膜的存在影響總傳質(zhì)阻力，程度取決于膜和體系性質(zhì)依據(jù)氣液傳遞相的不同，膜接觸器分：依據(jù)氣液傳遞相的不同，膜接觸器分： 氣氣- 液（液（G-L）型）型:（一相為氣一相為氣(汽汽) 體，另一相為液體）體，另一相為液體） 液液- 氣（氣（L-G）型）型:（一相為液體，另一相為氣（一相為液體，另一相為氣(汽汽) 體）體） 液液- 液（液（L-L）型（兩相均為液體）型（兩相均為液體） 氣氣

34、-液液型中，氣體或蒸汽從型中，氣體或蒸汽從氣相氣相傳遞到傳遞到液相液相 液液-氣氣型中，氣體或蒸汽從型中，氣體或蒸汽從液相液相傳遞到傳遞到氣相氣相傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向 液體液體液體液體 氣體氣體液體液體 液體液體氣體氣體 膜接觸器類型膜接觸器類型a 氣氣-液液接觸器接觸器 b 液液-氣氣接觸器接觸器 c 液液- -液液接觸器接觸器(a)(b)(c)透過組分在膜接觸器中傳遞包括三個(gè)步驟：透過組分在膜接觸器中傳遞包括三個(gè)步驟： 從原料相主體到膜的傳遞從原料相主體到膜的傳遞 在膜內(nèi)微孔的擴(kuò)散傳遞在膜內(nèi)微孔的擴(kuò)散傳遞 從膜到滲透物相的傳遞從膜到滲透物相的傳遞 K總傳質(zhì)系數(shù)總

35、傳質(zhì)系數(shù): 原料相、膜及透過物相的傳質(zhì)分系數(shù)原料相、膜及透過物相的傳質(zhì)分系數(shù)c c : 原料相與透過物相中透過組分的濃度差原料相與透過物相中透過組分的濃度差 cKJoutminkkkK1111outminkkk、 傳質(zhì)總阻力由三部分組成傳質(zhì)總阻力由三部分組成: 即即 原料相邊界層的阻力原料相邊界層的阻力 膜阻膜阻 透過物相邊界層的阻力透過物相邊界層的阻力傳遞過程的通量表示為：傳遞過程的通量表示為：二、膜蒸餾二、膜蒸餾 ( Membrane Distillation ) 1、概述、概述 膜蒸餾是一種處理膜蒸餾是一種處理水溶液水溶液的新型膜分離過程的新型膜分離過程 所用膜是不被料液潤(rùn)濕的多孔所用膜

36、是不被料液潤(rùn)濕的多孔疏水膜疏水膜，膜一側(cè)是，膜一側(cè)是加熱加熱的待處理的待處理水溶液水溶液，另一側(cè)是，另一側(cè)是低溫冷水低溫冷水或其它或其它氣體氣體 由于由于膜疏水膜疏水，水不會(huì)從膜孔中通過，但由于膜兩側(cè)，水不會(huì)從膜孔中通過，但由于膜兩側(cè)水水蒸汽壓差蒸汽壓差存在，存在，水蒸汽水蒸汽通過通過膜孔膜孔，從，從高蒸汽壓高蒸汽壓側(cè)傳遞到側(cè)傳遞到低低蒸汽壓側(cè)蒸汽壓側(cè) 傳遞過程的三個(gè)步驟：傳遞過程的三個(gè)步驟： 水在料液側(cè)膜表面水在料液側(cè)膜表面汽化汽化 汽化的汽化的水蒸汽水蒸汽通過疏水膜孔通過疏水膜孔擴(kuò)散擴(kuò)散 在膜另側(cè)表面上在膜另側(cè)表面上冷凝為水冷凝為水 膜蒸餾膜蒸餾推動(dòng)力推動(dòng)力是是水蒸汽壓差水蒸汽壓差，一般通

37、過膜兩側(cè)，一般通過膜兩側(cè)溫差溫差來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以膜蒸餾屬于實(shí)現(xiàn)，所以膜蒸餾屬于熱推動(dòng)熱推動(dòng)過程過程 據(jù)水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸餾可分為據(jù)水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸餾可分為 直接接觸式直接接觸式 熱料液和冷卻水與膜兩側(cè)直接接觸熱料液和冷卻水與膜兩側(cè)直接接觸 氣隙式氣隙式 用空氣隙使膜與冷卻水分開，水蒸汽需要通過氣隙用空氣隙使膜與冷卻水分開，水蒸汽需要通過氣隙 到達(dá)冷凝板上才能冷凝到達(dá)冷凝板上才能冷凝 減壓式減壓式 透過膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝透過膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝 氣掃式氣掃式 利用不凝的吹掃氣將水蒸汽帶入冷凝器中冷凝利用不凝的吹掃氣將水蒸汽帶入冷凝器中冷凝吹掃氣吹掃氣冷凝

38、水冷凝水 氣隙氣隙 膜蒸餾類型膜蒸餾類型(a)(a)直接接觸式直接接觸式 (b)(b)氣隙式氣隙式 (c)(c) 減壓式減壓式 (d) (d) 氣掃式氣掃式冷卻水冷卻水熱料液熱料液 (a)冷卻水冷卻水熱料液熱料液 (b)冷凝水冷凝水熱料液熱料液真空泵真空泵冷凝水冷凝水熱料液熱料液(c)(d)2、影響膜蒸餾過程的因素：、影響膜蒸餾過程的因素： 1） 膜材料與結(jié)構(gòu)：微孔疏水膜膜材料與結(jié)構(gòu)：微孔疏水膜 疏水性差，分離效率低疏水性差，分離效率低 開孔率大，滲透通量大開孔率大，滲透通量大 2） 熱側(cè)和冷側(cè)液體的溫度熱側(cè)和冷側(cè)液體的溫度 熱側(cè)溫度高，冷側(cè)溫度低，推動(dòng)力大，通量大熱側(cè)溫度高，冷側(cè)溫度低，推動(dòng)

39、力大，通量大 3） 溶液濃度溶液濃度 濃度高，水蒸汽壓低，粘度大，傳質(zhì)傳熱慢，通量小濃度高，水蒸汽壓低，粘度大，傳質(zhì)傳熱慢，通量小 水汽通過膜最慢水汽通過膜最慢，溶液主體與膜表面處濃差小，所以，溶液主體與膜表面處濃差小，所以 膜蒸餾的濃縮溶液可接近飽和濃度膜蒸餾的濃縮溶液可接近飽和濃度 4）兩側(cè)壓差兩側(cè)壓差 兩側(cè)均兩側(cè)均常壓常壓，壓差盡可能小，壓差盡可能小 若壓差大，溶液可能穿過膜孔流向另一側(cè)，截留率低若壓差大，溶液可能穿過膜孔流向另一側(cè)，截留率低3、膜蒸餾的應(yīng)用、膜蒸餾的應(yīng)用 從從非揮發(fā)性物質(zhì)水溶液非揮發(fā)性物質(zhì)水溶液中中分理出水分理出水的過程，可認(rèn)為的過程，可認(rèn)為是是蒸發(fā)蒸發(fā)過程與過程與膜膜

40、過程的結(jié)合。過程的結(jié)合。優(yōu)點(diǎn)：操作溫度優(yōu)點(diǎn)：操作溫度低低。熱側(cè)溶液一般為。熱側(cè)溶液一般為40-50 C 純水的制備純水的制備 如鹽水和海水淡化、電廠鍋爐用水處理等如鹽水和海水淡化、電廠鍋爐用水處理等 水溶液的濃縮水溶液的濃縮(操作溫度低操作溫度低) 如如熱敏性水溶液熱敏性水溶液的濃縮、鹽的濃縮結(jié)晶等的濃縮、鹽的濃縮結(jié)晶等三、膜吸收三、膜吸收 ( Membrane Absorption )1、概述、概述 膜吸收與膜解吸是將膜與常規(guī)吸收、解吸相結(jié)合的膜吸收與膜解吸是將膜與常規(guī)吸收、解吸相結(jié)合的膜分離過程。膜分離過程。 膜吸收膜吸收為為氣氣-液液接觸器，而接觸器，而膜解吸膜解吸為為液液-氣氣接觸器。接觸器。 利用微孔膜將氣、液兩相分隔開來(lái)，一側(cè)為氣相流動(dòng)，利用微孔膜將氣、液兩相分隔開來(lái)，一側(cè)為氣相流動(dòng)，另一側(cè)為液相流動(dòng)，中間的膜孔提供氣、液傳質(zhì)的場(chǎng)所，另一側(cè)為液相流動(dòng)，中間的膜孔提供氣、液傳質(zhì)的場(chǎng)所，使一種或多種氣體被使一種或多種氣體被吸收進(jìn)入液相吸收進(jìn)入液相實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)吸收吸收，或一種氣體，或一種氣體或多種氣體從或多種氣體從吸收劑中被氣提吸收劑中被氣提實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)解吸解吸。 膜吸收中所用膜可是膜吸收中所用膜可是親水性膜親水性膜，也可是，也可是疏水性膜疏水性膜 據(jù)膜材料疏水和親水性能及吸收劑性能差異，膜吸收據(jù)膜材料疏水和親水性能及吸