膜分离中的传递过程资料课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,膜分离中的传递过程,膜传递,膜内传递过程,膜外传递过程,溶剂,气体或离子等在膜表面的吸附、吸收和溶胀等热力学过程，主要是分离物质在主流体和膜中的不同分配系数；,物质从表面进入膜内的动力学过程，是由于膜两侧浓度差、电位差造成分子扩散产生的膜内传递过程,物质从表面进入膜内之前，由于流动状况不同，受膜表面边界层传递阻力或逆扩散的影响等形成的传递过程,实际分离效果由膜内、膜外传递过程的综合结果决定一、物质通过膜的传递过程,(,以典型的非对称膜为例,),膜过程中的物质传递,主流体系区间,(1),：,溶质的浓度均匀，垂直于膜表面的方向无浓度梯度,边界层区间,(1),：,有浓度极化现象，是造成膜或膜体系效率下降的主要因素，是不希望有的现象表面区间,(1),：,溶质扩散的同时有对流现象；溶质吸附表面而溶入膜中在膜的致密表层靠近边界的溶质浓度比在溶液中边界层的溶质浓度低得多表皮层区间：,非对称膜皮层的特征是对溶质的脱除性愈薄愈好，可增加膜的渗透率溶质和渗透物质的传递是以分子扩散为主多孔支撑区间：,主要对表皮层起支撑作用，而对,渗透物质的流动有一定的阻力。

表面区间,(,),：,此区间相似于中所描述的区间，,溶质在产品边膜内的浓度与离开膜流入低压边,流体中的浓度几乎相等边界层区间,(,),：,此区间与,中区间相似，物质,扩散方向与膜垂直但无浓差极化现象，浓度,随流动方向而降低主流体区间,(,),：,此区间相似于，溶质浓度稳,定，垂直于膜表面的方向无浓度梯度1.1,传递机理为基础的膜传递模型,-,孔模型,将膜看成一系列垂直于或斜交于膜表面的平行圆柱孔，每个圆柱孔的长度等于或基本上等于膜厚，并假设所有孔径相同这样，当流体通过膜孔流动作为毛细管内的层流时，其流速可用,Hagen-,Poiseuille,定律表示1.1,传递机理为基础的膜传递模型,-,孔模型,对烧结膜或具有球形皮层的膜，可用,Kozeny,-Carman,关系式表示1.1,传递机理为基础的膜传递模型,-,溶解,-,扩散模型,溶解扩散理论的具体渗透过程为：,透过物在膜的物料侧表面吸附溶解,在化学位差的作用下以分子扩散的形式从物料侧向 产物侧迁移,透过物在膜的另一侧表面解吸,物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，也与其在膜中的溶解度有关被分离物在膜中溶解度的差异及在膜相中扩散性的差异影响物质透过膜的能力。

物质在致密介质中的传递是通过溶解,扩散过程进行的，扩散过程基本服从,Fick,定律,D,AB,：,物质,A,通过固体,B,的扩散系数,m,2,/s,C,A,：,物质,A,在膜内的浓度,Y：膜厚,D,AB,：与,温度的关系符合阿仑尼乌斯关系式,式中,D,0,：,比例常数,cm2/s,E,：,透过活化能,Cal/,g,atm,溶解,扩散模型,例：反渗透过程传递模型,分离机理,反渗透膜上的微孔孔径约为,2nm,，,而无机盐离子的直径仅为,0.10.3nm,，,水合离子的直径为,0.30.6nm,，,明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象溶解扩散模型：膜是无孔的,“,完整的膜,”,S.Sourirajan,提出了优先吸附毛细管流动模型溶解,扩散模型,在均相的，高选择性的膜（如反渗透膜）中，溶质和溶剂都能溶解于均质的非多孔膜表面，然后在化学势推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸溶剂质量通量,：,J,l,=A,l,(p-p,渗,)A,l,溶液,渗透系数；,p,膜上下游压力差；,p,渗,渗透压溶质质量通量,：,J,2,=-Bc c,膜厚乘两边浓度差；,B,含膜厚、分配、扩散系数,当压力升高对，溶剂质量通量线性增加，但溶质通常与压力无关，因而透过液浓度降低。

优先吸附,毛细管流动模型,溶解,扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对,有机物常不能适用当压力升高对，某些有机物透过,液浓度反而升高膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附,能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层在,压力下通过毛细管例如用醋酸纤维膜处理,氯酚溶液时，由于后,者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大反渗透：优先吸附,-,毛细孔流动模型（有孔学说）,优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关由,Sourirajan,于,1963,年建立他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小,在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔优先吸附毛细孔流动模型,(a),膜表面对水的优先吸附,压力,主体溶液,界面,水 在膜表面处的流动,如果毛细孔直径恰等于,2,倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐,1.2,非平衡热力学为基础的膜传递模型,（略）,二、膜外传递过程,1.,浓差极化,在膜分离过程中由于膜的选择透过性，被截留组分在膜上游侧的表面累积，,膜面上浓度大于主体浓度，溶质向主体反扩散。

当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层，,这种现象称浓差极化当膜表面被截留组分浓度增加时，引起：,该组分透过膜的流量也会增加,导致界面处渗透压升高，膜过程推动力下降,局部浓度增高，有可能使某些溶质达到饱和，出现晶析层积或形成凝胶层附着于膜表面,浓差极化,在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算推导边界层形成后，通量与,Cw,及,Cb,的关系随主体流动进入微元薄层的速度,JvC,应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有,利用边界条件，当,x,0,时，,C=,C,w,；当,x=,时，,C=,C,b,，将上式积分，并得到,令,K,m,D/,为传质系数，上式成为,浓差极化,如果溶质完全被截留，,Cp=0,上式就可以写成,Cw/Cb,称为极化模数,（,polarization modulus,）,或,浓差极化,dh,：当量水力直径，,L,：通道长度，,u,：平均流速，,v,为黏度,湍流,(Re4000),浓差极化,滞流,(Re1800),常用准数关联式及其适用范围,凝胶层的形成,在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值,C,G,。

凝胶极化,膜污染和控制,造成膜的污染原因：,处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起在膜表面或膜孔内吸附，沉积而造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生通透性与分离特性不可逆变化的现象,膜污染还可能由微生物在膜运行过程或停运中的繁殖和积累造成,膜污染模型,滤饼模型,孔堵塞模型,c.,凝,胶模型,膜污染控制,a.,膜材料选择：膜的亲疏水性，荷电性对膜的耐污染性有影响,图,5 pH,值对,LFCI,膜及传统复合膜表面电位的影响,图,6,给水表面活性剂对,LFCI,膜及传统复合膜的污染影响,图,7,表,1,低污染反渗透膜基本性能及应用,b.,膜孔径或截留分子量的选择,孔径小，粒子难停留,溶质在溶液中的状态（球形、支链、直链、胶团）,孔径分布再见,R,粒（,25,）,R,孔为好,n,r,c.,膜结构,双皮层结构易发生嵌入式堵塞,单皮层结构较耐污染且易恢复,d.,组件结构,隔网的污染造成阻塞,宽通道,卫生型,死角,e.,溶液,pH,值控制,蛋白质的荷电性及构型与,pH,有关，等电点时,i,溶解度最低，应远离等电点,f.,溶液中盐浓度,无机盐结垢,改变离子强度，改变蛋白质溶介性及构型,g.,溶液温度、浓度、流速的影响,H.,料液的予处理,机械过滤,冷冻或加热凝聚,絮凝,气浮,沉降,污染密度指数,SDI,的测定方法,污染密度指数,SDI,值是表征反渗透系统进水水质的重要指标。

测定,SDI,值的基本原理是测量在,2.1bar,（,30psi,）给水压力下用,0.45m,微滤膜过滤一定量的原水所需要时间计算分式：,SDI=P,30,/T,t,=100,（,1,T,i,/,T,f,）,/,T,t,式中：,SDI,污染密度指数,P,30,在,30psi,给水压力下的滤膜堵塞百分数,T,t,总测试时间，单位为分钟通常,Tt,为,15,分钟，但如果在,15,分钟内即有,75%,的滤膜面积被堵塞,2,，测试时间就需缩短,T,f,15,分钟（或更短时间）以后取样所需时间,T,i,第一次取样所需时间,图,8 SDI,测试装置示意图,i.,操作策略,双向流技术,A1,A2,B2,B1,图,9,图,10,0.35,0.7,1.05,1.4,1.75,0,2.14,透过液,膜外侧,逆洗区,过,滤,区,料液流出,图,11,全量循环操作,料,液,透过液,正常操作状态,反洗液,水反洗,/,气吹洗状态,空气,空气,（,2,）膜气水双洗技术,图,12,转盘式,图,14,L.,阻垢和,杀菌,颗粒污染,予过滤、絮凝、沉降分离等,微生物污染,杀菌,化学污染,阻垢剂,胶体污染,分散剂,阻垢机理,通过静电力吸附于致垢金属盐类正在形成的晶体（晶核）表面的活性点上，抑制晶体增长，从而使形成的晶体保持在微晶状态，等于增加了致垢金属盐类在水中的溶解度（晶格增长阻断）,阻垢剂分子在晶体表面上的吸附，晶体只能畸形地增长，这就使晶体产生畸变，不易在膜表面沉积（晶格扭曲效应结构蓬松）,吸附于晶体表面上的官能团，只是阻垢剂分子中的部分官能团未参加吸附的官能团，就会对晶体呈现离子性，因电荷 的排斥力增加而使晶体处于分散状态（阻垢分散效应,）,阴垢剂,阈值,效应,晶格增长阻断,晶格,扭曲,分散,无机磷酸盐,有机磷酸盐,聚合物,（,Flocon135,）,Flocon260,表,2,六偏,磷酸钠,有机磷酸盐,Flocon260,CaCO,3,LSI0.8,LSI2.0,LSI2.5,CaSO,4,好,差,好,BaSO,4,无,无,好,Fe,胶体,无,无,好,表,3,CaCO,3,CaSO,4,CaF,2,Fe,胶体,与絮凝剂相容性,Flocon40,2.0,无,无,0.5,可,Flocon100,2.0,120,120,0.2,不,Flocon135,2.0,100,120,不,Flocon260,2.5,120,120,不,表,4,L.,膜,清洗,根据膜材料和污染物组成选择清洗剂,物理清洗：等压清洗、反洗、气水双洗、海棉球擦洗,化学清洗：碱、酸、酶、络合剂、表面活性剂,膜的养护,a.,运行中的养护：阻垢、杀菌、防氧化、防污染,b.,停运时养护：清洗、防腐、防冻,。