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《化工分离工程》第9章膜分离法.pptx

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第9章膜分离法

;膜分离过程:用天然或合成的、具有选择透过性的膜,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)时,料液组分选择性地透过膜,以达到分离、提纯目的。通常膜原料侧称为膜上游,透过侧称为膜下游。;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物质,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。;4;3.按膜的结构分类——膜的断面与表面;6;7;8;9;10;膜分离过程对材料的要求:

反渗透、超滤、纳滤、微滤用膜:最好为亲水性,以得到高水通量和抗污染能力;

气体分离,尤其是渗透蒸发:要求膜材料对透过组分优先溶解和优先扩散;

电渗析用膜:强调膜的耐酸、碱性和热稳定性;

膜萃取用膜:要耐有机溶剂;12;1)板框式膜组件;14;2)卷式膜组件

;16;3)管式膜组件;18;;膜性能是指膜的物化稳定性和膜的渗透性。膜的物化稳定性主要是指膜的抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械强度等,它取决于构成膜的高分子材料的性能。

膜的渗透性能主要包括膜通量、截留率和通量衰减这三个指标。膜的孔径大小、膜材料、膜润湿性是影响膜通量和截留率的重要因素。浓度极化和温度极化也是不可忽略的因素。另外一个影响膜的渗透性能的重要因素就是膜污染。;分离效率:对于不同的膜分离过程和分离对象可以用不同的表示方法。

对于溶液中盐、微粒和某些高分子物质的脱除等可以用脱盐率或截留率R表示

C1、C2分别表示原液和透过液中被分离物质的浓度。;对于某些混合物的分离,可以用分离因子α或分离系数β表示;通量衰减系数:膜的通量由于过程的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因使得通量随时间的变化而衰减。

;9.2微滤、超滤、纳滤和反渗透;;过程;9.2.1.1.渗透现象与渗透压;渗透压Л:当渗透达到平衡时,膜两侧存在着一定的化学位差或压力差,维持此平衡所需的压力差即为体系的渗透压。

溶液的渗透压公式:

;对电解质水溶液,常引入渗透压系数来校正偏离程度,对水溶液中溶质i组分,其渗透压可用下式计算;渗透平衡;如果在高浓度溶液一侧加压,使高浓度溶液侧与低浓度溶液侧的压差大于渗透压,

则高浓度溶液中的溶剂将通过半透膜流向低浓度溶液侧,这一过程就称为反渗透。;反渗透不是渗透的逆过程,两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。;反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论,主要有氢键理论、选择吸附—毛细管流动理论、溶解扩散理论等

;;多孔膜界面优先吸附性能是由多孔膜的物化性质决定的。多孔膜界面上溶质的吸附量与溶液表面张力的关系可以用Gibbs方程关联式;如果膜的物化性质使膜对水优先吸附,那么,在膜与溶液界面附近就会形成一层被膜吸附的纯水层,其厚度与溶质和膜表面的化学性质有关。

电解质水溶液纯水层的厚度,可用修正的Gibbs等温吸附方程计算:;2.溶解-扩散模型;对于溶质的扩散通量,由于压差引起的化学位差极小,通量由浓度梯度产生,可近似用下式;40;溶质通量;9.2.1.4反渗透的工艺流程

一级一段连续式:浓缩液和渗透液连续排出,回收率不高

一级一段循环式:浓缩液浓度不断提高,渗透水质下降

一级三段连续式:得到高浓缩的料液

二级一段循环式:低压低浓度下运行,膜的寿命较长

多级多段流程

;典型膜应用过程-反渗透;9.2.1.5反渗透应用

(1)水处理:海水、苦咸水淡化,超纯水制备,电厂锅炉用水净化,废水处理;

(2)食品和生化工业:从酸性干酪乳清中分离回收乳糖、脂肪和蛋白质,浓缩脱脂牛奶,果汁浓缩,澄清和除菌,生产低醇啤酒;

(3)医药工业:抗生素、维生素、激素、氨基酸等溶液的浓缩,针剂用高纯水的制备;

(4)重金属、贵重金属的回收。;45;例9-1利用卷式反渗透膜组件进行脱盐,操作温度是25℃,

进料侧水中氯化钠质量分数为1.8%,操作压力为6.896MPa,

在渗透侧的水中含氯化钠为0.05%(质量分数),操作压力

为0.345MPa,所采用的膜对水和盐的渗透系数分别为

1.0859×10-4g/(cm2.s.Mpa)和16×10-6cm/s。假设膜两侧的

传质阻力可忽略,对水的渗透压可用

mi为水中溶解离子或非离子物质的体积摩尔浓度,请分别计

算水和盐的通量。;9.2.2纳滤技术;48;9.2.2.1纳滤基本原理

纳滤多为荷电膜,分离行为不仅受化学势控制,同时也受电势梯度的影响,传质机理比较复杂。其分

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