第十章其它单元操作

1、第一节第一节 膜分离膜分离第二节第二节 结晶结晶第三节第三节 吸附吸附第四节第四节 泡沫分离泡沫分离第五节第五节 超临界萃取超临界萃取一、膜分离过程简介一、膜分离过程简介二、膜二、膜三、膜组件三、膜组件四、典型的膜分离过程四、典型的膜分离过程五、膜分离过程的特点五、膜分离过程的特点1.1.膜分离法膜分离法用天然或人工合成的、具有选择透过性的薄膜，用天然或人工合成的、具有选择透过性的薄膜，以化学位或电位差为推动力，对双组分或多组以化学位或电位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的方法统分体系进行分离、分级、提纯或富集的方法统称为膜分离法。称为膜分离法。2.2.常见的膜分离法

2、常见的膜分离法微滤、超滤、纳滤和反渗透、渗析、电渗析、微滤、超滤、纳滤和反渗透、渗析、电渗析、渗析汽化、气体膜分离、液膜分离等渗析汽化、气体膜分离、液膜分离等3.3.膜分离法的应用膜分离法的应用化工、生物、医药、能源、环境、冶金等化工、生物、医药、能源、环境、冶金等1.1.膜的种类膜的种类2.2.膜材料膜材料3.3.膜的性能膜的性能物化稳定性物化稳定性分离透过性分离透过性(1)(1)膜的分类膜的分类按照膜孔径的大小可以分为：致密膜和微孔膜按照膜孔径的大小可以分为：致密膜和微孔膜按照结构分为：非对称膜、对称膜和复合膜按照结构分为：非对称膜、对称膜和复合膜(2)(2)对称膜对称膜膜两侧截面结构及形

3、态相同，且孔径与孔径分膜两侧截面结构及形态相同，且孔径与孔径分布基本一致的膜称为对称膜。布基本一致的膜称为对称膜。(3)(3)非对称膜非对称膜由致密的表层及疏松的多孔支撑层组成。由致密的表层及疏松的多孔支撑层组成。(4)(4)复合膜复合膜一种具有表皮层的非对称膜。一种具有表皮层的非对称膜。(1)(1)膜分离对膜材料的要求膜分离对膜材料的要求具有良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀具有良好的成膜性能和物化稳定性，耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化等；和耐氧化等；反渗透、纳滤、超滤、微滤用膜最好为亲水性；反渗透、纳滤、超滤、微滤用膜最好为亲水性；气体分离要求膜材料对透过组分优先吸附溶解和优先

4、扩散；气体分离要求膜材料对透过组分优先吸附溶解和优先扩散；电渗析用膜特别需要强调膜的耐酸、耐碱和热稳定性；电渗析用膜特别需要强调膜的耐酸、耐碱和热稳定性；膜萃取过程要求膜耐有机溶剂。膜萃取过程要求膜耐有机溶剂。(2)(2)常用的膜材料常用的膜材料高分子材料：纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类等高分子材料：纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类等无机材料：金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷等无机材料：金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷等(1)物化稳定性：物化稳定性：强度强度允许使用压力、温度、允许使用压力、温度、pH对有机溶剂和化学药品的抵抗性对有机溶剂和化学药品的抵抗性物化稳定性决定了膜的使用寿命物化稳定性决定了

5、膜的使用寿命(2)分离透过性分离透过性渗透通量：单位时间单位膜面积的透过物量。渗透通量：单位时间单位膜面积的透过物量。分离效率：可用截留率分离效率：可用截留率(R)、分离因子、分离因子()和和分离系数分离系数()表示表示 截留率：截留率： 分离因子：分离因子： 分离系数：分离系数：通量衰减：膜的渗透通量随时间的衰减。通量衰减：膜的渗透通量随时间的衰减。121100%ccRc11AAAAyxyxAAyx0mJJ1.1.板框式膜组件板框式膜组件2.2.螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件3.3.管式膜组件管式膜组件4.4.中空纤维膜组件中空纤维膜组件1. 1. 反渗透与纳滤反渗透与纳滤溶解溶解- -扩散理

6、论：扩散理论： 溶剂和溶质被吸附溶解于膜表面；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。溶剂和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。溶剂溶剂溶液溶液膜膜渗透渗透溶剂溶剂溶液溶液=gH平衡平衡H溶剂溶剂溶液溶液反渗透反渗透p p(1)(1)反渗透的基本原理反渗透的基本原理四、典型的膜分离过程四、典型的膜分离过程（2 2）浓度极化）浓度极化改变改变操作条件操作条件控制浓度极化：控制浓度极化： 增加原料液的流速；增加原料液的流速； 适当提高操作温度适当提高操作温度透过快的组分透过快的组分透过慢的组分透过慢的组分推动力推动力膜膜浓度极化示意图浓度极化示意图（3 3）膜的污染）膜的

7、污染 操作一定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖，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。使膜的性能下降。主要原因：主要原因：原料液处理不当所造成的。原料液处理不当所造成的。 如：如：悬浮颗粒；悬浮颗粒；膜表面结垢；膜表面结垢；细菌污染；细菌污染；金属氧化物、有机物、淤泥等。金属氧化物、有机物、淤泥等。（4 4）纳滤纳滤 纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦截截纳米数量级纳米数量级的分子。与反渗透相比，纳滤水透量大、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操作压力低、成本低纳滤可以用于

8、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。质和有机物，如印染水的脱色、饮用水的预处理等。2.2.超过滤与微孔过滤超过滤与微孔过滤超滤：截留大分子溶质，而允许低分子溶质和溶剂通超滤：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过，从而将大分子与小分子分开。也是一种。也是一种以压力差以压力差为推动力的膜分离过程。为推动力的膜分离过程。微滤超滤纳滤反渗透微粒大分子大分子小小分分子子二二价价离离子子一一价价离离子子水水微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留超滤和微滤的超滤和微滤的截留机理截留机理:物质在膜表面及微孔内的吸附、

9、在孔内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。内部网络截留。机械截留机械截留吸附吸附截留截留架桥架桥截留截留膜表面截留膜表面截留膜内部网络截留膜内部网络截留3.3.渗析和电渗析渗析和电渗析（1 1）渗析的基本原理）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膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。过膜。典型过程：典型过程：血液透析血液透析膜渗吸液溶剂渗出液原液溶质溶剂ABx1x2溶剂扩散物质渗透过程原理渗透过程原理（2 2）电渗析的基本原理）电渗析的基本原理

10、 溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而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。同其他不带电的组分分开。电渗析过程的电渗析过程的基本原理基本原理：阳膜：带负电的阳离子传递膜阳膜：带负电的阳离子传递膜阴膜：带正电的阴离子传递膜阴膜：带正电的阴离子传递膜电渗析广泛地应用于电渗析广泛地应用于苦盐水脱盐，是世界苦盐水脱盐，是世界上某些地区生产淡水上某些地区生产淡水的主要方法。的主要方法。浓溶液浓溶液稀溶液稀溶液电极冲洗液电极冲洗液原料液原料液阳阳极极阴阴极极CACA电渗吸过程原理电渗吸过程原理4.4.气体膜分离过程气体膜分离过程(1)(1)气体膜分离的机理气体膜分离的机理

11、 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体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。的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数：描述气体通过高分子膜的主要参数：渗透率渗透率P：描述膜的气体透过性：描述膜的气体透过性；渗透系数渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所透过气体的量用下所透过气体的量；分离系数分离系数：描述气体分离膜的选择性，一般将其定：描述气体分离膜的选择性，一般将其定义为两种气体义为两种气体i i，j j渗透系数之比。渗透系数之比

12、。（2 2）气体膜分离的主要应用）气体膜分离的主要应用 氢气的回收利用；氢气的回收利用； 从空气中制取富氮气体和富氧气体。从空气中制取富氮气体和富氧气体。5.5.渗透蒸发过程渗透蒸发过程 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。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：区别于其他膜过程的重要特点是有相变。假设过程

13、分两步完成： 进料液体在膜进料侧蒸发形成饱和蒸汽，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。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。主要应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离。 1.除渗透气化外，膜分离过程不发生相变，除渗透气化外，膜分离过程不发生相变，和其他方法相比较能耗较低；和其他方法相比较能耗较低； 2.膜分离过程通常在常温下进行，因而特膜分离过程通常在常温下进行，因而特别适宜与对热敏物质，如对果汁、酶、药别适宜与对热敏物质，如对果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩等过程；品等的分离、分级、浓缩等过程； 3.膜分离技术

14、适用范围广；膜分离技术适用范围广； 4.膜分离装置简单、操作容易、易控制、膜分离装置简单、操作容易、易控制、维修，且分离效率高。维修，且分离效率高。应用应用水的脱盐水的脱盐和净化和净化食品工业食品工业医疗、卫生方面医疗、卫生方面石油、化石油、化工方面工方面环境工程环境工程其他方面其他方面海水与苦海水与苦咸水淡化咸水淡化电厂锅炉电厂锅炉供水脱盐供水脱盐超纯水制备超纯水制备城市家庭饮城市家庭饮用水的净化用水的净化乳品乳品加工加工酒类酒类生产生产果汁果汁加工加工酶制剂酶制剂生产生产医疗、卫医疗、卫生用水生用水药品生产药品生产医疗应用医疗应用中药提炼中药提炼回收有机蒸气回收有机蒸气制取富氧空气制取富氧

15、空气无水乙醇生产无水乙醇生产膜与生膜与生物技术物技术国防上国防上的应用的应用交通、交通、运输方运输方面面脱脱气气膜膜电泳漆电泳漆废水废水电镀废电镀废水水纤维纤维工业工业废水废水造纸造纸工业工业废水废水其他废其他废水水膜法处理乳清膜法处理乳清一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念结晶是固体物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔结晶是固体物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔融物中析出的过程，是获得高纯固体物质的基融物中析出的过程，是获得高纯固体物质的基本单元操作。本单元操作。结晶可以分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶结晶可以分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶和沉淀结晶。和沉淀结晶。其中溶液结晶、熔融结晶是化学工业中最

16、常采其中溶液结晶、熔融结晶是化学工业中最常采用的结晶方法。用的结晶方法。能获得纯净的晶体；能获得纯净的晶体；能耗少，操作温度抵，对设备要求不高，三废能耗少，操作温度抵，对设备要求不高，三废排放少；排放少；结晶属于热、质同时传递的过程，影响操作的结晶属于热、质同时传递的过程，影响操作的因素复杂多边；因素复杂多边；结晶产品包装、运输、贮存或使用都很方便。结晶产品包装、运输、贮存或使用都很方便。众多的化工产品都是用结晶的方法分离或提纯众多的化工产品都是用结晶的方法分离或提纯得到的晶态物质。如：糖和盐，化肥等得到的晶态物质。如：糖和盐，化肥等医药、染料、精细化工方面医药、染料、精细化工方面冶金、材料工

17、业中，结晶也是重要的单元操作；冶金、材料工业中，结晶也是重要的单元操作；在高新技术领域的应用。如：生物技术中蛋白在高新技术领域的应用。如：生物技术中蛋白质的制造，催化剂行业中超细晶体的生产，新质的制造，催化剂行业中超细晶体的生产，新材料中超纯物质的净化等。材料中超纯物质的净化等。第三节第三节 吸附吸附一、一、 固体表面上的吸附作用固体表面上的吸附作用吸附吸附：在一定条件下，一些物质的分子、原子或离子在一定条件下，一些物质的分子、原子或离子能自动地附着在某些固体表面上的现象。能自动地附着在某些固体表面上的现象。吸附剂吸附剂：具有吸附作用的物质；具有吸附作用的物质；吸附质吸附质：被吸附的物质。被吸

18、附的物质。物理吸附物理吸附：吸附力为分子间力的吸附；：吸附力为分子间力的吸附；化学吸附化学吸附：吸附力为化学键力的吸附。：吸附力为化学键力的吸附。平衡吸附量平衡吸附量（吸附量或吸附容量）：吸附达到平衡（吸附量或吸附容量）：吸附达到平衡时，吸附剂单位面积（或单位质量）上吸附气体的时，吸附剂单位面积（或单位质量）上吸附气体的物质的量或标准状况下的体积。物质的量或标准状况下的体积。二、二、 吸附分离过程的分类吸附分离过程的分类变温吸附分离变温吸附分离 温度温度 吸附容量吸附容量 ， 而温度而温度 吸附容量吸附容量 故低温吸附分离，高温再生吸附剂故低温吸附分离，高温再生吸附剂。变压吸附分离变压吸附分离

19、 恒温下，恒温下，分压分压 吸附容量吸附容量 ， 而分压而分压 吸附容量吸附容量 故加压吸附分离，减压再生吸附剂。故加压吸附分离，减压再生吸附剂。 变浓度吸附分离变浓度吸附分离 用溶剂置换，改变吸附组分的浓度，使吸附剂解吸。用溶剂置换，改变吸附组分的浓度，使吸附剂解吸。 色谱吸附分离色谱吸附分离 包括气相、液相、离子交换、凝胶色谱包括气相、液相、离子交换、凝胶色谱。 循环吸附分离技术循环吸附分离技术 固定吸附床经热力学参数和移动相周期性地改变，从而使固定吸附床经热力学参数和移动相周期性地改变，从而使 混合物得以分离的技术混合物得以分离的技术。 三、吸附剂三、吸附剂（1 1）对吸附剂要求）对吸附

20、剂要求 良好的选择性、较高的吸附容量、较高的机械强度。良好的选择性、较高的吸附容量、较高的机械强度。（2 2）吸附剂种类）吸附剂种类 天然吸附剂，如活性铝土矿、漂白土、硅藻土等；天然吸附剂，如活性铝土矿、漂白土、硅藻土等； 硅胶；硅胶； 活性氧化铝；活性氧化铝； 活性炭；活性炭； 合成沸石分子筛。合成沸石分子筛。四、吸附分离的应用四、吸附分离的应用 气体和液体的去湿气体和液体的去湿 如：氟里昂脱水如：氟里昂脱水。 气体的分离和净化气体的分离和净化 如：工业生产中的原料气脱除其中的如：工业生产中的原料气脱除其中的COCO2 2、H H2 2S S、COCO、SOSO2 2 等微量杂质。等微量杂质

21、。 气体中少量溶剂的回收气体中少量溶剂的回收 如：油漆或轻纺工业中，排出的气体内溶剂蒸汽（苯、如：油漆或轻纺工业中，排出的气体内溶剂蒸汽（苯、 丙酮、二硫化碳）的回收丙酮、二硫化碳）的回收。 有机烷烃和芳烃的分离和精制有机烷烃和芳烃的分离和精制 如：间如：间- -二甲苯和对二甲苯和对- -二甲苯的分离、碳水化合物中的果糖二甲苯的分离、碳水化合物中的果糖 和葡萄糖的分离等和葡萄糖的分离等。 鼓泡和泡沫分离也称为鼓泡吸附分离，简称为泡沫鼓泡和泡沫分离也称为鼓泡吸附分离，简称为泡沫分离，是以气泡为介质，以组分的分离，是以气泡为介质，以组分的表面活性差表面活性差为分为分离依据的一种分离方法。离依据的一

22、种分离方法。 一、基本原理一、基本原理泡沫吸附分离的依据是溶液或悬浮液中各组分的泡沫吸附分离的依据是溶液或悬浮液中各组分的表面活性表面活性的差别。的差别。表面活性物质分子表面活性物质分子结构不对称结构不对称，在水中的表面活，在水中的表面活性物质有在性物质有在界面富集的倾向界面富集的倾向，在含有表面活性物，在含有表面活性物质的水溶液中通入空气时，表面活性物质就会在质的水溶液中通入空气时，表面活性物质就会在气泡上富集，并随气泡上浮移出泡沫塔得到分离。气泡上富集，并随气泡上浮移出泡沫塔得到分离。泡沫的性质；泡沫的性质；表面活性剂的性质和浓度；表面活性剂的性质和浓度；温度；温度；溶液溶液pHpH值；值

23、；离子强度；离子强度；流动条件。流动条件。医药生物工程中蛋白质、酶、病毒、细菌的分医药生物工程中蛋白质、酶、病毒、细菌的分离；离；工业污水中金属离子的回收以及海水中金属的工业污水中金属离子的回收以及海水中金属的富集及放射性元素的废水处理；富集及放射性元素的废水处理；选矿。选矿。 超临界流体萃取是超临界流体萃取是利用超临界流体作为萃取剂，利用超临界流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出待分离的组分的分离方法从液体或固体中萃取出待分离的组分的分离方法。 一、超临界流体及其性质一、超临界流体及其性质 超临界流体是指温度和压力处于临界点以上的流体超临界流体是指温度和压力处于临界点以上的流体。 在超临界状

24、态下，在超临界状态下，流体兼有气液两相的双重特点流体兼有气液两相的双重特点：具：具有与气体相当的高扩散系数和低粘度，与液体相近的有与气体相当的高扩散系数和低粘度，与液体相近的密度和对物质良好的溶解能力。密度和对物质良好的溶解能力。 流体的流体的溶解能力对体系的温度和压力变化十分敏感溶解能力对体系的温度和压力变化十分敏感，可以通过改变体系的温度和压力来调节组分溶解度。可以通过改变体系的温度和压力来调节组分溶解度。 利用超临界流体的这一性质进行分离操作效果良好，利用超临界流体的这一性质进行分离操作效果良好，而且过程无相变，能耗低。而且过程无相变，能耗低。1.1.用作萃取的超临界流体用作萃取的超临界流体应具备的条件应具备的条件 对被萃取溶质有良好的溶解能力和选择性；对被萃取溶质有良好的溶解能力和选择性； 临界温度应接近室温或操作温度并低于被萃临界温度应接近室温或操作温度并低于被萃取溶质的分解温度；取溶质的分解温度； 临界压力低；临界压力低； 化学性质稳定，对设备无腐蚀性，价廉易得。化学性质稳定，对设备无腐蚀性，价廉易得。 用于医药、食品工业时，必须无毒。用于医药、食品工业时，必须无毒。2.2.常用作萃取剂的临界流体常用作萃取剂的临界流体二氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丙醇二氧化碳、乙烷、乙