第十二章-膜分离课件

第十二章第十二章 膜膜 分分 离离 Membrane Seperation 利用选择性透过膜，对组分进行分离、提利用选择性透过膜，对组分进行分离、提纯或富集的单元操作，称膜分离。纯或富集的单元操作，称膜分离。20世纪膜分离技术的发展历程：世纪膜分离技术的发展历程：30年代微孔过滤（年代微孔过滤（MF），），40年代渗析（年代渗析（DL），），50年代电渗析（年代电渗析（ED），），60年代反渗透（年代反渗透（RO），），70年代超滤（年代超滤（UF），），80年代气体分离（年代气体分离（GP），），90年代渗透蒸发（年代渗透蒸发（PV）。第一节第一节 膜及膜分离器膜及膜分离器 12-1 分分 离离 膜膜 12.1A 分离膜的分类分离膜的分类 1无机分离膜无机分离膜（1）陶瓷膜）陶瓷膜（2）玻璃膜）玻璃膜（3）金属膜）金属膜（4）分子筛炭膜）分子筛炭膜2聚合物分离膜聚合物分离膜12.1B 聚合物膜的制备工艺聚合物膜的制备工艺1.相转化法成膜相转化法成膜2.复合膜的制备复合膜的制备 分别制备超薄皮层和多孔支撑层分别制备超薄皮层和多孔支撑层后再将二者进行复合。支撑层提供支持强度，皮层后再将二者进行复合。支撑层提供支持强度，皮层起分离作用。起分离作用。12.1C 膜的性能和膜渗机理膜的性能和膜渗机理1、分离膜的性能、分离膜的性能 包括两方面：分离透过特性和物理化学稳定性。包括两方面：分离透过特性和物理化学稳定性。主要的分离透过特性为以下三种：主要的分离透过特性为以下三种：（1）溶质分离率）溶质分离率 （2）溶剂透过速度）溶剂透过速度 （3）膜的流量衰减因数）膜的流量衰减因数 2、膜渗机理、膜渗机理（1）毛细管流动模型）毛细管流动模型（2）溶解扩散模型）溶解扩散模型121ccRAtVJ mttJJ1 12-2 膜分离器膜分离器 膜分离器是膜分离装置系统中最核心部分膜分离器是膜分离装置系统中最核心部分，又称膜组件。将膜以某种形式组装在一个基本，又称膜组件。将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，这个基本单元设备就称为膜分离器单元设备内，这个基本单元设备就称为膜分离器。工业上常用的膜分离器形式主要有板框式工业上常用的膜分离器形式主要有板框式、圆管式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式四种类型。螺旋卷式和中空纤维式四种类型。性能良好的膜组件应具备下列条件：性能良好的膜组件应具备下列条件：（1）对膜提供足够机械支撑并可使原料液和透）对膜提供足够机械支撑并可使原料液和透过液分开。过液分开。（2）在能耗最小的条件下，料液在膜面上流动）在能耗最小的条件下，料液在膜面上流动，减少浓差极化。，减少浓差极化。（3）具有尽可能高的装填密度。）具有尽可能高的装填密度。（4）装置牢固安全，价格低廉。）装置牢固安全，价格低廉。12.2A 板框式膜组件1系紧螺栓式系紧螺栓式2耐压容器式耐压容器式12.2B圆管式膜组件圆管式膜组件1内压型管束式内压型管束式2外压型管壳式外压型管壳式12.2C 螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件12.2D 中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件中空纤维为极细的空心膜管，外径约为中空纤维为极细的空心膜管，外径约为50200m,内径为内径为2542m。多达。多达105106根中空根中空纤维成束装入圆筒形耐压容器内。分为以下三种纤维成束装入圆筒形耐压容器内。分为以下三种类型：类型：（1）轴流型）轴流型（2）径流型）径流型（3）纤维卷筒型）纤维卷筒型 第二节第二节 反渗透和超滤反渗透和超滤 12-3 12-3 反渗透的基本原理反渗透的基本原理 12.3A 渗透和反渗透渗透和反渗透 因因 ，发生渗透，发生渗透。如果是稀溶液，渗透压（如果是稀溶液，渗透压（osmotic pressure）:c溶液浓度，溶液浓度，mol/m3。溶液侧施压，溶液侧施压，发生反渗透发生反渗透 (reverse osmosis RO)。wwwaRT lnwwmTwVp)(wmwwwmaRTVddpVwwln0cRTp12.3B 反渗透的传质方程1、溶剂扩散速率方程、溶剂扩散速率方程Nw溶剂扩散率，溶剂扩散率，kg/(m2s)Pw溶剂膜渗透率溶剂膜渗透率 (permeability),kg/(Pams);Kw溶剂渗透率常量，又称透水系数溶剂渗透率常量，又称透水系数kg/(Pam2s);mwwwwwwdPKRTVcDP)()(pKpdPNwmww2.溶质扩散速率溶质扩散速率Ns溶质的通量，溶质的通量，kg/(m2s)Ks溶质的渗透率常量，溶质的渗透率常量，m/smmssssmmsssdKDKccKccdKDN)()(212122wwsccNN 3溶质的分离率溶质的分离率 令令：2221)()(wwsccpKccK21212/)()1(wwscccpKccK12212)(1cccKpKccwsw2wswcKKB)(11)(1121212pBccccpBcc)(1)(112pBpBccR 12-4 反渗透的实际过程12.4A 浓度极化及其消除浓度极化及其消除 表面附近溶液浓度高于浓缩液主体的浓度，这种现象称为浓度极化（concentration polarization）。浓度极化因数M：111ccMi浓度极化对反渗透操作会产生三种不利作用。浓度极化对反渗透操作会产生三种不利作用。（1）使反向推动力增大，降低透水速率。）使反向推动力增大，降低透水速率。反渗透推动力的合力反渗透推动力的合力较非极化时下降。较非极化时下降。（2）使有效膜面积减少，亦使透水率下降）使有效膜面积减少，亦使透水率下降（3）使溶质的渗漏增大。）使溶质的渗漏增大。111111MMcciii2121Mi)(21Mpp浓度极化作用的主要影响因素：浓度极化作用的主要影响因素：（1）透水率）透水率（2）溶液黏度）溶液黏度（3）溶质在溶液中的扩散系数）溶质在溶液中的扩散系数（4）膜表面上溶液的流动条件）膜表面上溶液的流动条件12.4B 反渗透工艺反渗透工艺1前处理工艺前处理工艺2反渗透基本工艺流程反渗透基本工艺流程（1）一级一段流程）一级一段流程（2）一级多段流程）一级多段流程（3）多级流程）多级流程3后处理工艺后处理工艺12-5 超滤与微孔过滤 过程名称过程名称 功功 能能 p(MPa)分离机制分离机制微孔过滤微孔过滤(MF)超滤超滤(UF)反渗透反渗透(RO)滤除滤除0.1m颗粒颗粒滤除滤除5100nm颗粒颗粒水水-盐分离盐分离 0.010 20.11 1 10 筛滤筛滤毛细流动毛细流动溶解扩散溶解扩散 12.5A 超滤超滤(Ultrafiltration,UF(Ultrafiltration,UF)1.超滤的基本原理超滤的基本原理超滤膜对大分子溶质等的截留作用是由于超滤膜对大分子溶质等的截留作用是由于（1）在膜表面和微孔内的吸咐（一次吸咐）；）在膜表面和微孔内的吸咐（一次吸咐）；（2）在膜孔中的阻塞；）在膜孔中的阻塞；（3）在膜表面的机械截留（筛滤）。）在膜表面的机械截留（筛滤）。2.超滤膜和组件超滤膜和组件 3.超滤过程中膜的污染超滤过程中膜的污染 4.超滤操作的流程超滤操作的流程12.5B 微孔过滤微孔过滤(Microfiltration,MF(Microfiltration,MF)微孔过滤（微孔过滤（MF）是介于普通过滤和超滤之间的一种）是介于普通过滤和超滤之间的一种操作，一般认为操作，一般认为MF的有效分离范围为直径的有效分离范围为直径0.110 m的的粒子，操作静压差为粒子，操作静压差为 10200kPa1微孔滤膜及组件微孔滤膜及组件2微孔过滤的应用微孔过滤的应用 12-6 超滤和反渗透在食品工业中的应用超滤和反渗透在食品工业中的应用1蛋白质的分离蛋白质的分离2食品料液的净化食品料液的净化超滤澄清工艺优点：超滤澄清工艺优点：（1）缩短果蔬汁的处理时间）缩短果蔬汁的处理时间（2）节省了压滤机、离心机、反应罐等设备投）节省了压滤机、离心机、反应罐等设备投资以及淀粉酶、果胶酶以及澄清剂、助滤剂等资以及淀粉酶、果胶酶以及澄清剂、助滤剂等费用。费用。（3）维生素）维生素C等损失少，果胶、蛋白质和香气等损失少，果胶、蛋白质和香气物质可以回收。物质可以回收。（4）超滤本身可除微生物，后面不再需要加热）超滤本身可除微生物，后面不再需要加热杀菌。杀菌。3.食品料液的浓缩食品料液的浓缩 4.工业废水的处理工业废水的处理 5.膜反应器的应用膜反应器的应用第三节第三节 电渗析电渗析 使离子在电场作用下通过膜进行渗析迁使离子在电场作用下通过膜进行渗析迁移的过程，称为电渗析移的过程，称为电渗析（electrodialysis,ED）12-7 电渗析的基本原理和概念电渗析的基本原理和概念12.7A 电渗析的基本原理电渗析的基本原理1、离子交换膜的选择性透过原理、离子交换膜的选择性透过原理磺酸型阳膜的结构：磺酸型阳膜的结构：RSO-3H+季胺型阴膜的结构：季胺型阴膜的结构：RN+(CH3)3OH-2电渗析器分离原理电渗析器分离原理12.7B 电渗析的基本概念电渗析的基本概念1、离子移动速度 2离子通量 3离子迁移数 对1-1价:dxdEZmuiiiiiiucN iiiiiiiiiiiicZmcZmNZNZt22mmmtmmmt 4.能耗与库仑效率能耗与库仑效率每膜对中能量单耗每膜对中能量单耗 库仑效率库仑效率:12-8 电渗析装置系统电渗析装置系统12.8A 电渗析器电渗析器12.8B 工业电渗析系统工业电渗析系统1电渗析操作流程电渗析操作流程（1）一级一段）一级一段（2）二级一段）二级一段（3）一级二段）一级二段（4）二级二段）二级二段2电渗析应用系统电渗析应用系统/FIRecp)(1ACttnIFccqnItFccVv)()(2121