膜分离过程的机理.ppt

第三章、膜分离过程的机理 第一节、基本传质形式 第二节、多孔膜的传递 1、气体通过多孔膜的扩散 2、优先吸附毛细管流动模型 3、摩擦模型 第三节、致密膜的传递 1、理想体系的传递 2、相互作用体系 3、结晶度的影响 第四节、膜的传递统一化方法 第一节、基本传质形式 在膜分离过程中，存在3种基本传质形式，即被动传递、促进传递和主动传递。 在被动传递过程，当推动力保持不变时，达到稳定后膜通量为常数，通量（J）与推动力（X）之间的关系为线性，对单组分而言，符合Fick维象定律，将质量通量与浓度差关联。 §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 §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。 例如：膜两侧的压差不仅会产生溶剂通量而且会导致溶质传递并形成浓度梯度。另一方面浓度梯度不仅会导致扩散传质，而且会产生流体静压。 传递过程的推动力为膜两侧位差除以膜厚度。化学位差和电位差。化学位差主要有压力、浓度、温度等。 §3.1、基本传质形式 促进传递是由于某种流动载体的存在使传递过程得到强化。 主动传递主要发生在细胞膜中。 §3.2、多孔膜的传递 多孔膜的传递发生在膜孔，与孔径、孔径分布、孔隙率及孔形状等有着重要的关系。 选择性主要取决于粒子与孔大小的关系。 膜孔的一般形状 §3.2、多孔膜的传递 Hagen-Poiseuille方程：假设膜孔为圆柱形，且所有孔径相等，每个孔的长度近似为膜厚。 J＝(?r2/8 ?x?)(?P/ ?) J正比于膜厚上的推动力?P，反比于液体粘度。 ?x为膜厚，?液态粘度，?膜孔的曲折因子，对圆柱垂直孔而言 ? ＝1； ?孔隙率＝n?r2/表面积 该方程清楚地表明了膜结构对传递的影响。实际上完全符合该假设的膜是没有的。 §3.2、多孔膜的传递 对有机和无机烧结膜或具有球状皮层结构的相转化膜，是由紧密堆积球所构成的体系。可用Kozeny-Carman关系式描述： J=(?3/(K?S2(1-?)2) )(?P/ ?x) 其中：?孔体积分数，S内表面积，K为常数，取决于孔的形状和弯曲因子。 1、气体通过多孔膜的扩散 用不对称膜或复合膜分离气体时，气体分子会从高压侧扩散到低压侧。可以有不同的传递机理： 致密层的传递； 小孔努森流； 大孔粘性流； 沿孔壁的表面扩散。 不对称膜其速率控制步骤在致密层的传递。 §3.2、多孔膜的传递 不对称膜孔中几种传递 1、致密层 2、努森扩散 3、粘性流扩散 复合膜中不同扩散路径示意图 1、致密层扩散 2、孔壁表面扩散 §3.2、多孔膜的传递 复合膜：致密层扩散、沿孔壁的表面扩散。 平均扩散距离： 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（r10?m）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。 J＝(? r2/8 ?x?)(?P/ ?) §3.2、多孔膜的传递 Knudsen流条件： 1、孔径必须小于扩散组分的分子运动平均自由程； 2、温度必须足够高，以避免产生表面流动； 3、压力足够低，以避免平均自由程接近孔径，或因在一定压力下产生吸附现象。 符合这些条件，分子碰撞孔壁的频率大于分子之间相互碰撞的频率，由于液体分子平均自由程小，只有几个埃，可以忽略Knudsen流。 气体分子平均自由程为： ?＝KT/（1.414×?d2P） 25度，1MPa下氧的平均自由程为7nm，10mbar下为70微米。 膜孔径20～200nm。低压下通量方程： J= ?nr2Dk?P/(RT?l) Dk=(8RT/ (?Mw))1/2 气体混合物中各组分流过膜的速度与分子量的平方根成反比，从而达到分离目的。 §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 当P1 》P2时，分离系数?取决于分离组分的不同分子量，即： ?＝Ji/Jj=(Mj/Mi)1/2 2、优先吸附毛细管流动模型 用于不对称多孔膜，针对反渗透膜而提出的。 分离机理包括：表面现象和流动传递共同支配。即在压力作用下，优先吸附的组分流动传递通过毛细管而促成分离。 与孔径、孔隙率、膜表面的化学性质有关。 对于一个给定的膜和操作条件，