膜分离工程 第三章：膜分离中的传递过程
Chap3膜分离技术I
膜的分离特性
渗透液 相2
原料液 相1
选择性
① 目标产物和杂质之间的分离选择
性－透过液中的相对含量与原料液
中相对含量之比
aij
y2i y1i
/ /
y2 j y1Байду номын сангаасj
② 截留率 －对被分离体系中一种或多种物质的截留程度
截留率( σ) ＝1－渗透液的浓度(CF) / 原料液的浓度(CB)
透过通量
单位时间单位膜面积上，透过溶剂（或溶质）的 量－膜的处理能力
体积通量 JV
Jv LP (p－ )
反渗透膜对小分子溶质的高截留率，膜两侧渗透压
差较大， 且反渗透膜阻力较大，为保证反渗透操作流量
，反渗透需要较高的操作压力(1.0-10MPa) 。
反渗透时截留率 R
R 1 CF CB
反渗透膜对无机盐的截留率较高，R → 1. 所以，CF＜＜ CB。对海水一级淡化，膜的脱盐率必须大于99％；但对一级 苦咸水而言，需达到90％—95％。但由于浓差极化现象的存
膜分离技术的发展历史
➢1748年，Nollet观察到水自发地通过半透膜渗透进入乙 醇中 ➢1864年，Traube成功研制成人类历史上策一片人造膜-亚 铁氰化铜膜。 ➢1930年代，微滤膜的工业生产（微生物过滤） ➢1950年代，离子交换膜的产生和电渗析的工业应用 ➢1960年代初，Loeb和Sourirajan利用相转化制膜法制备第 一张实用的反渗透膜；反渗透淡化海水进入工业应用 ➢1970年代，超滤的工业应用 ➢1980年代，气体分离膜的工业应用 ➢1990年代，纳滤和渗透汽化的工业应用
对膜材料的要求
良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、碱、微生物侵 蚀和耐氧化等。 RO、NF、UF、MF－亲水性，高水通量 GP、Pervaporization－对透过组分优先吸附溶解和优先 扩散 ED－耐酸碱，热稳定性好 膜萃取－能耐受有机溶剂
制药分离工程--重点总结
制药分离工程重点总结目录第一章绪论1、制药工业分类①生物制药、②化学制药、③中药制药。
2、分离过程的本质3、制药分离工程特点第二章萃取分离1、物理萃取与化学萃取2、液固萃取3、液固萃取的萃取过程4、液固萃取浸取溶剂选择原则5、按萃取级数及萃取剂与原料接触方式分萃取操作的三种基本形式①单级浸取；②多级错流浸取；③多级逆流浸取。
6、液液萃取7、乳化、形成乳化条件、乳状液形式①水包油型乳状液；②油包水型乳状液。
8、物理液液萃取、化学液液萃取的传质过程9、反胶团、反胶团萃取10、反胶团萃取蛋白质“水壳模型”的传质过程11、双水相的形成、双水相萃取及其基本原理12、双水相萃取过程13、超临界流体、超临界流体萃取14、超临界流体基本特性15、超临界CO2作萃取剂优点16、依分离条件分超临界流体萃取分离操作基本模式（1）恒温变压法：（2）恒压变温法：（3）恒温恒压吸附法。
17、超临界流体萃取天然产物质量传递过程18、超声波在萃取中的作用19、微波在萃取中的作用第三章膜分离1、膜分离2、膜分离物质传递方式（1）被动传递；（2）促进传递；（3）主动传递。
3、膜分离物质分离机理（1）筛分模型。
（2）溶解—扩散模型。
4、分离膜两个基本特性5、实用分离膜应具备的基本条件6、膜分离的膜组件形式7、膜分离操作的死端操作和错流操作8、膜分离过程的浓差极化9、浓差极化的改善除工艺设计充分注意外，在具体运行过程中可采取以下措施10、纳滤、超滤、微滤、反渗透相比膜孔径大小顺序11、微滤膜分离的截留机理（1）膜表面截留：（2）膜内部截留。
第四章蒸馏分离1、蒸馏、精馏2、精馏式间歇精馏、提馏式间歇精馏3、间歇共沸精馏、间歇萃取精馏：4、水蒸气蒸馏5、水蒸气蒸馏操作方式（1）过热水蒸气蒸馏；（2）过饱和水蒸气蒸馏。
6、分子平均自由程、分子蒸馏7、分子蒸馏机理8、分子蒸馏过程第五章液相非匀相物系分离1、过滤分离及其推动力2、过滤分离类型（1）滤饼过滤；（2）深层过滤。
膜分离的操作方式
膜分离的操作方式膜分离技术是一种重要的分离技术，它是利用膜的特殊性质，将混合物中的不同成分分离出来的一种方法。
膜分离技术具有操作简单、效率高、能耗低等优点，因此在化工、生物工程、环保等领域得到了广泛应用。
膜分离技术的基本原理是利用膜的特殊性质，将混合物中的不同成分分离出来。
膜是一种具有特殊结构和性质的材料，它可以将混合物中的不同成分分离出来，同时保留所需的成分。
膜分离技术的操作方式主要有四种：压力驱动、浓度驱动、电场驱动和温度驱动。
压力驱动是膜分离技术中最常用的一种操作方式。
在这种方式下，混合物通过膜的一侧，而分离出来的成分则通过膜的另一侧。
压力驱动方式可以分为两种：正向渗透和反向渗透。
正向渗透是指混合物从高压侧向低压侧渗透，而反向渗透则是指混合物从低压侧向高压侧渗透。
压力驱动方式的优点是操作简单，适用于大规模生产，但是需要消耗大量的能源。
浓度驱动是指利用混合物中不同成分的浓度差异，通过膜分离技术将它们分离出来。
在这种方式下，混合物通过膜的一侧，而分离出来的成分则通过膜的另一侧。
浓度驱动方式可以分为两种：扩散和对流。
扩散是指混合物中不同成分的浓度差异，通过膜的扩散作用将它们分离出来。
对流是指混合物中不同成分的浓度差异，通过膜的对流作用将它们分离出来。
浓度驱动方式的优点是能耗低，但是分离效率较低。
电场驱动是指利用电场的作用，将混合物中的不同成分分离出来。
在这种方式下，混合物通过膜的一侧，而分离出来的成分则通过膜的另一侧。
电场驱动方式可以分为两种：电渗流和电吸附。
电渗流是指利用电场的作用，将混合物中的不同成分分离出来。
电吸附是指利用电场的作用，将混合物中的不同成分吸附在膜的表面上。
电场驱动方式的优点是分离效率高，但是需要消耗大量的能源。
温度驱动是指利用温度的作用，将混合物中的不同成分分离出来。
在这种方式下，混合物通过膜的一侧，而分离出来的成分则通过膜的另一侧。
温度驱动方式可以分为两种：温度梯度和热力学温度。
膜分离知识
影响超滤渗透通量的因素及控制方法
影响因素：
操作压差 料液浓度 料液流速 温度 截留液浓度 操作时间
控制方法
选择合适的膜材料 料液的预处理 膜的清洗
超滤的流程和装置
超滤的流程
间歇错流
截留液全循环
截留液部分循环
超滤的流程
连续错流
单段连续操作
5 液膜分离技术析
• 液膜的分类与组成
乳状液膜
支撑液膜
乳状液膜示意图
支撑液膜示意图
液膜的组成 包括膜溶剂、表面活性剂和活性载体等。
压力差106~107Pa 压力差106~107Pa
筛分
溶解扩散 Donnan效应
优先吸附、毛细管流动、溶 解-扩散
溶解-扩散
渗析
1~3nm
浓度差
筛分加上扩散度差
电渗析
相对分子质量<200
电位差
反离子迁移
渗透蒸发
无孔
分压差、浓度差
溶解-扩散
• 按动力本质分
以静压力差为推动力的过程
微滤（microfiltration, MF) 超滤（ultrafiltration, UF） 反渗透（reverse osmosis, RO) 纳滤（nanofiltration, NF)
多段连续操作
超滤和反渗透的主要设备
主要设备
反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过 滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透 和超滤操作的主体设备。
膜组件
板式 管式 螺旋卷式 中空纤维式
平板式膜组件
管式膜组件
螺卷式膜组件
中空纤维膜组件
聚偏乙烯膜组件
4 电渗析
• 基本原理
膜分离过程的机理PPT课件
leff＝l0＋（1- ）（lA＋l0）/2 这意味着有效厚度比实际皮
层厚度大得多。
Knudsen与粘性流的区 分主要取决于孔的大小。
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。
Ji=Pi/l(ci,1s-ici,2sexp(-Vi (p1p2)/R/T))
对反渗透而言：
J=Jw+Js 可得： Jw = Aw(p-)
Js=Ps c/l 渗析：
i＝1， (p1-p2)＝0 Ji=Pic/l 气体渗透
混合气体通过膜是彼此间基本独 立，液体混合物则受流动耦合及 热力学相互作用的影响，这种协 调效应会对最终分离产生很大影 响。
气体、液体、蒸汽等通 过无孔膜的传递基本上 均采用溶解－扩散机理 描述。即：
渗透系数P＝溶解度S×扩 散系数D
溶解度为热力学参数， 表示平衡条件下渗透物 被膜吸收的量；
.
通量为常数，通量（J）与
2、相互作用体系
推动力（X）之间的关系为
3、结晶度的影响 第四节、膜的传递统一化方法
线性，对单组分而言，符合 Fick维象定律，将质量通量 与浓度差关联。
.
1
§3.1、基本传质形式
组分从高化学位向低化学位的被动传递
.
2
§3.1、基本传质形式
在多组分体系中由于推动力和通量之间是互相耦合 的，不能用简单的唯象方程表示。各组分间渗透不 是互相独立的。
.
10
§3.2、多孔膜的传递
对努森流也可以用微孔 扩散模型加以描述：
Ji=(P1y1i-P2y2i)/(MiT)1/2 P1 、P2为膜两侧压力， y1i、y2i 为膜两侧组分的 分率，Mi 为 i组分的分 子量
膜分离工程 第三章：膜分离中的传递过程
无因次化
W无因次 xi z i F Vi xi E P E P xi RT RT xi E P
RT E zi F
*
F——法拉第常数 zi——粒子的电荷 d——膜厚
P*
RT Vi
推动力
例如： 根据无因次化的推动力式，可以对压力、电位、 浓度等不同推动力大小进行比较。 其中，浓度项通常等于1； 压力项取决于所含组分的种类，下页的表-1给 出了常见物质或状态下P*的近似值。对于气体， P*=P
dCA dx
JA——组分A的扩散摩尔通量（即单位时间内，组分A通过与扩散方向相垂直 的单位面积摩尔数），kmol/(m2.s) CA——组分A的摩尔浓度，kmol/m3 x——扩散方向的距离，m DAB——组分A在组分B中的扩散系数， m2 /s
对流传质——对流传质基本方程 N A k c C A
推动力
等温条件下，压力、浓度对组分i的化学位贡献为：
i i0 RT ln ai Vi P
i0 ——标准化学位（常数）
为表示非理想性，浓度或组成以活度表示 R——气体常数 T——绝对温度 Vi——（偏）摩尔体积 xi——摩尔分数 i ——活度系数
a i i xi
平均推动力（X）=位差（ΔX）/膜厚（d）（1）
膜过程的主要位差有化学位差（Δμ）和电位差 （ΔE）两种
当推动力保持不变时，达到稳态后，通过膜的 通量为常数。 对于稳态一维传递，存在正比关系： 通量（J）=比例系数（K）×推动力（X）（2） Fick第一定律就是这种线性关系；对非稳态状 况，可用Fick第二定律描述。 （2）式是典型的黑箱方程（唯象方程）
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。
《膜科学与技术》思考题
《膜科学与技术》思考题第一章导论1．什么是膜分离过程，用图加以解释。
答：膜分离过程以选择透过性膜（固体、液体、气体）为分离介质，当膜两侧存在某种推动力时，原料侧的组分选则性地透过膜以达到分离和提纯的目的。
2．膜分离过程的特点是什么？与传统分离过程相比最明显的优势在哪里？答：1. 是一个高效的分离过程。
分离系数高达80。
2. 能耗低。
被分离物质不发生相变化，分离过程通常在常温下进行。
3. 设备简单，占地面积小，操作十分便捷，可靠度高。
4 放大效应小。
设备的规模和处理能力可在很大程度上变化，而效率、设备的单价和运行费用变化不大。
3．膜分离技术主要的分离过程有哪些？这些过程所分离的对象是属于哪种状态的物质？答：反渗透Reverse Osmosis (RO) : 分离离子例如：海水脱盐、纯水制备超滤Ultra filtration (UF) ：分离分子例如：果汁的澄清、含油废水处理微滤Micro filtration (MF) ：分离粒子例如：城市污水处理气体分离Gas Permeation (GP) ：分离气体分子例如：富集氧气、氢气回收4．画出膜组件的示意图，标出各物流名称。
5．膜组件有哪几种形式？中空纤维膜组件(Hollow Fiber Module螺旋卷式膜组件(Spiral Wound Module)管式膜组件(Tubular Module平板式膜组件(Plate and Frame Module)毛细管式膜组件(Capillary Module)6．60年代，Souriajan –Lone 研制的是什么膜？60年代,Lobe 和Souriajan 共同研制了具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素(CA)膜,使反渗透过程由实验室转向工业应用.与此同时,这种用相转化技术制备的具有超薄分离皮层膜的新工艺引起了学术和工业界的广泛重视,在它的推动下,随后迅速掀起了一个研究各种分离膜和发展各种膜过程的高潮.7．R O、UF、GS分别代表哪些膜过程？RO—表示反渗透过程UF—表示超滤GS—表示气体分离过程第二章膜材料和膜的制备1．选择膜材料要考虑哪些方面的因素？答：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物性、耐氧化性。
膜分离的基本原理和方法
膜分离技术在分离工程中的重要作用
膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求 低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和 蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；
膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分 离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的 合适方式：
一.膜分离的基本原理
在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜 的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的 溶剂透过膜向稀溶液侧移动.
渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）
• 在乳品工业中，膜技术主要涉及到： 反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。 毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分 脱盐），实现有机成分的浓缩。 超滤（UF）大分子的浓缩。 微滤（MF）除去细菌，大分子分离。
• 3、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂 和添加剂，产品不受污染；
• 4、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍 滤材无法取代的卓越性能； 5、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间 隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用 低易于自动化 。
存在的问题：
• 1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要 采用与工艺相适应的膜面清洗方法;
无化学变化 ：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添
加剂，产品不受污染；
选择性好 可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代 的卓越性能； 适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺
简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。
• 膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜 分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行 分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透 性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有 重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。 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。
分离工程整理
思考题第一章1、说明分离过程与单元操作的区别2、什么是绿色分离工程，实现的途径及的研究进展绿色分离工程是指分离过程绿色化的工程实现。
分离过程绿色化的途径有两种，一是对传统分离过程进行改进、优化，使过程对环境的影响最小甚至于没有；即对传统分离过程的绿色化主要是对过程(如蒸馏、干燥、蒸发等)利用系统工程的方法，充分考虑过程对环境的影响，以环境影响最小(或无影响)为目标，进行过程集成。
二是开发及使用新型的分离技术，如膜分离技术、分步结晶技术、超临界萃取技术等。
及的研究进展针对其他各种环境影响量化评价方法的缺陷，近年来提出一种新的环境影响评价量化评价方法——绿色指数法。
该方法从两方面考虑过程对环境的影响：一是在流程级别上，环境影响评价指数表达法的开发/选取；另一是在化学物种层次上，环境影响性能指标的选取。
3、说明化工分离技术的特性1）化工分离技术的重要性：化工分离技术是化学工程的一个重要分支，任何化工生产过程都离不开这种技术2）化工分离技术的多样性：由于化工分离技术的应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，这就决定了分离技术的多样性3）化工分离技术的复杂性：化工分离技术的重要性和多样性决定了它的复杂性，4、化工分离技术发展的特点1）竞争促进了分离过程的强化。
随着科技的发展，新设备和新分离剂的应用大大提高了分离效率。
膜分离、超临界萃取等新分离技术也在迅速推广。
剧烈的竞争加速了分离技术发展，促进了分离过程的强化。
2）耦合分离技术引起重视。
由于耦合分离技术往往比较复杂，设计放大比较困难，因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。
3）信息技术推动了分离技术的发展。
分离科学和技术具有多学科交叉的特点，信息技术和传统化工方法的结合显得十分重要。
信息技术和先进测试技术的高速发展为化工多层次、多尺度的研究提供了条件。
4）根据国情，加速分离科学和技术的发展总趋势：多样化、精细化、洁净化（环境友好）5 、简述分离过程的集成化反应过程与分离过程的耦合，通过溶质与溶剂中的活性组分发生反应，，提高传质推动力和液相传质系数，从而提高吸收率，降低能耗和设备投资化学萃取：溶质与萃取剂之间发生化学反应，反应（催化）精馏：反应与精馏结合，提高分离效率；同时，借助精馏手段，提高反应收率，膜反应器：在反应的同时，利用膜的优良分离性能，选择性的脱除产物，从而移动化学反应平衡，提高反应的收率、转化率和选择性萃取结晶：加入有机溶剂使待结晶的无机盐水溶液中的一部分水被萃取出来，促进无机盐的结晶过程，吸附蒸馏：气-液-固三相分离过程，同时利用吸附选择性高、能耗低的优点和蒸馏处理量大、设备较简单、工艺成熟的优点。
制药分离工程复习资料
1、简述分子蒸馏的过程、特点及机理。
分子平均自由程、分子蒸馏。
设计分子蒸馏的重要数据参数。
答：①分子从液相主体向蒸发表面扩散；②分子在液相表面上的自由蒸发；③分子从蒸发表面向冷凝面飞射；④分子在冷凝面上冷凝。
特点：1、普通蒸馏在沸点温度下进行分离，分子蒸馏可以在任何温度下进行，只要冷热两面间存在着温度差，就能达到分离目的。
2、普通蒸馏是蒸发与冷凝的可逆过程，液相和气相间可以形成相平衡状态；而分子蒸馏过程中，从蒸发表面逸出的分子直接飞射到冷凝面上，中间不与其它分子发生碰撞，理论上没有返回蒸发面的可能性，所以，分子蒸馏过程是不可逆的。
3、普通蒸馏有鼓泡、沸腾现象；分子蒸馏过程是液层表面上的自由蒸发，没有鼓泡现象。
4、表示普通蒸馏分离能力的分离因素与组元的蒸汽压之比有关，表示分子蒸馏分离能力的分离因素则与组元的蒸汽压和分子量之比有关，并可由相对蒸发速度求出。
机理：分子蒸馏机理是根据被分离混合物各组分分子平均自由程的差异。
蒸发表面与冷凝表面之间距离小于轻相分子的平均自由程、大于重相分子的平均自由程时，轻相分子在碰撞之前便冷凝、不会被返回，而重相分子在冷凝之前便相互碰撞而返回、不发生冷凝，这样轻相重相便被分离开。
分子自由程（1）分子在两次连续碰撞之间所走的路程的平均值叫分子平均自由程。
（2）分子蒸馏是一种在高真空条件下，根据被分离混合物各组分分子平均自由程的差异进行的非平衡蒸馏分离操作。
重要参数：分子蒸发速度、蒸汽压、分解危险度、分离因数。
2、反胶束的形成、萃取及过程答：表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，当其浓度超过临界胶束浓度时，在有机溶剂内形成的胶束叫反胶束，或称反相胶束。
在反胶束中，表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，而极性基团则排列在内形成一个极性核。
此极性核具有溶解极性物质的能力，极性核溶解水后，就形成了“水池”。
萃取原理：蛋白质进入反胶束溶液是一种协同过程。
即在两相（有机相和水相）界面的表面活性剂层，同邻近的蛋白质发生静电作用而变形，接着在两相界面形成了包含有蛋白质的反胶束，此反胶束扩散进入有机相中，从而实现了蛋白质的萃取。
食品工程原理
《食品工程原理》复习题答案第三部分质量传递（干燥、传质、蒸馏、萃取、膜分离）一.名词解释1.质量传递：因浓度差而产生的扩散作用形成相内和相间的物质传递过程。
2.介电加热干燥：是将要干燥的物料置于高频电场内，由于高频电场的交变作用使物料加热而达到干燥的目的。
3.临界含水量：物料干燥达临界点时的物料含水量。
4.比焓：湿空气的焓为干空气的焓和水汽的焓之和。
或称湿空气的热含量。
5.干燥的表面汽化控制：物料中水分表面汽化的速率小于内部扩散的速率。
6.分子扩散：单相内存在组分的化学势差，由分子运动而引起的质量传递。
7.费克定律：单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比。
8.挥发度：达到相平衡时，某组分在蒸汽中的分压和它在平衡液相中的摩尔分率之比。
9.超临界流体：物质处于其临界温度和临界压力以上状态时，向该状态气体加压，气体不会液化，只是密度增大，具有类似液态性质，同时还保留气体性能。
10.萃取：使溶剂与物料充分接触，将物料中的组分溶出并与物料分离的过程。
或利用混合物各组分对某溶剂具有不同的溶解度，从而使混合物各组分得到分离与提纯的操作过程。
二. 填空题1.相对湿度φ：0≤φ≤1，φ越，空气吸湿的能力越强，越干燥。
（小）2.物料的干燥过程是属于和相结合的过程。
（传热、传质）3.干燥操作中，不饱和湿空气经预热器后湿度，温度。
（不变，升高）4.在干燥操作中,物料中所含小于平衡水分的水分,称为。
（不可去除水分）。
5.密度、和是超临界流体的三个基本性质。
（黏度、扩散系数）6. 介于超滤和反渗透之间一种膜分离技术。
（纳滤）7.纳滤是以为推动力的膜分离过程，是一个不可逆过程。
(压力差)8.常见传质过程是_______引起。
（浓度差）9.超临界状态既不是气体也不同于液体，属于状态。
（流体）10.精馏过程就是利用混合液的各组分具有不同的,利用多次部分、多次部分的方法,将各组分得以分离的过程。
（沸点或挥发度，汽化、冷凝）11.在湿空气的焓-湿图中, 线以下的区域对干燥操作无意义。
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是材料科学和过程工程科学等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的新领域，是当代新型高效的共性技术，特别适合于现代工业对节能、低品位原材料再利用和消除环境污染的需要，成为实现经济可持续发展战略的重要组成部分。
膜分离技术推广应用的覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业，能源利用和环境保护的水平。
膜分离技术以选择性透过膜为分离介质。
在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。
膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。
现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体膜分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术。
膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换等)相比较，其过程大多为无相变化，可以在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小和污染轻等优点。
1.微滤(MF)Microfiltration，其特点：对称细孔高分子膜，孔径0.03～10 nm，滤除≥50 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂和溶解物，被截留物质：悬浮物、细菌和微粒子。
2.超滤(UF)Ultrafiltration，其特点：非对称结构的多孔膜，孔径l～20 nm，滤除5～100 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：溶剂、离子和小分子，被截留物质：蛋白质、各类酶、细菌和乳胶。
3.纳滤(NF)Nanofiltration，其特点：1 nm的微孔结构，滤除相对分子质量在200～2000，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂、相对分子质量<200，被截留物质：溶质、二价盐、糖和染料 (相对分子质量200～1000)。
4.反渗透(RO)Reverse Osmosis，其特点：带皮层的不对称膜、复合膜(<l nm)，用于水溶液中溶解性盐的脱除，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂，被截留物质：无机盐、糖类、氨基酸和BOD。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对应的黑箱（唯象）方程为：
J V L11P L12
J d L21P L22
压力驱动下的非平衡热力学
定义膜的流体力学（水）渗透率
定义溶质渗透率 定义截留系数
JV L11 ( ) 0 P
简化：1、无化学反应 （无化学反应，而且在固体或停滞
流体中进行质量传递（介质不运动）为Fick第二定律适用条件
2、稳态 3、一维传质
膜相中的传质
一般来说，固体中的扩散可以分为两类： 1、与固体内部结构基本无关的扩散（致密膜） 2、与固体内部结构有关的多孔介质中的扩散 （多孔膜） 第一种情况的机理比较复杂并因不同物质而异， 但扩散方式与物质在流体内的扩散方式类似， 仍遵循Fick定律
J V L21 / C s L22 ( P ) L23 E
I L31 / C s L32 ( P ) L33 E
通过倒易律将9个唯象系数简化为6个。它们是， 膜电阻、迁移数、电渗透通量、渗透通量、压 力渗透通量、扩散通量。
传质基本方式
扩散——Fick定律 J A DAB
浓差渗透过程中的非平衡热力学
浓度差为推动力适用于血液渗析、扩散渗析等 过程，类似的同样可以通过K-K方程计算
电位驱动过程中的非平衡热力学
电位驱动过程中的耗散函数
T
dS J i X i JP IE dt
I：电流；E：电位 考查膜分离两个盐溶液，不存在溶质（离子）通量的 情况
J i Lij X j
对双组份传递：
J 1 L11
d1 J 1 L1 X 1 L1 dx d1 d 2
dx d1
dx
L12
J 2 L21
L22
dx d 2
dx
根据Onsager倒易律耦合系数L12=L21，而且
L11 （或L22） 0
L11 L12 L
De JA (C A1 C A 2 ) z2 z1
有效扩散系数 De / D
ε——多孔固体的空隙率或自由截面积，m2/m2 τ——曲折因子，对扩散距离进行校正的系数
根据气体运动学说 孔道平均直径，m
Jd L22 ( ) P 0
L12 L11
以上3个参数均可通过试验确定
压力驱动下的非平衡热力学
将它们代入黑箱方程，推导得著名的K-K （Kedem-Katchalsky）方程
JV (P )
J s C s (1 ) J V
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。
膜外传递过程
实际分离效果由膜内、膜外传递过程的综合结果决定。
一、物质通过膜的传递过程
(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)：有浓差极化现象，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。
推动力
表-1 P*的估计值 组分
气体 大分子 液体 水
P*（MPa） P 0.003电粒子的价数zi，室温27℃下
RT 8.3 300 1 E 5 zi F 40 z i 10 z i
与压力相比，电位是很强的推动力，浓度推动力 项为1时，相当于1/40V的电位；而对水要获得同 样的推动力所需的压力为1400atm。
NA——组分A的对流传质mol通量 kc——对流传质系数 ΔCA——组分在界面处浓度与流体主体平均浓度之差
传质微分方程
双组份混合物，总摩尔浓度C为常数，有分子 扩散，伴有化学反应，非稳态，三维传质过程。 其传质微分方程（连续性方程）为：
DC A 2C A 2C A 2C A D AB ( ) RA 2 2 2 Dt x y z
推动力
化学位差可以进一步表示成组成差和压力差
i RT ln ai VPi
对于膜过程，推动力一般表现为化学位差（浓 度差、压力差）和电位差
推动力
理想条件下，活度系数=1 ， a i xi ln xi xi / xi 平均推动力式可以写成
W平均 Vi RT xi z i F E P d xi d d
膜分离中的传递过程
1、膜传递现象 2、膜传递基本过程数学表达（重点：推动力） 3、非平衡热力学 （1）基本数学表达 （2）压力、浓度、电位为推动力的过程应用 4、传质微分方程 5、膜相中的扩散传质 6、膜表面对流传质 7、膜污染机理简介
膜内传递过程
膜传递
溶剂,气体或离子等在膜表面存 在吸附、吸收和溶胀等热力学过 程；发生传递是因为分离物质在 主流体和膜中有不同分配系数； 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 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
dCA dx
JA——组分A的扩散摩尔通量（即单位时间内，组分A通过与扩散方向相垂直 的单位面积摩尔数），kmol/(m2.s) CA——组分A的摩尔浓度，kmol/m3 x——扩散方向的距离，m DAB——组分A在组分B中的扩散系数， m2 /s
对流传质——对流传质基本方程 N A k c C A
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。
膜相中的扩散
以上3类扩散区分的依据是分子平均自由程λ
3.2 RT ( ) P 2 M
1 2
η：粘度，N· s/m2 P：压力，N/m T：温度，K M：分子量，kg/kmol R：气体常数，8.314N· m/（mol· k）
膜相中的扩散
多孔固体中的Fick型分子扩散通量为：
推动力
等温条件下，压力、浓度对组分i的化学位贡献为：
i i0 RT ln ai Vi P
i0 ——标准化学位（常数）
为表示非理想性，浓度或组成以活度表示 R——气体常数 T——绝对温度 Vi——（偏）摩尔体积 xi——摩尔分数 i ——活度系数
a i i xi
无因次化
W无因次 xi z i F Vi xi E P E P xi RT RT xi E P
RT E zi F
*
F——法拉第常数 zi——粒子的电荷 d——膜厚
P*
RT Vi
推动力
例如： 根据无因次化的推动力式，可以对压力、电位、 浓度等不同推动力大小进行比较。 其中，浓度项通常等于1； 压力项取决于所含组分的种类，下页的表-1给 出了常见物质或状态下P*的近似值。对于气体， P*=P
非平衡热力学
膜过程不是热力学平衡过程，所以只能用不可 逆热力学来描述。 一般不可逆过程中，自由能被不断消耗而产生 熵。 对应于膜传递过程中，由于推动力形成通量， 熵连续产生，因此定义耗散函数为所有不可逆 过程的加和 dS T Ji X i dt
非平衡热力学
对膜过程，假设通量与力之间关系为线性 对单组份传递 ：
Vw ln a
将渗透压表示式 RT
溶剂水的化学位 ：
w
代入上式
Vw (P )
压力驱动下的非平衡热力学
溶质化学位 ： s Vs (P / C s ) C s ——两侧溶质平均浓度 则耗散函数
( J wVw J sVs )P ( J s / C s J wVw ) J V P J d
膜相中的扩散
在多孔膜中的扩散，与固体内部结构关系密切。 扩散机理视固体内部毛细孔形状、大小及流体 密度而定。 当孔道直径较大，而液体或密度较大的气体通 过时，碰撞主要发生在流体分子间，分子与孔 壁碰撞几率小，这类扩散符合Fick定律 当孔道直径较小，而密度较小的气体通过时， 碰撞主要发生在分子与孔壁间，气体分子碰撞 几率小，这类扩散不符合Fick定律，称为纽特 逊（Kundsen）扩散 介于两者之间的，称为过渡型扩散
平均推动力（X）=位差（ΔX）/膜厚（d）（1）
膜过程的主要位差有化学位差（Δμ）和电位差 （ΔE）两种
当推动力保持不变时，达到稳态后，通过膜的 通量为常数。 对于稳态一维传递，存在正比关系： 通量（J）=比例系数（K）×推动力（X）（2） Fick第一定律就是这种线性关系；对非稳态状 况，可用Fick第二定律描述。 （2）式是典型的黑箱方程（唯象方程）