第七章(上) 膜分离过程
第七章-膜蒸馏
7.1膜蒸馏
膜蒸馏的发展
膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的新型膜分离技术, 是以膜两侧不同温度溶液蒸汽压力差为推动力的分离 过程。 它以疏水微孔膜为介质,在膜两侧蒸气压差的作用下, 料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔,从而实现分 离的目的。 与其他常用分离过程相比,膜蒸馏具有分离效率高、 操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械 性能要求不高等优点。
膜蒸馏操作方式
➢ 直接接触式 ➢ 气隙式 ➢ 减压式 ➢ 气流吹扫式
直接接触膜蒸馏
气隙式
减压式
气流吹扫式
操作模式
膜蒸馏特征
膜蒸馏的优点
➢ 操作温度低(与传统蒸发相比) ➢ 操作压力低(与反渗透相比) ➢ 理论分离效能高 ➢ 膜的机械性要求低 ➢ 减少了膜与处理液体之间的化学反应 ➢ 不易堵塞 ➢ 可以处理浓度极高的水溶液,唯一能从溶液中直接
渗透蒸发原理
渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透 过来分离液体混合物。由高分子膜将装置分为两 个室,上侧为存放待分离混合物的液相室,下侧 是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室 。混合物通过高分子膜的选择渗透,其中某一组 分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的 蒸气分压小于其饱和蒸气压,因而在膜表面汽化 。蒸气随后进入冷凝系统,通过液氮将蒸气冷凝 下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜 内渗透组分的浓度梯度。
除了以上用途外,渗透蒸发膜在其他领域的应 用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领 域有:工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有 毒有机物(如苯、酚、含氯化合物等);在气体分 离、医疗、航空等领域用于富氧操作;从溶剂中脱 除少量的水或从水中除去少量有机物;石油化工工 业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、 同系物、同分异构体等的分离等。
膜分离技术工艺流程
膜分离技术工艺流程膜分离技术是一种利用半透膜对物质进行分离的方法,广泛应用于水处理、食品加工、制药等领域。
膜分离技术工艺流程是指在膜分离过程中所涉及的一系列操作步骤,下面将详细介绍膜分离技术的工艺流程。
1. 前处理膜分离技术的前处理是为了避免膜污染和膜堵塞,通常包括预处理和中间处理两个阶段。
预处理主要是对原始液进行粗处理,如过滤、沉淀、调节pH值等,以去除悬浮固体、胶体颗粒和大分子物质。
中间处理主要是对预处理后的液体进行细处理,如活性炭吸附、氧化、消毒等,以去除溶解性有机物、微生物和残留氧化剂等。
2. 膜分离膜分离是整个工艺流程的核心步骤,通过半透膜的选择性渗透作用,将原始液中的溶质和溶剂分离。
根据分离机理的不同,膜分离可以分为压力驱动型和浓度驱动型两种。
压力驱动型膜分离主要包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等技术,可以用于分离悬浮物、胶体、溶解性大分子和溶质等。
浓度驱动型膜分离则是利用溶剂的浓度差异来实现物质的分离,如蒸发浓缩、气体分离等。
3. 后处理膜分离后处理主要是对膜分离过程中产生的浓缩物和稀释物进行处理。
浓缩物通常需要进一步处理以达到满足特定要求的浓度或纯度,如结晶、干燥、沉淀等。
而稀释物则需要进行废液处理,以避免对环境造成污染。
后处理过程中还可能包括对膜进行清洗和维护,以保证膜的使用寿命和分离效果。
4. 控制参数在膜分离技术工艺流程中,需要对一些关键参数进行控制,以确保膜分离的效果和稳定性。
例如,控制进料流量和压力可以影响渗透通量和分离效果;控制膜的温度可以改变物质的渗透速率和选择性;控制清洗液的pH值和浓度可以去除污染物和恢复膜性能。
这些参数的控制需要根据具体的应用和膜的特性进行优化。
5. 能耗评估膜分离技术工艺流程的能耗评估是指对整个工艺流程中能源消耗进行评估和优化。
膜分离过程中主要的能耗包括泵送能耗、压缩能耗、加热能耗和冷却能耗等。
通过对能耗的评估和优化,可以降低生产成本,提高能源利用效率,减少对环境的影响。
膜分离过程
缺点:膜很不稳定。
纳滤膜
由于其截留率大于95%的最小分子约为1nm,因 而称之为纳滤膜,这是纳滤 (nanofililtration)名称的 由来。又称粗孔(Loose)反渗透膜。
纳滤膜也可以按复合膜的方法制造。
三、分离机理
(一)、毛细管流动模型
超滤和微滤过程:溶质或悬浮物料按大小不同而分离, 比膜孔小的物质透过膜,大的则被截留。
气体透过:系利用微孔或无孔的膜进行气体分离。膜 的材料可以是高分子膜,也可以是金属膜或玻璃膜,主要 用于合成氨工业中氢的回收等。
反渗透、超滤和微过滤:
是三种互有联系的过程,并没有根本上的区别,三种 膜可用相同的方法制得。它们的孔径范围如图,有一定程 度的重叠。
二、膜的制造
(一)、对膜的要求 1、 较大的透过速度 2、较高的选择性 3、机械强度好、耐热,耐化学试剂 4、不被细菌侵袭,可以高温灭菌 5、价廉。
纳滤膜的其他优点:
操作压力较低,而在相同操作压力下,通量则较高, 因此,这类膜在10年前开始应用逐渐增加。
由于其截留率大于95%的最小分子约为1nm,因而 称之为纳滤膜,这是纳滤 (nanofililtration)名称的由来。
荷电纳米膜
近年来由于分离荷电分子的需要,开发出荷电纳米 膜。
由于Donnan电位,这类膜对荷相同电荷的分子有 较高的截留率。
它能截留分子量为200-1000之间的有机物质,能将 高价离子与低价离子分离(水的软化),操作压力在 1.0-3.0MPa.
四、表征膜性能的参数
表征膜性能的参数有:孔的性质(包括孔径、孔分布 和孔隙度)、截断分子量(MWCO),水通量、抗压能力, pH适用范围,对热和溶剂的稳定性。
膜分离的过程
膜分离的过程
什么是膜分离过程?
膜分离过程是指应用膜作为一种分离材料来处理物质的过程。
它可以帮助在流体中分离出不同的溶质,产生不同的浓度溶液,它的应用涵盖了污水处理、啤酒制造、水质净化等。
膜分离技术的基本原理是:在流体中,膜会有效地过滤细微悬浮物,它们的大小会被膜特定的孔径限制,只有尺寸较小的悬浮物(如颗粒、离子、生物活性物质等)才能通过膜,而大尺寸物质(细菌、反应产物、色素等)则被留在膜的外侧。
因此,可以通过选择膜的孔径,有效地分离出不同粒径的悬浮物,从而实现净化的目的。
膜分离过程包括四个主要步骤:第一步是膜的选择,根据要净化的物质,选择合适的膜材料、孔径大小、孔隙率等;第二步是膜层的渗透,使溶液渗透到膜内,从而实现分离;第三步是洗涤步骤,在洗涤过程中,将被留在膜内侧的粒子、有机物流失掉;第四步则是从膜内收集物质,得到清洗物质。
膜分离过程的优势在于它具有高效率、低成本、无污染等特性,它不仅能节省能源消耗,更可有效地回收有用的资源,是目前大多数分离处理过程的理想选择。
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膜分离的操作方式
膜分离的操作方式1. 膜分离的基本原理膜分离是一种通过膜的选择性通透性实现物质分离的技术。
膜分离的基本原理是利用膜的孔隙结构或表面性质,使得不同成分的物质在膜上发生不同的传质、传递现象,从而实现物质的分离。
2. 膜分离的操作步骤膜分离的操作步骤主要包括前处理、膜分离过程和后处理三个部分。
2.1 前处理前处理是指在膜分离过程之前对原料进行的处理步骤,主要目的是去除悬浮物、颗粒物、胶体物等杂质,以保护膜的使用寿命和效果。
常见的前处理方法包括沉淀、过滤、调节pH值等。
2.2 膜分离过程膜分离过程是指将前处理后的原料通过膜分离设备进行分离的步骤。
根据不同的分离机理和应用需求,膜分离过程可以分为压力驱动式、浓度差驱动式和电场驱动式三种方式。
2.2.1 压力驱动式膜分离压力驱动式膜分离是指通过施加一定的压力差,使原料液体在膜上发生渗透和分离的过程。
常见的压力驱动式膜分离包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等。
压力驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 施加一定的压力差,使原料液体在膜上发生渗透和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物,将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.2 浓度差驱动式膜分离浓度差驱动式膜分离是指通过维持两侧溶液的浓度差,使溶质通过膜进行传质和分离的过程。
常见的浓度差驱动式膜分离包括电渗析和渗透气体分离等。
浓度差驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体分为两侧,分别放置在膜分离设备的两侧。
2. 维持两侧溶液的浓度差,通过膜进行溶质的传质和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物,将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.3 电场驱动式膜分离电场驱动式膜分离是指通过在膜上施加电场,利用离子的电荷特性进行传质和分离的过程。
常见的电场驱动式膜分离包括电渗析和电吸附等。
电场驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 在膜上施加电场,使离子在膜上发生迁移和分离。
膜处理新技术:膜分离过程
膜处理新技术:膜分离过程膜的定义膜是分离两相和选择性传递物质的屏障。
膜的分类1.按膜的结构分类2.按化学组成分类3.按分离机理分类4.按几何形状分类按膜的结构分类按化学组成分类按分离机理分类膜分离的定义和分类1.反渗透和纳滤2.超滤和微滤3.渗析和电渗析4.载体促进传递5.渗透汽化6.膜精馏和膜萃取7.气体分离反渗透原理膜的迁移方程反渗透膜与纳滤膜及其组件1.高压反渗透膜2.低压反渗透膜3.超低压反渗透膜反渗透和纳滤应用反渗透与纳滤工艺流程反渗透和纳滤应用反渗透:1.水纯化 2.溶质浓缩纳滤:溶质浓缩超滤原理膜结构:超滤膜多为不对称结构,由一层极薄(通常小于1μm)并具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚(通常为125μm左右)并具备海绵状或指状结构的多孔层组成。
前者起分离作用,后者起支撑作用。
“筛分”理论膜的截留效果取决于膜的孔径大小。
比较全面的解释在超滤膜分离过程中,膜的孔径大小和膜表面的化学性质等将分别起着不同的截留作用。
超滤膜超滤膜的性能指标主要有以下两个:①渗透通量:纯水渗透速率 (一般在0.1~0.3MPa下测定);②截留率:截留分子量曲线。
另外,超滤膜的耐压性、耐清洗性、耐温性等性能对于工业应用也是非常重要的。
制备方法目前商品化的有机材质的超滤膜都是采用相转化法制得的,所采用的材质有磺化聚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、纤维素类、聚丙烯腈、磺化聚醚砜、聚醚砜、聚酰胺、聚醚酮。
此外还有陶瓷超滤膜,主要是由Al2O3、ZrO2用Sol—Gel法制得。
超滤操作工艺重过滤操作:用于大分子和小分子的分离。
间歇操作:常用于小规模生产。
连续式操作:常用于大规模生产。
连续式操作时组件的配置有单级和多级两类。
超滤应用超滤在需将尺寸较大的分子或微粒与低分子物质或溶剂分离的领域得到了广泛应用。
超滤装置可单独运行,也可与其他处理设备结合应用于各种分离过程。
超滤浓缩的优点是无相变、一般不需加热、工序简单、适用pH范围宽和防止失活等,很适于热敏性物质的分离浓缩。
生物分离工程之膜分离过程
MWCO与孔径
截断分子量:(molecular weight cut-off,MWCO)相 当于一定截留率(通常为90%或95%)的分子量,随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
MWCO(球状蛋白质) 近似孔径(nm)
1000
2
10 000
5
100 000
12
1000 000
29
26
2. 水通量
与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范围广4-11
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜; ② 无机多孔膜; ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜; ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
• 透析:醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 • 微滤膜:硝酸/醋酸纤维,聚氟乙烯,聚丙烯, • 超滤膜:聚砜,硝酸纤维,醋酸纤维 • 反渗透膜 :醋酸纤维素衍生物,聚酰胺 • 纳滤膜:聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 • 电渗析:离子交换树脂 • 渗透蒸发:弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙
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3. 反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂(通常是水)而截留离子 物质性质,以膜两侧静压差为推动力,克服渗透压,使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5~10.5MPa,截留组分为小分子物质。
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反渗透法
分离的溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压的作用,为反渗透
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膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求:
– 耐压:膜孔径小,要保持高通量就必须施加较高的压 力,一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa,反渗透 膜的压力更高,约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱:防止分离过程中,以及清洗过程中的水解; – 化学相容性:保持膜的稳定性; – 生物相容性:防止生物大分子的变性; – 成本低;
第七章-膜分离技术
二、超滤的浓差极化 溶质会在膜表面积聚
超滤分离原理示意图
并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度。
减轻浓差极化的措施: ① 错流设计,以利清除极化层; ② 流体流速提高,增加流体的湍动程度; ③ 采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁。 三、超滤膜 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、
四、微滤的应用
{ 1.微滤膜的特点
⑴孔径的均一性 ⑵空隙率高
⑶材薄
{ {{ 2.微滤的应用
⑴实验室中的应用 ⑵工业上的应用
微生物检测 微粒子检测
制药工业 电子工业
其他领域
二、电渗析的流程 各种电渗析器的组合方式示意图
直流式电渗析除盐流程
循环式电渗析除盐流程
部分循环式电渗析除盐流程
三、电渗析技术的应用 (1)咸水脱盐制淡水
电渗析脱盐生产淡水的工艺流程 1-渗析槽;2-冷凝器;3-浓缩罐;4-结晶罐;5-涡轮机;6-锅炉;7-浓液槽
(2)重金属污水处理
电渗析处理电镀含镍污水工艺流程
极化的危害: ① Ca2+、Mg2+等离子时将形成沉淀; ②膜电阻增大,降低分离效率。
4.离子交换膜 可分为三类: (1)均相离子交换膜; (2)非均相离子交换膜 ; (3)半均相离子交换膜。 对离子交换膜的要求是: ① 有良好的选择透过性; ② 膜电阻应低,膜电阻应小于溶液电阻; ③ 有良好的化学稳定性和机械强度;有适当的孔隙度。
②对溶剂渗透通量的增加提出了限制; ③膜表面上形成沉淀,会堵塞膜孔; ④会导致膜分离性能的改变; ⑤出现膜污染。
各种组件的比较
三、反渗透组件及其技术特征
第七章(上) 膜分离过程
③物质的渗透能力:不仅取决于扩散系数,而且还决定于它在膜中的溶解度。
④对于反渗透过程,溶剂(用L表示)
dC1
溶剂纯扩散可用Fick定律
J1=—D1 ———
dh
溶剂在膜中的溶解服从Herry(享利)定律
du1=-RTdlnc1=-RT dC1/C1
d(lnx)/dx=1/x
-c1
D1C1
dμ1
dc1=———dμ1
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:
泡 压 法 测 孔 示 意 图
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一、膜分离过程的机理
②奋汞法:用水银代替水,因为水银不能湿膜,Q大于900,cos 小于 d=-4rcosQ/P ③电子显微镜观测法 (5)孔隙度计算
2、水通量 [m3/(m2.S)]
也叫透水率——是每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量, 即是透过膜的速率。
大小形响因素:膜 的性质(厚度、化学成分、孔隙度) 系统条件(温度、膜 两侧的压力并、溶液盐浓度料
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
膜分离过程
Yang Yanzhao
SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERRSITY
膜发展的三个阶段: 膜发展的三个阶段: 1 50年代—— 奠定基础 50年代 年代—— 2 60 — 70年代—— 发展 70年代 年代—— 3 80年代 至今—— 发展深化 80年代 至今——
溶剂、 溶剂、 小分子
透过膜 截留
溶质、大分 溶质、 子、微粒
Yang Yanzhao
SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY
应用领域 化学工业、海水淡化、食品加工、 化学工业、海水淡化、食品加工、生物医药 技术、 技术、废水处理等 反渗透: 反渗透: 低分子溶质 水或具有氢键的溶剂 (一)特点:两者粒子大小数量级相同, 特点:两者粒子大小数量级相同, 两侧压差较大
依据传质机理得: 依据传质机理得:
主要取决与膜的结构 溶剂: 溶剂: JV = A( ∆p - ∆Π ) 、操作温 同时受压力、 同时受压力 度的影响
SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY
∆p — 膜两侧的压降,MPa 膜两侧的压降,
主要取决与膜的结构 膜两侧的渗透压,同时受压力、 MPa ∆ π — 膜两侧的渗透压,同时受压力、操作温 度的影响
溶质: Js = B( c1 – c2 ) 溶质: B — 溶质的透过系数
c1 、c2 —— 分别为膜两侧溶液中溶质的摩 尔浓度,kmol·m-3 尔浓度,kmol·m
SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY SHANDONG UNIVERSITY
膜分离过程
膜分离过程 (membrane separation)
减缓措施
一是提高料液的流速,控制料液的流 动状态,使其处于紊流状态,让膜面处的 液体与主流更好地混合; 二是对膜面不断地进行清洗,消除已 形成的凝胶层。
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zhangru2002@
膜分离过程 (membrane separation) 3 纳滤
2e separation)
30年代 年代 40年代 年代 50年代 年代 60年代 年代 微孔过滤 渗析 电渗析 反渗透
70年代 超滤 年代 80年代 气体分离 年代 90年代 渗透汽化 年代 EDI技术 电去离子 ) 技术(电去离子 现代 技术
浓度梯度
除去小分子有机物或无机离子,奶制品脱盐, 小分子有机物和无机离子的去 除去小分子有机物或无机离子,奶制品脱盐,蛋白 质溶液脱盐等 除 离子脱除、 离子脱除、氨基酸分离 小分子有机物与水的分离 10 苦咸水、海水淡化,纯水制备,锅炉给水, 苦咸水、海水淡化,纯水制备,锅炉给水,生产工 艺用水 醇与水分离,乙酸与水分离,有机溶剂脱水, 醇与水分离,乙酸与水分离,有机溶剂脱水,有机 液体混合物分离( 液体混合物分离(如脂烃与芳烃的分离等
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zhangru2002@
膜分离过程 (membrane separation)
各种膜分离范围
膜过程
粒子过滤 微滤 超滤 纳滤 反渗透 渗透蒸发
分离机理 体积大小 体积大小 体积大小 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散
分离对象
孔径/nm
固体粒子
0.05~10μm的固体粒子
>10000
50~10000
电渗析 离子交换膜 渗透蒸 致密膜或复合膜 发
电位差 浓度梯度
zhangru2002@
膜分离过程
(3)溶解 扩散模型 溶解—扩散模型 溶解
在均相的,高选择性的膜(如反渗透膜) 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, 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。 散通过膜,再从膜下游解吸。 物质的渗透能力,不仅取决于扩散系数, 物质的渗透能力,不仅取决于扩散系数,而且还决定 于它在膜中的溶解度。 于它在膜中的溶解度。 溶剂质量通量: 溶剂质量通量:Jl=Al(△p- △p渗) △ Al—溶液渗透系数; 溶液渗透系数 溶液渗透系数; p渗—渗透压。 渗透压。 渗透压
⑤多孔支撑区间:主要对表皮层起支撑作用,而对 多孔支撑区间:主要对表皮层起支撑作用, 渗透物质的流动有一定的阻力。 渗透物质的流动有一定的阻力。 表面区间(Ⅱ :此区间相似于③中所描述的区间, 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。 流体中的浓度几乎相等。 ⑦边界层区间(Ⅱ):此区间与②中区间相似,物质 边界层区间 Ⅱ :此区间与②中区间相似, 扩散方向与膜垂直。但无浓差极化现象, 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。 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 主流体区间 Ⅱ :此区间相似于① 定,垂直于膜表面的方向无浓度梯度。 垂直于膜表面的方向无浓度梯度。
膜的制造方法
1.相转变法:浇铸液→支持物上捕开 蒸发部分溶剂→凝 相转变法:浇铸液 支持物上捕开→蒸发部分溶剂 凝 支持物上捕开 蒸发部分溶剂 胶形成→热处理(退火) 胶形成 热处理(退火)。 热处理 烧结法: 2.烧结法: 膜材料粉→模具内 严格控制温度和压力 膜材料粉 模具内→严格控制温度和压力 模具内 严格控制温度和压力→ 由 软变熔→ 形成多孔体 形成多孔体→ 机械加工。 机械加工。 软变熔 粒子( 粒子或中子)照射→ 3.核径迹法:厚为5-15µm薄膜→粒子(如a粒子或中子)照射 核径迹法:厚为5 15µ 薄膜 粒子 化学键断裂形成径迹→酸碱液腐蚀 形成孔道。 化学键断裂形成径迹 酸碱液腐蚀→形成孔道。 酸碱液腐蚀 形成孔道 4.拉伸法: 拉伸法: 晶态聚烯烃→在低熔融温度下挤压成膜 晶态聚烯烃 在低熔融温度下挤压成膜→ 延伸 在低熔融温度下挤压成膜 得到高的熔融应力→无张力条件下退火 拉伸 得到高的熔融应力 无张力条件下退火→拉伸。 无张力条件下退火 拉伸。 5.复合膜的制备:是相转变膜的继续发展,制造非常薄的特 复合膜的制备:是相转变膜的继续发展, 征分离层。在多孔支撑层上制作聚合物膜。 征分离层。在多孔支撑层上制作聚合物膜。
膜分离过程
浓缩
以截留物为目的产物的称为浓缩 以截留物为目的产物的称为浓缩
如微滤 微滤的用途: 微滤的用途:对发酵液中的微生物细胞可以回收和浓缩 利用还可以用不同孔径的微滤膜收集细菌、 利用还可以用不同孔径的微滤膜收集细菌、酶、蛋白 质、虫卵等以提供分析检测利用微滤膜进行微生物培 养时可根据需要在培养过程中更换培养基, 养时可根据需要在培养过程中更换培养基,以达到多 种不同的目的
膜分离过程
第二组:籍秀杰 李丽秀 纪姗 韩鸿均
膜分离过程分类
根据分离产物的不同,膜分离过程可划分为: 根据分离产物的不同,膜分离过程可划分为: 提纯 浓缩 分离
提纯
水处理等以透过物为目的产物的膜分 水处理等以透过物为目的产物的膜分 以透过物为目的产物 离过程为提纯 如膜萃取
膜萃取的用途: 膜萃取的用途:与生物分离过程有关的莫萃取应用 主要集中与膜发酵-膜萃取耦合过程 膜萃取耦合过程、 主要集中与膜发酵-膜萃取耦合过程、膜萃取生物降 解反应和酶膜反应器等
Байду номын сангаас
分离
将透过物与截留物均作为目的产物的称为 透过物与截留物均作为目的产物的称为 分离 如电渗析
电渗析的用途:稀释液可用于生物、医药、 电渗析的用途:稀释液可用于生物、医药、食品领域的 水溶液脱盐和去离子;浓缩液主要用来生产盐。 水溶液脱盐和去离子;浓缩液主要用来生产盐。
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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。
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
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。
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。
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:
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。
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。
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。
εd2p
J= ——————
32 μL
式中 J ——溶液能道的直径(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
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。
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。
(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
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)。
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, 所以物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)。