第十二章膜分離

第十二章膜分離演示文稿當(dāng)前1頁，總共47頁。優(yōu)選第十二章膜分離當(dāng)前2頁，總共47頁。利用選擇性透過膜，對(duì)組分進(jìn)行分離、提純或富集的單元操作，稱膜分離。20世紀(jì)膜分離技術(shù)的發(fā)展歷程：30年代微孔過濾（MF），40年代滲析（DL），50年代電滲析（ED），60年代反滲透（RO），70年代超濾（UF），80年代氣體分離（GP），90年代滲透蒸發(fā)（PV）。當(dāng)前3頁，總共47頁。第一節(jié)

膜及膜分離器

12-1

分離膜

12.1A分離膜的分類

當(dāng)前4頁，總共47頁。1．無機(jī)分離膜（1）陶瓷膜（2）玻璃膜（3）金屬膜（4）分子篩炭膜2．聚合物分離膜12.1B聚合物膜的制備工藝1.相轉(zhuǎn)化法成膜2.復(fù)合膜的制備分別制備超薄皮層和多孔支撐層后再將二者進(jìn)行復(fù)合。支撐層提供支持強(qiáng)度，皮層起分離作用。

當(dāng)前5頁，總共47頁。當(dāng)前6頁，總共47頁。12.1C膜的性能和膜滲機(jī)理1、分離膜的性能包括兩方面：分離透過特性和物理化學(xué)穩(wěn)定性。主要的分離透過特性為以下三種：（1）溶質(zhì)分離率（2）溶劑透過速度

（3）膜的流量衰減因數(shù)

2、膜滲機(jī)理（1）毛細(xì)管流動(dòng)模型（2）溶解擴(kuò)散模型當(dāng)前7頁，總共47頁。12-2膜分離器膜分離器是膜分離裝置系統(tǒng)中最核心部分，又稱膜組件。將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，這個(gè)基本單元設(shè)備就稱為膜分離器。工業(yè)上常用的膜分離器形式主要有板框式、圓管式、螺旋卷式和中空纖維式四種類型。性能良好的膜組件應(yīng)具備下列條件：（1）對(duì)膜提供足夠機(jī)械支撐并可使原料液和透過液分開。（2）在能耗最小的條件下，料液在膜面上流動(dòng)，減少濃差極化。（3）具有盡可能高的裝填密度。（4）裝置牢固安全，價(jià)格低廉。

當(dāng)前8頁，總共47頁。當(dāng)前9頁，總共47頁。12.2A板框式膜組件1．系緊螺栓式2．耐壓容器式12.2B圓管式膜組件1．內(nèi)壓型管束式2．外壓型管殼式12.2C螺旋卷式膜組件12.2D中空纖維式膜組件中空纖維為極細(xì)的空心膜管，外徑約為50~200μm,內(nèi)徑為25~42μm。多達(dá)105~106根中空纖維成束裝入圓筒形耐壓容器內(nèi)。分為以下三種類型：（1）軸流型（2）徑流型（3）纖維卷筒型

當(dāng)前10頁，總共47頁。當(dāng)前11頁，總共47頁。當(dāng)前12頁，總共47頁。當(dāng)前13頁，總共47頁。當(dāng)前14頁，總共47頁。當(dāng)前15頁，總共47頁。當(dāng)前16頁，總共47頁。第二節(jié)反滲透和超濾

12-3反滲透的基本原理12.3A滲透和反滲透

當(dāng)前17頁，總共47頁。因，發(fā)生滲透。

如果是稀溶液，滲透壓（osmoticpressure）:c—溶液濃度，mol/m3。溶液側(cè)施壓，發(fā)生反滲透(reverseosmosisRO)。當(dāng)前18頁，總共47頁。當(dāng)前19頁，總共47頁。12.3B反滲透的傳質(zhì)方程1、溶劑擴(kuò)散速率方程N(yùn)w——溶劑擴(kuò)散率，kg/(m2·s)Pw——溶劑膜滲透率(permeability),kg/(Pa·m·s);Kw——溶劑滲透率常量，又稱透水系數(shù)kg/(Pa·m2·s);當(dāng)前20頁，總共47頁。當(dāng)前21頁，總共47頁。2.溶質(zhì)擴(kuò)散速率Ns——溶質(zhì)的通量，kg/(m2s)Ks——溶質(zhì)的滲透率常量，m/s當(dāng)前22頁，總共47頁。3．溶質(zhì)的分離率

令：當(dāng)前23頁，總共47頁。12-4反滲透的實(shí)際過程12.4A濃度極化及其消除表面附近溶液濃度高于濃縮液主體的濃度，這種現(xiàn)象稱為濃度極化（concentrationpolarization）。濃度極化因數(shù)M：

>1當(dāng)前24頁，總共47頁。濃度極化對(duì)反滲透操作會(huì)產(chǎn)生三種不利作用。（1）使反向推動(dòng)力增大，降低透水速率。反滲透推動(dòng)力的合力較非極化時(shí)下降。（2）使有效膜面積減少，亦使透水率下降（3）使溶質(zhì)的滲漏增大。當(dāng)前25頁，總共47頁。濃度極化作用的主要影響因素：（1）透水率（2）溶液黏度（3）溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)（4）膜表面上溶液的流動(dòng)條件12.4B反滲透工藝1．前處理工藝2．反滲透基本工藝流程（1）一級(jí)一段流程（2）一級(jí)多段流程（3）多級(jí)流程3．后處理工藝當(dāng)前26頁，總共47頁。當(dāng)前27頁，總共47頁。當(dāng)前28頁，總共47頁。當(dāng)前29頁，總共47頁。當(dāng)前30頁，總共47頁。12-5

超濾與微孔過濾過程名稱

功能

p(MPa)

分離機(jī)制微孔過濾(MF)超濾(UF)反滲透(RO)濾除>0.1μm顆粒濾除5～100nm顆粒水-鹽分離

0.01～020.1～11～10

篩濾毛細(xì)流動(dòng)溶解擴(kuò)散

當(dāng)前31頁，總共47頁。12.5A超濾(Ultrafiltration,UF)1.超濾的基本原理超濾膜對(duì)大分子溶質(zhì)等的截留作用是由于（1）在膜表面和微孔內(nèi)的吸咐（一次吸咐）；（2）在膜孔中的阻塞；（3）在膜表面的機(jī)械截留（篩濾）。2.

超濾膜和組件

3.超濾過程中膜的污染

4.超濾操作的流程當(dāng)前32頁，總共47頁。12.5B微孔過濾(Microfiltration,MF)微孔過濾（MF）是介于普通過濾和超濾之間的一種操作，一般認(rèn)為MF的有效分離范圍為直徑0.1~10μm的粒子，操作靜壓差為10~200kPa1．微孔濾膜及組件2．微孔過濾的應(yīng)用12-6

超濾和反滲透在食品工業(yè)中的應(yīng)用1．蛋白質(zhì)的分離2．食品料液的凈化當(dāng)前33頁，總共47頁。當(dāng)前34頁，總共47頁。當(dāng)前35頁，總共47頁。當(dāng)前36頁，總共47頁。超濾澄清工藝優(yōu)點(diǎn)：（1）縮短果蔬汁的處理時(shí)間（2）節(jié)省了壓濾機(jī)、離心機(jī)、反應(yīng)罐等設(shè)備投資以及淀粉酶、果膠酶以及澄清劑、助濾劑等費(fèi)用。（3）維生素C等損失少，果膠、蛋白質(zhì)和香氣物質(zhì)可以回收。（4）超濾本身可除微生物，后面不再需要加熱殺菌。3.食品料液的濃縮4.工業(yè)廢水的處理5.膜反應(yīng)器的應(yīng)用當(dāng)前37頁，總共47頁。當(dāng)前38頁，總共47頁。當(dāng)前39頁，總共47頁。第三節(jié)電滲析

使離子在電場(chǎng)作用下通過膜進(jìn)行滲析遷移的過程，稱為電滲析（electrodialysis,ED）12-7電滲析的基本原理和概念12.7A電滲析的基本原理當(dāng)前40頁，總共47頁。當(dāng)前41頁，總共47頁。1、離子交換膜的選擇性透過原理磺酸型陽膜的結(jié)構(gòu)：R———SO-3——H+季胺型陰膜的結(jié)構(gòu)：R———N+(CH3)3——OH-2．電滲析器分離原理12.7B電滲析的基本概念1、離子移動(dòng)速度

2．離子通量3．離子遷移數(shù)

對(duì)1-1價(jià):當(dāng)前42頁，總共47頁。當(dāng)前43頁，總共47頁。4.能耗與庫侖效率每膜對(duì)中能量單耗庫侖效率