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1 第七章 新型分离技术 第一节 膜分离技术 1748年诺来特（Nollet A）发现水能自发地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，这一发现开创了膜分离技术的研究。 已经工业化的膜分离技术有微孔过滤、超虑、反渗透和气体分离等。 各种膜分离技术都分别具有不同的分离过程机理，适用于不同的分离对象和分离要求，但是所有膜分离过程都有共同的特点：1）过程简单；2）通常没有相变；3）常温操作；4）低能耗；5）低操作成本。 这一技术已逐渐成为化学工业、海水淡化、食品加工、废水处理，生物医药技术等方面的重要分离操作。 一、膜的分类和膜分离设备 1．膜分类 根据膜的物理和化学特性，可分为下几类： 1）微孔膜 :平均孔径d=0.02～10?m 之间，该类型又分为多孔膜和核孔膜，前者是海绵状，膜孔大小有一较宽的分布范围，孔道曲折，膜厚50～250?m；核孔膜是用10～15?m厚的致密的塑料薄膜制造，特点是：圆核型直径，膜上孔隙率小，孔道较短，孔径可较精确地控制，比较均匀。 2）均质膜:致密膜，推动力可为压力梯度、浓度梯度或电势梯度。 分离机理：各种化学物质在膜中的传质速率和溶解度不同而使混合物分离，分离效果受分子扩散速率的影响。制备此膜时应尽可能薄。 3）非对称膜 4）复合膜 是在机械性能稳定的多孔支撑材料上叠加一层0.25~15?m厚的具有选择性的活性膜层。普通的非对称膜其表层与支撑层是同一种材料而复合膜的表面活性层可以选用与支撑层不同的其它材料 。 5）荷电膜 又称离子交换膜。大多是均质膜，厚200?m左右，主要用于电渗析。带有正电荷的膜称为阴离子交换膜，带有负电荷的膜称为阳离子交换膜。 6）液膜 两种形式：一种是乳状液膜，用表面活性剂来稳定薄膜；另一种是带支撑层的液膜，后者比前者更稳定。 2．膜分离设备 1）板框式膜分离器 2）卷式膜分离器 3）管式膜分离器 二、反渗透（Reverse Osmosis，RO） 1．概述 2．反渗透过程机理 1）优先吸附——毛细孔流模型 该模型认为：当水溶液与亲水膜接触时，在膜表面的水被优先吸附而形成一层纯水层，溶液被排斥，其离子价数越高，受到的斥力越强，膜表面的纯水层在外加压力作用下会进入膜表面的毛细孔，并从毛细孔流出。 膜上毛细孔径为纯水层厚度的2倍时，将给出最大纯水渗通量，这一孔径称为“临界孔径”。 理论缺陷：目前未发现反渗透膜面上毛细孔的存在，计算表明纯水层不存在。 2）溶解扩散模型 反渗透膜是非多孔性的，溶剂与溶质透过膜的过程可分为三步： ① 渗透物质在膜与料液接触一侧面上吸附和溶解； ② 渗透物质在化学位差的推动下以分子扩散形式通过膜； ③ 渗透物质在膜的另一侧表面解吸。 缺点：忽略了膜结构对传递性能的影响，也不能解释某些对水具有高吸附性能的膜材料其透水性很低的现象。 3．浓差极化 在反渗透过程中，由于膜具有选择透过性，溶质被阻挡积累在膜高压一侧的表面，形成了由膜表面到溶液主体之间的浓度梯度，引起溶质从膜的表面通过边界层向溶液主体扩散，这种形象称为浓差极化。 控制办法： 1）提高料液流速； 2）在料液流道内设置湍流促进器，以增加湍流程度； 3）提高料液温度，可增加溶质扩散系数，降低溶液粘度，可减少浓差极化 。 4．反渗透的应用 1）苦咸水与海水淡化 2）纯水生产 同离子交换法组合生产的纯水杂质含量已接近理论纯水值。 3）低相对分子质量水溶性组分的回收 4）废水处理 如处理电镀废水。 三、超滤（Ultrafiltration，UF） 1．原理 是一个筛孔分离过程，按此机理超滤膜具有选择性的主要原因是表面层具有一定大小和形状的孔，故超滤传递过程可用细孔模型描述，应与膜的化学性质无关，后来发现膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。所以反渗透理论同样可用于解释超滤过程。 超滤与反渗透一样，也是以压力为推动力。但二者分离的溶质分子大小不同，通常以溶质分子量高于500的分离过程为超滤。 2．浓差极化 当超滤用于分离高分子和凝胶溶液时，若这些组分在溶液与膜接触一侧的上游表面浓度cm达到某一饱和浓度（或称凝胶点）时，就会在膜面上形成凝胶层，使渗透速率显著减小，同时溶质被截留，而使脱除率提高。 3．超滤的应用 1）食品医药工业中的应用 2）生物化工中的应用 3）废水处理 四、电渗析（Electrodialysis，ED） 是在外加电场造成的电位差的作用下，使溶液中的离子通过膜而进行物质传递，阳离子趋向阴极，阴离子趋向阳极，只要在溶液里配置适当的阳离子交换膜和阴离子交换膜，就可以实现溶液中电解质的分离。 1．基本原理 2．浓差极化 电渗析时，由于膜的选择透过性，带相反电荷的离子在膜内的迁移数大于它在溶液中的迁