膜分离PPT课件.pptVIP

一、膜分离概述二、膜分离过程中的传递过程三、反渗透和纳滤四、超滤和微滤五、电渗析六、其他膜分离,本节的主要内容,第三节膜分离,（一）膜分离过程的分类根据推动力的不同：压力差：微滤、超滤、反渗透、气体分离、渗透蒸发浓度差：渗析电位差：电渗析、膜电解温度差：膜蒸馏,一、膜分离概述,第三节膜分离,（二）膜分离特点膜分离过程不发生相变，能耗较低，能量转化效率高。可在常温下进行，特别适于对热敏感物质的处理。不需要投加其他物质，可节省化学药剂，并有利于不改变分离物质原有的属性。在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的物质。膜分离装置简单，可实现连续分离，适应性强，操作容易且易于实现自动控制。,第三节膜分离,（三）膜种类按分离机理：有反应膜、离子交换膜、渗透膜等按膜的性质：有天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜）按膜的形状：有平板膜（Flatmembrane）、管式膜（Tubularmembrane）、中空纤维膜（Hollowfibermembrane）。按膜的结构：有对称膜（Symmetricmembrane）、非对称膜（Asymmetricmembrane）和复合膜（Compositemembrane）,第三节膜分离,对称膜横断面示意图,膜的厚度大致在10200m范围内，其传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度有利于提高渗滤速率。,第三节膜分离,非对称膜由厚度为0.10.5m的致密表皮层及厚度为50150m的疏松多孔支撑层组成。非对称膜的传质阻力主要由很薄的致密表皮层决定。由于非对称膜表皮层比均致膜的厚度薄很多，故其渗透速率比对称膜大。,不称膜横断面图,第三节膜分离,（一）膜分离的表征参数膜分离的特征通常用两个参数来表征：渗透性和选择性。1.渗透性渗透性也称为通量和渗透速率，表示单位时间通过单位面积膜的渗透物的通量体积通量Nv：单位为m3/(m2s)质量通量和物质的量通量：单位分别为kg/(m2s)和kmol/(m2s)。,二、膜分离过程中的传递过程,第三节膜分离,2.选择性指膜将混合物中的组分分离开来的能力.对于溶液脱盐或脱除微粒、高分子等物质，可用截留率截留率定义为：膜对液体混合物或气体混合物的选择性通常以分离因子，分离因子A/B定义为：,yA和yB组分A和B在渗透物中的摩尔分数xA和xB在过滤原料中的摩尔分数,第三节膜分离,（10.3.1）,（10.3.2）,在选择分离因子时应使其值大于1。如果A组分通过膜的速度大于B组分，则分离因子表示为A/B；反之，则为B/A如果A/BB/A1；则不能实现A组分和B组分的分离,第三节膜分离,1.推动力在膜分离过程中，膜是过滤原料和渗透物两个均相之间的一个有选择性的屏障。过滤混合液中的渗透组分在某种或某几种推动力的作用下，从高位相向低位相传递。传递过程推动力的大小与两相之间的位差，即位梯度有关。作用在膜两侧的平均推动力位差（G）/膜厚（）。,（二）膜传递过程的推动力及一般表述,第三节膜分离,G(c,p,T,E),膜,过滤原料,渗透物,位差主要有：压力差（p）浓度差（c）温度差（T）电位差（E）,化学位差,电化学位差,膜分离过程的推动力,第三节膜分离,在等温条件下，某一组分i的化学位与压力和浓度的关系可用下式表示：,i混合物中组分i的化学位；i0纯组分的化学位，为常数；bi组分i的活度Vi组分i的摩尔体积p压力,则化学位差可进一步表示为：,化学位的计算,第三节膜分离,（10.3.3）,（10.3.4）,2.膜传递过程的一般表述通量N与推动力之间的关系可以用下式表示：,K为传递系数，dG/dz为推动力，即位梯度该方程不仅用于描述传质方程，也可以用于表征热通量、体积通量、动量通量及电通量。,第三节膜分离,（10.3.5）,膜分离过程的类型不同，其作用的机理也不同。目前在膜的传递过程中，普遍认为，主要有两种不同的机理支配着膜中的质量传递和渗透过程。通过微孔的传递多孔模型基于扩散的传递溶解-扩散模型,（三）膜传递过程模型,第三节膜分离,1.多孔模型多孔模型是借助Kozeny-Carman方程来描述流体透过膜的过程。该模型可以用于描述多孔膜中的传递过程。多孔膜一般用于微滤和超滤过程。,第三节膜分离,在该模型中，是将多孔膜简化成一个由一系列平行的毛细管体系组成的膜结构,dm,NV,NV,料液,渗透液,结构参数：孔隙率（-）单位体积的比表面积a（m2/m3）,多孔膜的模型,第三节膜分离,假定在毛细管中的流动可以用Hagen-Poiseuille定律来描述：,根据Kozeny-Carman模型，假设膜孔是紧密堆积球所构成的体系：,又，膜单位面积的渗透通量：,则：,第三节膜分离,（10.3.6）,（10.3.7）,（10.3.8）,2.溶解扩散模型主要用于描述致密膜（无孔膜）的传递过程（渗透蒸发、气体分离）。溶剂和溶质透过膜的过程分为3步：溶剂和溶质的渗透能力取决于物质在膜中的溶解度和扩散系数。即：渗透系数（K）溶解度系数（H）扩散系数（D）,第三节膜分离,溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解；溶剂和溶质在化学位梯度下，以分子扩散形式透过膜；透过物在膜下游侧表面解吸。,假设渗透物的溶解度与浓度无关，渗透物在膜中的溶解服从Henry定律，即膜中渗透物浓度c与外界压力p之间存在线性关系：,对于渗透物在膜中的扩散，可以用Fick定律表示：,第三节膜分离,（10.3.9）,（10.3.10）,该式表明渗透物通过膜的通量正比于膜两侧压差，反比于膜厚。对于溶解扩散机理应更进一步研究溶解度、扩散系数和渗透系数的影响。,上述两式联立并对膜厚积分，得：,第三节膜分离,（10.3.12）,反渗透和纳滤是借助于半透膜对溶液中低分子量溶质的截留作用，以高于溶液渗透压的压差为推动力，使溶剂渗透透过半透膜。反渗透和纳滤在本质上非常相似，分离所依据的原理也基本相同。两者的差别仅在于所分离的溶质的大小。反渗透：脱盐；纳滤：脱盐、小分子有机物反渗透和纳滤膜可视为介于多孔膜（微滤、超滤）与致密膜（渗透蒸发、气体分离）之间的过程。,三、反渗透和纳滤,第三节膜分离,（一）溶液渗透压,溶液中溶剂的化学位可以用理想溶液的化学位公式表示：,x溶液中溶剂的摩尔分数溶液中溶质浓度越高，溶剂化学位越低。,溶液,溶剂,第三节膜分离,（10.3.13）,在反渗透过程中，溶液的渗透压是非常重要的数据。对于多组分体系的稀溶液，可用扩展的范特霍夫渗透压公式计算溶液的渗透压。,ci溶质物质的量浓度n溶液中的组分数,渗透压计算,第三节膜分离,（10.3.14）,当溶液浓度增大时，溶液偏离理想程度加大，需要修正。如：,i：渗透压系数，来校正偏离程度。,在实际应用中，常用以下简化方程：,xi溶质的摩尔分数；w常数。可查表。,第三节膜分离,（10.3.15）,（10.3.16）,（二）反渗透和纳滤过程机理,1.氢键理论,第三节膜分离,2.优先吸附毛细孔流机理,当水溶液与多孔膜接触时，如果膜的物化性质使膜对水具有选择性吸水斥盐的作用，则在膜与溶液界面附近的溶质浓度就会急剧下降，而在膜界面上形成一层吸附的纯水层。在压力作用下，优选吸附的水就会渗透通过膜表面的毛细孔，从而获得纯水。,当膜毛细孔孔径接近或等于纯水层厚度t两倍时，渗透通量最高；2t称为膜的“临界孔径”,第三节膜分离,3.溶解扩散模型根据该模型水的渗透速率或渗透体积通量Nv的计算式如下：,p为膜两侧压力差；为溶液渗透压差；Dwm为溶剂在膜中的扩散系数；Cw为溶剂在膜中的溶解度；Vw为溶剂的摩尔体积；Kw为溶剂的渗透系数，是溶解度和扩散系数的函数,上式表明：随着压力升高水通量线性增加。,第三节膜分离,（10.3.17）,溶质的扩散通量可近似地表示为:,DAm溶质A在膜中的扩散系数cAm溶质A在膜中的浓度,第三节膜分离,（10.3.18）,由于膜中溶质的浓度cAm无法测定，故通常用溶质在膜和液相主体之间的分配系数k与膜外溶液的浓度来表示，假设膜两侧的k值相等，于是上式可表示：,kA溶质A在膜和液相主体之间的分配系数cAF，cAP分别为膜上游溶液中和透过液中溶质的浓度KA溶质A的渗透系数,溶质通量几乎不受压差影响，而只取决于膜两侧浓度差。,第三节膜分离,（10.3.19）,（三）反渗透和纳滤膜过程计算,1.膜通量溶剂（水）通量：溶质通量：,第三节膜分离,（10.3.20）,（10.3.21）,2.截留率,膜材料的选择通过常数Kw和KA直接影响分离效率。如果要实现高效的分离，常数Kw应尽可能大，而KA尽可能地小。即膜材料必须对溶剂的亲合力高，而对溶质的亲合力低。因此，在反渗透过程中，膜材料的选择十分重要。这与微滤和超滤有明显区别。,也称为脱盐率,又因为cpNn/NV,则：,第三节膜分离,（10.3.22）,3.过程回收率,透过液与原料液体积之比称为回收率：,VP和VF透过液和原料液的体积,第三节膜分离,（10.3.23）,在微滤和超滤过程中采用的膜一般为多孔膜。超滤膜的孔径在0.05m至1nm，微滤膜孔径在100.05m超滤：主要分离生物大分子微滤：主要分离悬浮物微粒、细菌等微滤或超滤的基本分离过程主要有：在膜表面及微孔内被吸附（一次吸附）；在膜孔中停留而被去除（阻塞）；在膜面被机械截留（筛分）。而一般认为物理筛分起主导作用,四、微滤和超滤,第三节膜分离,通过微滤或超滤膜的水通量可由Darcy定律描述：其中渗透系数Kw包括孔隙率、孔径（孔径分布）等结构因素及渗透液粘度的影响。对于在多孔体系中的渗流的描述，可以参见多孔模型。,（一）分离过程的基本传递理论,第三节膜分离,（10.3.24）,（二）浓差极化与凝胶层,在超滤过程中，被膜所截留的通常为大分子，大分子溶液的渗透压较小，由浓度变化引起的渗透压变化对分离过程的影响不大，可以不予考虑。,第三节膜分离,但超滤过程中的浓差极化对通量的影响则十分明显。一旦膜投入运行，浓差极化现象不可避免，但是可逆的。,浓差极化和凝胶层形成现象,第三节膜分离,达到稳态时超滤膜的物料平衡算式为：,从边界层透过膜的溶质通量,对流传质进入边界层的溶质通量,从边界层向主体溶液的扩散通量,根据边界条件：z=0,c=cb;z=bl,ccm，积分上式可得：,第三节膜分离,（10.3.25）,（10.3.26）,当以摩尔分数表示时，浓差极化模型方程变为：,当xpRp，则：,第三节膜分离,（10.3.29）,（10.3.30）,对于微滤过程，可将沉积在膜表面上的颗粒层视为滤饼层。可将滤饼层的阻力Rc取代式（10.3.29）中的凝胶层阻力Rg。,第三节膜分离,（一）电渗析过程的基本原理,五、电渗析,第三节膜分离,电渗析中使用的是阳离子交换膜（简称阳膜，以符号CM表示）和阴离子交换膜（简称阴膜，以符号AM表示）。阴、阳离子交换膜具有带电的活性基团，能选择性地分别使阴离子或阳离子透过。,阴膜,阳膜,（二）电渗析中的传递过程,第三节膜分离,电渗析中，反离子的迁移是主要的传递过程。但在电渗析的传递过程中，还存在其他复杂的传递现象。,同性离子迁移电解质的浓差扩散水的（电）渗析压差渗漏水的电解,（三）离子交换膜,第三节膜分离,1.离子交换膜的种类,磺酸型阳膜的示意为：,（1）按活性基团分类阳离子交换膜（简称阳膜）、阴离子交换膜（简称阴膜）和特种膜。,季胺型阴膜的示意为：,基膜,活性基团,基膜,固定离子,可交换离子,基膜,活性基团,基膜,固定离子,可交换离子,第三节膜分离,（2）按膜的结构分类异相膜（或称非均相膜）：容易制造，价格便宜，但选择性较差，膜电阻也大。均相膜：优良的电化学性能和物理性能，近年来离子交换膜的主要发展方向。半均相膜,（3）按材料性质分类有机离子交换膜和无机离子交换膜,第三节膜分离,2.对离子交换膜的性能要求,（1）具有较高的选择透过性：这是衡量离子交换膜性能优劣的重要指标，其定义式为,式中：阳膜对阳离子的选择透过率，阳离子在溶液中的迁移数；阳离子在阳膜内的迁移数，理想膜的应等于1。,（10.3.36）,第三节膜分离,（2）较好的化学稳定性,（3）较低的离子反扩散和渗水性,（4）较高的机械强度,（5）较低的膜电阻,第三节膜分离,3.离子交换膜的选择透过机理,离子交换膜在化学性质上和离子交换树脂很相像，都是由某种聚合物构成的，含有由可交换离子组成的活性基团。,以阳离子交换膜为例：,（四）电渗析过程中的浓差极化和极限电流密度,第三节膜分离,边界层和主流层之间出现浓度差（Cb-Cm）。当电流密度增大到一定程度时，离子迁移被强化，使膜边界层内Cl-离子浓度Cm趋于零时，边界层内的水分子就会被电离成H+和OH-，OH-将参与迁移，以补充Cl-的不足。这种现象即为浓差极化现象。使Cm趋于零时的电流密度称为极限电流密度。,以NaCl溶液在电渗析中的迁移过程为例：,（一）气体膜分离,六、其他膜分离,第三节膜分离,气体膜分离是一种很简单的气体混合物的分离技术。常用的气体分离膜有多孔膜和致密膜两种。一般认为气体通过多孔膜与致密膜的机理是不同的，分别可用多孔扩散机理和溶解扩散机理解释。,1.多孔扩散机理,气体在多孔膜中的传递机理包括分子扩散、黏性流动、Knudsen扩散及表面扩散等。由于多孔介质孔径及内孔表面性质的差异使得气体分子与多孔介质之间的相互作用程度有所不同，从而表现出不同的传递特征。,第三节膜分离,假设传递气体为理想气体，如果膜两侧的气体总压力、温度相等，则可用气体的分压差作为推动力。若忽略主体流动，根据Fick定律，气体组分i的渗透通量可表示为,（10.3.44）,式中：Nni气体组分i的渗透通量，mol/(m2.s)；piF，piP气体组分i在膜上、下游的分压，Pa；多孔膜的厚度，m；Dm气体在膜中的扩散系数，m2/s。,第三节膜分离,Dm的计算与气体在膜孔内的流动状态有关，一般根据Knudsen数（Kn）的大小来区分。,（10.3.45）,式中：气体分子平均自由程，m；dm膜的孔径。,Kn0.01时，属于分子扩散Kn1.0时，属于Knudsen扩散0.01Kn1.0，属于过渡区扩散,第三节膜分离,2.溶解扩散机理,气体在致密膜中的传递可以用溶解扩散机理解释。其扩散由三步组成：气体在膜上游表面的吸附；吸附在膜上游表面的气体在浓度差的推动力下扩散透过膜；气体在膜下游表面解吸。,第三节膜分离,应用溶解扩散理论，气体组分i在稳态条件下通过膜的扩散通量为,（10.3.48）,式中：piF，piP气体组分i在膜上、下游的分压，Pa；Dm气体组分在膜中的扩散系数，m2/s；H气体溶解度系数，kmol/(Pa.m3)；KG气体组分通过膜的渗透系数，是气体组分扩散系数与溶解度系数的函数，mol/(m2.s.Pa)；