《新型分离技术》ppt课件—03分离膜与膜组件

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分离膜与膜组件,第3章 分离膜与膜组件,主要内容,膜结构与分类,膜制备方法,膜组件,主要内容膜结构与分类,膜结构与分类,膜结构与分类,对称与非对称膜,对称膜：,(a),均质膜,(b),柱型孔膜,(c),海绵孔状膜,非对称膜 ：,(d),多孔膜,(e),叠合膜,(f),复合膜,对称与非对称膜对称膜： (a) 均质膜 (b) 柱型,膜的结构形式,膜的结构形式,多孔膜的截面结构,(a),均质海面状膜；,(b),非对成海面状膜；,(c),指状孔膜；,(d),氧化铝多孔膜,多孔膜的截面结构 (a) 均质海面状膜； (b,无机膜的构成,无机膜的构成,非对称膜结构,非对称膜结构,不同制备方法获得的微孔膜,(a),相转化膜,(c),径迹刻蚀膜,(e),烧结膜,(b),熔融拉伸膜,(d),阳极氧化膜,(f),镍网法膜,不同制备方法获得的微孔膜(a)相转化膜(b)熔融拉伸膜,新型分离技术ppt课件03分离膜与膜组件,聚四氟乙烯单向拉伸膜,聚四氟乙烯单向拉伸膜,聚四氟乙烯双向拉伸膜,聚四氟乙烯双向拉伸膜,空气中颗粒物截留膜,空气中颗粒物截留膜,空气中颗粒物截留膜,空气中颗粒物截留膜,有机无机复合膜,有机无机复合膜,空气中微生物截留膜,空气中微生物截留膜,膜的过滤行为示意图,（,a,）非对称膜； （,b,）对称膜,膜的过滤行为示意图 （a）非对称膜； （b）,膜制备,膜制备,Membrane materials,Polymers,Ceramics,Glass,Metals,Liquids,Membrane materialsPolymers,有机合成膜的主要高分子材料,醋酸纤维素类 硝酸纤维素类,芳香聚酰胺类 聚砜类,聚酯类 聚烯烃类,聚乙烯醇类 聚苯乙烯类,有机合成膜的主要高分子材料,醋酸纤维素反渗透膜的制备过程,三醋酸纤维素（,CTA,）,二醋酸纤维素（,CA,）,二醋酸纤维素,（,CA,）,丁醋酸纤维素,（,CAB,）,溶 剂,混合搅拌溶解,致孔剂,过 滤,脱气泡,聚酯织物或聚酯无纺布,浇铸复合成膜,溶剂挥发,15-20,自来水,凝胶固化,室温水凝胶固化,冰水凝胶固化,热处理、后处理,后处理,热处理、后处理,干燥处理,干燥处理,干燥处理,成品膜,成品膜,成品膜,醋酸纤维素反渗透膜的制备过程 三醋酸纤维素（CTA）二,醋酸纤维素纳滤膜的制备过程,溶 剂,混合搅拌溶解,CA,CA+CTA,过 滤,脱汽泡,聚酯织物或聚酯无纺布,致孔剂,浇铸复合成膜,溶剂,挥发,常温自来水,凝胶固化,干燥处理,CANF,成品膜,CA-CTANF,混合膜,醋酸纤维素纳滤膜的制备过程溶 剂混合搅拌溶解CACA+CTA,膜的评价标准,膜要有高的截留率和高的透水速率；,膜要有强的抗物理、化学和微生物侵蚀的性能；,膜要有柔韧性和足够的机械强度；,膜耐高温，抗污染；,耐氯性好，抗其他氧化物；,膜使用寿命长，适用,pH,范围广；,运行操作压力低；,容易贮存、运输；,制备方便，便于工业化生产；,膜可以干湿可逆。,膜的评价标准膜要有高的截留率和高的透水速率；,均质对称膜的制备方法,相转化制备方法,熔融纺丝拉伸法,溶胶凝胶成形烧结法,阳极氧化法（,Anodic),痕迹刻蚀法,均质对称膜的制备方法相转化制备方法,痕迹刻蚀制膜工艺,(a),带电粒子辐射薄膜；,(b),辐射后薄膜径迹刻蚀成孔,痕迹刻蚀制膜工艺 (a)带电粒子辐射薄膜； (b,溶胶凝胶干燥成型制备方法,溶胶凝胶干燥成型制备方法,相转化成膜方法,双组分或多组分均相溶液的热凝胶（熔融）；,从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂；,均相聚合物中添加非溶剂。,相转化成膜方法双组分或多组分均相溶液的热凝胶（熔融）；,三组分混合物溶剂蒸发成膜,三组分混合物溶剂蒸发成膜,在均相溶液中加入非溶剂成膜,在均相溶液中加入非溶剂成膜,理想膜孔密度的成膜条件,理想膜孔密度的成膜条件,复合膜超薄脱盐层的各种制备方法,复合膜超薄脱盐层的各种制备方法,复合膜的制备方法,界面聚合,原位聚合,复合膜的制备方法界面聚合,Interfacial polymerization,（界面聚合）,聚合方法,通过浸润于基膜的亲水单体与溶液重的疏水单体相界面间的缩聚或缩合交联制成复合膜。,优点：,可通过两种溶液中的单体种类或浓度,调整复合膜表面的选择性。,Interfacial polymerization（界面,The formation of a composite membrane via interfacial polymerization,The formation of a composite m,Some examples of the preparation of composite membranes by interfacial polymerization,The amine is in the aqueous while the acid chloride or isocyanate is in the organic phase,Some examples of the preparati,In-site polymerization,（原位聚合）,原位聚合,多孔支撑层浸泡于含有酸催化剂的制膜液中几分钟，取出后，在高温下固化反应，再通过胺溶液等后处理制得。,In-site polymerization（原位聚合）原,膜组件,膜组件,板框和圆盘式膜组件,进料,渗透液,浓缩液,浓缩液,渗透液,进料,渗透液,板框和圆盘式膜组件进料渗透液浓缩液浓缩液渗透液进料渗透液,多通道管式膜组件,多通道管式膜组件,卷式膜组件,进料流道空间,渗透液流方向,渗透管,渗透液流道,进料,进料物流,渗透液流,外壳,进料分布网,膜,渗透液收集材料,膜,渗透液,浓缩液,渗透液收集孔,抗缩减装置,浓缩液,卷式膜组件进料流道空间渗透液流方向渗透管渗透液流道进料进料物,中空纤维式膜组件,中空纤维式膜组件,折叠式微孔膜组件,折叠式微孔膜组件,四种膜组件的特性比较,比较项目,卷式,中空纤维,管式,板框式,填充密度,（,m,2,m,3,）,200-800,500-30000,30-328,30-500,组件结构,复杂,复杂,简单,很复杂,膜更换方式,组件,组件,膜或组件,膜,膜更换成本,较高,较高,中,低,料液预处理,较高,高,低,低,料液流速,(m,3,.m,2,s,1,),0.25,0.5,0.005,1,5,0.25,0.5,料液侧压降,(MPa),0.3,0.6,0.01,0.03,0.2,0.3,0.3,0.6,抗污染性,中等,差,非常好,好,清洗效果,较好,差,优,好,工程放大难易,中,中,易,难,相对价格,低,低,高,高,四种膜组件的特性比较比较项目卷式中空纤维管式板框式填充密度（,不同膜过程适用的膜组件,膜过程,管式,中空纤维,板框式,卷式,折叠式,管式,毛细管,反渗透,+,-,+,+,+,-,纳滤,+,-,+,+,+,-,超滤,+,+,-,+,+,+,微滤,+,+,-,+,-,+,负压膜滤,+,+,+,+,+,-,不同膜过程适用的膜组件 膜过程管式中空纤维板框式卷式折叠式管,管径或流道高度与比表面积的关系,装,填,密,度,m,2,/m,2,管直径或流道高度,mm,陶瓷管式,聚合物管式,卷式,板式,中空纤维,毛细管式,管径或流道高度与比表面积的关系装管直径或流道高度,六种膜组件的传质特性参数比较,组件型式,水力直径,d,p,(cm),雷诺数,e,传质系数,k(m/s,10,6,),中空纤维,0.0,1000,11,管式,1.0,20000,14,平板,0.1,2000,9,卷式,0.1,500,16,搅拌池,2.0,10000,5,转动式,0.1,4000,20,六种膜组件的传质特性参数比较组件型式水力直径雷诺数传质系数,膜传递模型,Models of the membrane transports,膜传递模型 Models of the membr,膜的功能,膜的功能,The Basic Forms of Transport,Simple diffusion,（被动传递）,Facilitated diffusion,（被动传递）,Active transport,（主动传递）,Group translocation,（分子输送反应）,Cytosis,（细胞吞吐）,The Basic Forms of TransportSi,膜内传递的三种典型方式,膜内传递的三种典型方式,膜分离过程的推动力与传质,膜分离过程的推动力与传质,膜的促进传递机理,膜的促进传递机理,流动及固定载体促进传递,流动及固定载体促进传递,尿素透过固定化尿酶膜,尿素透过固定化尿酶膜,氯离子传递分离膜,氯离子传递分离膜,光敏促进传递分离,光敏促进传递分离,Active transport,Active transport,膜传递模型的分类,不可逆热力学为基础的模型,（,Irrersible Thermodynamics Models,）,引进耗散函数,i,（表示自由能的减少速率）,不考虑膜结构及性质（黑箱、灰箱）,Kedem-Kathalsky,Spiegler- Kedem,与膜结构和性质有关的传递模型,膜传递模型的分类不可逆热力学为基础的模型,非平衡热力学模型,非平衡热力学模型,稳态体系的耗散函数积分方程,或,m,为整个膜的耗散函数,稳态体系的耗散函数积分方程,单溶质的稀水溶液体系,假定为稀溶液，引进,Gibbs-Duhem,方程，用相关变量替代溶质与溶剂的化学位，可得：,单溶质的稀水溶液体系假定为稀溶液，引进Gibbs-Duhem,线性定律,线性定律,Kedem-Katchalsky,模型,式中，,Lp,为,水力渗透系数（,过滤系数）；,为反射系数，其范围在此期,0,与,1,之间,;,为溶质渗透系数。,Kedem-Katchalsky 模型,Kedem-Katchalsky,模型,Kedem-Katchalsky 模型,应用条件,对小流量和低浓度，模型的误差较小；,对大流量和高浓度，维象系数与浓度有关；,Lp,、,、,对浓度影响不敏感。,应用条件对小流量和低浓度，模型的误差较小；,L,P,的,估算值,膜过程,L,P,/L,（,m,2,h.atm,）,反渗透、纳滤,50,超滤,50,500,微滤,500,LP的估算值 膜过程LP/L （m2h.atm）,Spiegler-Kedem,模型,把线性定律用于膜的局部区域（微分形式）,Spiegler-Kedem 模型把线性定律用于膜的局部区域,Spiegler-Kedem,模型,Spiegler-Kedem 模型,Spiegler-Kedem,模型,假定：,Spiegler-Kedem 模型假定：,Spiegler-Kedem model,近似取,Spiegler-Kedem model近似取,Coefficients of Spiegler-Kedem model,Coefficients of Spiegler-Kedem,摩擦模型（,Friction model,）,This considers that passage through the porous membrane occurs both by viscous flow and diffusion.,摩擦模型（Friction model）This consi,Frictional force and Coefficient,Proportionality factor is called the friction coefficient,Frictional force and Coefficie,Coefficients of the Frictional model,Coefficients of the Frictional,Phenomenological equations,of the friction model,Each force is linearly related to the fluxes,Phenomenological equations of,Coefficient of Steric hindrance,（位阻现象模型）,=1-S,F,1+,（,16/9,）,q,2,L,p,=,（,r,2,p,/8,）（,A,k,/,x,）,=DS,D,（,A,k,/,x,）,式中，,q,为溶质和膜孔半径之比,（,r,s,/r,p,）,；,A,k,为膜的孔隙率；,S,F,为过滤流位阻因子，也可用,q,表示为,S,F,=2,（,1-q,）,2,-,（,1-q,）,4,；,S,D,为扩散流位阻因子,也可用,q,表示，,S,D,=,（,1-q,）,2,。,Coefficient of Steric hindranc,Kedem-Katchalsky model,J,V,、,J,S,分别为溶剂与溶质的通量；,L,P,为水力渗透系数；,P,m,为溶质渗透系数；,为反射系数；,P,、,分别为膜两侧的压差及溶质的渗透压差。,Kedem-Katchalsky model JV、,Coefficient of Steric hindrance,（位阻现象模型）,式中，,为膜的曲折因子；,q,为溶质与膜孔半径之比，,r,p,/r,m,；,A,k,为膜表面空隙率；,L,为膜的厚度；,D,w,为溶质在水中的扩散系数；,K,m,为溶质扩散渗透率。,Coefficient of Steric hindranc,式中的,可分别用下列方程计算,S,D,-diffusion steric; S,F,-filtration steric.,Coefficient of Steric hindrance,（位阻现象模型）,式中的,与膜性质有关的传递模型,与膜性质有关的传递模型,与膜结构和性质有关的传递模型,几何,孔径、孔径分布、孔隙率、曲折因子,膜特性 物理,溶质与溶剂的溶解度、溶胀比,传递,溶质与溶剂的扩散系数,已知以上性质，可以用模型预测或估算通量和分离因子,与膜结构和性质有关的传递模型几何 孔径、孔径分布、孔隙率,典型的传递模型,溶解,-,扩散模型（,Lonsdals, 1965,）,溶解,-,扩散不完全模型 （,Sherwood,）,表面力,-,孔流动模型 （,Kimura-Sourirajan, 1967,）,典型的传递模型溶解-扩散模型（Lonsdals, 1965）,膜传递机理和模型研究较多的过程为反渗透、超滤，但某些结论也适用于其他膜过程。,问题：,模型很多，但许多观点尚未论证及公认；,基于某些假定的传统机理，其应用有局限性。,膜传递机理和模型研究较多的过程为反渗透、超滤，但某些结论也适,溶解扩散模型,假定：,溶质和溶液溶解在膜表皮层；,从膜上游侧扩散传递到膜下游侧；,从膜下游侧解吸,C,ib,C,ir,C,im,C,il,C,ip,C,im,溶解扩散模型假定： CibCirCimCilCip,Solution-diffusion model,式中,为溶剂的渗透参数；,P,为膜两侧压力差；,K,i,为平衡分配系数；,C,r,，,C,p,分别为膜上游溶液中溶质的浓度和透过产品中溶质的浓度。,Solution-diffusion model,溶解扩散不完全模型,Sherwood,等认为，膜内存在微孔，有一部分组分不是以溶解扩散渗透通过膜，而是通过微孔透过膜。,式中，,K,1,、,K,2,、,K,3,分别为与溶质扩散和孔内流动有关的常数,溶解扩散不完全模型Sherwood 等认为，膜内存在微孔，,孔流作用的影响,当料液浓度小于,0.05,时，孔流量占总流量的,2%,；,当料液浓度为,0.1,左右，孔流量占总流量的,8,；,当料液浓度为,0.5,时，孔流作用增至,20,。,孔流作用的影响当料液浓度小于0.05时，孔流量占总流量的2%,优先吸附毛细孔流动机理,1960,年,Sourirajan,教授提出,优先吸附毛细孔流动机理1960年 Sourirajan 教,膜的临界孔径和水层厚度,膜的临界孔径和水层厚度,Kimura-Sourirajan model,式中，,A,为水的渗透系数；,P,、,分别为膜两侧的压力差和溶液渗透压差； 为溶质的渗透系数,其与溶质性质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。其中,D,Am,为溶质在膜中的扩散系数；,C,R,、,C,P,分别为膜两侧溶液浓度，若过程中有浓差极化现象存在，则为紧靠膜表面的溶液浓度；,x,AR,、,x,AP,分别为膜两侧溶液中溶质的摩尔分数。,Kimura-Sourirajan model式中，A为水的,K-K,模型和溶解扩散不完全模型关系,K-K模型和溶解扩散不完全模型关系,Transport through membranes:A unified approach,The flux of component i,v-the diffusional flow;,u-the convective flow.,The main term in any discretion of transport through porous membranes;,For nonporous, only diffusional flow contributes to transport.,Transport through membranes:A,Convective flow and diffusional flow,Poiieuille equantion,Solution,diffusion model,NOTE:,In going from porous to nonporous membranes, an intermediate region exists where both contributions have to be taken into account.,Convective flow and diffusiona,Transport in ideal and interactive systems,P=SD,Permeability,（,P,）,=Solubility,（,S,）,xDiffusitive,（,D,）,Transport in ideal and interac,Time-leg method for gas permeation,If the diffusion coefficient follows a linear function of concentration,Time-leg method for gas permea,Time-leg method for gas permeation,在,t=0,时，渗透通量为零，在,t,时刻气体渗透通过膜的量为,Q,t,当,t,趋向无穷大时，可得,:,将,Q,t,对,t,作图，可得一曲线，当,t,很大时为直线，其斜率为（,D/,）（,C,1,-C,2,）,t,的截矩为：,通常,C,2,C,0,=0,，则,延滞时间,:,Time-leg method for gas permea,Time-leg measurement of gas permeation,Time-leg measurement of gas pe,Determination of the solubility coefficient,对,t,的关系呈直线，从其斜率可得扩散系数,:,Determination of the solubilit,Diffusion coefficient for short times,Or,Diffusion coefficient for shor,Diffusion coefficient for long times,Or,Diffusion coefficient for long,Interactive systems,For non-ideal systems, the main difference with ideal systems is:,The solubility,can no longer be described,by Henry,s law;,The diffusion coefficient is not a constant,.,Interactive systemsFor non-ide,Permeabilities of various components in polydimethylsiloxane at 40,C,Component,Permeability,（,Barrer,）,nitrogen,280,oxygen,600,Methane,940,Carbon dioxide,3200,Ethanol,53000,Methylene chloride,193000,1,2-dichloroethane,248000,Carbon tetrachloride,290000,Chloroform,329000,1,1,2-trichloroethane,530000,Trichoroethylene,740000,Toluene,1106000,Permeabilities of various comp,Interactive systems,the interactive are small;,strong interactive;,high permeabilities,but the,polymer must be crosslinked.,Interactive systems,第,3,章反渗透、纳滤、超滤与微滤,第3章反渗透、纳滤、超滤与微滤,反渗透、纳滤、超滤、微滤、过滤范围,合成色素,纳 滤,反 渗 透,超 滤,微 滤,过 滤,10.0,1.0,0.1,0.01,操,作,压,力,MPa,原子半径,伤肺尘埃,m(,对数,),(,对数,),常见物质的相对尺寸,近似分子量,反渗透、纳滤、超滤、微滤、过滤范围合成色素纳 滤反 渗 透,压差推动力膜的分子渗透示意,该示意图表示的是：,反渗透、纳滤、超滤、微滤,？,小分子,中分子,大分子,膜,原料,透过侧,压差推动力膜的分子渗透示意该示意图表示的是：小分子中分子大分,(a) C,1,=C,2, p,1,=p,2,1,=,2,，,1,=,2,(b) C,1,C,2, p,1,=p,2,1,2,1,C2 , p,1,p,2,1,2,1,=,2,p= (d)C,1,C,2, p,1,p,2,1,2,1,2, p,渗透与反渗透,(a) C1=C2, p1=p2 1=2，1=2,渗透压与最大溶质重量分数的关系,13.8MPa,6.9MPa,3.5MPa,0.69MPa,溶质重量分率,溶质分子量,渗透压与最大溶质重量分数的关系13.8MPa 6.9MPa,几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,、,7,、,8,氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖,各化合物在水中的浓度，,%(w/w),渗,透,压,MPa,35,28,21,14,7,0,几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系 1、,各种渗透压计算方程,式中，,B,为常数, X,s,为溶质摩尔分数,；,各种渗透压计算方程,各种溶质,-,水体系的反渗透,B,值,各种溶质-水体系的反渗透B值,反渗透,反渗透,The water flux equation,For RO A=3,10,-3,6,10,-5,m,3,/m,2,h.bar,For NF A= 2,10,-2,3,10,-3,m,3,/m,2,h.bar,The water flux equation For RO,The solute permeability coefficient is a function of the diffusivity and the distribution coefficient,The solute flux equation,The solute permeability coeffi,The limiting case R,min,is reached as,P tend to infinity,.,The constant A must be as high as possible whereas the constant B must be as low as possible to be obtain an efficient separation. That means,：,R tend to 1.,The limiting case Rmin is rea,Kimura-Sourirajan,优先吸附毛细管流动机理模型,式中，A为水的渗透系数；,为溶质的渗透系数, 其与溶质性质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。,Kimura-Sourirajan优先吸附毛细管流动机理模,反渗透过程的渗透系数,若膜已确定，则在一定的压力下， 与料液的浓度和流速无关，随温度升高而增加；,当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范围内，几乎是个常量，,当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于降低。,反渗透过程的渗透系数若膜已确定，则在一定的压力下，,渗透系数的物理意义,是三个具有重要意义的物理量的组合，,在反渗透设计中，不必知道其中每个数值，只需知道其总值即可。,渗透系数的物理意义 是三个,的值可通过选择适当的参考溶质来预测。,如：氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质；甘油、葡萄糖可作为芳香聚酰胺膜的参考溶质。,的值可通过选择适当的参考溶质,溶质渗透系数推算式,式中：,为把一种离子从本体溶液相迁移到膜界面所需要的自由能；,为料液中各种离子的排斥自由能参数之和；,为与膜有关的常数，与溶质浓度无关。,溶质渗透系数推算式式中：,完全离解的无机电解质或有机溶质的膜渗透系数,以,NaCl,为参考溶质，由实验测得溶质渗透系数，,再由下式经线性回归求出常数,其中,n,c,、,n,a,分别为从每摩尔溶质中离解出的阳离子和阴离子的摩尔数。,完全离解的无机电解质或有机溶质的膜渗透系数以NaCl为参考溶,部分离解并形成离子对的无机溶质渗透系数,式中， 为离解度。,对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算，必须在上式中引入有机溶质的极性参数和位阻参数，推算比较复杂。,部分离解并形成离子对的无机溶质渗透系数式中， 为离解度,碱金属阳离子和卤族阴离子的自由能参数,离子种类,（,G/RT,）,i,25,芳香聚酰胺,芳香聚酰胺酰肼,醋酸丙酸纤维素,a,Li,+,1.77,1.20,1.25,Na,+,2.08,1.35,1.30,K,+,2.11,1.28,1.27,Rb,+,2.08,1.27,1.23,Cs,+,2.04,1.23,1.18,F,1.03,1.03,0.42,Cl,1.35,1.35,1.10,Br,1.35,1.35,1.15,I,1.33,1.33,1.20,碱金属阳离子和卤族阴离子的自由能参数离子种类,有机离子在25的自由能参数,有机离子种类,有机离子种类,HCOO,4.78,m,CH,3,C,6,H,4,COO,5.67,HC,6,H,4,（,COO,）,2,4.63,m,OHC,6,H,4,COO,5.64,C,2,O,4,2,14.06,p,ClC,6,H,4,COO,5.63,t,C,4,H,9,COO,6.90,m,NO,2,C,6,H,4,COO,5.92,i,C,3,H,7,COO,6.11,p,NO,2,C,6,H,4,COO,5.93,环,C,6,H,11,COO,6.24,o,ClC,6,H,4,COO,6.41,n,C,4,H,9,COO,6.11,o,NO,2,C,6,H,4,COO,6.61,n,C,3,H,7,COO,6.06,HOOCCOO,6.60,C,2,H,5,COO,6.14,HOOC(CH,2,),2,COO,s,5.65,CH,3,COO,5.95,CH,3,CHOOHCOO,6.30,C,6,H,5,(CH,2,),3,COO,5.93,HOOCCH,2,COO,6.46,C,6,H,5,(CH,2,),2,COO,5.86,HOOCCH(OH)CH,2,COO,5.97,C,6,H,5,(CH,2,)COO,5.69,HOOCCH(OH)CH(OH)COO,6.40,C,6,H,5,COO,5.66,HOOCCH,2,C(OH),P,CH,3,OC,6,H,4,COO,5.74,(COOH)CH,2,COO,6.24,有机离子在25的自由能参数 有机离子种类有机离子种类HCO,例题,计算,4,种无机物的溶质渗透系数,例,3-1,利用附录,A,的排斥自由能参数，推测出醋酸纤维素膜分别用于分离,MgSO,4,、,MgCl,2,、,NaCl,、,KNO,3,水溶液时的溶质渗透系数，排出溶质截留率的次序；求离解度为,60%,的,MgSO,4,溶液的值，并与完全离解的,MgSO,4,溶液的溶质渗透系数值比较。,例题 计算4种无机物的溶质渗透系数例3-1 利用附录A,求出四种盐的自由能参数：,解：第一步,求出四种盐的自由能参数：解：第一步,获得：,4,种水溶液的溶质渗透系数大小,当所使用的膜相同，,数值较小，表示溶质透过量较少，而溶质的截留率较高。,该膜对,KNO,3,截留率最低，而渗透通量最高。,获得：4种水溶液的溶质渗透系数大小当所使用的膜相同，,对于离解度为,60%,的,MgSO,4,溶液,同一种溶液，离子对的存在会使溶质渗透系数在数值,上增加，因此，降低了该膜对溶质的截留率。,对于离解度为60%的MgSO4溶液同一种溶液，离子对的存在会,反渗透过程的回收率,式中，,V,P,、,V,f,分别为透过液液和原料液的浓度。,反渗透过程的回收率式中，VP 、Vf分别为透过液液和原料液的,原料液浓度、回收率和截留率的关系,当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不能完全截留溶质，有部分溶质被损失掉。,原料液浓度、回收率和截留率的关系 当反渗透过程中溶质是所,反渗透过程的溶质损失率与回收率、,截留率的,关系,反渗透过程的溶质损失率与回收率、截留率的关系,反渗透膜的溶质截留率大多在,0.9,0.95,之间；,回收率不高；,为提高料液的利用，必须采用多段或多级工艺过程。,反渗透膜的溶质截留率大多在0.90.95之间；,反渗透工艺流程,一级一段循环式反渗透流程,一级一段连续式反渗透流程,反渗透工艺流程 一级一段循环式反渗透流程一级一段连续式反渗透,反渗透工艺流程,一级三段连续式,二级一段循环式,反渗透工艺流程 一级三段连续式二级一段循环式,反渗透系统的设计,反渗透系统的设计,反渗透系统设计的总体要求,达到所需的产水率；,达到最高的脱盐率；,提高水的回收率；,减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；,减少膜元件和压力容器的数量，降低造价；,降低系统运行压力，节约能量。,反渗透系统设计的总体要求达到所需的产水率；,膜元件的种类,（,Filmtec/Dow,公司膜元件）,膜元件种类：,海水高脱盐,SW30HR,海 水,SW30,苦盐水,BW30,自来水,TW30,膜元件的直径与长度,标准直径,(in),：,2.5,、,4.0,、,8.0,等,标准长度,(in),：,40,、,80,等,新产品,:,采用有效表面积替代直径与长度表示法。,膜元件的种类（Filmtec/Dow公司膜元件）膜元件种类,膜元件选择基本原则,按脱盐率,92,TW30;,98,BW30;,99,SW30,、,SW30HR,按进水含量,TDS,1000 mg/L XLE,2000 mg/L TW / BWLE,10000 mg/L BW30,10000-15000 mg/L SW30,10000-50000 mg/L SW30HR,膜元件选择基本原则按脱盐率,膜元件选择基本原则,按进水水源,一般水源,地表水，满足高脱盐率：,BW30-365,地下水，满足高脱盐率：,BW30-400,TDS,2000,，满足高通量：,BW30LE-440,高污染水源,预处理采用传统过滤器：,BW30-365FR,预处理采用超滤、微滤：,BW30-365FR,膜元件选择基本原则按进水水源,膜元件选择的基本原则,按进水所需压力,10.5 atm : BW30LE,XLE-440(,超低压膜）,21.0 atm : BW30(,自来水可选,TB30,）,按产品水流量,0.2 m,3,/h : 2.5in,3.0 m,3,/h : 4in,3.0 m,3,/h : 8in,膜元件选择的基本原则按进水所需压力,特殊工业应用膜元件的选择,普通的膜元件与压力容器间存在死水区，因此部分用途的膜元件必须特别考虑：,食品与饮料工业，宜采用,HSRO,类元件：,为无外壳的元件结构，能经受,85,的热水消毒，满足,FDA,卫生标准。,半导体工业，宜采用半导体级膜元件,特殊工业应用膜元件的选择普通的膜元件与压力容器间存在死水区，,反渗透系统设计的注意事项,反渗透系统设计的注意事项,平均水通量及允许每年水通量衰减百分数,水源,SDI,水通量（,m,3,/m,2,.d,）,水通量衰减（百分数,/,年）,地表水,35,0.3260.571,7.39.9,井水,3,0.5710.734,4.47.3,反渗透产品水,1,0.8151.223,2.34.4,SDI,为给水的污泥密度系数，与反渗透膜上的污染物质的数量之间的相互关系相当吻合。,平均水通量及允许每年水通量衰减百分数水源SDI水通量（m3/,年盐透过率增加百分数,膜种类,膜型号,盐透过率增加（百分数,/,年）,超低压聚酰胺复合膜,ESPA1,、,ESPA2,、,ESPA3,317,低压聚酰胺复合膜,CPA2,、,CPA3,、,CPA4,317,低污染聚酰胺复合膜,LFC1-365,、,LFC1 LFC2,317,海水淡化膜,SWC1,、,SWC2,、,SWC3,317,节能型聚酰胺纳滤膜,ESNA1,、,ESNA2,317,年盐透过率增加百分数膜种类膜型号盐透过率增加（百分数/年）超,膜元件的最大给水流量与最小浓水流量,膜元件直径,（英寸）,最大给水流量,（吨,/,小时）,最小浓水流量,（吨,/,小时）,4,3.6,0.7,6,8.8,1.8,8,17.0,2.7,8.5,19.3,3.2,膜元件的最大给水流量与最小浓水流量膜元件直径最大给水流量最小,反渗透海水淡化降低成本的关键,反渗透膜及其组件,30,能量回收装置,15,20,高压泵,15,其它附属设备,20,35,反渗透海水淡化降低成本的关键反渗透膜及其组件 98 99 90,Bacteria & virusses 99 100) 90 50,Microsolutes (Mw100) 0-99 0-50,Comparison of retention charac,超 滤,超 滤,超滤膜的截留分子量定义,截留分子量,超滤膜的截留分子量定义截留分子量,操作压力对溶剂通量的影响,操作压力,P,通量,J,v,操作压力对溶剂通量的影响 操作压力 P通量 Jv,浓差极化和凝胶层模型,a.,浓差极化,b.,凝胶层现象,浓差极化和凝胶层模型a. 浓差极化,浓差极化模型计算方程,浓差极化模型计算方程,浓差极化比,浓差极化比,相关传质系数,相关传质系数,管内流动的传质系数,管内流动的传质系数,在湍流流动状态下的,Sh,准数方程,Equations,B,A,B,Caldcrbank-Touag,0.082,0.69,0.33,Chilton-Colbum(1),0.023,0.80,0.33,Chilton-Colbum(2),0.040,0.75,0.33,在湍流流动状态下的Sh准数方程Equations BABCa,扩散系数及斯托克斯半径与分子量的关系,扩散系数及斯托克斯半径与分子量的关系,蛋白质分子量与扩散系数的关系,1.,核糖核酸酶,2.,溶菌酶,3.,乳清蛋白,4.,糜蛋白酶,5.,胃蛋白酶,6.,乳球蛋白,7.,卵清蛋白,8.,血红蛋白,9.,白蛋白,10.,己糖激酶,11.,免疫球蛋白,12.,过氧化氢酶,13.,血纤维蛋白原,14.,脱铁铁蛋白,15.,肌球蛋白,各种蛋白质的分子量,g/mol,12,10,8,6,4,2,0,扩,散,系,数,D,（,m,2,/s,10,11,）,10,4,10,5,10,6,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,蛋白质分子量与扩散系数的关系1.核糖核酸酶 2.溶菌酶 3,链型高分子的扩散系数计算方程,D=8.76,10,-9,（,M,w,）,-0.43,式中，,M,W,为分子量。,扩散系数与温度的关系可用下式计算,D/T=,常数,溶质的半径可用斯托克斯公式计算,r,s,=kT/6,D,链型高分子的扩散系数计算方程 D=8.7610-,Young-Carroad-Bell,方程（蛋白质分子的扩散系数估算）,式中，,M,为蛋白质分子量；,T,为蛋白质溶液的温度。,Young-Carroad-Bell 方程（蛋白质分子的扩,凝胶层模型计算方程,凝胶层模型计算方程,蛋白质凝胶浓度,透,水,通,量,l/m,2,h,蛋白质浓度,w/w %,C,g,=28%,238,204,170,136,102,68,34,0,1 5 10 20 30 50 80,5000cm/min,2000,1000,500,蛋白质凝胶浓度透蛋白质浓度 w/w %Cg=28%238,渗透压模型与边界层阻力模型计算方程,渗透压模型与边界层阻力模型计算方程,间隙洗滤和连续洗滤过程,(a),间隙洗滤,(b),连续洗滤,间隙洗滤和连续洗滤过程 (a)间隙洗滤 (,多级连续洗滤系统,加水,加水,加水,渗透物,渗透物,渗透物,进料,产物,加水,进料,渗透物,产物,(a),并流,(b),逆流,多级连续洗滤系统加水加水加水渗透物渗透物渗透物进料产物加水进,洗滤过程的浓度比与体积稀释比,洗滤过程的浓度比与体积稀释比,溶质浓度比与体积浓缩比的关系,lg(SCR)=Rlg(VCR),体积浓缩比 溶质浓度比,溶质浓度比与体积浓缩比的关系,溶质浓度比与体积浓缩比之间的关系,体积浓缩比（,VCR,）,溶质浓度比,SCR,溶质浓度比与体积浓缩比之间的关系 体积浓缩比（VCR）溶质,溶质截留率与体积稀释倍数对溶质去除率的影响,溶质去除率,体积稀释倍数,溶质截留率与体积稀释倍数对溶质去除率的影响 溶质去除率体积,连续洗滤过程中体积稀释比对溶质去除率的影响,当截留率为零时，体积稀释比大于,4,时，几乎可洗去溶液中的所有小分子溶质；,而当截留率为,90%,时，即使体积稀释比增加到,6,倍，其溶液中溶质的去除率也只有,40%,。,连续洗滤过程中体积稀释比对溶质去除率的影响当截留率为零时，体,各种超滤操作工艺流程,回流,料液槽,料液泵,循环泵,循环回路,膜组件,透过液,截留液,料液,料液槽,料液泵,膜组件,浓缩液,透过液,料液,料液槽,料液