膜的定义和分类.ppt

10.2 膜分离 10.2.1 膜的定义和分类 定义：膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜 ，通常亦简称为膜。 膜分离过程：分离膜以特 定的方式限制两相间的物 质传递，使不同的物质以 不同的速率透过膜，实现 物质的分离。 膜 中间相 相 相 原料 透过物 传质推动力 物质透过膜的主要三种方式： 被动传递 促进传递 主动传递 被动传递： 物质由高化学位相向低化学位相传递， 这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。 压力差 浓度差 电位差 温度差 推动力 A A A A AA 被动传递 促进传递：膜内有载体，在高 化学位一侧，载体同被传递的物 质发生反应，而在低化学位一侧 又将被传递的物质释放，这种传 递过程有很高的选择性。 主动传递：膜中的载体同 被传递物质在低化学位侧发生 反应并释放能量，使被传递物 质由低化学位一侧被传递到高 化学位一侧，物质的传递方向 为逆化学位梯度方向。 AA A+BAB A AB A+B A A A 促进传递 B AB 膜的分离性质 选择性：不同物质在两相中的浓度变化比 透过性：单位推动力下，物质在单位时间内 膜的分类： 分类依据分类 来源天然膜、合成膜 状态固体膜、液膜、气膜 材料有机膜、无机膜 结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜 电性非荷电膜、荷电膜 形状平板膜、管式膜、中空纤维膜 制备方法烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨 分离体系气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜 分离机理吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜 分离过程反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜 透过单位面积膜的量 10.2.2 膜分离过程 在一定传质推动力下，利用膜对不同物质的透过性差异， 对混合物进行分离的过程。 机理模型： 不可逆热力学模型 传递机理模型 膜分离过程：气体膜分离、渗透蒸发、渗析、电渗析、反渗透、 纳滤、超滤、微滤、膜萃取、膜吸收、膜精馏、促进传递、液膜、 气膜等过程。 其中：渗析、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤技术已很成熟， 应用也广泛。 10.2.3 膜的形态结构 (1) 膜的形态结构：主要研究膜的断面与表面。 均相膜和异相膜 均相膜：均匀地呈单相存在； 异相膜：不是呈单相存在。 致密膜和多孔膜 致密膜：结构最紧密的膜； 多孔膜：结构较疏松的膜。 对称膜和非对称膜 对称膜：膜的厚度方向结构均一、同性； 非对称膜：同种材料，沿膜的厚度方向上呈不同结构。 (2) 膜的孔 膜孔的结构 具有多样性，不同的膜具有不同的孔结构，同一张膜 也会具有不同的孔结构。 复合膜：在对称或非对称的底膜上，复合上一层很薄的、 致密的、有特殊功能的另一种材料的膜层。 膜的孔径、孔径分布、孔密度和空隙率 膜的孔径: 膜内孔的直径, 有最大孔径和平均孔径之分； 孔径分布: 某一孔径的孔体积占整个孔体积的百分数； 孔密度: 单位膜面积上孔的数目； 空隙率: 所有孔体积占整个膜体积的百分数。 膜的厚度 整个膜厚、膜的某个层次厚度之分。 均质膜 一般较厚，透量较小； 复合膜 可使致密层厚度极薄。 10.2.4 反渗透与纳滤 (1) 反渗透的基本原理 溶解-扩散理论： 溶剂和溶质被吸附溶解于膜表面； 溶剂和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。 溶剂 溶液 膜 渗透 溶剂 溶液 =gH 平衡 H 溶剂 溶液 反渗透 p p （2）浓度极化 改变操作条件控制浓度极化： 增加原料液的流速； 适当提高操作温度 透过快的组分 透过慢的组分 推动力 膜 浓度极化示意图 （3）膜的污染 操作一定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖，使膜的 性能下降。 主要原因：原料液处理不当所造成的。如：悬浮颗粒；膜表 面结垢；细菌污染；金属氧化物、有机物、淤泥等。 （4）纳滤 纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦截纳米数量级 的分子。与反渗透相比，纳滤水透量大、操作压力低、成本低 纳滤可以用于脱除水溶液中的杂质和有机物，如印染水的脱色 、饮用水的预处理等。 10.2.5 超过滤与微孔过滤 以压力为推动力的膜分离过程。 超滤：截留大分子溶质，而允许低分子溶质和溶剂通过，从而 将大分子与小分子分开。 微滤 超滤 纳滤 反渗透 微粒大分子 小 分 子 二 价 离 子 一 价 离 子 水 微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留 超滤和微滤的截留机理主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、 在孔内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截 留和膜内部网络截留。 机械截留 吸附 截留 架桥 截留 膜表面截留 膜内部网络截留 10.2.6 渗析和电渗析 （1）渗析的基本原理 膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。 典型过程：血液透析 膜 渗吸液 溶剂 渗出液 原液 溶 质 溶 剂 A B x1 x2 溶剂扩散物质 渗透过程原理 （2）电渗析的基本原理 溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而同其他不带电 的组分分开。 电渗析过程的基本原理： 阳膜：带负电的阳离子传递膜 阴膜：带正电的阴离子传递膜 电渗析广泛地应用于苦盐 水脱盐，是世界上某些地 区生产淡水的主要方法。 浓溶液 稀溶液 电极冲洗液 原料液 阳 极 阴 极 CACA 电渗吸过程原理 10.2.7 气体膜分离过程 （1）气体膜分离的机理 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗 透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数： 渗透率P：描述膜的气体透过性； 渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所 透过气体的量； 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一般将其定义为 两种气体i，j渗透系数之比。 （2）气体膜分离的主要应用 氢气的回收利用； 从空气中制取富氮气体和富氧气体。 10.2.8 渗透蒸发过程 在膜的原料侧是液体混合物，膜的另一侧为气相真空或负压 操作，混合物的各组分在分压差作用下，以不同速率从膜的一侧 蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达到分离浓缩的目的。 区别于其他膜过程的重要特点是有相变。假设过程分两步完成： 进料液体在膜进料侧蒸发形成饱和蒸汽， 饱和蒸汽透过膜到达膜的渗透侧。 主要应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离。 10.2.9 其他膜过程 （1）控制释放 指：用分离膜控制药物的释放速度和作用时间，被应用于医疗和 农业等方面。 时间 浓 度 有效时间 常规释放 控制释放 有效浓度 两种不同给药方式的对比 （2）膜反应器 膜反应器中，可以利用膜的选择透过性，连续脱除某些反应产物 ，保留反应物或中间产物，以促使反应不断向生成物方向进行， 提高可逆反应的转化率，减少未反应物的循环量。 分为两大类：催化膜反应器、惰性膜反应器。 基础研究 过程开发 过程优化 低 速 增 长 价 格 稳 定 性 高 速 增 长 使 用 可 靠 性 技术状况 出 售 状 况 MD MR MEC AT FT MD MFd ME LM PV GS CR ED RO UF MF D