膜分离中的传递过程解析
第六章膜分离过程详解演示文稿
离子 大分子
颗粒
• 反渗透 0.0001—0.001 μm • 纳滤 0.001 μm以上 • 超滤 0.001---0.02 μm • 微孔过滤 0.02---10 μm • 过滤
第10页，共59页。
原理和适用范围
方法 传质推动力 分离原理
应用举例
微滤 压差（0.05~0.5 MPa） 筛分
除菌，回收菌，分离病毒
的膜分离法，可用于小分子电解质（例如氨基酸、有机酸）
的分离和溶液的脱盐。电渗析操作所用ห้องสมุดไป่ตู้膜材料为离子
交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基 团，如磺酸基等酸性阳离子交换基和季铵基等碱性 阴离子交换基。键合阳离子交换基的膜称为阳离子交 换膜，键合阴离子交换基的膜称为阴离子交换膜。在电 场的作用下，前者选择性透过阳离子，后者选择性透 过阴离子。
应用领域： 化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域。所占百分比：微 滤35.71%, 反渗透13.04%, 超滤19.10%, 电渗析13.03%; 气体分离9.32%; 血 液渗析17.70%; 其他1.71%。
第9页，共59页。
压力过滤的分离范围
• 0.0004---0.02μm ---10 μm ----1000 μm
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(a) 螺旋卷式膜组件
膜组件结构示意图
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b、中空纤维(Hollow Fiber)膜组件 中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有
第27页，共59页。
6.2 膜材料及其特性
6.2.1 膜材料
对膜材料要求:
1. 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过 滤阻力小；
2. 膜材料惰性，不吸附溶质，从而使膜不易污染，膜孔不易堵 塞；
膜分离原理
膜分离原理
膜分离技术是一种通过半透膜将混合物中的组分分离的方法。
它广泛应用于水
处理、食品加工、制药、化工等领域。
膜分离原理主要包括渗透、拒绝和分离三个基本过程。
首先，渗透是指溶剂从低浓度侧通过半透膜向高浓度侧扩散的过程。
在渗透过
程中，溶剂分子会穿过半透膜，而溶质分子则被拦截在半透膜的一侧。
这一过程使得溶液在膜的两侧产生了浓度差，从而驱动了膜分离的进行。
其次，拒绝是指半透膜对不同大小、形状、极性的溶质分子有选择性地阻挡的
过程。
半透膜的孔径和孔隙结构决定了其对溶质的拒绝特性。
通常情况下，较大的分子或颗粒会被半透膜拦截，而较小的分子则可以通过半透膜。
最后，分离是指根据溶质在半透膜上的渗透速率不同，通过膜分离过程将混合
物中的组分分开的过程。
通常情况下，渗透速率较快的组分会先通过半透膜，而渗透速率较慢的组分则会滞留在半透膜的一侧，从而实现了混合物的分离。
膜分离技术具有操作简单、能耗低、分离效率高等优点，因此受到了广泛关注
和应用。
在实际应用中，膜分离技术还可以根据需要进行微调，以实现对不同组分的精确分离和提纯。
同时，随着材料科学和工程技术的不断发展，膜分离技术也在不断创新和完善，为各行业提供了更加高效、环保的分离解决方案。
总的来说，膜分离原理是基于渗透、拒绝和分离的基本过程，通过半透膜将混
合物中的组分分离。
膜分离技术以其高效、环保的特点在各个领域得到了广泛应用，并且在不断创新和完善中，为人们生产生活带来了诸多便利和好处。
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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
10.2.7 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
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：
10.2.2 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。
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物质透过膜的主要三种方式：
被动传递 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
μ‘A
学位一侧，载体同被传递的物质 A
（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。
10.2.5 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
机理模型：
不可逆热力学模型 传递机理模型
膜分离的原理
膜分离的原理是什么?何为纳滤膜？答：纳滤膜的透过物大小在1－10nm，科学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级（10nm以下）的孔结构，故习惯上称之为"纳滤膜"又叫"纳米膜"、"纳米管"。
纳滤膜净化原理？答：（1）溶解--扩散原理：渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递，在膜的表面形成物相之间的化学平衡，传递的形式是：能量=浓度o淌度o推动力，使得一种物质通过膜的时候必须克服渗透压力。
（2）电效应：纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南（DONNAN）效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。
道南平衡：当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。
膜相中的反离子浓度比主体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势，该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散。
当压力梯度驱动水通过膜进同样会产生一个能位势，道南能位势排斥同性离子进入膜，同时保持电中性，反离子也被排斥。
三达纳滤膜具有哪些特点？答：①超低压力下工作（0.15Mpa的压力下就可以稳定工作）。
②大通量供水。
在普通的市政水压下就可以使用，水通量可达15m2／小时。
③选择性离子脱除。
在去除细菌、病毒、过量金属离子、低分子有机物、氟、砷等有害物质的同时，保留一定量钾、钠、钙、铁等对人体有益矿物质。
④使用领域广。
在淡水处理、工业废水处理、医药和食品领域都有广泛的应用。
如何保存纳滤膜？答：纳滤膜的保存目标是防止微生物在膜表布的繁殖及破坏，防止膜的水解，冻结及膜的收缩变形。
前人就有微生物对膜性能的影响进行过多种试验，结果表明：不同的微生物对膜的性能产生不同的影响。
防止膜的水解，对任何膜都很重要。
温度和PH值是醋酸纤维素膜水解的两个主要因素。
膜分离过程的机理
4、结晶度的影响
主要针对聚合物膜而言。大多 数聚合物包括无定型部分和结 晶部分。
结晶的存在对传递性能有很大 的影响。扩散主要发生在无定 型区，结晶区不能透过。
扩散系数可以描述成结晶度的 函数：
Di=Di,0(cn/B) n<1，结晶度增大，扩散系数减
小。
§3.4、膜的传递统一化方法
多孔膜与无孔膜的传递机理 不同，采用不同的模型来描 述。多孔膜采用孔模型、唯 象方法、非平衡热力学模型 等加以描述；无孔膜采用溶 解－扩散模型等加以描述， 本节简单介绍如何用一个模 型来包括所有的膜过程。
对于一个给定的膜和操作条 件，有一临界孔径，方能得 到最好的分离效果和高渗透 流率。
§3.2、多孔膜的传递
临界孔径为吸附水层的厚度 tw的两倍，且比盐和水的分 子直径大好几倍，才可得到 合理的分离效果。
优先吸附的精确的物理化学 标准尚未知，tw很难测定。
膜表面上的水层 tw
多孔膜
多孔膜
2tw
微天平或石英弹簧的质 量法和压力下降法，得 到溶解度系数；
根据吸附等温线方程求 得扩散系数。
§3.3、无孔膜的传递
温度对渗透系数的影响
S=S0exp(-Hs/RT)
D=D0exp(-Ed/RT)
P=P0exp(-Ep/RT)
对气体而言，溶解热为正， 但数值很小，温度升高，S略 增大；D增大。P的变化趋势 由D确定。
对于大孔（r>10m）发 生粘性流，气体分子仅仅 是彼此互相碰撞，不同气 体组分间不能实现分离。 气体通量正比于r2。适用 Hagen-Poiseuille方程。
J＝( r2/8 x)(P/ )
§3.2、多孔膜的传递
Knudsen流条件：
膜分离
化学位差可进一步表示为：
（10.3.3）
i RT ln bi Vip （10.3.4）
2.膜传递过程的一般表述
通量N与推动力之间的关系可以用下式表示：
N K dG dz
（10.3.5）
K为传递系数，dG/dz为推动力，即位梯度。以化学位G 沿垂直于膜的坐标z方向的梯度表示。
/m2·m-3
dm
假定在毛细管中的流动可以用Hagen-Poiseuille定律来描述：
NV '
dm2
32
p
（10.3.6）
根据Kozeny-Carman模型，假设膜孔是紧密堆积球所构成
的体系：
dm
4 (1 )a
（10.3.7）
又，膜单位面积的渗透通量： NV NV '
纯水、超纯水
+ 纯水 是指将水中 易去除的强电介质 去除，又将水中难 以除去的硅酸及二 氧化碳等弱电解质 去除至一定程度的 水。纯水含盐量在 1.0mg/L以下，电导 率小于50μs/cm。
+ 超纯水 是指将水 中的导电介质几乎全 部去除 后，再将水 中不离解的胶体物 质 、气体和有机物 均去除至很低程度的 水。超纯水的含盐量 在0.3mg/L以下，电 导率小于0.2μs /cm。
压力驱动膜(PDM)原理图
微滤，0.1-10um 细菌，悬浮物
超滤，5nm-50nm 乳化油，颜料，胶体
纳滤，0.5nm-5nm 糖，染料，表面活性剂，矿物质
反渗透，0.1nm-1nm 盐，金属离子，矿物质
水分子
电渗析 是在电场力作用下，溶液中的 反离子发生定向迁移并通过膜，以达到去除 溶液中离子的一种膜分离过程。所采用的膜 为荷电的离子交换膜。应用：苦咸水脱盐、 纯净水制备、有机酸的分离与纯化。
膜分离技术原理
膜分离技术原理膜分离技术是一种利用特殊膜对物质进行分离的技术，它在化工、环保、食品、制药等领域有着广泛的应用。
膜分离技术的原理主要包括渗透、分离和传质三个基本过程。
首先，渗透是膜分离技术的基本过程之一。
膜分离过程中，溶剂或溶质通过膜的渗透作用从高浓度区域向低浓度区域扩散，使得两侧的浓度趋于平衡。
这一过程是膜分离技术能够实现分离的基础。
其次，分离是膜分离技术的核心过程。
膜分离技术利用膜对不同大小、不同性质的分子或离子进行筛选和分离。
通过选择合适的膜材料和膜孔大小，可以实现对特定物质的选择性分离，从而达到提纯或浓缩的目的。
最后，传质是膜分离技术的关键过程之一。
膜分离技术通过膜的传质作用，实现溶质在膜中的传递和分离。
传质过程受到多种因素的影响，包括膜的孔隙结构、溶质的分子大小和形状、溶液的浓度和温度等因素。
膜分离技术的原理基础上，主要包括了渗透、分离和传质三个基本过程。
渗透是溶剂或溶质通过膜的渗透作用从高浓度区域向低浓度区域扩散，使得两侧的浓度趋于平衡。
分离是利用膜对不同大小、不同性质的分子或离子进行筛选和分离。
传质是通过膜的传质作用，实现溶质在膜中的传递和分离。
这三个过程相互作用，共同完成了膜分离技术的分离和提纯过程。
在实际应用中，膜分离技术具有许多优点，如操作简单、能耗低、分离效率高、产品质量好等。
因此，膜分离技术在化工、环保、食品、制药等领域有着广泛的应用前景。
总的来说，膜分离技术是一种利用特殊膜对物质进行分离的技术，其原理主要包括渗透、分离和传质三个基本过程。
膜分离技术具有许多优点，有着广泛的应用前景。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地理解膜分离技术的原理和应用。
膜与膜过程_第五章_膜的传递机理 (1)
2
2 m m
S为比表面积，对直圆孔，Km=2,εm=πnprp2， Sm=2πnprp(1-ε)
3.对于球状物形成的滤饼,可用Carman-Kozeny公式来估算
5.1.4 表面吸附扩散和毛细管冷凝
如果分子吸附在孔壁上，则分子将沿固体表面移动， 产生表面扩散流。
表面流扩散通量
dc J ( DL D H ) dl
DL和DH分别为孔壁上Langnuir吸附层和服从Henry定律吸 附层的扩散系数。 可凝气在毛细管中会凝结，阻塞孔，从而降低了不凝气的 扩散。 通常沸点低的液体易被孔壁 吸附，表面扩散明显。且操作 温度越低，孔径越小，表面扩散越明显。
2．对于膜的通量，可用Hagen-Poiseuille定律来表达：
J
n prp4 pm 8 m
m rp2 pm pm pm Lp 8 m m Rm
其中np为表面孔数，rp为孔半径，εm为表面孔隙率，τ为曲折 因子，ΔPm为膜两侧压差，l m为膜厚，Lp为水力学渗透系 数。 或：
5.3 促进传递
多采用下列一步反应机理 kf A+B AB kr A为迁移的溶质，B为载体，AB为二者的络合物。
在扩散控制下（不是反应控制），载体充分利用，可得
F 1
K
1 K
这里F为促进因子，即有载体时通量与无载体时通量之比。 K为反应平衡常数，α为淌度比。 K=kfCAo/kr α=DABCT/DACAO 其中kf为正反应速度常数，kr为逆反应速度常数 CAO为溶质初始浓度，CT为总浓度 DA为溶质扩散系数，DAB为载体扩散系数
膜分离技术的应用及原理
膜分离技术的应用及原理1. 引言膜分离技术是一种重要的分离技术，在各个领域具有广泛的应用。
本文将介绍膜分离技术的原理和其在工业、医药等领域的应用。
2. 膜分离技术的原理膜分离技术是利用半透膜对溶质进行选择性传输的一种技术。
其原理基于溶质在膜上的传质和透过膜的选择性。
下面将详细介绍膜分离技术的原理和分类。
2.1 膜分离技术的传质原理膜分离技术的传质原理主要涉及扩散、溶剂拖曳和压力差。
扩散是指溶质在膜上由高浓度区域向低浓度区域的自由运动；溶剂拖曳是指流体效应引起的溶质移动；压力差是通过施加压力使溶质从高压区域向低压区域传输。
2.2 膜分离技术的分类根据膜的性质和分离机制的不同，膜分离技术可以分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等几种类型。
下面分别介绍这些膜分离技术的原理和应用。
2.2.1 微滤技术微滤技术利用孔径在0.1-10微米范围的膜进行分离。
其原理是通过孔径较大的膜，使溶质的颗粒和悬浮物截留在膜表面，从而实现固体与液体的分离。
微滤技术在饮水处理、制药工业等领域有着广泛的应用。
2.2.2 超滤技术超滤技术的膜孔径范围为0.001-0.1微米，可以用于分离和浓缩高分子物质。
超滤技术主要基于物质的分子大小和分子量的不同。
在食品加工、环境工程等领域，超滤技术被广泛应用于蛋白质分离、废水处理等。
2.2.3 纳滤技术纳滤技术是利用纳孔径膜进行分离的一种技术。
纳滤技术的膜孔径范围为1-100纳米，可以分离溶液中不同分子大小的物质。
纳滤技术在生物医药、食品加工等领域中具有重要应用，例如分离生物大分子、清除微生物等。
2.2.4 反渗透技术反渗透技术是利用高压驱动溶剂从低浓度到高浓度方向渗透，同时截留溶质的一种分离技术。
反渗透技术的膜孔径范围为0.0001-0.001微米，可以实现对溶质的高效分离和去除。
该技术在海水淡化、废水处理等方面具有广泛的应用。
3. 膜分离技术的应用膜分离技术在许多领域具有广泛的应用。
下面列举了几个典型的应用领域。
膜分离的实验原理
膜分离的实验原理膜分离是一种利用半透膜将混合物分离成组分的技术。
通过采用合适的半透膜，将不同大小、形状或性质的分子分隔开来，从而实现分离和纯化的目的。
膜分离技术在水处理、制药、生物工程、食品加工、化学品生产等领域得到广泛应用。
膜分离的原理基于质量传递和选择性传递的机制。
膜的选择性是通过调节膜的孔径、孔隙结构、疏水性或亲水性等特性来实现的。
膜分离的过程可以分为两个步骤：渗透和逆渗透。
渗透是指溶剂分子和小分子溶质能够通过膜的孔隙传递，而大分子溶质不能通过。
逆渗透是指通过施加一定的压力，使溶剂分子逆向通过膜孔隙，而溶质分子不能通过。
根据不同的分子尺寸、形状、电荷等性质，选择合适的膜材料和操作条件，可以选择性地分离目标组分。
常见的膜材料包括聚酯、聚丙烯、聚氨酯、聚醚砜、聚醚硫醚等。
这些膜材料通常具有一定的孔隙结构，孔径在纳米至亚微米范围内。
膜的孔径和孔隙结构可以通过多种方法控制，如选择合适的聚合物、添加剂、溶剂、调节温度等。
膜的渗透性能与膜材料的孔隙结构、孔径大小、形状等有关。
一般来说，孔径越小，分子通过膜的难度越大；孔隙结构越狭窄，阻力越大，渗透通量越小。
根据目标分离的要求，可以选择合适的膜材料和膜结构，来实现高通量、高选择性的分离效果。
膜分离的参数有许多，包括渗透通量（通量）、选择性、分离效果等。
通量是指单位时间内通过膜的溶质或溶剂的量，可以通过调节操作条件和膜结构来实现高通量的目标。
选择性是指分离过程中对不同组分的分离程度，可以通过调节膜材料和操作条件来提高选择性。
同时，还可以通过膜的反洗、倒置、交替使用等方法来延长膜的使用寿命。
膜分离的操作过程一般包括进料、加压、渗透、集液和冲洗五个步骤。
进料是将混合物输入到膜分离系统中，加压是施加一定的压力使溶剂和溶质通过膜的孔隙，渗透是指通过膜的溶剂和溶质的传递过程，集液是收集渗透液和残余液的过程，冲洗是清洗膜面和恢复膜的通量。
膜分离技术的优点包括操作简单、效率高、能耗低等。
膜分离技术的原理
膜分离技术的原理
膜分离技术是一种利用特殊的膜作为分离介质，根据物质在膜上传递的速率和选择性来实现物质的分离和纯化的过程。
它主要依靠膜对不同大小、形状、荷电性质、溶解度和分子量等的物质进行选择性的分离。
膜分离技术的原理基于物质在膜上传递的速率和选择性，分为多种不同的分离机制，主要包括：
1. 压力驱动的逆渗透：利用超过背景压力的外压力驱动过滤液体，通过膜上的微孔或纳米孔将水分子从溶液中透过，将小分子和大分子分离。
2. 电化学膜分离：利用膜表面的电荷性质，通过对膜施加电场，使溶液中的离子依靠电荷相互作用通过膜孔洞，从而实现离子的选择性传递。
3. 渗透膜分离：利用溶剂渗透压差驱动，通过选择性渗透的膜将溶质从溶液中分离出来，实现溶质与溶剂的分离。
4. 离子交换膜分离：利用膜上固定的离子交换基团，通过阳、阴离子之间的交换作用，实现离子的选择性传递。
5. 气体吸附分离：利用对特定气体有选择性吸附的膜材料，通过物理吸附作用将特定气体从混合气体中分离出来。
膜分离技术具有结构简单、操作易行、能耗低、分离效果好等
优点，被广泛应用于水处理、制药、食品加工、化工等领域。
不同的膜材料和分离机制可根据不同的分离要求进行选择，以实现高效、经济、环保的物质分离和纯化过程。
膜分离工作原理
膜分离工作原理膜分离技术是一种常用于分离混合物的方法，通过使用半透膜，根据溶质的大小、形状、电荷等特性，将混合物中的成分有效地分离出来。
本文将介绍膜分离的工作原理，以及在不同领域中的应用。
1. 膜分离的基本原理膜分离的基本原理是利用半透膜对混合物进行筛分，将溶质从溶剂中分离出来。
膜通常由多孔材料或聚合物构成，具有特定的孔隙结构。
根据溶质在膜上的传质方式，膜分离可以分为四种基本类型：压力驱动型、浓度驱动型、超滤型和电动力型。
2. 压力驱动型膜分离压力驱动型膜分离是将溶剂和溶质通过正、负压力的作用，使其通过膜的微孔或孔隙。
常见的压力驱动型膜分离方法包括Reverse Osmosis（反渗透）、Nanofiltration（纳滤）和Ultrafiltration（超滤）。
其中，反渗透膜分离的孔径最小，可以去除水中的离子、微生物等溶质。
3. 浓度驱动型膜分离浓度驱动型膜分离是通过浓度差异推动溶质通过膜。
渗透压是浓度驱动型膜分离的主要原理，取决于溶质和溶剂之间的浓度差异。
渗透压越大，溶质通过膜的能力越强。
渗透膜的选择应根据溶质的性质和分离要求来确定。
4. 超滤型膜分离超滤型膜分离以孔径大小来分离溶质。
超滤膜的孔径范围通常在1-100纳米之间，可以将溶质中的大分子物质（如大分子蛋白质）分离出来，同时允许小分子物质（如溶剂和离子）通过。
5. 电动力型膜分离电动力型膜分离是通过电场的作用来分离混合物。
电动力型膜分离常用于离子选择透膜、电渗析和电吸附等领域。
这种方法利用了电学性质的差异来实现溶质的选择性分离。
6. 膜分离的应用领域膜分离广泛应用于水处理、食品加工、生物制药、化工、环境保护等领域。
在水处理中，膜分离可以去除水中的悬浮物、微生物、离子和溶解性有机物，提供高纯净水。
在食品加工中，膜分离可用于浓缩果汁、乳制品加工和酒精提纯等。
在生物制药领域，膜分离技术被用于蛋白质纯化、细胞培养和药物输送等。
总结：膜分离是一种有效的混合物分离方法，通过利用膜的特性和传质方式，能够实现对不同尺寸、形状和电荷的溶质的选择性分离。
膜分离技术基础概论
《膜分离技术》教案第一章：膜分离技术概述1、膜科学与基础科学的关系膜科学与基础科学的关系如下图所示。
2、膜的定义及特性所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。
膜的特性：不管膜多薄, 它必须有两个界面。
这两个界面分别与两侧的流体相接触。
膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。
3、膜的分离过程原理膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。
通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
4、分离膜的种类5、膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能很早就已发现。
1748年，耐克特（A. Nelkt ）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。
1861年，施密特（A. Schmidt ）首先提出了超过滤的概念。
他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。
这种过滤可称为超过滤。
按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。
然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。
1961年，米切利斯（A. S. Michealis ）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。
美国Amicon 公司首先将这种膜商品化。
50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。
1967年，DuPont 公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。
同一时期，丹麦DDS 公司研制成功平板式反渗透膜组件。
反渗透膜开分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜阳离子膜阴离子膜过滤膜精密过滤膜 超滤膜 反渗透膜纳米滤膜始工业化。
--分离技术膜的传递模型教学课件
以传递机理为基础的模型
• 孔流模型 • 表面力-孔流动模型
孔流作用的影响
1. 当料液浓度小于0.05时，孔流量占总流量的2%； 2. 当料液浓度为0.1左右，孔流量占总流量的8％； 3. 当料液浓度为0.5时，孔流作用增至20％。
孔流模型
JV
r 2p 8x
JV
3p K (1 )Sx
优先吸附－毛细孔流动机理
JS
DAmK A
(CR xAR
CP xAP )
• 式中，A为水的渗透系数；ΔP 、Δπ分别为膜两侧的 压力差和溶液渗透压差； DAm为KA 溶质的渗透系数, 其与 溶质性质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。
NW JW K3pCW K1(P ) K3pCW
NS JS K3pCR K2 (CR CP ) K3pCR
• 式有中关，的K常1数、K2、K3 分别为与溶质扩散和孔内流动
膜的临界孔径和水层厚度
Kimura-Sourirajan model
JA A{P [ (xAR) (xAP)]}
LP
(
JV p
)
0
p
(
)
JV
0
( JS
) JV 0
应用条件
1. 对小流量和低浓度，模型的误差较小； 2. 对大流量和高浓度，维象系数与浓度有关； 3. Lp 、σ、ω对浓度影响不敏感。
LP的估算值
膜过程
反渗透、纳滤 超滤 微滤
LP/L （m2h.atm ）
＜50 50～500
＞500
Spiegler-Kedem 模型
线性定律
JV LP p LPD J D LDPp LD
Kedem-Katchalsky 模型
膜与膜过程第五章膜的传递机理
目 录
• 膜传递过程概述 • 膜传递机理 • 膜传递过程中的影响因素 • 膜传递过程的优化与改进 • 膜传递过程的应用实例
01
膜传递过程概述
膜传递过程定义
膜传递过程
能量传递
是指物质在膜内或膜外传递，通过膜 的透过和转运，实现物质在膜两侧的 浓度差或能量差。
能量传递是指膜两侧的能量差引起的 物质传递，如渗透压、电位差等。
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亦然。
02
膜传递机理
扩散传递机理
扩散传递机理是指物质在膜两侧的浓度差驱动下，通过膜的分子或粒子的 随机热运动而发生的迁移过程。
扩散传递主要适用于分子量较小、能透过膜孔径的物质，如气体、水分子 等。
扩散传递的速率与物质在膜中的扩散系数、浓度差以及膜的厚度等因素有 关。
渗透传递机理
渗透传递机理是指在水分子经过膜孔 径时，由于压力差的存在，水分子从 压力高的一侧向压力低的一侧流动的 过程。
因素有关。
03
膜传递过程中的影响因 素
物质性质的影响
分子大小
分子大小直接影响物质在 膜内的传递速度，通常分 子越小，透过速度越快。
分子形状
分子的形状和构象也会影 响其在膜中的传递性能， 如对于一些刚性分子，其 传递速度较慢。
分子极性
极性分子更容易与膜材料 发生相互作用，从而影响 其传递速度。
操作条件的影响
1 2
优化操作压力
适当提高操作压力，有利于提高膜的渗透通量。
控制料液流速
合理控制料液流速，避免过快或过慢流速对膜分 离效果的影响。
3
定期清洗和维护
定期对膜进行清洗和维护，保持膜的清洁度和使 用寿命。
分离技术膜的传递模型教学课件
工业废水处理
工业废水处理是分离技术膜的重要应用领域之一。通过使用膜分离技术，可以有 效地去除废水中的有害物质，如重金属离子、有机物和细菌等，达到净化水质的 目的。
膜分离技术在工业废水处理中具有高效、节能、环保等优点，能够满足日益严格 的环保要求，是未来废水处理的重要发展方向。
海水淡化
海水淡化是分离技术膜的另一个重要 应用领域。通过反渗透技术，可以去 除海水中的盐分和其他杂质，生产出 符合饮用水标准的淡水。
传递模型的应用
分离过程模拟
利用传递模型对分离过程进行模 拟，预测不同操作条件下的分离 效果和性能参数，为实际分离过
程的优化提供理论支持。
膜材料与结构设计
根据传递模型，优化膜材料和结构 设计，提高膜的选择性、渗透通量 和抗污染性能。
工业应用与放大
将传递模型应用于工业生产过程中 ，实现分离技术的放大和优化，提 高分离效率和降低能耗。
03
分离技术膜的性能参数
渗透通量
总结词
渗透通量是衡量膜性能的重要参数，表示单位时间内通过膜 的流体量。
详细描述
渗透通量受到膜的孔径、孔隙率、材质等因素的影响。膜的 孔径越小，孔隙率越高，材质的透水性越好，则渗透通量越 低。在实际应用中，需要根据具体需求选择具有适当渗透通 量的膜。
选择性
总结词
选择性是衡量膜分离性能的重要参数，表示膜对不同物质的透过性能差异。
的传递行为。
膜孔径与选择性
膜的孔径大小和孔径分布决定了 物质传递的透过性和选择性。不 同大小的分子或离子根据其尺寸 和性质差异，透过膜的能力不同
。
扩散与渗透
扩散和渗透是物质传递的两种主 要方式。扩散是分子在膜两侧浓 度差的作用下自由移动的过程， 而渗透则是水分子在压力差的作
膜分离气体的原理
膜分离气体的原理膜分离是一种常见且有效的气体分离技术，它是利用膜材料对气体分子的选择性渗透性进行分离的过程。
膜分离技术广泛应用于天然气纯化、空气分离、氢气制备、二氧化碳捕集等领域。
膜分离气体的原理基于气体分子在不同材料膜上的渗透速率差异，其分离原理可以归纳为三个基本过程：溶解、扩散和脱附。
首先是溶解过程。
在膜分离过程中，气体分子会溶解进入膜材料内部。
溶解过程的速率取决于气体溶解度和膜材料的亲溶性。
当气体分子的溶解度较高时，溶解过程对分离效果的影响将更加显著。
接着是扩散过程。
溶解在膜材料内部的气体分子会在不同浓度梯度下发生扩散，从而通过膜材料逐渐向另一侧迁移。
扩散过程的速率取决于气体分子在膜材料内部的扩散系数、膜材料的厚度和温度等因素。
通常情况下，较小的气体分子扩散速率更快。
最后是脱附过程。
气体分子在膜材料另一侧的界面上会脱附，重新进入气相。
脱附过程的速率取决于气体分子在膜材料内部的脱附速率和膜材料与气相之间的相互作用力。
当膜材料表面与气体分子之间的亲和力较低时，脱附过程将变得更加容易。
膜分离气体的原理可以通过多种不同类型的膜材料实现，如多孔膜、非多孔膜和复合膜等。
多孔膜是由具有一定孔径和孔隙度的材料制成，通过孔隙内气体分子的溶解、扩散和脱附来实现分离。
非多孔膜则是由透明聚合物制成的非孔隙结构，气体分子通过聚合物链的链隙进行扩散。
而复合膜则是由多层材料组成的，通过不同材料层之间的相互作用来实现分离。
膜分离气体的分离效果受多种因素的影响。
首先是膜材料的选择。
不同膜材料对于不同气体的分离效果有所差异，因此在应用中根据具体需要选择适当的膜材料。
其次是操作条件的控制，如温度、压力和流速等。
适当的操作条件可以提高膜分离的效果。
此外，也可以通过采用多级膜分离和膜组件的组合来提高分离效果。
总的来说，膜分离是一种基于膜材料对气体分子的选择性渗透性进行分离的技术。
它的原理涉及到溶解、扩散和脱附三个过程，通过控制这些过程的速率差异实现对气体分子的分离。
传递原理在膜分离中的应用
传递原理在膜分离中的应用膜分离技术概述膜分离是一种常见的分离方法，以膜为主要分离介质，根据溶质在膜上通过的速率差异进行分离。
它具有结构简单、操作方便、高效节能等优点，广泛应用于水处理、生物医药、化工等领域。
传递原理在膜分离中的作用传递原理在膜分离中起着关键作用，它决定了分离效果和膜分离的性能。
下面将介绍几种常见的传递原理，并阐述其在膜分离中的应用。
扩散传递原理扩散是指由高浓度区向低浓度区传递的过程。
在膜分离中，扩散传递原理被广泛应用。
膜的孔径大小和表面性质决定了扩散的速率和选择性。
通过调整膜孔径和表面性质，可以实现对溶质的选择性分离。
扩散传递原理在饮用水处理中有重要的应用。
例如，通过膜分离技术可以将水中的离子、有机物和微生物等杂质分离出来，从而得到干净的饮用水。
此外，在生物医药领域，扩散传递原理也被用于制备药物纯化的过程中。
对流传递原理对流是指由流体运动引起的传递过程。
在膜分离中，对流传递原理可以通过增加膜两侧的压力差或采用交替施加正反两个方向的压力来实现。
对流传递原理对溶质分离速率的影响较大，可以快速实现溶质的分离。
对流传递原理在工业废水处理中常常被应用。
通过施加压力差，废水中的溶质可以被迅速从高浓度区域传递到低浓度区域从而分离出来。
此外，对流传递原理还被广泛应用于海水淡化领域，通过膜分离技术可以将海水中的盐分分离出来，得到淡水。
渗透传递原理渗透是指溶剂向浓度较高的溶液中渗透的过程。
在膜分离中，渗透传递原理可以通过在膜上形成一定压力差或应用外部电场来实现。
渗透传递原理在浓缩和纯化过程中发挥重要作用。
渗透传递原理在食品工业中有广泛的应用。
例如，在果汁浓缩过程中，通过渗透传递原理可以将果汁中的水分蒸发出来，从而得到高浓缩的果汁。
此外，渗透传递原理也被用于制备蛋白质纯化过程中，可以将溶液中的蛋白质浓缩。
总结传递原理在膜分离中起着至关重要的作用。
扩散传递原理、对流传递原理和渗透传递原理是常见的传递原理，并在膜分离中有广泛应用。
膜传输机制分析
膜传输机制分析膜传输是一种重要的物质传输方式，广泛应用于生物学、化学和工程学等领域。
本文将对膜传输机制进行分析，探讨膜传输的原理、应用以及未来的发展方向。
一、膜传输的原理分析膜传输是指物质通过膜的孔道、扩散或者融入膜内的机制，实现从一侧到另一侧的转移。
根据传输物质的性质不同，膜传输机制可以分为渗透、扩散和滤过三种类型。
1. 渗透传输渗透传输是指溶质通过半透膜，从高浓度区域转移到低浓度区域。
这种传输方式主要依靠物质溶解在溶剂中，通过半透膜的间隙或孔隙进行扩散。
渗透传输常用于膜分离、膜浓缩等工艺中。
2. 扩散传输扩散传输是指分子、离子通过膜的间隙或孔道区域，由高浓度区域向低浓度区域传递。
扩散传输的速率与浓度梯度有关，遵循弗里克定律。
扩散传输广泛应用于膜蒸馏、膜萃取等分离和纯化过程中。
3. 滤过传输滤过传输是指物质通过膜孔隙或滤膜的微孔、裂隙等传递。
滤过传输主要依靠筛选作用，将颗粒、胶体等较大分子从溶液中分离出来。
滤过传输被广泛应用于膜过滤、膜分离等领域。
二、膜传输的应用分析膜传输作为一种高效、节能的分离技术，有着广泛的应用前景。
以下将对膜传输在不同领域的应用进行分析。
1. 生物医药领域膜传输技术在生物医药领域中扮演着重要角色。
例如，在药物传递中，通过控制膜的孔径和渗透性，可以实现药物的定向释放和缓慢释放，提高药物的疗效和降低副作用。
此外，膜传输还常用于生物材料的离子交换、分离纯化等工艺中。
2. 环境保护领域膜传输技术在环境保护领域具有广泛的应用前景。
例如，在水处理中，通过膜分离技术可以高效地去除水中的悬浮物、颗粒、重金属等污染物。
此外，膜传输还可用于气体分离和废气净化等方面，发挥重要的环保作用。
3. 能源领域膜传输技术在能源领域的应用也日益显著。
例如，通过膜分离技术可以实现燃料电池质子交换膜燃料电池中质子的传递，提高燃料电池的效率。
此外，膜传输还可用于薄膜太阳能电池、膜蒸馏等领域，为能源的开发和利用提供了新的途径。
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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
压力
主体溶 液
界面
H2O Na+ClH2O Na+Cl-
水 在膜表面处的流动
界面上的脱盐水
t
多孔膜
多孔膜
2t
界面上膜的临界孔径
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
D c
1.浓差极化
x J
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
溶解—扩散模型
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
JA
DAB
dcA dy
DAB：物质A通过固体B的扩散系数m2/s CA： 物质A在膜内的浓度 Y： 膜厚
DAB：与温度的关系符合阿仑尼乌斯关系式
DAB D0eE/RT
式中 D0：比例常数cm2/s E：透过活化能Cal/g·atm
④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。
⑤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。
⑥ 表面区间(Ⅱ)：此区间相似于③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。
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0.1~0.3nm，水合离子的直径为 0.3~0.6nm，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。
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。
S 表面积; K Kozeny Carman常数
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。
H2O H2O H2O H2O
Na+ClNa+ClNa+Cl-
H2O
多孔膜
膜表面
H2O H2O
Na+Cl- H2O Na+Cl- H2O
H2O H2O H2O H2O
H2O H2O H2O
Na+Cl- H2O Na+Cl- H2O Na+Cl- H2O H2O H2O
膜表面
临界孔径
(a)膜表面对水的优先吸附
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。
JV
r 2 8
•
P L
JV — 膜的体积通量；
— 膜的孔隙率； — 溶液粘度； —曲折因子
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KozenyCarman关系式表示。
JV
3
KS 2 1 2
•
P L
JV — 膜的体积通量；
— 膜的孔隙率； — 溶液粘度； —曲折因子;
膜分离中的传递过程
膜传递
膜内传递过程
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
膜外传递过程
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
⑦边界层区间(Ⅱ)：此区间与②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。
⑧主流体区间(Ⅱ)：此区间相似于① ，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。
递过程
(以典型的非对称膜为例)
膜过程中的物质传递
①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。
②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。
③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。
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：Jl=Al(△p- △p渗) Al—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：J2= -B△c △c—膜厚乘两边浓度差；
Cw Cp
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 Cb
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。
δ
当膜表面被截留组分浓度增加时，引起：