【食品工程原理课件】第十章 膜分离过程.doc

第十章 膜分离过程总学时：2学时【学习要求】通过本章的学习，了解各种膜分离过程的特点和分离设备，掌握膜分离操作的基本原理和基本概念。第一节 膜分离过程概论【考核知识点和考核要求】了解：膜分离过程的特点；膜的结构、材料和特性；膜分离设备理解：几种重要的膜分离过程的分类【课时】0.5学时【具体讲授内容】一、膜分离的概念（了解）膜分离过程：借助于膜而实现分离的过程。二、膜分离过程的效率（了解）常用来表示分离效率的指标有两种：一是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示；二是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，常用截留率表示。 选择性系数或截留率表示了分离的质的方面。对于分离的量的方面，一般用通量，即单位时间内单位分离面积上的流量来表示。 在大多数膜分离操作中，截留率和通量是表征过程的两个最重要指标。三、几种重要的膜分离过程（理解）1、反渗透对溶液施加超过渗透压的压强，使溶剂分子通过半透膜而与溶液分离。 2、超滤用孔径为10-210-3mm的膜在压差下过滤溶液，使大分子或细微粒与溶液分离。 3、微滤与超滤相似，但孔径更大，大致为0.110mm。4、电渗析以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。 5、渗透气化溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通过膜的同时发生气化，且各组分的透过速率不同。 6、气体渗透利用混合气体中各组分通过膜的速率不同而使组分分离。7、渗析在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的溶液，从而与原溶液分离。 8、纳滤介于超滤和反渗透之间的操作。五、膜过程的流动特征（了解）膜过程的流动特征：切向流动。常规过滤 切向过滤常规过滤中的料液是在与膜垂直（与膜表面成法向）的方向流入。切向过滤则在与膜平行的方向上流动。常规过滤中，被截留的粒子在过滤介质上形成滤饼层。随着过滤的进行，阻力越来越大，通量越来越小。切向过滤中，大部分粒子被料液带走，在膜表面只留下薄薄的一层粒子，过滤阻力就大为减小。切向流动的一个直接结果是分离过程实际上都是增浓过程。第二节 超滤与微滤【考核知识点和考核要求】了解：微滤和超滤的过程特征；微滤和超滤的操作方式理解：微滤和超滤过程的浓差极化；过滤曲线；压差-通量曲线【课时】0.5学时【具体讲授内容】一、微滤和超滤的分离范围（了解）微滤MF：0. 150mm超滤UF：粒子更小，实际已是大分子，而截留分子的相对分子量NWCO来表征超滤的分离性能。一般认为超滤的截留NWCO范围为5000100000。可分离的粒子（分子）包括病毒、蛋白质、多糖、胶粒等。反渗透可以将所有的溶质截留，只允许水分子通过。NWCO为18。纳滤：介于超滤和反渗透之间，NWCO值为1005000。二、微滤和超滤的操作特点（了解）过滤机理：筛分 过滤方式：切向过滤 过滤压差：比常规过滤高 过滤温度：取决于膜和物料的耐热性四、微滤和超滤的数学模型（理解）（一）边界层和浓差极化（理解）由于溶质分子被截留，在膜表面附近形成浓度边界层。根据费克定律：溶质将从膜表面向主体溶液扩散，直至最终形成稳定的浓度分布，这一现象称为浓差极化。浓差极化是不可避免的，它的直接后果是滤液通量的下降。通常，浓差极化层是传质的主要阻力。（二）过滤曲线（理解）固定操作条件，测定滤液的通量J，可以得到通量J随时间t变化的曲线，称为过滤曲线或动力学曲线，如图所示：I区：通量快速下降；II区：通量显著下降；III区：稳定过滤（三）压差通量曲线（理解）虚线把曲线分为：压差控制区 J与成正比扩散控制区 J近似为常数 四、超滤与微滤的操作（一）微滤和超滤的操作方式1、单级间歇操作2、单级连续操作3、多级连续操作（二）影响通量的因素和提高滤液通量的措施 1、压差的影响提高压差并不一定总能使滤液通量显著增加。如果过滤已在传质控制区，增加压差不仅不能使滤液通量增加，反而增加了膜堵塞的机会，此时最好通过减少浓度边界层厚度来增加滤液通量，可通过提高流速、安装搅拌装置等实现。 2、进料浓度的影响通量J随进料浓度cB的增加呈指数型降低。 3、温度的影响提高操作温度，可使液体黏度降低，扩散系数增大，使通量增加。但不能超过膜的耐温能力。 4、湍流程度的影响提高湍流程度可使边界层厚度减薄，使传质系数增加，可提高通量。第三节 反渗透【考核知识点和考核要求】了解：反渗透原理【课时】0.5学时【具体讲授内容】用半透膜将纯溶剂（水）与溶液隔开，在溶液侧施加大于渗透压的压强，则溶剂分子将从溶液侧向溶剂侧渗透，这一现象就是反渗透。当两侧为不同浓度的溶液时，结论相同。RO的推动力也是压强差。平衡时膜两侧的压差称为渗透压。如果半透膜两侧是两种不同浓度的溶液，则同样存在渗透现象，其方向是从稀溶液侧向浓溶液侧渗透。在浓溶液侧施加大于两溶液渗透压之差的压强，则会发生反渗透。反渗透的推动力为膜两侧的压差减去两侧溶液的渗透压差，即。第四节 电渗析【考核知识点和考核要求】了解：电渗析原理【课时】0.25学时【具体讲授内容】在直流电场作用下，电解质溶液中的离子选择性地通过离子交换膜，从而实现分离。离子交换膜：只允许一种电荷的离子通过，而将另一种离子截留的膜，分阴、阳两种。在常规电渗析器内，两种膜成对交替平行排列，料液均匀分布于各室。在电场作用下，形成交替的浓室和淡室。第五节 渗透汽化【考核知识点和考核要求】了解：渗透汽化原理【课时】0.25学时【具体讲授内容】当液体混合物与渗透