膜的特性及传递模型PPT课件.ppt

膜分离特点 膜的种类 孔径可以根据需要选择 不管流有多强 膜对于阻止大的粒子或分子透过的能力是很强的 把产物分在两侧 很容易收集样品 节能 环保 1 3 1概述 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 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 膜是什么 有何特性 2 膜分离过程原理 以选择性透膜为分离介质 通过在膜两边施加一个推动力 如浓度差 压力差或电压差等 时 使原料侧组分选择性地透过膜 以达到分离提纯的目的 通常膜原料侧称为膜上游 透过侧称为膜下游 膜上游透膜膜下游 3 膜分离的物理化学原理 截流机理和筛孔效应渗透和渗透压Donnan效应 机械截留 筛孔效应 物理作用或吸附截留架桥作用网络内部截流 4 3 2 1 膜的种类及制备方法 按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜 按膜分离过程的推动力可分为压力差 电位差 浓度差 温度差等膜 按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类 其中非对称膜还可细分为多孔膜 叠合膜以及复合膜等 5 分离膜种类 分离膜 6 7 2 膜材料及制膜方法 8 3 2 1 3离子交换膜 在直流电场的作用下 溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析 电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜 ChargedMembranes 用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集 为什么离子交换膜具有选择性呢 离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂 它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种 离子交换膜之所以具有选择透过性 主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用 9 正极阴离子交换膜负极 10 高分子膜中间有足够大的孔隙 水中的离子在膜孔隙通道 比膜厚度大得多 中电迁移运动 例如 在水溶液中 阴离子交换膜的活性基团会发生离解 留下的是带正电荷的固定基团 构成了强烈的正电场 在外加直流电场作用下 根据异电相吸原理 溶液中带负电的阴离子就可被它吸引 传递而通过离子交换膜到另一侧 而带正电荷的阳离子则离子膜上固定负电荷基团的排斥不能通过交换膜 11 在电渗析过程中 膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用 而是对不同电性的离子起选择透过作用 因而离子交换膜实际上应称为离子选择性透过膜 应用举例中草药有效成分的分离和精制 通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱 无机阴离子和有机酸 中性化合物和高分子化合物三部分 纯水制备 电渗析制备初级水 可去盐80 90 再用离子交换除盐10 20 制备高级水 这样既降低成本 又减少污染 水污染处理 如回收镀镍废水等等 12 3 2 2相转化制膜的机理 用相转化制备聚合物膜的方法有双组分或多组分均相溶液的热凝胶 从三组分聚合物中蒸发挥发溶剂 均相聚合物溶液中添加非溶剂等三种方法 3 2 2 1双组分或多组分均相溶液的热凝胶P40图3 83 2 2 3从三组分聚合物溶液中蒸发挥发性溶剂图3 93 2 2 3均相聚合物溶液中添加非溶剂图3 10 14 3 2 3影响膜渗透性质的各种因素 一般情况下 膜的渗透速率越大 不同组分透过膜的渗透速率差就越小 这对实际分离是非常不利聚合物膜对气体或液体的渗透过程通常以溶解 扩散机理来解释 如气体分子首先溶解于膜的高压侧表面 然后在膜内扩散 再从膜的低压侧溶解出来 由费克定律可知 气体分子在膜中的扩散通量或渗透率为 J D dc dz 若气体溶于膜中的浓度C与气体压力P之间服从亨利定律即 C Sp则有J 15 由此可计算出平均渗透系数 若扩散系数和溶解度系数与压力无关 则有 P 渗透系数 S 溶解度系数 D 扩散系数P DS 16 3 2 3 1温度 压力的影响 影响渗透率的因素应该包括以下几个方面 温度 压力 浓度 膜本身的性能 当然还有驱动力 在一定的温度范围内 可用Arrhenius方程来描述温度对渗透系数 扩散系数 溶解度系数的影响 P P0exp Ep RT D D0exp Ed RT S S0exp Hs RT P DS P0 D0S0 Ep Ed Hs 17 一般情况下 扩散系数和渗透系数都随之升高 但温度对S的影响比较复杂 当溶解在聚合物膜内的组分是蒸气时 有混合热主要与渗透组分和聚合物膜的凝聚密度有关 18 3 2 3 2溶液性质的影响 渗透组分在膜内的扩散系数随组分分子体积的大小和形状而变 渗透组分的成分和浓度对渗透速率及渗透选择性也有很大影响 气体在膜内的溶解度可以用亨利定律来表示 19 对一般蒸气和液体 浓度对D和S的影响可以用温度影响类似公式来表示 D D0exp AC S S0exp C A 特性参数 C 溶液浓度对双组分体系 可把扩散系数表示为两组分浓度的指数函数 Di D0iexp AiiCi AijCj Dj D0jexp AjiCi AjjCj 20 3 2 3 3聚合物膜结构对渗透性质的影响 聚合物指由许多相同的 简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量 通常可达104 106 化合物 例如聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯分子结构单元 CH2CHCl 重复连接而成 因此 CH2CHCl 又称为结构单元或链节 由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体 是合成聚合物的原料 聚氯乙烯可缩写成 CH2CHCl n 21 n代表重复单元数 又称聚合度 聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标 聚合度很低的 1 100 的聚合物称为低聚物 只有当分子量高达104 106 如塑料 橡胶 纤维等 才称为高分子聚合物 由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物 如上述的聚氯乙烯 聚乙烯等 由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物 如氯乙烯 醋酸乙烯共聚物等 22 熔融温度是结晶聚合物使用的上限温度 结构不规整或链间次价力较弱的聚合物 如聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯等 难以结晶 一般为不定型态 无定型聚合物在一定负荷和受力速度下 于不同温度可呈现玻璃态 高弹态和黏流态三种力学状态玻璃态到高弹态的转变温度称玻璃化温度 Tg 是无定型塑料使用的上限 橡胶使用的是下限温度 从高弹态到黏流态的转变温度称黏流温度 Tf 是聚合物加工成型的重要参数 23 当聚合处于玻璃态时 整个大分子链和链段的运动均被冻结 宏观性质为硬 脆 形变小 只呈现一般硬性固体的普弹形变 聚合物处于高弹态时 链段运动高度活跃 表现出高形变能力的高弹性