【分離工程】新型分離技術(shù)1

1、第一章 膜分離,第一節(jié) 緒論第二節(jié) 反滲透第三節(jié) 超濾與微濾第四節(jié) 電滲析第五節(jié) 氣體的膜分離過程第六節(jié) 滲透蒸發(fā)第七節(jié) 透析第八節(jié) 其它膜分離過程,1-1-1 膜分離技術(shù)發(fā)展簡史,膜分離——本章要討論的是利用固體薄膜對混合物組分的選擇性透過的性能使混合物分離的過程。,第一節(jié) 緒論,幾個重要事件,1．1748年，A.Nelkt，水能自發(fā)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi)。2．十九世紀(jì)，天然橡膠對某些氣體

2、的不同滲透率。3．1918年，Zxigmondy，制成微孔濾膜。4．20世紀(jì)40年代，基于滲析原理的人工腎。5．20世紀(jì)50年代初期，離子交換膜研制成功，電滲析獲得了工業(yè)應(yīng)用，并開始了反滲透研究。6．20世紀(jì)60年代，Loeb和Sourirajan，研制成醋酸纖維素非對稱性膜，使反滲透與超濾進(jìn)入實(shí)用階段，氣體膜分離也相繼獲得工業(yè)應(yīng)用。,第一節(jié) 緒論,1-1-4 分離用膜,1. 膜的種類(1) 均質(zhì)膜或致密膜(2) 微孔膜

3、多孔膜/核孔膜(3) 非對稱性膜由表面活性層和支撐層組成(4) 復(fù)合膜(5) 離子交換膜陽離子交換膜/陰離子交換膜,第一節(jié) 緒論,按形狀分：(1) 平板式(2) 管式直徑較大的有多孔支撐管的管狀膜(內(nèi)壓式/外壓式)無支撐的中空纖維,第一節(jié) 緒論,中空纖維剖面圖,,,,,,,中空纖維及膜器,2. 膜性能的表示法,物化穩(wěn)定性膜的強(qiáng)度允許使用壓力溫度pH值對有機(jī)溶劑和各種化學(xué)藥品的抵抗性,第一節(jié) 緒論

4、,3. 膜性能的表示法,分離透過特性分離效率滲透通量通量衰減系數(shù),第一節(jié) 緒論,截留率：,分離系數(shù)：,單位時間內(nèi)通過單位膜面積的透過物量。,（1-1）,（1-2）,（1-3）,（1-4）,1-1-5 膜分離設(shè)備,1. 板框式膜器由導(dǎo)流板、膜和支承板交替重疊組成。,第一節(jié) 緒論,2. 卷式膜器,第一節(jié) 緒論,3. 管式膜器有支撐的管狀膜可以制成排管、列管、盤管等型式的膜器中空纖維膜一般均制成列管式

5、特點(diǎn),第一節(jié) 緒論,第一節(jié) 緒論,第二節(jié) 反滲透 (Reverse Osmosis 簡稱RO),1-2-1 反滲透過程原理,第二節(jié) 反滲透,滲透現(xiàn)象的推動力是純水的化學(xué)位與鹽水的化學(xué)位之差，表現(xiàn)為水的滲透壓π。,在等溫下不少物質(zhì)的水溶液的滲透壓近似地與其摩爾分率成正比。,反滲透過程的推動力為：,第二節(jié) 反滲透,（1-5）,（1-10）,在進(jìn)行反滲透操作時，在膜兩側(cè)施加的壓差必須大于兩側(cè)溶液的滲透壓差。 一般

6、反滲透過程的操作壓差為2～10MPa。,實(shí)際反滲透過程中，透過液并非純水，其中多少含有一些溶質(zhì)，此時過程的推動力為：,（1-11）,2. 反滲透膜,基本性能：(1) 透水率/水通量 單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水體積流量。(1-12)(1-13),第二節(jié) 反滲透,使用非對稱性膜與復(fù)合膜，活性層為表層致密層。要求：分離效率高，滲透能量大耐壓性好，化學(xué)穩(wěn)定性 好，使用溫度高，抗污染性能好等。,A——膜的水滲透系

7、數(shù)，表示特定膜中水的滲透能力， cm3/(cm2.s.atm),(2)透鹽率/脫鹽率 鹽通過膜的速率Fs(3) 壓密系數(shù),3. 反滲透過程的機(jī)理,過程分三步：(1) 水從料液主體傳遞到膜的表面。(2) 透過膜，包括在膜表面進(jìn)入膜，并通過膜的活性層。(3) 從膜的活性層進(jìn)入支撐層的孔道，然后流出膜。,第二節(jié) 反滲透,水透過膜模型,（1）毛細(xì)管流學(xué)說a. 氫鍵理論該理論是針對

8、乙酸纖維膜提出的模型。b. 篩網(wǎng)效應(yīng)學(xué)說 采用過濾機(jī)理，認(rèn)為膜內(nèi)孔徑比水分子大，比水合后的離子小，因而水透過膜而水合后的離子被截留。,第二節(jié) 反滲透,c. 選擇吸附—毛細(xì)孔流機(jī)制 膜的化學(xué)作用（親水性）起決定作用。,第二節(jié) 反滲透,（2）溶解—擴(kuò)散模型( solution-diffusion model) 1) 滲透物在膜的料液側(cè)表面處吸附和溶解;2) 滲透物在化學(xué)位差的推動下以分子擴(kuò)散通

9、過膜;3) 滲透物在膜的透過液側(cè)表面解吸。1)、3) 兩步速率很快, 透過膜的速率取決于第2)步。（3）孔隙開閉學(xué)說,第二節(jié) 反滲透,1-2-2 影響反滲透過程的主要因素,1. 濃差極化濃差極化現(xiàn)象。,第二節(jié) 反滲透,濃差極化對過程產(chǎn)生的不利影響：（1）由于濃差極化使得膜表面附近溶液的濃度升高，使得滲透壓升高。若ΔP不變，則滲透通量下降。若要保持一定的滲透通量，則ΔP要持續(xù)加大。（2）滲透通量加大，濃差極化加劇。

10、（3）當(dāng)膜表面溶液濃度上升至一定程度時，會出現(xiàn)析出結(jié)晶、沉淀等現(xiàn)象，這時加大ΔP反而會加速沉淀層增厚的速度。,第二節(jié) 反滲透,減輕濃差極化的有效途徑是提高傳質(zhì)系數(shù)，主要有三種方法：（1）提高料液流速；（2）設(shè)置湍流促進(jìn)裝置；（3）提高溫度。,第二節(jié) 反滲透,2. 反滲透過程的滲透通量的影響因素,(1) 料液的預(yù)處理(2) 膜的清洗 物理清洗/化學(xué)清洗,3. 反滲透過程的分離效率4. 滲透通量的衰減與其防治

11、,(1) 操作壓差(2) 溫度(3) 料液流速(4) 料液的濃縮程度(5) 膜材料與結(jié)構(gòu),第二節(jié) 反滲透,1-2-3 反滲透過程的工藝流程,1. 一級一段連續(xù)式操作流程2. 一級一段循環(huán)式操作流程3. 一級多段連續(xù)式流程4. 一級多段循環(huán)式流程5. 多級式流程,第二節(jié) 反滲透,第二節(jié) 反滲透,第二節(jié) 反滲透,1-2-4 反滲透的應(yīng)用,1. 苦咸水與海水淡化2. 純水生產(chǎn)3. 廢水處理4.

12、 低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮,第二節(jié) 反滲透,,,,第三節(jié) 超濾與微濾,1. 超濾(Ultra Filtration簡稱UF) 和 微濾(Microporous Filtration簡稱MF) 超濾與微濾也是以壓力差為推動力的膜分離過程, 一般用于液相分離，也可以用于氣相分離。2. 超濾和微濾膜,第三節(jié) 超濾與微濾,3. 超濾、微濾與反滲透的比較,第三節(jié) 超濾與微濾,10—200A

13、,0.02—10μm,1-3-2 超濾過程與操作,1.滲透通量及其影響因素影響因素：(1) 操作壓差/臨界滲透通量(2) 料液流速(3) 溫度(4) 截留液濃度(5) 操作時間,第三節(jié) 超濾與微濾,(1-17),2.濃差極化3.截留率表觀截留率實(shí)際截留率4.滲透通量的衰減與防治5.超濾設(shè)備與流程 (1) 設(shè)備：板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維 (2) 流程,第三節(jié) 超濾與微濾,單段間歇操作

14、單段連續(xù)操作多段連續(xù)操作,第三節(jié) 超濾與微濾,6. 超濾法的經(jīng)濟(jì)效益,超濾法的一大特點(diǎn)是，可以避免由于相的變化而造成的許多有害效應(yīng)。不需相變，能量費(fèi)用及設(shè)備投資小。,第三節(jié) 超濾與微濾,1-3-3 微濾過程與操作,1.滲透通量2.微濾的極化3.料液的預(yù)處理4.膜器的清洗5.設(shè)備,第三節(jié) 超濾與微濾,(1-23),1-3-4 超濾的應(yīng)用,1.純水制造2.廢水處理電涂過程淋洗水的處理紡織工業(yè)中含聚乙烯醇廢水的處