氣固與液固傳質(zhì)分離

1、第6章氣固、液固傳質(zhì)分離過(guò)程主要包括吸附、結(jié)晶和膜分離等。一般都在低溫和常溫下進(jìn)行，能耗較低，且在雜質(zhì)含量較多或目的組分含量較少的體系中顯示出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。吸附、結(jié)晶屬于平衡分離過(guò)程，膜分離屬速率分離過(guò)程。6.1吸附分離過(guò)程基本要求：1、掌握的內(nèi)容：物理吸附、化學(xué)吸附概念，吸附劑的特性，吸附平衡的概念，氣相單分子層物理吸附等溫線(xiàn)。2、熟悉的內(nèi)容：吸附劑的分類(lèi)，吸附過(guò)程與吸附過(guò)程速率控制。3、了解的內(nèi)容：氣相雙組分吸附等溫線(xiàn)，液相中的吸附平衡，各種吸附操作及強(qiáng)化吸附過(guò)程的途徑。6.1.1概述吸附：當(dāng)流體與多孔固體接觸時(shí)，流體中某一組分或多個(gè)組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄，此現(xiàn)象稱(chēng)為吸附。吸附物、吸附

2、劑：在固體表面積蓄的組分稱(chēng)為吸附物或吸附質(zhì)(adsorbate)，多孔固體稱(chēng)為吸附劑(adsorbent)。吸附操作：利用某些多孔固體有選擇地吸附流體中的一個(gè)或幾個(gè)組分，從而使混合物分離的方法稱(chēng)為吸附操作，它是分離和純凈氣體和液體混合物的重要單元操作之一。實(shí)際上，人們很早就發(fā)現(xiàn)并利用了吸附現(xiàn)象，如生活中用木炭脫濕和除臭等。隨著新型吸附劑的開(kāi)發(fā)及吸附分離工藝條件等方面的研究，吸附分離過(guò)程顯示出節(jié)能、產(chǎn)品純度高、可除去痕量物質(zhì)、操作溫度低等突出特點(diǎn)，使這一過(guò)程在化工、醫(yī)藥、食品、輕工、環(huán)保等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，例如：(1) 氣體或液體的脫水及深度干燥，如將乙烯氣體中的水分脫到痕量，再聚合。(2)

3、 氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收，如在噴漆工業(yè)中，常有大量的有機(jī)溶劑逸出，采用活性炭處理排放的氣體，既減少環(huán)境的污染，又可回收有價(jià)值的溶劑。(3) 氣體中痕量物質(zhì)的吸附分離，如純氮、純氧的制取。(4) 分離某些精餾難以分離的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。(5) 廢氣和廢水的處理，如從高爐廢氣中回收一氧化碳和二氧化碳，從煉廠(chǎng)廢水中脫除酚等有害物質(zhì)。吸附的分類(lèi)物理吸附：也稱(chēng)為范德華吸附，它是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。化學(xué)吸附：是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間的化學(xué)鍵為主的吸附。6.1.2吸附劑及其特性1 吸附劑吸附分離的效果很大程度上取決于吸附劑的性能，工業(yè)吸附要求吸附劑滿(mǎn)足

4、以下要求：(1) 具有較大的內(nèi)表面吸附容量大；(2) 選擇性高吸附劑對(duì)不同的吸附質(zhì)具有不同的吸附能力，其差異愈顯著,分離效果愈好；(3) 具有一定的機(jī)械強(qiáng)度抗磨損；(4) 有良好的物理及化學(xué)穩(wěn)定性耐熱沖擊，耐腐蝕；(5) 容易再生；(6) 易得，價(jià)廉。吸附劑可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是天然的吸附劑，如硅藻土、白土、天然沸石等。另一類(lèi)是人工制作的吸附劑，主要有活性炭、活性氧化鋁、硅膠、合成沸石分子篩、有機(jī)樹(shù)脂吸附劑等，下面介紹幾種廣泛應(yīng)用的人工制作的吸附劑。(1) 活性炭活性炭是最常用的吸附劑。它具有非極性表面，比表面積較大，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗酸耐堿，熱穩(wěn)性高，再生容易。合成纖維經(jīng)炭化后可制成活性炭纖維吸

5、附劑，使吸附容量提高數(shù)十倍，因活性炭纖維可以編制成各種織物，流體流動(dòng)阻力減少?；钚蕴恳部杉庸こ商糠肿雍Y，具有分子篩的作用，常用于空氣分離制氮、改善飲料氣味、香煙的過(guò)濾嘴等場(chǎng)合。(2) 硅膠硅膠的分子式通常用SiO2•nH20表示。它的比表面積達(dá)800m2/g工業(yè)用的硅膠有球型、無(wú)定形、加工成型和粉末狀四種。硅膠是親水性的極性吸附劑，對(duì)不飽和烴、甲醇、水分等有明顯的選擇性。主要用于氣體和液體的干燥、溶液的脫水。(3) 活性氧化鋁活性氧化鋁是一種極性吸附劑，對(duì)水分有很強(qiáng)的吸附能力。其比表面積約為2200500m/g,用不同的原料，在不同的工藝條件下，可制得不同結(jié)構(gòu)、不同性能的活

6、性氧化鋁?；钚匝趸X主要用于氣體的干燥和液體的脫水，如汽油、煤油、芳烴等化工產(chǎn)品的脫水；空氣、氦、氫氣、氯氣、氯化氫和二氧化硫等氣體的干燥。（4）合成沸石分子篩沸石分子篩是指硅鋁酸金屬鹽的晶體，它是一種強(qiáng)極性的吸附劑，對(duì)極性分子，特別是對(duì)水有很大的親和能力，它的比表面積可達(dá)750m2/g，具有很強(qiáng)的選擇性。常用于石油餾分的分離、各種氣體和液體的干燥等場(chǎng)合，如從混合二甲苯中分離出對(duì)二甲苯，從空氣中分離氧。（5）有機(jī)樹(shù)脂吸附劑有機(jī)樹(shù)脂吸附劑是高分子物質(zhì)，它可以制成強(qiáng)極性、弱極性、非極性、中性，廣泛用于廢水處理、維生素的分離及過(guò)氧化氫的精制等場(chǎng)合。2 吸附劑的性能:吸附劑具有良好的吸附特性，主要是因

7、為它有多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，下面介紹與孔結(jié)構(gòu)和比表面積有關(guān)的基礎(chǔ)性能。（1）密度1）填充密度B（又稱(chēng)體積密度）是指單位填充體積的吸附劑質(zhì)量。通常將烘干的吸附劑裝入量筒中，搖實(shí)至體積不變，此時(shí)吸附劑的質(zhì)量與該吸附劑所占的體積比稱(chēng)為填充密度。2）表觀(guān)密度P（又稱(chēng)顆粒密度）定義為單位體積吸附劑顆粒本身的質(zhì)量。3）真實(shí)密度t是指扣除顆粒內(nèi)細(xì)孔體積后單位體積吸附劑的質(zhì)量。（2）吸附劑的比表面積吸附劑的比表面積是指單位質(zhì)量的吸附劑所具有的吸附表面積，m2/g。吸附劑孔隙的孔徑大小直接影響吸附劑的比表面積，孔徑的大小可分三類(lèi)：大孔、

8、過(guò)渡孔、微孔。吸附劑的比表面積以微孔提供的表面積為主，常采用氣相吸附法測(cè)定。（3）吸附容量吸附容量是指吸附劑吸滿(mǎn)吸附質(zhì)時(shí)的吸附量（單位質(zhì)量的吸附劑所吸附吸附質(zhì)的質(zhì)量），它反映了吸附劑吸附能力的大小。吸附量可以通過(guò)觀(guān)察吸附前后吸附質(zhì)體積或質(zhì)量的變化測(cè)得。也可用電子顯微鏡等觀(guān)察吸附劑固體表面的變化測(cè)得。6.1.3吸附平衡平衡吸附量：當(dāng)溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)，吸附劑與流體長(zhǎng)時(shí)間接觸，吸附量不再增加，吸附相（吸附劑和已吸附的吸附質(zhì)）與流體達(dá)到平衡，此時(shí)的吸附量為平衡吸附量。吸附等溫線(xiàn)：吸附平衡關(guān)系常用不同溫度下的平衡吸附量與吸附質(zhì)分壓或濃度的關(guān)系表示，其關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為吸附等溫線(xiàn)。1 氣相的吸附等溫線(xiàn)(1) 氣

9、相單組分吸附平衡1) 單分子層物理吸附假設(shè)吸附劑表面均勻，被吸附的分子間無(wú)作用，吸附質(zhì)在吸附劑的表面只形成均勻的單分子層，則吸附量隨吸附質(zhì)分壓的增加平緩接近平衡吸附量。如在一193C下，氮在活性炭上的吸附，其吸附等溫線(xiàn)如圖9-6中I所示。2) 多分子層吸附假設(shè)吸附分子在吸附劑上按層次排列，已吸附的分子之間作用力忽略不計(jì)，吸附的分子可以累疊，而每一層的吸附服從朗格謬爾吸附機(jī)理，此吸附為多分子層吸附。如在30C下水蒸汽在活性炭上的吸附，其吸附等溫線(xiàn)見(jiàn)圖9-6中U。3) 其他情況下的吸附等溫曲線(xiàn)也有人認(rèn)為吸附是因產(chǎn)生毛細(xì)管凝結(jié)現(xiàn)象等所致，其吸附等溫線(xiàn)如圖9-6中川、IV>V所示。(2) 氣相雙

10、組分吸附當(dāng)吸附劑對(duì)混合氣體中的兩個(gè)組分吸附性能相近時(shí)，可認(rèn)為是雙組分的吸附。此情況下吸附劑對(duì)某一組分的吸附量不僅與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，還隨混合物組成的變化而變化。通常溫度升高、壓力下降會(huì)使吸附量下降，圖9-7反映了用石墨炭吸附CFCI3C6H&昆合氣體，氣相組成對(duì)吸附量的影響。可以看出，某組分在吸附相和氣相中摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系與精餾中某組分在氣液兩相摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系非常相似。2 .液相中的吸附平衡(1) 液相單組分吸附平衡當(dāng)吸附劑對(duì)溶液中溶劑的吸附忽略不計(jì)時(shí)，構(gòu)成了液相單組分的吸附，如用活性碳吸附水溶液中的有機(jī)物。Giles等人根據(jù)等溫吸附曲線(xiàn)初始部分斜率的大小，把液相單組分吸附等溫線(xiàn)分為S、L

11、、H、C四大類(lèi)型，而每一類(lèi)型又分成5族，見(jiàn)圖8-8，圖中橫坐標(biāo)為組分在液相中的濃度，縱坐標(biāo)為組分的吸附量。S型表示被吸附分子在吸附劑表面上成垂直方位吸附。L型的吸附即朗格謬爾吸附，是指被吸附分子在吸附劑表面呈平行狀態(tài)。H型的吸附是吸附劑與吸附質(zhì)之間高親合力的吸附。C型是吸附質(zhì)在溶液中和吸附劑上有一定分配比例的吸附。(2) 液相中雙組分的吸附平衡含吸附質(zhì)A和B的溶液與新鮮的吸附劑長(zhǎng)時(shí)間接觸后，吸附量不再增加，吸附達(dá)到平衡。此情況下的吸附等溫曲線(xiàn)一般呈U型或S型。U型是在吸附過(guò)程中吸附劑始終優(yōu)先吸附一個(gè)組分的曲線(xiàn)，如用AI2O3吸附CH3C苯溶液，CH3CI被優(yōu)先吸附。S型

12、為溶質(zhì)和溶劑吸附量相當(dāng)情況，如用炭黑吸附乙醇苯溶液，在乙醇摩爾分?jǐn)?shù)為00.4的范圍內(nèi)，乙醇優(yōu)先吸附，而在0.41的范圍內(nèi)，苯優(yōu)先吸附。6.1.4吸附過(guò)程與吸附速率的控制吸附速率是設(shè)計(jì)吸附裝置的重要依據(jù)。吸附速率：是指當(dāng)流體與吸附劑接觸時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的吸附量，kg/s。吸附速率與物系、操作條件及濃度有關(guān)，當(dāng)物系及操作條件一定時(shí)，吸附過(guò)程包括以下三個(gè)步驟：(1) 吸附質(zhì)從流體主體以對(duì)流擴(kuò)散的形式傳遞到固體吸附劑的外表面，此過(guò)程稱(chēng)為外擴(kuò)散。(2) 吸附質(zhì)從吸附劑的外表面進(jìn)入吸附劑的微孔內(nèi)，然后擴(kuò)散到固體的內(nèi)表面，此過(guò)程為內(nèi)擴(kuò)散。(3) 吸附質(zhì)在固體內(nèi)表面上被吸附劑所吸附，稱(chēng)為表面吸附過(guò)程。通常吸附為

13、物理吸附，表面吸附速率很快，故總吸附速率主要取決于內(nèi)外擴(kuò)散速率的大小。夕卜擴(kuò)散控制的吸附：當(dāng)外擴(kuò)散速率小于內(nèi)擴(kuò)散速率時(shí)，總吸附速率由外擴(kuò)散速率決定，此吸附為外擴(kuò)散控制的吸附。內(nèi)擴(kuò)散控制的吸附：當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散速率小于外擴(kuò)散速率時(shí)，此吸附為內(nèi)擴(kuò)散控制的吸附，總吸附速率由內(nèi)擴(kuò)散速率決定。6.1.5吸附操作吸附分離過(guò)程包括吸附過(guò)程和解吸過(guò)程。由于需處理的流體濃度、性質(zhì)及要求吸附的程度不同，故吸附操作有多種形式。1. 接觸過(guò)濾式操作該操作是把要處理的液體和吸附劑一起加入到帶有攪拌器的吸附槽中，使吸附劑與溶液充分接觸，溶液中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，吸附劑達(dá)到飽和，將料漿送到過(guò)濾機(jī)中，吸附劑從液相中濾

14、出，若吸附劑可用，經(jīng)適當(dāng)?shù)慕馕?，回收利用之。因在接觸式吸附操作時(shí)，使用攪拌使溶液呈湍流狀態(tài)，顆粒外表面的膜阻力減少，故該操作適用于外擴(kuò)散控制的傳質(zhì)過(guò)程。接觸過(guò)濾吸附操作所用設(shè)備主要有釜式或槽式，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易。廣泛用于活性炭脫除糖液中的顏色等方面。2. 固定床吸附操作固定床吸附操作是把吸附劑均勻堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附質(zhì)的流體可以自上而下流動(dòng)，也可自下而上流過(guò)吸附劑。在吸附過(guò)程中，吸附劑不動(dòng)。通常固定床的吸附過(guò)程與再生過(guò)程在兩個(gè)塔式設(shè)備中交替進(jìn)行，如圖9-9所示，•表示閥門(mén)關(guān)閉，o表示閥門(mén)打開(kāi)。吸附在吸附塔1中進(jìn)行，當(dāng)出塔流體中吸附質(zhì)的濃度高于規(guī)定值時(shí)，

15、物料切換到吸附塔2，與此同時(shí)吸附塔1采用變溫或減壓等方法進(jìn)行吸附劑再生，然后再在塔1中進(jìn)行吸附，塔2中進(jìn)行再生，如此循環(huán)操作。固定床吸附塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，操作方便靈活，吸附劑不易磨損，物料的返混少，分離效率高，回收效果好，故固定床吸附操作廣泛用于氣體中溶劑的回收、氣體干燥和溶劑脫水等方面。但固定床吸附操作的傳熱性能差，且當(dāng)吸附劑顆粒較小時(shí)，流體通過(guò)床層的壓降較大，因吸附、再生及冷卻等操作需要一定的時(shí)間，故生產(chǎn)效率較低。3 移動(dòng)床吸附操作移動(dòng)床吸附操作是指待處理的流體在塔內(nèi)自上而下流動(dòng)，在與吸附劑接觸時(shí)，吸附質(zhì)被吸附，已達(dá)飽和的吸附劑從塔下連續(xù)或間歇排出，同時(shí)在塔的上部補(bǔ)充新鮮的或再生后的吸

16、附劑。與固定床相比，移動(dòng)床吸附操作因吸附和再生過(guò)程在同一個(gè)塔中進(jìn)行，所以設(shè)備投資費(fèi)用少。4 流化床吸附操作及流化床-移動(dòng)床聯(lián)合吸附操作流化床吸附操作是使流體自下而上流動(dòng)，流體的流速控制在一定的范圍，保證吸附劑顆粒被托起，但不被帶出，處于流態(tài)化狀態(tài)進(jìn)行的吸附操作。該操作的生產(chǎn)能力大，但吸附劑顆粒磨損程度嚴(yán)重，且由于流態(tài)化的限制，使操作范圍變窄。流化床-移動(dòng)床聯(lián)合吸附操作將吸附再生集一塔，如圖9-10所示。塔的上部為多層流化床，在此原料與流態(tài)化的吸附劑充分接觸，吸附后的吸附劑進(jìn)入塔中部帶有加熱裝置的移動(dòng)床層，升溫后進(jìn)入塔下部的再生段。在再生段中吸附劑與通入的惰性氣體逆流接觸得以再生。最后靠氣力輸送

17、至塔頂重新進(jìn)入吸附段，再生后的流體可通過(guò)冷卻器回收吸附質(zhì)。流化床一移動(dòng)床聯(lián)合吸附床常用于混合氣中溶劑的回收、脫除C02和水蒸汽等場(chǎng)合。該操作具有連續(xù)、吸附效果好的特點(diǎn)。因吸附在流化床中進(jìn)行，再生前需加熱，所以此操作存在吸附劑磨損嚴(yán)重、吸附劑易老化變性的問(wèn)題。5 模擬移動(dòng)床的吸附操作為兼顧固定床裝填性能好和移動(dòng)床連續(xù)操作的優(yōu)點(diǎn)，并保持吸附塔在等溫下操作，便于自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)一有許多小段塔節(jié)組成的塔，每一塔節(jié)都有進(jìn)出物料口，采用特制的多通道（如24通道）的旋轉(zhuǎn)閥，靠微機(jī)控制，定期啟閉切換吸附塔的進(jìn)出料液和解吸劑的閥門(mén)，使各層料液進(jìn)出口依次連續(xù)變動(dòng)與四個(gè)主管道相連，這四個(gè)主管道是進(jìn)料（A+B）管、抽出

18、液（A+D）管、抽余液（B+D）管和解吸劑（D）管，見(jiàn)圖9-11。一般整個(gè)吸附塔分成四個(gè)段：吸附段、第一精餾段（簡(jiǎn)稱(chēng)一精段）、解吸段和二精段，見(jiàn)模擬移動(dòng)床吸附分離操作示意圖9-12。在吸附段內(nèi)進(jìn)行的是A組分的吸附，混合液從下向上流動(dòng)，與已吸附著解吸劑D的吸附劑逆流接觸，組分A與D進(jìn)行吸附交換，隨著流體向上流動(dòng)，吸附質(zhì)A和少量的B不斷被吸附，D不斷被解吸，在吸附段出口溶液中主要為組分B和D，作為抽余液從吸附段出口排出。在一精段內(nèi)完成A組分的精制和B組分的解吸，此段頂部下降的吸附劑與新鮮溶液接觸，A和B組分被吸附，在該段底部已吸附大量A和少量B的吸附劑與解吸段上部流入的流體（A+D）逆流接觸，由于

19、吸附劑對(duì)A的吸附能力比B組分強(qiáng)，故吸附劑上少量的B被A置換，B組分逐漸被全部置換出來(lái)，A得到精制。在解吸段內(nèi)完成組分A的解吸，吸附大量A的吸附劑與塔底通入的新鮮解吸劑D逆流接觸，A被解吸出來(lái)作為抽出液，再進(jìn)精餾塔精餾得到產(chǎn)品A及解吸劑D。二精段目的在于部分回收D，減少解吸劑的用量。從解吸段出來(lái)的只含解吸劑D的吸附劑，送到二精段與吸附段出來(lái)的主要含B的溶液逆流接觸，B和D在吸附劑上置換，組分B被吸附，D被解吸出來(lái)，并與新鮮解吸劑一起進(jìn)入吸附段形成連續(xù)循環(huán)操作。從以上操作看，在吸附塔內(nèi)形成流體由下向上，固體由上向下反方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每一小段床層是靜止不動(dòng)的小固定床，吸附塔內(nèi)的吸附劑固體整體和流體是

20、連續(xù)移動(dòng)的，這就是模擬移動(dòng)床吸附分離過(guò)程。應(yīng)用模擬移動(dòng)床吸附分離混合物最早始于從混合二甲苯中分離對(duì)二甲苯，之后應(yīng)用于從煤油餾分中分離出正構(gòu)烷烴，以及C8芳烴中分離已基苯等等，解決了有些體系用精餾和萃取等方法難分離的困難。6.1.6吸附過(guò)程的強(qiáng)化強(qiáng)化吸附過(guò)程可以從兩個(gè)方面入手，一是對(duì)吸附劑進(jìn)行開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，二是開(kāi)發(fā)新的吸附工藝。1、吸附劑的改性與新型吸附劑的開(kāi)發(fā)吸附效果的好壞及吸附過(guò)程規(guī)?；c吸附劑性能的關(guān)系非常密切，盡管吸附劑的種類(lèi)繁多，但實(shí)用的吸附劑卻有限，通過(guò)改性或接枝的方法可得到各種性能不同的吸附劑，工業(yè)上希望開(kāi)發(fā)出吸附容量大、詵擇性強(qiáng)、再生容易的吸附劑；目前大多數(shù)吸附劑吸附容量小限制了吸

21、附塔的處理能力，使得吸附過(guò)程頻繁地進(jìn)行吸附、解吸和再生。近期開(kāi)發(fā)的較新型吸附劑如炭分子篩、活性炭纖維、金屬吸附劑和各種專(zhuān)用吸附劑不同程度地解決了吸附容量小和選擇性弱的缺憾，使的某些有機(jī)異構(gòu)體、熱敏性物質(zhì)、性能相近的混合物分離成為可能。2、開(kāi)發(fā)新的吸附分離工藝隨著食品、醫(yī)藥、精細(xì)化工和生物化工的發(fā)展，需要開(kāi)發(fā)出新的吸附分離工藝，吸附過(guò)程需要完善和大型化已成為一個(gè)重要問(wèn)題。吸附分離工藝與再生解吸方法有關(guān)，而再生方法又取決于組分在吸附劑上吸附性能的強(qiáng)弱和進(jìn)料量的大小等因素，隨著各種性能良好的吸附劑的不斷開(kāi)發(fā)，吸附分離工藝也得以迅速發(fā)展，如大型工業(yè)色譜吸附分離生產(chǎn)胡蘿卜素、葉黃質(zhì)和葉綠素?？焖僮儔何?/p>

22、工藝制造航空高空飛機(jī)用氧。參數(shù)泵吸附分離用于分離血紅蛋白-白蛋白體系、酶及處理含酚廢水等?？?.2結(jié)晶6.2.1粒狀晶體的特征6.2.2結(jié)晶基礎(chǔ)6.2.3結(jié)晶器簡(jiǎn)介6.3膜分離膜分離：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(dòng)力，根據(jù)液體或氣體混合物的不同組分通過(guò)膜的滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級(jí)、提純或富集的過(guò)程。圖6-35膜分離過(guò)程示意圖631膜膜：兩相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，它以特定的形式控制著物質(zhì)的傳遞基本特性：（1）至少必須具有兩個(gè)界面；（2）具有選擇透過(guò)性。一、膜的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)形態(tài)表6-8膜的分類(lèi)不對(duì)稱(chēng)膜/I依據(jù)類(lèi)型來(lái)源天然膜、合成膜狀態(tài)固膜、液膜、氣膜材料高分子膜、無(wú)

23、機(jī)膜、高分子-無(wú)機(jī)雜化膜高分子類(lèi)型玻璃態(tài)膜、橡膠態(tài)膜、結(jié)晶態(tài)膜結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)稱(chēng)膜、不對(duì)稱(chēng)膜（非對(duì)稱(chēng)膜、復(fù)合膜）孔徑大小多孔膜、致密膜（無(wú)孔膜，均質(zhì)膜）電性非荷電膜、荷電膜形狀平板膜、管式膜、中空纖維膜制備方法相轉(zhuǎn)化膜、燒結(jié)膜、拉伸膜、徑跡刻蝕膜、溶出膜圖6-36膜的斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)示意二、膜材料選擇選擇依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，以及膜材料與分離體系中組分間的相互作用。溶解度參數(shù)選擇法、Lansdale膜材料選擇法、高效液相色譜法、膜材料含水率法、分子模擬法等。化學(xué)工程與工藝9夏新年湖南大學(xué)教案溶解度參數(shù)法：組分的溶解度參數(shù)與高分子材料的溶解度參數(shù)越接近，兩者的親和性越強(qiáng)，則組分在該高分子材料中的

24、溶解度越大，該高分子材料的溶脹程度也越大。需要說(shuō)明的是，由于溶解度參數(shù)選擇法只考慮了分離體系中某一種組分與膜材料之間的二元相互作用，未考慮分離體系中兩個(gè)或兩個(gè)以上組分同時(shí)與膜相互作用以及分離體系中各組分之間的相互作用，因此應(yīng)用也有一定的局限性。常用有機(jī)膜材料：纖維素衍生物、聚砜類(lèi)、乙烯類(lèi)高分子、含硅高分子、聚烯烴（聚乙烯、聚丙烯等）、聚酰胺類(lèi)及雜環(huán)含氮高聚物（最常用的是聚酰亞胺、含氟高分子（聚四氟乙烯等）。常用無(wú)機(jī)膜：陶瓷膜、微孔玻璃膜、金屬膜和碳分子篩膜。三、膜的制備方法（1）高分子膜的制備相轉(zhuǎn)化法：用溶劑、溶脹劑與高分子膜材料制成鑄膜液，刮制成膜后，通過(guò)L-S（Loeb-Sourian）法

25、、熱凝膠法、溶劑蒸發(fā)法、水蒸氣吸入法等使均相的高分子溶液沉淀轉(zhuǎn)化為兩相，一相為固相一一高分子富相，形成膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；另一相為液相一一高分子貧相，形成膜孔。其他方法：定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）、熔融擠壓法、溶出法等。復(fù)合膜常用的制備方法：溶液浸涂或噴涂、界面聚合、原位聚合（單體催化聚合、就地聚合）、等離子聚合、水面展開(kāi)法等。（2）無(wú)機(jī)膜的制備燒結(jié)法、溶膠-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。四、膜的分離性能（1）選擇性1 ）脫除率或截留率：Rs=1-xlOQ%L嘰式中cb、cp分別為被分離物系高壓側(cè)主體、膜界面處和透過(guò)液濃度。2 ）分離因子（分離系數(shù)）：式中X

26、i、yi表示原料液（氣）與透過(guò)液（氣）中組分i的摩爾分率或質(zhì)量分率。（2）透過(guò)性化學(xué)工程與工藝單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)物的量：vSt式中V為透過(guò)液的容積或質(zhì)量；S為膜的有效面積；t為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。（3）通量衰減系數(shù)（m）占詁護(hù)或lg厶二和1+拠式中Jt、JI為膜運(yùn)轉(zhuǎn)t小時(shí)和I小時(shí)后的滲透通量；t為運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間五、膜中的傳遞過(guò)程膜孔中主體流動(dòng)膜孔中擴(kuò)散膜孔中受阻擴(kuò)散致密膜中溶解擴(kuò)散圖6-37膜中的傳遞過(guò)程機(jī)理（假定流動(dòng)方向向下）篩分機(jī)理假定膜的表面具有無(wú)數(shù)微孔，膜的孔徑分布比較均一，依據(jù)分子大小的差異，大于膜孔徑的分子被截留，而小于膜孔徑的分子可以穿過(guò)膜介質(zhì)達(dá)到分離的目的。篩分機(jī)理通常應(yīng)用于超濾、

27、微濾過(guò)程中。溶解-擴(kuò)散機(jī)理假設(shè)溶質(zhì)和溶劑都能溶解于膜中，然后各自在濃度差或壓力差造成的化學(xué)位差推動(dòng)下擴(kuò)散通過(guò)膜，再?gòu)哪は掠谓馕Ｈ苜|(zhì)和溶劑在膜相中溶解度和擴(kuò)散性的差異強(qiáng)烈地影響著它們的通量大小。溶解-擴(kuò)散機(jī)理最適用于應(yīng)用致密膜的分離過(guò)程?？琢髂Ｐ褪菍⒘黧w通過(guò)膜孔的流動(dòng)視為毛細(xì)管內(nèi)的層流，其流速可用Hagen-Poiseuille（均勻圓柱孔）或Darcy定律（復(fù)雜結(jié)構(gòu)孔）表示。例6-6632膜組件（1）膜組件：將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等通過(guò)一定的粘合或組裝構(gòu)成的一個(gè)單元。對(duì)膜組件的一般要求：化學(xué)工程與工藝23夏新年和膜污染；膜面積；原料側(cè)與透過(guò)側(cè)的流體有良好的流動(dòng)狀態(tài)，以減少返

28、混、濃差極化具有盡可能高的裝填密度，使單位體積的膜組件中具有較高的有效對(duì)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;設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)低；適合特定的操作條件，安全可靠，易于維修等。膜組件主要型式：板框式、螺旋卷式、管式、中空纖維。Bib垃闖量弾怩(a)板框式組件(b)螺旋卷式膜組件(c)管式膜組件(d)中空纖維式膜組件項(xiàng)目官式螺旋卷式板框式中空纖填充密度!/m3)2008005003000030328305C0流動(dòng)阻力中大小中等抗污染中圖6-39膜組件的四種常見(jiàn)型式表6-9四種膜組件的性能比較等m潘透物圖6-42膜組件多級(jí)逆流循環(huán)膜組件中理想流型示意圖b.逆流；c.并流；d.錯(cuò)流等易

29、清洗差較極優(yōu)好好差優(yōu)好膜更換方式組件組件膜或組件膜組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜復(fù)雜簡(jiǎn)單非常復(fù)雜膜更換成本較咼較高中低料液預(yù)處理需<需要不需要|仃女高壓操作適合適困難困難相對(duì)價(jià)格較高低較咼高(2)膜組件中的流型C3rrS原斜*A潮1物原圖6-40a.理想混合；(3)膜組件的級(jí)聯(lián)透余物原富集段(4)濃差極化膜傳質(zhì)過(guò)程中，靠近膜表面的邊界層處會(huì)存在濃度梯度或分壓差，對(duì)于給定的主體流體濃度，邊界層阻力的存在降低了膜分離的傳質(zhì)推動(dòng)力，滲透物的通量也降低。由于傳質(zhì)阻力而引起邊界層組分濃度的增加或降低的現(xiàn)象被稱(chēng)為濃差極化。以超濾為例:穩(wěn)態(tài)超濾的物料平衡式:邊界條件：z=0,c=cb;z=積分：圖6-43超濾過(guò)程的濃差

30、極化(6-147)(6-148)以摩爾濃度表示的濃差極化方程：血（心r"L品（心-&）cDX定義傳質(zhì)系數(shù)k=D/當(dāng)<<兀ck"和飛時(shí):（6-150式中''氣稱(chēng)為濃差極化比。"和匕時(shí)：定義傳質(zhì)系數(shù)6-149)（6-150式中二S稱(chēng)為濃差極化比。濃差極化對(duì)膜分離過(guò)程的不利影響：濃差極化使膜表面被截留的溶質(zhì)濃度增咼，引起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)推動(dòng)力;當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會(huì)在膜表面形成沉枳或凝膠層，增加透過(guò)阻力；膜表面沉積或凝膠層的形成會(huì)改變膜的分離特性；當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度則有可能對(duì)膜發(fā)生溶脹或溶解，惡化

31、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)行惡化。減輕濃差極化的方法：改變流向、提咼流速；設(shè)置湍流促進(jìn)器；脈沖法；攪拌法；適當(dāng)提高原料側(cè)溫度。例6-7633膜分離過(guò)程一、膜分離過(guò)程簡(jiǎn)介膜分離過(guò)程推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等。表6-10工業(yè)化膜分離過(guò)程及其特性分離過(guò)程分離目的截留物性質(zhì)（尺寸）透過(guò)物性質(zhì)推動(dòng)力過(guò)程機(jī)理1原料、透過(guò)物相態(tài)氣體分離GasSeparation氣體的濃縮或凈化大分子或低溶解性氣體小分子或高溶濃度梯度解性氣體（分壓差）溶解擴(kuò)散氣相滲透汽化大分子或低溶解性物質(zhì)小分子或高溶濃度梯度、進(jìn)料：液相Pervaporatio液體的濃縮或提純解性或高揮發(fā)溶解擴(kuò)散1透過(guò)物：氣相

32、n性物質(zhì)溫度梯度大分子溶液脫除低> 0.02艸，F(xiàn)血液透析中> 0.005嚴(yán)滲析Dialysis分子溶質(zhì)，或低分子溶液脫除大分子溶質(zhì)低分子和小分宀+宀、宀濃度梯度子溶劑篩分、阻礙擴(kuò)散1液體電滲析Electrodialysis脫除溶液中的離子或濃縮溶液中的離子成分大尺寸離子和水小分子離子電勢(shì)梯度反離子傳遞'液體納濾Nanofiltrati)n脫除低分子有機(jī)物或濃縮低分子有機(jī)物>2003000相對(duì)分子質(zhì)量的溶質(zhì)溶劑和無(wú)機(jī)物及小于200相對(duì)分子量的物質(zhì)溶解擴(kuò)散及篩分液體超濾Ultrafiltraton微濾Microfiltraton脫除溶液中大分子或大分子與小分子溶質(zhì)分離脫除或濃縮液體中的顆粒>10000200000相對(duì)分子質(zhì)量的溶質(zhì)靜壓差篩分液體>0.0210的物質(zhì)溶液或氣體靜壓差篩分液體或氣體離于交換診透堆發(fā)丨0.1nm1nm10nm100nmIpm10/Jn圖6-44各種膜分離過(guò)程的應(yīng)用范圍膜分離過(guò)程的特點(diǎn)：1 ）多數(shù)膜分離過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，能耗通常較低。2 ）一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，可節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。3 ）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。4）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(jí)、濃縮與富集。5 ）應(yīng)用范圍廣。6 ）規(guī)模和處理能力可