第6章氣固-液固傳質(zhì)分離過程

傳質(zhì)分離過程主要內(nèi)容及要求：掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸附動(dòng)力學(xué)、吸附過程及設(shè)備。了解結(jié)晶過程的基本原理，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

掌握膜分離的基本原理、過程分類、膜和膜組件的類型以及膜分離技術(shù)的應(yīng)用。第六章氣固、液固傳質(zhì)分離過程6.1吸附分離過程吸附過程基礎(chǔ)吸附是指流體（氣體或液體）與固體多孔物質(zhì)接觸時(shí)，流體中的一種或多種組分傳遞到多孔物質(zhì)外表面和微孔內(nèi)表面，并附著在這些表面上形成單分子層或多分子層的過程。吸附過程被吸附的流體稱為吸附質(zhì)，多孔固體顆粒稱為吸附劑。吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附劑內(nèi)的流體稱為吸附相，剩余的流體本體相稱為吸余相。吸附劑對不同吸附質(zhì)的吸附能力不同，從而實(shí)現(xiàn)組分分離。

物理吸附于化學(xué)吸附對比吸附性能物理吸附化學(xué)吸附作用力分子引力（范德華力）化學(xué)鍵選擇性沒有選擇性有選擇性吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子吸附層吸附熱較小，?41.9kJ/mol較大，相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱，83.7-418.7kJ/mol吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度放熱過程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆，較易解吸化學(xué)鍵大時(shí)，吸附不可逆（1）物理吸附熱與冷凝熱在一個(gè)數(shù)量級上，而化學(xué)吸附熱與其反應(yīng)熱在一個(gè)數(shù)量級上；（2）適宜溫度和壓力條件下，所有的氣體－固體體系中都將發(fā)生物理吸附，而化學(xué)吸附只有當(dāng)氣體分子與吸附劑表面能形成化學(xué)鍵時(shí)才發(fā)生；（3）物理吸附的吸附質(zhì)分子可通過降低壓力的方法解吸，而化學(xué)吸附的吸附質(zhì)分子的解吸要困難得多，往往是不可逆的；（4）物理吸附可以是單分子層吸附也可以是多分子層吸附，而化學(xué)吸附通常只是單分子層吸附，某些情況下，化學(xué)吸附單分子層上還可能發(fā)生物理吸附；（5）物理吸附瞬時(shí)發(fā)生，而化學(xué)吸附一般需要達(dá)到一定的活化能后才發(fā)生。吸附類型的判斷吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：（1）較高的選擇性以達(dá)到一定的分離要求；（2）較大的吸附容量以減小用量；（3）較好的動(dòng)力學(xué)及傳遞性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)快速吸附；（4）較高的化學(xué)及熱穩(wěn)定性，不溶或極難溶于待處理流體以保證吸附劑的數(shù)量和性質(zhì)；（5）較高的硬度及機(jī)械強(qiáng)度以減小磨損和侵蝕；（6）較好的流動(dòng)性以便于裝卸；（7）較高的抗污染能力以延長使用壽命；（8）較好的惰性以避免發(fā)生不期望的化學(xué)反應(yīng)；（9）易再生；（10）價(jià)格便宜。常用吸附劑吸附劑按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有機(jī)吸附劑和無機(jī)吸附劑：常用的有機(jī)吸附劑有活性炭、球性炭化樹脂、聚酰胺、纖維素、大孔樹脂等；常用的無機(jī)吸附劑有硅膠、活性氧化鋁、硅藻土、分子篩等。活性碳—非極性吸附劑活性碳是碳質(zhì)吸附劑的總稱。各種含碳有機(jī)物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有兩步：碳化—活化。活性炭具有非極性表面，為疏水親有機(jī)物的吸附劑，特別適合于吸附非極性或弱極性有機(jī)物；它性能穩(wěn)定、抗腐蝕、吸附容量大。廣泛用于脫除水中有機(jī)物；水溶液中的色素等?；钚匝趸实幕瘜W(xué)通式為：Al2O3·nH2O氫氧化鋁膠體經(jīng)過灼燒脫水而制得一種多孔大表面吸附劑?；钚匝趸X的表面活性中心是羥基和路易斯酸中心，極性強(qiáng)，對水具有很高的親和作用。廣泛用于脫除氣體中的水分，也常用作色譜柱填充材料?；钚匝趸X—極性吸附劑硅膠－極性吸附劑硅膠的化學(xué)通式為：SiO2·nH2O。用硅酸鈉與無機(jī)酸反應(yīng)生成硅酸，其聚合物在適宜的條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚物，經(jīng)聚集、洗鹽、脫水而成為硅膠。硅膠的表面保留著大約5wt.％的羥基，是硅膠的吸附活性中心。在200℃以上羥基會(huì)脫去，所以硅膠的活化溫度應(yīng)低于200℃。硅膠常作為干燥劑用于氣體或液體的干燥脫水，也可用于分離烷烴與烯烴、烷烴與芳烴，同時(shí)硅膠也是常用的色譜柱填充材料。沸石分子篩沸石分子篩是結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，其化學(xué)通式為：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表陽離子，m表示其價(jià)態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)，x和y是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結(jié)構(gòu)，孔徑為3～10?。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔（也稱“窗口”）相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。（a）A型

（b）X型兩種常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu)

沸石分子篩的吸附作用有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）表面上的路易斯中心極性很強(qiáng)；（2）沸石中的籠或通道的尺寸很小，使得其中的引力場很強(qiáng)。因此，其對吸附質(zhì)分子的吸附能力遠(yuǎn)超過其他類型的吸附劑。即使吸附質(zhì)的分壓（或濃度）很低，吸附量仍很可觀。沸石分子篩的吸附分離效果不僅與吸附質(zhì)分子的尺寸和形狀有關(guān)，而且還與其極性有關(guān)，因此，沸石分子篩也可用于尺寸相近的物質(zhì)的分離。吸附平衡一定條件下，流體（氣體或液體）與吸附劑接觸，流體中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)足夠長時(shí)間后，吸附質(zhì)在兩相中的含量不再改變，即吸附質(zhì)在流體和吸附劑上的分配達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，稱為吸附平衡。

相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度時(shí)，吸附質(zhì)將被吸附；反之，流體中吸附質(zhì)濃度低于平衡濃度時(shí)，吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)將解吸進(jìn)入流體相，直到達(dá)到新的吸附平衡?？梢?，吸附平衡關(guān)系決定著吸附過程的方向和極限，是吸附過程的基本依據(jù)。

吸附平衡關(guān)系通常用等溫下吸附劑上吸附質(zhì)的含量與流體相中吸附質(zhì)的濃度或分壓間的關(guān)系表示（吸附等溫線）。Brunauer的五種類型的純氣體物理吸附等溫線單組份吸附平衡關(guān)系Henry定律在足夠低的濃度范圍，吸附平衡關(guān)系可用亨利定律表述：q—吸附劑的吸附容量；H—Henry系數(shù)；p—吸附質(zhì)在氣體混合物中的分壓；c—吸附質(zhì)在液相混合物中的濃度?；騆angmuir吸附等溫方程Langmuir基于單分子層吸附理論對氣體推導(dǎo)出簡單和廣泛應(yīng)用的近似表達(dá)式：單分子層最大吸附量Langmuir常數(shù)，與溫度有關(guān)兩參數(shù)都由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定盡管與Langmuir方程完全吻合的物系相當(dāng)少，但有大量的物系近似符合。該模型在低濃度范圍就簡化為亨利定律。Langmuir模型被公認(rèn)為定性或半定量研究變壓吸附系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Freundlich和Langmuir-Freundlich方程Freundlich方程是用于描述平衡數(shù)據(jù)的最早的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式之一，其表達(dá)式為：Freundlich方程不但適用于氣體吸附，也適用于液體吸附。就氣體吸附而言，壓力范圍不能太寬，在低壓下不能簡化成亨利定律，壓力足夠高時(shí)又無確定的使用極限，通常適于描述窄范圍的吸附數(shù)據(jù)，大范圍的數(shù)據(jù)也可分段關(guān)聯(lián)。特征常數(shù)，與溫度有關(guān)Freundlich和Langmuir-Freundlich方程純經(jīng)驗(yàn)方程多組份吸附平衡關(guān)系Langmuir方程擴(kuò)展式忽略各吸附組分之間的相互作用，其他組分的吸附僅僅減小了吸附表面上的空位:純組分吸附時(shí)的對應(yīng)值如果混合物中兩個(gè)或多個(gè)組分都有相當(dāng)?shù)奈搅浚闆r就很復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)組分的吸附可增加、降低或不影響另外組分的吸附，這取決于被吸附分子間的相互作用。Langmuir-Freundlich方程的擴(kuò)展式Langmuir方程擴(kuò)展式和Langmuir-Freundlich方程的擴(kuò)展式缺乏熱力學(xué)一致性，故理論依據(jù)不充分，只具有半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，但應(yīng)用起來比較簡便。吸附質(zhì)在吸附劑的多孔表面上的吸附過程分四步：1、吸附質(zhì)從流體主體通過分子擴(kuò)散與對流擴(kuò)散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑外表面，稱為外擴(kuò)散過程。2、吸附質(zhì)通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，稱為內(nèi)擴(kuò)散過程。3、吸附質(zhì)沿內(nèi)孔表面的表面擴(kuò)散。4、吸附質(zhì)被吸附在孔表面上。吸附過程的傳質(zhì)對于化學(xué)吸附：吸附質(zhì)與吸附劑之間有鍵的形成，第四步可能較慢，甚至是控制步驟。對于物理吸附：由于吸附速率僅取決于吸附質(zhì)分子與孔表面的碰撞頻率和定向作用，第四步幾乎是瞬間完成的，吸附速率由前三步控制，統(tǒng)稱為擴(kuò)散控制。吸附機(jī)理吸附解吸多孔吸附劑中流體的濃度分布和溫度分布外擴(kuò)散傳質(zhì)過程吸附質(zhì)從流體主體對流擴(kuò)散到吸附劑顆粒外表面的傳質(zhì)速率方程為：

相應(yīng)的傳熱方程為：內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)過程傳熱可忽略，傳質(zhì)必須考慮吸附質(zhì)在微孔中的擴(kuò)散有兩種形式-沿孔截面的擴(kuò)散和沿孔表面的表面擴(kuò)散。前者根據(jù)孔徑和吸附分子平均自由程之間大小的關(guān)系又有三種情況：分子擴(kuò)散、紐特遜擴(kuò)散和介于這兩種情況之間的擴(kuò)散。當(dāng)微孔表面吸附有吸附質(zhì)時(shí)，沿孔口向里的表面上存在著吸附質(zhì)的濃度梯度，吸附質(zhì)可以沿孔表面向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，稱為表面擴(kuò)散。在吸附劑顆粒的微孔中進(jìn)行傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型很類似于在多孔催化劑顆粒中的催化反應(yīng)，一般應(yīng)用Fick第一定律來進(jìn)行描述。吸附分離過程與技術(shù)根據(jù)待分離物系中各組分的性質(zhì)和過程的分離要求(如純度、回收率、能耗等)，在選擇適當(dāng)?shù)奈絼┖徒馕鼊┗A(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備。工業(yè)吸附過程通常包括兩個(gè)步驟:將流體與吸附劑接觸，吸附質(zhì)被吸附劑吸附后與其他流體分開，此過程為吸附操作;吸附質(zhì)從吸附劑上解吸出來，使吸附劑得到再生。若吸附劑不需再生，則此步驟改為吸附劑的更新。常用的吸附分離設(shè)備有：

吸附攪拌槽固定床吸附器移動(dòng)床吸附器流化床吸附器吸附劑的再生方法主要有：變溫法、變壓法、惰性氣體吹掃法和置換再生法槽式攪拌吸附—接觸過濾式接觸過濾式吸附過程一般在帶有攪拌器的吸附槽中進(jìn)行。操作時(shí)，首先將原料液加入吸附槽，然后在攪拌狀態(tài)下加入吸附劑。在攪拌器的作用下，槽內(nèi)液體呈強(qiáng)烈湍動(dòng)狀態(tài)，而吸附質(zhì)則懸浮于溶液中。當(dāng)吸附過程接近吸附平衡時(shí)，通過過濾裝置將吸附劑從溶液中分離出來。接觸過濾式吸附過程屬間歇操作過程，常用于溶質(zhì)的吸附能力很強(qiáng)，且溶液的濃度很低的吸附過程，以回收其中少量的溶解物質(zhì)或除去某些雜質(zhì)等。CoCt=0t=t固定床吸附固定床吸附過程是最為典型的吸附過程之一，在制藥化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。將顆粒狀的吸附劑以一定的填充方式充滿圓筒形容器，即構(gòu)成固定床，操作時(shí)，含有吸附質(zhì)的液體或氣體以一定的流速流過吸附劑床層，進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附。當(dāng)床層內(nèi)的吸附劑接近或達(dá)到飽和時(shí)，吸附過程停止，隨后對床層內(nèi)的吸附劑進(jìn)行再生，再生完成后，即可進(jìn)行下一循環(huán)的吸附操作。可見，固定床吸附過程也是一種間歇操作過程。（a）（b）（c）（d）固定床吸附過程示意圖吸附器出口流體中的吸附質(zhì)濃度隨時(shí)間而變化的曲線稱為透過曲線。

隨著吸附過程的進(jìn)行，傳質(zhì)區(qū)將不斷向前移動(dòng)，因而飽和區(qū)將逐漸擴(kuò)大，未用區(qū)將逐漸縮小。經(jīng)過一定的時(shí)間后，傳質(zhì)區(qū)的前端將到達(dá)床層的出口，此時(shí)出口流體中的吸附質(zhì)濃度開始突然上升，該點(diǎn)稱為穿透點(diǎn)，如圖中的B點(diǎn)所示。穿透點(diǎn)所對應(yīng)的吸附質(zhì)濃度和吸附時(shí)間分別稱為穿透濃度和穿透時(shí)間。

固定床吸附過程

右圖是典型的兩個(gè)吸附器輪流操作的流程圖。它是一個(gè)原料氣的干燥過程，當(dāng)干燥器A在操作時(shí)，原料氣由下方通入(通干燥器B的閥關(guān)閉)，經(jīng)干燥后的原料氣從頂部出口排出。與此同時(shí)，干燥器B處于再生階段。再生用氣體經(jīng)加熱器加熱至要求的溫度。從頂部進(jìn)入干燥器B(通干燥器A的閥關(guān)閉)，再生氣攜帶從吸附劑上脫附的水分從干燥器底部排出，經(jīng)冷卻器使再生氣降溫，水氣結(jié)成水分離出去，再生氣可循環(huán)使用。固定床吸附器流程示意圖

變溫吸附原理：利用吸附量隨溫度變化的特性而實(shí)現(xiàn)的。變溫吸附（TemperatureSwingAdsorption）吸附—加熱—冷卻變溫吸附循環(huán)操作在幾個(gè)平行的固定床吸附器中進(jìn)行。其中幾個(gè)在環(huán)境溫度附近吸附溶質(zhì)，而另外幾個(gè)在較高溫度下解吸吸附質(zhì)，使吸附劑床層再生。變壓吸附是在接近等溫條件下依據(jù)吸附量隨壓力的變化特性而實(shí)現(xiàn)的吸附過程。充壓—吸附—放壓—吹掃變壓吸附（PresureSwingAdsorption）移動(dòng)床吸附固體吸附劑在塔內(nèi)自上而下移動(dòng)，到塔底出去后經(jīng)塔外提升器提升至塔頂循環(huán)使用。液體用泵壓送,在塔內(nèi)自下而上流動(dòng)，與固體物料逆流接觸。移動(dòng)床較固定床能充分利用床層吸附容量，出水水質(zhì)良好，且水頭損失較小。由于料液從塔底進(jìn)入，水中夾帶的懸浮物隨飽和炭排出，因而不需要反沖洗設(shè)備，對料液預(yù)處理要求較低，操作管理方便。目前較大規(guī)模廢水處理時(shí)多采用這種操作方式。吸附分離的應(yīng)用吸附分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、冶金工業(yè)和電子工業(yè)等各個(gè)工業(yè)部門。氣體或溶液的脫水和深度干燥中壓下乙烯催化聚合聚乙烯時(shí)，乙烯氣體中的微量水分可用吸附法除去。氣體或液體的除臭、脫色和溶劑蒸氣的回收活性炭對所有臭氣幾乎都能吸附?；腔嚎晌綁A性臭氣，鈉基磺化煤可吸附氯氣和酸性臭氣等。如采用吸附法還可以對糖液、酒類、食用油等物質(zhì)進(jìn)行脫色。氣體的預(yù)處理和氣體中痕量物質(zhì)的吸附分離精制如用深冷分離空氣組分操作前，空氣中的水和二氧化碳可用吸附法脫除。環(huán)境保護(hù)和水處理從廢水中脫除酚、吡啶等有機(jī)有毒物、回收鉀、鈾、金、稀土金屬等重金屬物質(zhì)。6.3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膜的滲透率的差異實(shí)現(xiàn)組分的分離、分級、提純或富集的過程。

膜分離MembraneSeparation膜膜組件膜分離過程膜應(yīng)具備下述兩個(gè)特性：膜必須具有兩個(gè)界面，分別與上游側(cè)與下游側(cè)的流體物質(zhì)互相接觸。膜應(yīng)具有選擇透過性。膜——Film，MembraneFilm：thincoatingorcovering薄層物質(zhì)。Membrane：具有選擇透過性的薄層物質(zhì)。膜按膜材料：高分子膜、無機(jī)膜按制膜工藝：核孔膜、相轉(zhuǎn)化膜、動(dòng)力形成膜按膜的狀態(tài)：固膜、液膜、氣膜按膜的截面形式：對稱膜、非對稱膜、復(fù)合膜按膜結(jié)構(gòu)的疏密程度：致密膜、多孔膜按膜的形狀：平板膜、管式膜（中空纖維膜、毛細(xì)管膜、粗管膜）膜的分類膜材料膜材料的基本特性：能夠成膜熱穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好一定的機(jī)械性能膜材料的選擇（或設(shè)計(jì)合成）依據(jù)：膜材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)膜材料與分離體系中組分間的相互作用有機(jī)材料（纖維素衍生物、聚砜類、乙烯類高分子等）特點(diǎn)：易于制備、容易加工成膜；膜結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、成本低廉；耐強(qiáng)酸堿及耐高溫能力較差膜材料無機(jī)材料（陶瓷、玻璃、金屬、沸石）特點(diǎn)：化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、便于清洗；膜結(jié)構(gòu)調(diào)控難度大、加工制備成本高；脆、易碎膜材料種類：膜的制備方法高分子膜的制備相轉(zhuǎn)化法、復(fù)合膜法定向拉伸法、核徑跡法（痕跡刻蝕法）熔融擠壓法、溶出法等無機(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)沉積法等浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化制膜法大部分工業(yè)用膜采用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備。方法步驟：配置聚合物溶液（聚合物+溶劑+添加劑）；對溶液進(jìn)行預(yù)處理（如過濾、脫泡、或靜置）；對聚合物溶液以某種方式成膜；適當(dāng)時(shí)間的蒸發(fā)；浸入含非溶劑的凝固?。贿m當(dāng)后處理（如加熱）。金屬或金屬化合物前驅(qū)體聚合物路線膠體路線Sol（粒子溶膠）Sol（聚合物溶膠）聚合物凝膠膠態(tài)凝膠干燥有機(jī)-無機(jī)混合膜燒結(jié)無機(jī)膜介質(zhì)膜涂層水有機(jī)溶劑溶膠-凝膠制膜法方法步驟：制備溶膠：金屬或非金屬醇鹽氧化水解；溶膠轉(zhuǎn)化成凝膠：改變膠體粒子表面電荷，低溫干燥；干燥與燒結(jié)成膜。溶膠-凝膠法是制備無機(jī)膜的基本方法之一。1、分離性能截留率（描述反滲透、超濾、納濾膜）其中，Rr、Ra分別為真實(shí)截留率和表觀截留率；c2、c3分別為被分離物系中某組分在原料主體的濃度、上游側(cè)膜界面處濃度和透過側(cè)濃度。分離系數(shù)（描述滲透汽化和氣體分離膜）其中，α表示分離系數(shù)；x，y分別表示膜原料側(cè)和透過側(cè)混合物中組分的摩爾分?jǐn)?shù)，A，B表示兩組分。c1c2c3膜的分離透過性能2、透過性能透過通量（液體組分）：單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積透過膜的量透過速率（氣體組分）：單位壓力梯度下通量膜的通量衰減系數(shù)（表征因膜壓損和濃差極化、膜污染等引起的通量隨時(shí)間的衰減程度）：其中，Jt為運(yùn)行t倍單位時(shí)間的通量，J1為運(yùn)行單位時(shí)間后的通量，m為通量衰減系數(shù)膜組件膜組件類型平板膜：板框式膜組件，（螺旋）卷式膜組件管式膜：中空纖維膜組件、毛細(xì)管膜組件、（粗）管式膜組件一個(gè)性能良好的膜組件一般應(yīng)具備下述要求：①原料側(cè)與透過側(cè)的流體有良好的流動(dòng)狀態(tài)，以減少返混、

濃差極化和膜污染；②盡可能高的裝填密度（單位體積膜組件中填充膜的有效面

積），并使膜的安裝和更換方便；③裝置牢固、安全可靠、價(jià)格低廉和易維護(hù)。板框式膜組件及其特點(diǎn)板框式膜組件是由許多板和框堆積組裝在一起而得名，其外觀類似普通的板框式壓濾機(jī)。它是膜分離歷史上最早問世的一種膜組件形式。優(yōu)點(diǎn)組裝比較簡單；膜的更換、清洗較易，可單獨(dú)更換膜片；堅(jiān)固、耐用、可靠性好；原液流道截面積較大，壓力損失較?。徊灰锥氯?，對預(yù)處理要求較低。缺點(diǎn)

對膜的機(jī)械強(qiáng)度要求高（由安裝、更換和流體湍動(dòng)造

成的對膜的沖擊）；密封邊界長（增加了加工成本）螺旋卷式（卷式）膜組件的結(jié)構(gòu)是由中間為多孔支撐材料，兩邊是膜的“雙層結(jié)構(gòu)”裝配組成的。其中三個(gè)邊沿被密封而粘結(jié)成膜袋狀，另一個(gè)開放的邊沿與一根多孔中心產(chǎn)品水（液）收集管連接，在膜袋外部的原水側(cè)再墊一層網(wǎng)眼型間隔材料（隔網(wǎng)），也就是把膜-多孔支撐層-膜-原水側(cè)隔網(wǎng)依次疊合，繞中心集水管緊密地卷在一起，形成一個(gè)膜元件，再裝進(jìn)圓柱型壓力容器中，構(gòu)成一個(gè)螺旋卷式膜組件。卷式膜組件及其特點(diǎn)卷式膜組件及其特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)比板框膜組件的裝填密度高（單位體積中的膜面積稱為裝填密度），達(dá)200~800m2/m3;單個(gè)膜組件的壓力損失相對中控纖維膜組件較小。缺點(diǎn)當(dāng)原料中含有懸浮固體時(shí)使用有困難；膜組件制作工藝復(fù)雜、要求高，尤其是用于高壓操作時(shí)難度更大；膜損壞后不能更換。管式膜組件是指在圓管狀支撐體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)刮制上一層半透膜而得到的圓管形分離膜，再將一定數(shù)量的這種膜管以一定方式連成一體，其外形及類似于列管式換熱器。管式膜組件及其特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制；安裝、拆卸、換膜和維修均較方便；能處理含有懸浮固體的溶液；機(jī)械雜質(zhì)清除比較容易；合適的流動(dòng)狀態(tài)可減少濃度極化和污染。缺點(diǎn)與平板膜相比，管膜的制備條件較難控制；單位體積內(nèi)有效膜面積小；管口的密封也比較困難；價(jià)格較貴。中空纖維膜組件及其特點(diǎn)中空纖維膜是一種極細(xì)的空心膜管，其本身不需要支撐材料即可耐受很高的壓力，它實(shí)際是一根厚壁的環(huán)柱體，纖維的外徑有的細(xì)如頭發(fā)，約為50~200μm，內(nèi)徑為40~100μm。優(yōu)點(diǎn)無支撐體；膜組件能做得非常小，也能很大；裝填密度很高（16000~30000m2/m3）。缺點(diǎn)透過液側(cè)的壓力損失大（因纖維間距太小，阻力大）；膜面積污染去除較難，需要采用化學(xué)清洗；對原料液的預(yù)處理要求嚴(yán)格；纖維損壞后，無法更換。膜分離過程名稱原料相分離劑產(chǎn)物原理應(yīng)用實(shí)例氣體滲透氣壓力、膜氣濃度差、壓差富氧、富氮滲析液多孔膜液濃度差血液透析電滲析液電場、膜液或氣電位差氨基酸脫鹽滲透汽化液致密膜、負(fù)壓液溶解、擴(kuò)散醇類脫水反滲透液膜、壓力液克服滲透壓海水淡化納濾液膜、壓力液壓差水軟化超濾液膜、壓力液壓差純水預(yù)處理微濾液或氣膜、壓力液或氣壓差化學(xué)品的過濾澄清膜分離過程推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等。微濾、超濾、納濾和反滲透部分膜過程研究發(fā)展?fàn)顩rMF-微孔過濾；RO-反滲透；UF-超過濾；HD-血液透析；PV-滲透汽化；ED-電滲析；GS-氣體分離；MR-膜反應(yīng)器；BM-雙極性膜；II-免疫分離

低速增長價(jià)格穩(wěn)定性高速增長使用可靠性技術(shù)狀況出售狀況IIBMMRPVGSEDROUFMFHD過程優(yōu)化基礎(chǔ)研究過程開發(fā)反滲透（ReverseOsmosis）壓差>滲透壓差用一張只能透過溶劑而不能透過溶質(zhì)的理想膜將容器分成兩部分，在膜的兩側(cè)分

別注入純?nèi)軇┖腿苡腥苜|(zhì)的溶液，當(dāng)兩側(cè)具有同樣的高度時(shí)，溶劑側(cè)中的溶劑將

自發(fā)地穿過膜流入溶液一側(cè)，這種現(xiàn)象叫滲透(osmosis)。

隨著溶劑不斷地流入，溶液側(cè)的液面將不斷升高，最后當(dāng)兩側(cè)液面差為H時(shí)，溶

劑將停止透過膜，體系處于平衡狀態(tài)，H高度溶液所產(chǎn)生的壓頭，稱為該溶液的

滲透壓π，π=ρgH。若在容器的溶液上方加一個(gè)壓力p，且p>π，，則溶液中的溶

劑透過膜向純?nèi)軇﹤?cè)流動(dòng)，這一現(xiàn)象稱之為反滲透(ReverseOsmosis)，亦稱為高

濾(hyperfiltration)。反滲透工藝流程段：流經(jīng)膜組件濃縮液（濃水）不經(jīng)泵自動(dòng)流到下一組膜組件處理。級：流經(jīng)膜組件濃縮液（濃水）再經(jīng)泵被動(dòng)流到下一組膜組件處理。

段數(shù)：同一級中并列的膜組件數(shù)。

級數(shù)：進(jìn)料經(jīng)過加壓的次數(shù)。一級一段連續(xù)式反滲透流程一級一段循環(huán)式反滲透流程水回收率不高，較少采用pppp產(chǎn)水量較大，但水質(zhì)下降一級三段連續(xù)式反滲透流程二級一段循環(huán)式反滲透流程料液濃縮，產(chǎn)水量增大低壓低濃度，提高膜壽命多級多段循環(huán)式反滲透流程第1段第m段第n段水回收率提高，透過水水質(zhì)提高膜不對稱或復(fù)合膜厚度亞層≈150μm，皮層≈1μm孔尺寸＜2nm推動(dòng)力壓力：半咸水，1.5~2.5MPa

海水，4.0~8.0MPa分離原理溶解-擴(kuò)散，優(yōu)先吸附/毛細(xì)管流膜材料三醋酸纖維素、聚芳香酰胺、聚酰胺和聚醚脲（界面聚合）主要應(yīng)用—海水、半咸水脫鹽—生產(chǎn)超純水（電子工業(yè)）—果汁和糖濃縮、牛奶濃縮—廢水處理（市政廢水、工業(yè)廢水等）反滲透預(yù)處理反滲透膜組件產(chǎn)品水原水供水槽海水澄清池海水高壓泵電動(dòng)機(jī)能量回收渦輪

濃水混凝劑殺菌劑殺菌劑除氯還原劑消毒劑保安濾器常規(guī)海水淡化工廠工藝流程經(jīng)過反滲透膜處理后的滲透液海水，其含鹽量大大降低，淡化后，水質(zhì)甚至優(yōu)于自來水，可供工業(yè)、商業(yè)、居住及船舶、艦艇使用。待分離氣體混合物以高壓供給膜裝置，進(jìn)入膜的一側(cè)，膜的另一側(cè)保持較低壓力，膜兩側(cè)壓力差作為氣體透過膜的推動(dòng)力，由于供料組分的相對遷移速率不同，因而得到分離。主要截留較大的物質(zhì)或不易在膜中溶解的物質(zhì)。氣體膜分離（GasSeparation）氣體通過微孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理氣體通過致密膜的溶解-擴(kuò)散機(jī)理兩種機(jī)理：天然氣凈化膜分離提氦制備氮?dú)飧患鯕鈿怏w脫濕有機(jī)蒸汽分離煙道氣脫二氧化硫氣體膜分離應(yīng)用二級膜分離從合成氨馳放氣回收高濃度氫的流程簡圖從催化重整尾氣中回收氫氣合成氨馳放氣中氫回收裝置膜法天然氣脫水工業(yè)裝置滲透汽化（

Pervaporation）真空、載氣吹掃滲透汽化過程示意圖

在膜兩側(cè)壓差（跨膜壓差）作用下，使料液側(cè)混合物中優(yōu)先吸著組分滲透通過膜，并在（鄰近）下游側(cè)膜截面上汽化，達(dá)到混合物分離，獲得純化產(chǎn)物的一種新型膜分離技術(shù)。

溶解-擴(kuò)散機(jī)理微孔流機(jī)理

現(xiàn)在滲透汽化過程已在兩個(gè)方面工業(yè)化。首先，也是最重要的應(yīng)用是從較高濃度中的乙醇溶液脫水，德國的GFT公司在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。另一方面工業(yè)化的應(yīng)用是從被污染的水中除去少量的有機(jī)溶劑，這項(xiàng)技術(shù)是被美國MTR開發(fā)的。有機(jī)混合物脫水易揮發(fā)有機(jī)溶劑的(濃縮)回收有機(jī)-有機(jī)混合物的分離

有機(jī)尾氣回收有機(jī)合成產(chǎn)物脫除小分子

滲透汽化分離應(yīng)用異丙醇脫水的蒸餾－PV集成工藝PV-精餾集成生產(chǎn)無水乙醇工藝日本三井造船廠公司在2000年的報(bào)導(dǎo)中稱將A型沸石多通道膜用于乙醇滲透汽化脫水已穩(wěn)定運(yùn)行一年。膜面積為60m2的滲透汽化裝置，無水乙醇的生產(chǎn)能力已達(dá)到530L/h，膜的分離性能顯然比高分子膜優(yōu)秀。MTBE傳統(tǒng)生產(chǎn)分離工藝精餾-PV集成過程生產(chǎn)MTBE新工藝電滲析是一種電化學(xué)過程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過程。電滲析（Electrodialysis）直流電場作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術(shù)。實(shí)質(zhì)是利用帶電離子或分子的傳導(dǎo)電流的能力。離子交換膜：一種含離子基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。

+

-

Cl-

Na+

陰膜

+

-

Cl-

Na+

陽膜

膜是導(dǎo)電的，允許帶正電荷通過的陽離子交換膜、允許帶負(fù)電荷通過陰離子交換膜。電滲析應(yīng)用電滲析廣泛地應(yīng)用于苦咸水脫鹽，在世界的某些地

區(qū)電滲析是生產(chǎn)淡水的主要過程。食品工業(yè)中的果汁和乳品工業(yè)的濃縮等冶金工業(yè)中廢水中回收金屬離子金、鎳等醫(yī)藥工業(yè)中的維生素、氨基酸等的分離鹽水淡化陽膜陰膜陰膜陽膜+++++++++++----------陽級陰級+—12345濃縮室濃縮室淡化室N+aN+aN+aN+a-Cl-Cl-Cl-Cl-ClN+aN