一次盐水工艺理论培训教材(1)

阜康能源工艺专业培训
一次盐水理论培训（1）
膜的理论知识
郭占明
2012/01/08

1. 膜分离
1.1 膜的定义和分类
定义：膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，
通常亦简称为膜。
膜分离过程：分离膜以特 定的方式限制两相间的物 质传递，使不同的物质以
相Ⅰ
中间相 膜
原料
蒸发；MEC-膜能量转换系统
部分膜过程研究发展状况
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纳滤 只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价 的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、 溶解性 物质和正电荷离子。 纳滤对氯化纳0～50％ 的截留率主要决定于进水 的浓度。而“ 宽 松 的 反 渗 透”是一种减少了盐截 留率的反渗透膜 。由于盐截留率的减少可以降低压力和能耗，因此在有些项目上也是 可以被接受的。
③ 膜的厚度 整个膜厚、膜的某个层次厚度之分。 均质膜 —— 一般较厚，透量较小； 复合膜 —— 可使致密层厚度极薄。
1.4 膜的种类
反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用的膜分离过程。原则上 水是唯一通过膜的物质；特别是所有的溶解和悬浮的物质被截留。有 时一些开放类型的RO膜和纳滤（NF）膜会产生混淆。
◇ 复合膜：在对称或非对称的底膜上，复合上一层很薄的、 致密的、有特殊功能的另一种材料的膜层。 (2) 膜的孔
① 膜孔的结构 具有多样性，不同的膜具有不同的孔结构，同一张膜 也会具有不同的孔结构。
② 膜的孔径、孔径分布、孔密度和空隙率 膜的孔径: 膜内孔的直径, 有最大孔径和平均孔径之分； 孔径分布: 某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数； 孔密度: 单位膜面积上孔的数目； 空隙率: 所有孔体积占整个膜体积的百分数。
材料
有机膜、无机膜
结构
对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜
电性
非荷电膜、荷电膜
形状
平板膜、管式膜、中空纤维膜
制备方法
烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨
分离体系
气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜
分离机理
吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜
分离过程
反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜
相Ⅱ
不同的速率透过膜，实现 物质的分离。
透过物
传质推动力
被动传递
物质透过膜的主要三种方式： 促进传递
主动传递 ◆ 被动传递： 物质由高化学位相向低化学位相传递，
这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。
μ‘A
A
μ‘’A μ‘A>μ‘’A
A
被动传递
推动力
压力差 浓度差 电位差 温度差
◆ 促进传递：膜内有载体，在高 化学位一侧，载体同被传递的物 质发生反应，而在低化学位一侧 又将被传递的物质释放，这种传 递过程有很高的选择性。 ◆ 主动传递：膜中的载体同 被传递物质在低化学位侧发生 反应并释放能量，使被传递物 质由低化学位一侧被传递到高 化学位一侧，物质的传递方向 为逆化学位梯度方向。
机理模型：
不可逆热力学模型 传递机理模型
1.3 膜的形态结构
(1) 膜的形态结构：主要研究膜的断面与表面。 ◇ 均相膜和异相膜
均相膜：均匀地呈单相存在； 异相膜：不是呈单相存在。 ◇ 致密膜和多孔膜 致密膜：结构最紧密的膜； 多孔膜：结构较疏松的膜。 ◇ 对称膜和非对称膜 对称膜：膜的厚度方向结构均一、同性； 非对称膜：同种材料，沿膜的厚度方向上呈不同结构。
1.9 渗透蒸发过程
在膜的原料侧是液体混合物，膜的另一侧为气相真空或负压 操作，混合物的各组分在分压差作用下，以不同速率从膜的一侧 蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达到分离浓缩的目的。 区别于其他膜过程的重要特点是有相变。假设过程分两步完成：
① 进料液体在膜进料侧蒸发形成饱和蒸汽， ② 饱和蒸汽透过膜到达膜的渗透侧。 主要应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离。
μ‘A A
A+B→AB
μ‘’A
B μ‘A>μ‘’A A
AB AB → A+B
μ‘A
A A+B→AB
促进传递
μ‘’A A
B
μ‘A<μ‘’A AB
AB → A+B
化学反应
主动传递
选择性：不同物质在两相中的浓度变化比
膜的分离性质
膜的分类：
分类依据 来源
状态
分类 天然膜、合成膜
固体膜、液膜、气膜
透过性：单位推动力下，物质在单位时间内 透过单位面积膜的量
(1) 反渗透的基本原理
溶剂
溶液
膜
渗透
溶剂
溶液 H
∏=ρgH
平衡
p
溶剂
溶液
p>∏
反渗透
溶解-扩散理论：① 溶剂和溶质被吸附溶解于膜表面； ② 溶剂和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。
（2）浓度极化
推动力
透过快改变操作条件控制浓度极化： ① 增加原料液的流速； ② 适当提高操作温度
1.10 其他膜过程
（1）控制释放 指：用分离膜控制药物的释放速度和作用时间，被应用于医疗和 农业等方面。
浓 度
有效浓度
有效时间
常规释放
控制释放
时间
两种不同给药方式的对比
（2）膜反应器 膜反应器中，可以利用膜的选择透过性，连续脱除某些反应产物， 保留反应物或中间产物，以促使反应不断向生成物方向进行，提 高可逆反应的转化率，减少未反应物的循环量。
（3）膜的污染 操作一定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖，使膜的 性能下降。
主要原因：原料液处理不当所造成的。如：①悬浮颗粒；②膜表 面结垢；③细菌污染；④金属氧化物、有机物、淤泥等。
（4）纳滤 纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦截纳米数量级 的分子。与反渗透相比，纳滤水透量大、操作压力低、成本低 纳滤可以用于脱除水溶液中的杂质和有机物，如印染水的脱色、 饮用水的预处理等。
机械截留
吸附 截留
架桥 截留
膜表面截留
膜内部网络截留
1.7 渗析和电渗析
（1）渗析的基本原理
膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。
典型过程：血液透析
渗吸液
溶剂
膜
A
溶
剂
溶B 质
x1 x2
原液
渗出液
溶剂＋扩散物质
渗透过程原理
（2）电渗析的基本原理 溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而同其他不带电
透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数：
① 渗透率P：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所
透过气体的量； ③ 分离系数α ：描述气体分离膜的选择性，一般将其定义为
两种气体i，j渗透系数之比。
（2）气体膜分离的主要应用 ① 氢气的回收利用； ② 从空气中制取富氮气体和富氧气体。
1.6 超过滤与微孔过滤
以压力为推动力的膜分离过程。
超滤：截留大分子溶质，而允许低分子溶质和溶剂通过，从而
将大分子与小分子分开。
水
一 价 离 子
二小 价分 离子 大分子 子
微粒
微滤 超滤
纳滤 反渗透
微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留
超滤和微滤的截留机理主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、 在孔内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截 留和膜内部网络截留。
分为两大类：催化膜反应器、惰性膜反应器。
部分膜过程的研究发展状况：
D MF
低
价
UF
速格
RO
增稳
出
ED
长定
售
CR
状
GS
况
PV
LM ME
MR
MD MFd
MD AT FT
性
高 速 增 长
使 用 可 靠 性
MEC
基础研究
过程开发
过程优化
技术状况
D-渗吸；LM-液膜；MF-微孔过滤；ME-膜电解；UF-超过滤；MEd-双 极性膜；RO-反渗透；MD-膜医用装置；ED-电渗吸；FT-促进传递； CR-控制释放；AT-主动传递；GS-气体分离；MR-膜反应器；PV-渗透
的组分分开。 电渗析过程的基本原理： 阳膜：带负电的阳离子传递膜 阴膜：带正电的阴离子传递膜
电渗析广泛地应用于苦盐 水脱盐，是世界上某些地 区生产淡水的主要方法。
原料液
C
AC
A 电极冲洗液
阳 极
阴 极
浓溶液
稀溶液
电渗吸过程原理
1.8 气体膜分离过程
（1）气体膜分离的机理 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗
1.2 膜分离过程
在一定传质推动力下，利用膜对不同物质的透过性差异， 对混合物进行分离的过程。 膜分离过程：气体膜分离、渗透蒸发、渗析、电渗析、反渗透、 纳滤、超滤、微滤、膜萃取、膜吸收、膜精馏、促进传递、液膜、 气膜等过程。 其中：渗析、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤技术已很成熟，
应用也广泛。
超滤(UF)是大分子量组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留，而所有 的小分子量组分自由通过膜的过程。因此，单价和二价的糖类、盐、 氨基酸、有机物、无机酸或氢氧化纳都不能通过。
微滤(MF)过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自 由通过膜。但是实际情况和理想状态有一定的差距。
1.5 反渗透与纳滤