新型分离技术

1、什么是别离过程？别离剂是什么？别离过程是指根据混合物中不同组分间某些性质的差异,通过别离剂的作用将混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的过程。

其中原料预处理及反应产物的别离提纯一般都属于别离过程。

别离剂可以是能量或物质或两者并用：〔1〕能量别离剂：热、电、磁、辐射、声波、重力、压力、离心力等〔2〕物质别离剂：过滤介质、吸收剂、吸附剂、离子交换树脂、膜等第一章固膜别离过程一、概述膜别离：利用膜对不同组分的选择性渗透的原理来别离混合物的过程。

膜从相态上可分为固体膜和液体膜。

固体膜又分为：平板膜、中空纤维膜、管式膜固膜别离过程包括：微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、气体别离、渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取、膜吸收等。

二、膜及膜组件膜的分类从材料来源上可分为：天然膜和合成膜(又分为：无机膜和有机高分子膜)根据膜的结构可分为：多孔膜〔微孔膜，孔径1nm以上〕和致密膜〔均质膜、无孔膜、非多孔膜，孔径1nm以下〕。

7、制备有机高分子非对称膜的一种常用方法：相转化法：高分子由液相〔溶剂中〕转变为固相，其中最主要的是沉浸凝胶法，也叫L－S法。

8、有机膜的贮存有机高分子膜易受到光、热、空气〔氧气〕、微生物等的作用使别离性能下降、寿命降低，所以膜要避光，贮存温度在5-30℃。

长期不用时一般贮存在杀菌液〔如0.5％甲醛溶液〕内，并定期更换杀菌液。

三、微滤微滤是以静压差为推动力,利用微滤膜的“筛分”作用进行别离的膜过程。

小于膜孔的物质通过膜,大于膜孔的粒子被阻拦在膜面上。

微滤属于压力驱动型膜过程，主要从气相和液相中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细胞、污染物等。

10、微滤的操作模式(1)终端过滤被截留颗粒在膜外表形成颗粒层(滤饼)，且随时间的延长, 不断增厚和压实, 使过滤阻力增加, 在操作压差不变的情况下, 膜通量下降。

操作是间歇的, 要周期性地停下来清除滤饼或更换膜。

用于处理量小或固含量低的时候。

(2)错流过滤料液以切线方向流过膜外表,料液流经膜外表产生的高剪切力可使沉积在膜外表的颗粒扩散返回主体流, 从而被带出微滤组件。

多用于处理量大或固含量高的情况。

12、微滤膜的类型对称型〔通孔型、网络型〕、非对称型13、微滤膜的特性①孔径较为均一，过滤精度较高，平均孔径(标称孔径)是微滤膜的一项主要性能指标,也是选膜的依据之一。

②孔隙率高③膜薄厚度一般90~150μm( 无机微滤膜例外)，这不仅有利于增大过滤速率,而且可减少因液体被膜吸附而造成的损失。

14、微滤别离机理〔1〕膜外表截留：①机械截留: 截留比孔径大或相当的微粒(筛分作用) ②吸附截留③架桥截留外表截留易清洗, 但杂质捕捉量相对较少。

〔2〕膜内部截留：内部截留，杂质捕捉量较多, 但不易清洗。

四、超滤超滤是以压力差为推动力的膜别离过程。

在压差作用下, 料液中的溶剂及小的溶质从高压料液侧透过超滤膜,尺寸比膜孔径大的溶质被膜截留。

16、超滤膜: 非对称膜过滤方式: 错流过滤截留机理: ①在膜外表的机械截留；②在膜外表及微孔内吸附；③膜孔的堵塞。

17、超滤膜性能表征①纯水渗透速率(水通量〕指单位时间单位膜面积上透过的纯水的体积, 一般在20～1000 (L/(m2﹒h)之间.②截留(切割)分子量一般定义为膜对标准物截留率为90% 时所对应的标准物的分子量，又叫标称截留分子量。

截留率：指被截留的溶质量占进料中溶质量的百分比。

超滤膜孔径分布比较宽，实际截留能力与溶质分子大小、形状、操作条件、其它溶质的存在等多种因素有关，可能与标称截留分子量有很大差异。

一般超滤膜用于两个组分之间的分级时要求两个组分分子量相差10倍以上。

19、超滤过程中,料液中溶质受到膜的截留而在膜面上积累,使得膜外表溶质浓度高于料液主体浓度, 即所谓的浓差极化。

20、超滤过程浓差极化的影响浓差极化增加了过滤阻力,减少了渗透通量, 使低相对分子质量溶质的截留率升高, 因而降低了选择性。

浓差极化不可防止, 但可以减轻，如提高料液流速或温度(降低粘度、提高扩散系数〕、增加湍动程度。

21、渗透速率及其影响因素〔1〕料液浓度的影响料液浓度增加，粘度升高，浓差极化加重，渗透速率下降。

〔2〕温度的影响温度升高，粘度下降，扩散系数增加，浓差极化减轻，渗透速率增加。

〔3〕压差的影响a. 过滤溶液时，在较小的压差范围内，渗透速率与压差成正比〔但比纯水的低〕。

b.压差较大时，由于浓差极化、膜面污染、膜孔堵塞等原因，渗透速率随压差的增加变慢。

c.压差进一步增加，膜面浓度高到足以形成凝胶层，且凝胶层厚度随压差增加而增加，使渗透速率基本不变。

22、膜的污染与劣化(1)膜的污染指物料中的微粒或分子,由于与膜的物理,化学或机械作用而引起的在膜外表或膜孔内吸附沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜渗透速率下降的现象。

膜污染后一般可通过清洗使其性能得到〔部分〕恢复。

(2)膜的劣化指膜自身发生不可逆转的变化引起膜性能变化的现象。

导致膜劣化的原因有化学、物理、生物三个方面。

化学劣化：膜材质的水解或氧化反应等造成。

物理劣化：膜的压密〔在高压下〕或干燥等造成。

生物劣化：微生物对膜的生物降解等造成。

23.膜污染控制 a 膜及膜组件的合理选择。

b料液预处理：絮凝、离心、过滤、微滤等进行预处理。

c操作条件的控制。

膜的清洗a水力学清洗：用水或透过液冲洗。

b机械清洗：如管式膜用海绵球等擦洗。

c 化学清洗：用酸液、碱液、氧化剂、洗涤剂、螯合剂、杀菌剂、酶等清洗。

d以上方法结合。

24、胶束强化超滤传统的超滤膜不能除去分子质量300 以下的有机物及金属离子，而胶束强化超滤可以别离废水中的有机物与重金属离子。

五、渗透：用一张只透过水而不透过盐的理想半透膜把水与盐水隔开,水分子在浓度差的推动下从纯水侧通过半透膜向盐水侧扩散,此即渗透现象。

随着渗透的进行,盐水侧液面升高, 纯水侧液面下降，经过一定时间之后,两侧液面差不再变化,系统中纯水的扩散到达动态平衡,即渗透平衡。

反渗透：对处于渗透平衡状态的体系,如果在盐水侧加一超过渗透压的压强,使盐水中水的化学位增大,破坏已形成的渗透平衡,则出现净的水分子从盐水侧通过半透膜向纯水侧扩散渗透，即所谓反渗透。

以压力差为推动力的膜别离过程,它能将溶剂(通常是水)与小分子溶质分开，其截留的溶质大小在0.1~1 nm,最早用于海水、苦咸水脱盐淡化。

27、渗透压：渗透压是溶液浓度和温度的函数渗透压与摩尔浓度或摩尔分率成正比,所以对同样质量浓度的溶液, 高分子溶液的渗透压比盐溶液的渗透压低(很多)，因此超滤中渗透压的影响一般较小、常忽略。

(1)溶液的渗透压不是溶液渗透能力的反映,而是溶液被纯溶剂渗透的能(潜)力的反映，也是实现反渗透需要克服的阻力。

(2)溶液渗透压越大，实现反渗透需要的外压越大。

(3)浓度越高，渗透压越大，所以反渗透浓缩的程度有限。

28、反渗透别离机理(1) 优先吸附-毛细孔流理论①水优先吸附,在膜外表形成极薄的纯水层；②膜外表存在毛细小孔,水从中流到膜另一侧。

(2) 溶解-扩散理论膜外表无孔，水通过膜分为两步：①先溶解于膜外表；②再扩散通过膜,且扩散是控制步骤。

反渗透膜一般为非对称膜,其外表活性层是无孔的，因而溶解-扩散理论更现实。

29、反渗透过程的浓差极化的影响: (1)提高了渗透压,降低了水通量；(2)增加了透盐率，降低了脱盐率；(3)导致膜上沉淀污染、甚至出现结晶，增加了膜上阻力、进一步降低了水通量。

减轻浓差极化: 提高流速、强化湍流、提高温度(降低粘度、提高扩散系数〕。

30、反渗透膜的性能①透过性能②别离性能实际应用中常用脱盐率或截留率表示别离性能③通量衰减系数(压密系数)m 有机高分子膜长期处于高压下会被压密,造成透水率随时间不断下降。

m 越小越好, 一般要求m<0.03 (m=0.03 时，一年后透水率为原来的75％左右〕.31、反渗透膜的污染与清洗(1)膜的污染进料中存在的各种污染物在膜外表和内部沉积, 造成系统性能( 脱除率和产水量) 下降。

料液预处理、膜的定期清洗和消毒是减少、防治膜污染的主要措施。

料液预处理方法：a对悬浮物和胶体：絮凝、离心、多介质过滤、微滤、超滤等；b对微生物：杀菌消毒〔如氯化杀菌〕。

〔2〕膜的清洗有物理法〔水冲洗、机械擦洗〕和化学法〔清洗剂清洗〕。

六、纳滤纳滤也是以压力差为推动力的膜别离过程,是上世纪90年代由反渗透发展而来，也称为低压反渗透。

它截留的溶质大小在1nm 左右〔1~5 nm 〕，分子量在100~1000 左右，能将糖、染料、高价离子截留，而允许低价离子〔部分〕通过。

33、纳滤膜为非对称膜，大多带负电〔如含-COOH、-SO3H基团〕，溶质的电荷性、溶液的pH影响膜别离性能。

与反渗透比较，纳滤的通量较大，压差较低，单位滤液的成本较低。

34、纳滤别离机理：对不带电荷的物质〔如葡萄糖〕，主要是筛分效应；对离子〔如Mg2＋〕的别离，除筛分效应外，更重要的是电荷效应〔或Donnan效应〕。

35..纳滤的应用主要用于三种场合：〔1〕对单价盐不要求有很高的截留率；〔2〕不同价态离子的别离；〔3〕高相对分子质量与低相对分子质量有机物的别离。

七、电渗析电渗析是指在直流电场的作用下〔即电位差的推动下〕，溶液中带电离子选择性地透过离子交换膜的别离过程。

主要用于除去溶液中的电解质37、电渗析过程当向膜间引人NaCl水溶液并通人直流电流时，在电位差的作用下Na ＋和Cl－将分别向阴极和阳极移动，Na＋可以通过阳膜C但不能通过阴膜A，而Cl－则相反，这样就在膜之间形成了交替排列的淡化室和浓缩室，实现了水的脱盐淡化。

38、离子交换膜是电渗析的关键。

离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可以分为基膜和活性基团两大部分。

基膜是具有立体网状结构的高分子化合物〔常见的是苯乙烯与二乙烯苯的共聚物〕，活性基团是由与基膜相连的固定离子〔固定基团〕和具有交换作用的解离离子〔反离子〕所组成。

39、电渗析中的传递过程主要过程〔起别离作用的过程〕：反离子迁移次要过程〔副作用过程、有害过程〕(1)同名〔性〕离子迁移在电场作用下同性离子从浓缩室进入淡化室.(离子交换膜并不能完全阻止同性离子通过)。

(2)盐的浓差扩散因为浓缩室的NaCl 浓度高于淡化室中的浓度。

(3)水的扩散浓缩室和淡化室之间存在浓度差, 因此产生渗透压差, 使水由淡化室向浓缩室扩散渗透。

(4)水的分解水分子在电势梯度作用下的电解。

40、电渗析的应用(1)水的纯化(2)制盐(3)医药食品(4)废水处理八、气体膜别离气体膜别离是利用气体混合物中各组分在膜中渗透速率的不同而实现别离的过程。

别离过程的推动力是膜两侧的浓度差〔分压差〕。

42、气体别离膜：一般为表层致密〔无孔〕或孔径很小的非对称膜。