【分离工程】新型分离技术1
第一章 膜分离,第一节 绪论 第二节 反渗透 第三节 超滤与微滤 第四节 电渗析 第五节 气体的膜分离过程 第六节 渗透蒸发 第七节 透析 第八节 其它膜分离过程,1-1-1 膜分离技术发展简史,膜分离本章要讨论的是利用固体薄膜对混合物组分的选择性透过的性能使混合物分离的过程。,第一节 绪论,几个重要事件,11748年，A.Nelkt，水能自发地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内。 2十九世纪，天然橡胶对某些气体的不同渗透率。 31918年，Zxigmondy，制成微孔滤膜。 420世纪40年代，基于渗析原理的人工肾。 520世纪50年代初期，离子交换膜研制成功，电渗析获得了工业应用，并开始了反渗透研究。 620世纪60年代，Loeb和Sourirajan，研制成醋酸纤维素非对称性膜，使反渗透与超滤进入实用阶段，气体膜分离也相继获得工业应用。,第一节 绪论,1-1-4 分离用膜,1. 膜的种类 (1) 均质膜或致密膜 (2) 微孔膜 多孔膜/核孔膜 (3) 非对称性膜 由表面活性层和支撑层组成 (4) 复合膜 (5) 离子交换膜 阳离子交换膜/阴离子交换膜,第一节 绪论,按形状分：(1) 平板式 (2) 管式 直径较大的有多孔支撑管的管状膜(内压式/外压式) 无支撑的中空纤维,第一节 绪论,中空纤维剖面图,中空纤维及膜器,2. 膜性能的表示法,物化稳定性 膜的强度 允许使用压力 温度 pH值 对有机溶剂和各种化学药品的抵抗性,第一节 绪论,3. 膜性能的表示法,分离透过特性 分离效率渗透通量 通量衰减系数,第一节 绪论,截留率：,分离系数：,单位时间内通过单位膜面积的透过物量。,（1-1）,（1-2）,（1-3）,（1-4）,1-1-5 膜分离设备,1. 板框式膜器 由导流板、膜和支承板交替重叠组成。,第一节 绪论,2. 卷式膜器,第一节 绪论,3. 管式膜器 有支撑的管状膜可以制成排管、列管、盘管等型式的膜器 中空纤维膜一般均制成列管式 特点,第一节 绪论,第一节 绪论,第二节 反渗透 (Reverse Osmosis 简称RO),1-2-1 反渗透过程原理,第二节 反渗透,渗透现象的推动力是纯水的化学位与盐水的化学位之差，表现为水的渗透压。,在等温下不少物质的水溶液的渗透压近似地与其摩尔分率成正比。,反渗透过程的推动力为：,第二节 反渗透,（1-5）,（1-10）,在进行反渗透操作时，在膜两侧施加的压差必须大于两侧溶液的渗透压差。一般反渗透过程的操作压差为210MPa。,实际反渗透过程中，透过液并非纯水，其中多少含有一些溶质，此时过程的推动力为：,（1-11）,2. 反渗透膜,基本性能： (1) 透水率/水通量 单位时间内通过单位膜面积的水体积流量。 (1-12)(1-13),第二节 反渗透,使用非对称性膜与复合膜，活性层为表层致密层。 要求：分离效率高，渗透能量大耐压性好，化学稳定性 好，使用温度高，抗污染性能好等。,A膜的水渗透系数，表示特定膜中水的渗透能力，cm3/(cm2.s.atm),(2)透盐率/脱盐率 盐通过膜的速率Fs(3) 压密系数,3. 反渗透过程的机理,过程分三步： (1) 水从料液主体传递到膜的表面。 (2) 透过膜，包括在膜表面进入膜，并通过膜的活性层。 (3) 从膜的活性层进入支撑层的孔道，然后流出膜。,第二节 反渗透,水透过膜模型,（1）毛细管流学说 a. 氢键理论 该理论是针对乙酸纤维膜提出的模型。b. 筛网效应学说采用过滤机理，认为膜内孔径比水分子大，比水合后的离子小，因而水透过膜而水合后的离子被截留。,第二节 反渗透,c. 选择吸附毛细孔流机制膜的化学作用（亲水性）起决定作用。,第二节 反渗透,（2）溶解扩散模型( solution-diffusion model) 1) 渗透物在膜的料液侧表面处吸附和溶解; 2) 渗透物在化学位差的推动下以分子扩散通过膜; 3) 渗透物在膜的透过液侧表面解吸。 1)、3) 两步速率很快, 透过膜的速率取决于第2)步。（3）孔隙开闭学说,第二节 反渗透,1-2-2 影响反渗透过程的主要因素,1. 浓差极化 浓差极化现象。,第二节 反渗透,浓差极化对过程产生的不利影响： （1）由于浓差极化使得膜表面附近溶液的浓度升高，使得渗透压升高。若P不变，则渗透通量下降。若要保持一定的渗透通量，则P要持续加大。 （2）渗透通量加大，浓差极化加剧。 （3）当膜表面溶液浓度上升至一定程度时，会出现析出结晶、沉淀等现象，这时加大P反而会加速沉淀层增厚的速度。,第二节 反渗透,减轻浓差极化的有效途径是提高传质系数，主要有三种方法： （1）提高料液流速； （2）设置湍流促进装置； （3）提高温度。,第二节 反渗透,2. 反渗透过程的渗透通量的影响因素,(1) 料液的预处理 (2) 膜的清洗物理清洗/化学清洗,3. 反渗透过程的分离效率 4. 渗透通量的衰减与其防治,(1) 操作压差 (2) 温度 (3) 料液流速 (4) 料液的浓缩程度 (5) 膜材料与结构,第二节 反渗透,1-2-3 反渗透过程的工艺流程,1. 一级一段连续式操作流程 2. 一级一段循环式操作流程 3. 一级多段连续式流程 4. 一级多段循环式流程 5. 多级式流程,第二节 反渗透,第二节 反渗透,第二节 反渗透,1-2-4 反渗透的应用,1. 苦咸水与海水淡化 2. 纯水生产 3. 废水处理 4. 低分子量物质水溶液的浓缩,第二节 反渗透,第三节 超滤与微滤,1. 超滤(Ultra Filtration简称UF) 和微滤(Microporous Filtration简称MF) 超滤与微滤也是以压力差为推动力的膜分离过程, 一般用于液相分离，也可以用于气相分离。 2. 超滤和微滤膜,第三节 超滤与微滤,3. 超滤、微滤与反渗透的比较,第三节 超滤与微滤,10200A,0.0210m,1-3-2 超滤过程与操作,1.渗透通量及其影响因素影响因素： (1) 操作压差/临界渗透通量 (2) 料液流速 (3) 温度 (4) 截留液浓度 (5) 操作时间,第三节 超滤与微滤,(1-17),2.浓差极化 3.截留率 表观截留率实际截留率4.渗透通量的衰减与防治 5.超滤设备与流程(1) 设备：板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维(2) 流程,第三节 超滤与微滤,单段间歇操作 单段连续操作 多段连续操作,第三节 超滤与微滤,6. 超滤法的经济效益,超滤法的一大特点是，可以避免由于相的变化而造成的许多有害效应。 不需相变，能量费用及设备投资小。,第三节 超滤与微滤,1-3-3 微滤过程与操作,1.渗透通量2.微滤的极化 3.料液的预处理 4.膜器的清洗 5.设备,第三节 超滤与微滤,(1-23),1-3-4 超滤的应用,1.纯水制造 2.废水处理 电涂过程淋洗水的处理 纺织工业中含聚乙烯醇废水的处理 食品工业的废水处理 造纸工厂废水处理 3.食品、饮料工业中的应用 乳制品工业 果汁、酒等饮料的消毒与澄清 4.医药、生化工业中的应用,第三节 超滤与微滤,1-3-5 微滤的应用,1.水的精制 2.酒类的精制 3.药物除菌和微粒 4.生物和微生物检测、医疗、化验和诊断,第三节 超滤与微滤,
