分离术膜的传递模型教学课件

1、分离技术膜的传递模型周民杰膜传递模型 models of the membrane transports膜的功能膜的功能the basic forms of transport1. simple diffusion（被动传递）（被动传递）2. facilitated diffusion （被动传递）（被动传递）3. active transport（主动传递）（主动传递）4. group translocation （分子输送反应）（分子输送反应）5. cytosis （细胞吞吐）（细胞吞吐）膜内传递的三种典型方式膜内传递的三种典型方式膜分离过程的推动力与传质膜分离过程的推动力与传质膜的促进传

2、递机理膜的促进传递机理流动及固定载体促进传递流动及固定载体促进传递尿素透过固定化尿酶膜尿素透过固定化尿酶膜氯离子传递分离膜氯离子传递分离膜光敏促进传递分离光敏促进传递分离active transport膜传递模型的分类膜传递模型的分类1. 不可逆热力学为基础的模型不可逆热力学为基础的模型 （irrersible thermodynamics models）a. 引进耗散函数引进耗散函数i（表示自由能的减少速率）（表示自由能的减少速率）b. 不考虑膜结构及性质（黑箱、灰箱）不考虑膜结构及性质（黑箱、灰箱） kedem-kathalsky spiegler- kedem2. 与膜结构和性质有关的传

3、递模型与膜结构和性质有关的传递模型非平衡热力学模型非平衡热力学模型稳态体系的耗散函数积分方程稳态体系的耗散函数积分方程 m 为整个膜的耗散函数 x为膜厚 为化学位xniiixdxgradjdx010)(niiimj1)(1iniigradj单溶质的稀水溶液体系单溶质的稀水溶液体系 假定为稀溶液，引进假定为稀溶液，引进gibbs-duhem 方程，方程，用相关变量替代溶质与溶剂的化学位，可用相关变量替代溶质与溶剂的化学位，可得：得：sswwmjj)(wswdvmvvvjpj下标w与s分别代表溶剂与溶质线性定律线性定律ddpdpdpvlpljlpljkedem-katchalsky 模型式中，式中

4、，lp 为为 水力渗透系数（水力渗透系数（过滤系数）；过滤系数）； 为反射系数，其范围在此期为反射系数，其范围在此期0与与1之间之间; 为溶质渗透系数。为溶质渗透系数。vsspvjcjplj)1 ()(kedem-katchalsky 模型0)(pjlvp0)(vjp0)(vjsj应用条件应用条件1. 对小流量和低浓度，模型的误差较小；对小流量和低浓度，模型的误差较小；2. 对大流量和高浓度，维象系数与浓度有关；对大流量和高浓度，维象系数与浓度有关；3. lp 、对浓度影响不敏感。对浓度影响不敏感。lp的的估算值估算值 膜过程膜过程lp/l （m2h.atm） 反渗透、纳滤反渗透、纳滤 50

5、超滤超滤 50500 微滤微滤 500spiegler-kedem 模型模型 把线性定律用于膜的局部区域（微分形式）把线性定律用于膜的局部区域（微分形式）)()()()(dxdldxdljdxdldxdljssswswsswswwwwspiegler-kedem 模型模型)1()()()(00dxdpvdxdcdxdpvdxddxddxdpvdxdvdxdpvdxddxdssssswwwwwspiegler-kedem 模型模型假定：假定： ,wwcv1dxdcdxdss1)(dxdcllclvjvlljdxdclcldxdpvljssswwswswwwwwswsswwwwswwww)()1

6、()(spiegler-kedem model近似取近似取dxddxdcpjdxddxdppjssshv)1 (vwwjvjcoefficients of spiegler-kedem model xrtpxplccllshpswwwws1)(,22sswwwssswwwhlllcrtpvlp以传递机理为基础的模型以传递机理为基础的模型 孔流模型孔流模型 表面力表面力-孔流动模型孔流动模型孔流作用的影响孔流作用的影响1.当料液浓度小于当料液浓度小于0.05时，孔流量占总流量的时，孔流量占总流量的2%；2.当料液浓度为当料液浓度为0.1左右，孔流量占总流量的左右，孔流量占总流量的8；3.当料液浓

7、度为当料液浓度为0.5时，孔流作用增至时，孔流作用增至20。孔流模型孔流模型xskpjxprjvv)1 (832优先吸附毛细孔流动机理优先吸附毛细孔流动机理1960年年 sourirajan 教授提出教授提出表面力表面力-孔流动模型孔流动模型)()()()(21000)ln(12211ammammamsaparwxcxcdjxxpapajcddrttaddrt与膜结构和性质有关的传递模型与膜结构和性质有关的传递模型1. 几何几何 孔径、孔径分布、孔隙率、曲折因子孔径、孔径分布、孔隙率、曲折因子2. 膜特性膜特性 物理物理 溶质与溶剂的溶解度、溶胀比溶质与溶剂的溶解度、溶胀比3. 传递传递 溶质

8、与溶剂的扩散系数溶质与溶剂的扩散系数已知以上性质，可以用模型预测或估算通量和分离因子已知以上性质，可以用模型预测或估算通量和分离因子典型的传递模型典型的传递模型1. 溶解溶解-扩散模型（扩散模型（lonsdals, 1965）2. 溶解溶解-扩散不完全模型扩散不完全模型 （sherwood）膜传递机理和模型研究较多的过程为反渗膜传递机理和模型研究较多的过程为反渗透、超滤，但某些结论也适用于其他膜过透、超滤，但某些结论也适用于其他膜过程。程。问题：问题：1. 模型很多，但许多观点尚未论证及公认；模型很多，但许多观点尚未论证及公认；2. 基于某些假定的传统机理，其应用有局限基于某些假定的传统机理，

9、其应用有局限性。性。溶解扩散模型溶解扩散模型假定：假定： 1.溶质和溶液溶解在膜表皮层；溶质和溶液溶解在膜表皮层；2.从膜上游侧扩散传递到膜下游从膜上游侧扩散传递到膜下游侧；侧；3.从膜下游侧解吸从膜下游侧解吸cibcircimcilcipcimsolution-diffusion model式中式中, 为溶剂的渗透参数；为溶剂的渗透参数； p为膜两侧压力差；为膜两侧压力差； ki为平衡分配系数；为平衡分配系数； cr，cp分别为膜上游溶液中溶质的浓度和透过产品中溶质的分别为膜上游溶液中溶质的浓度和透过产品中溶质的浓度。浓度。)(plrtvcdjwwwwlrtvcdawwwlcckdjprii

10、mi)(溶解扩散不完全模型溶解扩散不完全模型 sherwood 等认为，膜内存在微孔，有一部分组等认为，膜内存在微孔，有一部分组分不是以溶解扩散渗透通过膜，而是通过微孔分不是以溶解扩散渗透通过膜，而是通过微孔透过膜。透过膜。 式中，式中，k1、k2、k3 分别为与溶质扩散和孔内流动分别为与溶质扩散和孔内流动有关的常数有关的常数rprrsswwwwpckcckpckjnpckpkpckjn323313)()(膜的临界孔径和水层厚度膜的临界孔径和水层厚度kimura-sourirajan model 式中，a为水的渗透系数；p 、分别为膜两侧的压力差和溶液渗透压差； 为溶质的渗透系数, 其与溶质性

11、质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。其中dam为溶质在膜中的扩散系数；cr、cp分别为膜两侧溶液浓度，若过程中有浓差极化现象存在，则为紧靠膜表面的溶液浓度；xar、xap分别为膜两侧溶液中溶质的摩尔分数。)()(aparaxxpaj)(apparraamsxcxckdjaamkdk-k模型和溶解扩散不完全模型关系模型和溶解扩散不完全模型关系rpckkkkrtkkklkkk3131231311transport through membranes:a unified approach the flux of component i v-the diffusional flow; u-the c

12、onvective flow. the main term in any discretion of transport through porous membranes; for nonporous, only diffusional flow contributes to transport.)(uvcjiiiconvective flow and diffusional flow poiieuille equantion solution diffusion model note: in going from porous to nonporous membranes, an inter

13、mediate region exists where both contributions have to be taken into account. smxprjw/1021010810)10(25. 06 . 083435272smxrtddxdljwwpw/101102500210849transport in ideal and interactive systems p=sdpermeability（p） =solubility（s）xdiffusitive（d）time-leg method for gas permeation if the diffusion coeffic

14、ient follows a linear function of concentrationnnntltdnnlcdltldcq122222121)exp() 1(2)6()1 (0cdd2114116002ccdltime-leg method for gas permeation在在t=0时，渗透通量为零，在时，渗透通量为零，在t时刻气体渗时刻气体渗透通过膜的量为透通过膜的量为qt,当当t趋向无穷大时，可得趋向无穷大时，可得:将将qt 对对t作图，可得一曲线，当作图，可得一曲线，当t很大时为很大时为直线，其斜率为（直线，其斜率为（d/）（）（c1-c2）,t 的截的截矩为：矩为：通常通常

15、c2c0=0，则，则延滞时间延滞时间: 20/ 6ld236)(20222121dlcdlcdlctccldqt236)(120222121dlcdlcdlccctime-leg measurement of gas permeationdetermination of the solubility coefficient 对对t 的关系呈直线，从其斜率可得扩散系数的关系呈直线，从其斜率可得扩散系数:22222081(21)1exp(21)tmdntmnl 22ln(1/)tdmmlddt ln 1tmmdiffusion coefficient for short times or 24ld

16、tmmt212049.0tld diffusion coefficient for long times or )exp(8122ldtmmtdtmmdldt)1ln(82interactive systemsfor non-ideal systems, the main difference with ideal systems is:1. the solubility can no longer be described by henrys law; 2. the diffusion coefficient is not a constant.permeabilities of various components in polydimethylsiloxane at 40ccomponent permeability（barrer）nitrogen280oxygen600methane940carbon dioxide3200ethanol53000methylene chloride1930001,2-dichloroethane248000carbon tetr