第七章(上) 膜分离过程

第一节 膜和膜分离过程的分类与特性
一、膜的分类
膜分离的实质——物质通过膜的传递速率不同而得到分离。
1、对称膜：膜的结构与方向无关，如具有不规则的孔结构，或者所有的孔具 有确定的直径。
2、非对称膜：分离层（薄而致密）二多孔支撑层。二层为同一种材料活性膜， 孔径的大小和表皮的性质决定了分离特性，而厚度主要决定传递速度，该层 必须朝向的原溶液。 优点：高传质速率（分层等）和良好的机械强度。被脱除物附在表面，易于 清除。
2）边界层区间：当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，使膜面浓度增大，并高 于主体中浓度，称此为浓差极化（浓度极化）。是造成膜或膜体系效率下降 的主要因素。可导致溶质自膜面反扩散至主体中。是可逆的，需用搅拌等方 式促进其反扩散和提高脱除率。
3）表面区间：在此区间发生着两种过程，是溶质向膜表面扩散时，被吸附 而溶入膜中。一是由于膜的不完整和表面上的小孔缺陷，溶质有对流现象 （即扩散透过膜的动向，又反扩散离膜而出）。即膜边界层料液中的溶质没 有全部进入膜的表层。因此此区间的溶质浓度。 此边界层的溶质浓度低得多。不可能完全被吸附。
（2）溶解——扩散模型
①分离过程：反渗透膜及气体透过膜在电子显微镜下观察，没有发现孔道。于是
第二节 膜的基本理论
一、膜分离过程的机理 二、膜 的性能、参数 三、膜的使用寿命
一、膜分离过程的机理
1、膜分离过程的基本传质形式
1）被动传递：是最简单的形式，从化学势高向低处传递。 化学势——能量状态，是改变一单位物质（如mol）时内能的变化率， 所以Biblioteka Baidu质自发地从化学势较高区域到较低区域。 内能与物质量有关，化学势是与物质量无关的能量状态。 被动传递的推动力是化学势梯度（可以是压力差、浓度差、电势差）。
第六章 膜分离过程
第一节 膜和膜分离过程的分类与特性 第二节 膜的基本理论 第三节 膜的应用
第六章 膜分离过程
膜的定义——两相之间的不连续区间。膜即“区间” 不是通常的相界面，可为气相、液相和固相，可 以均相或非均相、对称或非对称，荷电或中性。
膜的优点：过程一般较简单，费用低、效率较高、 常温下操作。
6）表面区间：此区间溶质从膜中解吸，离开膜进入低压侧。由于多孔层基本上无 选择性，分配系数。
7）边界层区：物质扩散方向与膜垂直。浓度随流动方向而降低。
8）主流体区间：在稳定状态下，其中溶质的主流体浓度为 。
综上所述，溶质在膜中的渗透率取决于：
膜本身的化学物质（吸附、选择、缺陷） 膜两边溶液的条件（压力、搅拌、浓度） 传质总阻力：为边界层+膜层阻力之和。
第一节 膜和膜分离过程的分类与特性
3、电渗析（电位差为推动力） 在电场中交零星装配的阴离子和阳离子交换膜，在电场中形 成一个个隔室，使溶液中的离子有选择地分离或富集，这就 是电渗析。
4、气体分离（压力差为推动力） 是利用微孔或无孔膜进行气体分离。膜的材料可以是高分子 聚合物膜，也可以是金属膜或玻动膜。主要用于合成氨工业 中氢的回收等。
εd2p
J= ——————
32 μL
式中 J ——溶液能量[m3/(m2·S)]
ε——膜的孔隙率，d——圆柱型孔道的直径（m）
l——膜的有效厚度，为扩散曲折率×膜厚（m） △P——膜两侧压力差（kpa），μ——溶液的粘度（pa·s） 由上式可知：通量和压力成正比，和粘度成反比。
一、膜分离过程的机理
2）促进传递：推动力仍是化学势梯度；组分由特定载体带入膜中， 是高选择性的被动传递，能和B结合的A被传递。
3）主动传递：从化学势低处传至化学势高处，需做功，由膜内某化 学反应提供推动力
一、膜分离过程的机理
2、膜过程中的物质传递
以被膜脱除的溶质（或非优先选择的），通过非对称膜为例，如反渗透。
1）主流体系区间：在稳定情况下，溶质的浓度是均匀的，且在垂直于膜表 面的方向无浓度梯度。
2、反渗透和超滤（推动力—压力差） 反渗透：在渗透实验装置的膜两侧造成一个压力差，1-8Mpa，并使其大于 渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进一步浓缩，这一现象就叫 反渗透。 超滤：膜只阻挡大分子，在压力差推动下，水和盐等小分子透过。 微过滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，在压力差推动下0.1Mpa使不溶物浓 缩（水和溶解物通过） 图9-2，膜的孔径范围，反渗透小（水过），超滤较小（按粒经选择分离微粒 和大分子）微过滤较大（不溶物截留，水和溶解物均过）。
一、膜分离过程的机理
4）表皮层区间：此区间是高度致密的表皮，是理想无孔型的，反渗透非对称膜表 皮层是对溶质的脱除性。要求这层愈薄愈好，有利于降低流动的阻力和增加膜的渗 透率。溶质和渗透物在此区间以分子扩散为主，也有小孔缺陷中的少量对流。
5）多孔支区间：是高度多孔的区度，对表皮层起支撑作用，对渗透物质的流动有 一定的阻力。
3、复合膜 膜的性能：不仅决定于选择薄层，而且受微孔支撑活物、孔径、孔分布和多 孔率的影响。
对称膜 返回
第一节 膜和膜分离过程的分类与特性
4、荷电膜：即离子交换膜，属于对称膜溶胀胶固定有正 电荷可交换的为阴离子。
5、液膜: 有关章节讨论。
6、微孔膜：孔径大小为0.05~20μm的膜
7、动态膜：在多孔介质上（如陶瓷管）沉积一层颗粒物 （如氯化铝）作为有选择作用的膜。可在高温下应用，但 膜很不稳定。
第一节 膜和膜分离过程的分类与特性
二、重要的膜分离过程（表9-1）
1、渗透和透析（推动力—浓度差） 渗透是由于浓度差→渗透压差→在膜的两旁引起溶剂向浓度高渗透压大的方 向扩散。工业上从纤维废液回收NaOH（人造毛或合成丝）。 透析是由于浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程，如肾衰病人肾透析
二者的共同点：浓度差不断降低，推动力也不断减小。
一、膜分离过程的机理
3、膜分离过程的机理
1、（1）孔模型（筛分型） 用于描绘微过滤、超滤等过程所用的高孔率膜。 过程特点：以压力为推动力的膜分离技术，按不同膜孔径来分离物质，比膜孔小 的物质和溶剂（水）一起透过膜，而较大的物质则被截留。 溶剂的渗透流率取决于膜的孔隙率、孔径（d）、溶液的粘度（μ）、膜上、下 游压力差（△P）及溶剂在膜中的扩散途径（膜有效厚度l），其可表达为：