分离技术课件(电渗析后)

第五节电渗析一、基本原理①在直流电场作用下，②利用离子交换膜的选择透过性，③产生阴阳离子的定向迁移，④达到溶液分离、提纯和浓缩的传递过程。离子交换膜：高分子材料制成，具离子交换基团的薄膜可离解的活性基团：①磺酸型阳膜－SO3H

②季胺型阴膜－N(CH3)3OH

在水溶液中解离：

R-SO3ˉ-H＋

R－N＋(CH3)3－OHˉ电渗析的原理（以盐水中NaCl的脱除为例）:

反离子迁移：与膜所带电荷相反的离子穿过膜的现象膜上的反离子(H＋、OHˉ)进入溶液，固定基团吸引溶液中的异性电荷离子，∴具选择性

脱除离子的基本条件：

①直流电场使阳、阴离子定向运动阳离子→阴极，阴离子→阳极②离子交换膜的选择透过，溶液中离子作反离子迁移二、电渗析中的传递过程1、反离子迁移为主要传递过程，起脱盐分离作用2、同性离子迁移

与膜的固定基团带相同电荷的离子透过膜（∵膜选择性<

100%）但量很少3、电解质的浓度扩散膜侧两室的浓度差，电解质由浓缩室→淡化室4、水的渗透淡水室水含量↑，渗透压作用，水由淡水室→浓缩室，淡水大量损失

5、水的电渗透由于水合作用，水与离子一起迁移

6、水的电渗析浓差极化时，水→OHˉ、H＋，从淡水室→浓缩室

2－6过程使效率↓，电耗增加应选合适的膜、操作条件、电渗析器，抑制三、电极反应浓、淡隔室及膜中，导电为离子型，而电极上为电子型离子在电极上得失电子,发生氧化、还原反应电极反应以食盐水为例，电极反应：阳极：结果：◊阳极室OH－减少，极水呈酸性，有Cl2↑,O2↑腐蚀电极◊阴极室H＋减少，极水呈碱性，Ca2+、Mg2+、HCO3－存在，生成CaCO3↓、Mg(OH)2↓(水垢)，还有H2↑抑制措施：向极室通极水，排除电极反应的产物阴极：反离子在膜内的迁移数大于在溶液中的迁移数，在膜两侧形成反离子的浓度边界层。

阳膜两侧边界层的浓度分布及阳离子迁移四、浓差极化和极限电流密度

tA、tA：阳离子在膜内和溶液中的迁移数JA(e)、JA(e)：---------------------电迁移通量

i

：电流密度

Z

：阳离子A的价数

F

：法拉第常数∵JA

(e)>JA(e)

膜面右侧阳离子浓度下降，引起浓度差传递JA

(d)

DA：阳离子A+的扩散系数

dC/dx：---------浓度梯度设边界层内为层流，且DA为常数，则上式积分为：C0、C2：溶液主体与阳膜右侧界面溶液中A+的浓度过程达稳态时：

当i>ilim，C2=0，迫使水解离由H＋传递电流，此为电渗析的极化现象实际i<

ilim◊

阴膜两侧也会产生极化

当i↑，浓差ΔC↑，C2↓；当i增大到一定程度，C2→0，ΔC→C0，此时的i称极限电流ilim

影响极限电流密度ilim的因素：膜种类、离子种类、离子浓度、温度、水流速、隔板结构形成等。

ilim↑，生产能力↑，生产效率↑→提高电渗器的性能影响浓差极化的因素：①离子性质与膜的性质：DA,tA,tA,Z②溶液的浓度C0：C0小

，

ilim小③温度：温度高，DA大，ilim大，有利④边界层的厚度：小，ilim大，有利

与流速、膜间流道间距、溶液粘度有关流速高，间距小，粘度低，小，有利

浓差极化的危害：①易形成沉淀的离子在膜面产生沉淀，膜电阻↑，有效面积↓②水电离和H＋、OHˉ的迁移损耗电流，电流效率↓，电耗↑③极化时的pH值变化,造成膜腐蚀，缩短寿命减轻浓差极化的措施:①控制电流,使其低于极限电流密度②提高淡化室两侧离子的传递速率③定期清洗或采用防垢剂和倒换电极等措施消除沉淀,也可对水进行预处理,除去易沉淀的离子④提高温度,减小溶液粘度,增大DA

—高温电渗析五、电渗析的流程多采用板框式阴极－阴膜－浓缩室隔板－阳膜－淡化室隔板－阴膜－浓缩室隔板－阳膜－阳极等构成组件为减轻浓差极化，电流密度不能太高，水流速不能太低，故水经淡化室一次除去的离子量有限，∴据原水含盐量与脱盐要求，采用不同流程一+出水进水二段电渗析器串联，提高脱盐率一次连续脱盐流程循环操作流程（间歇）六、电渗析法的应用

1、水的脱盐纯化和浓缩：①与离子交换结合制高纯水②苦咸水和海水淡化③海水、盐泉卤水浓缩制盐日本

增加产量，降低成本（与真空蒸发制盐比较）

与蒸馏法、萃取法、离子交换法、反渗透法相比,电渗析脱盐的特点：（1）仅用电能，连续操作，不需再生（反渗透用高压）（2）无物质状态的变化，耗能较小（3）设备简单，操作方便（4）电极上的氧化、还原反应可利用

电渗析法纯化水还有以下特点：（1）脱盐能耗与含盐量成正比，只适用于含盐量低的

苦咸水脱盐，不适合含盐量高的海水淡化（2）当原水含盐浓度过低时，溶液电阻大，也不经济∴制高纯水采用电渗析和离子交换结合

2、废水处理：

废水净化、重新利用并回收其中有价值的组份①从金属酸洗废水中回收酸与金属②从电镀废水中回收Cu、Zn、Ni、Cr等金属③从合成纤维厂废水中回收ZnSO4、Na2SO4等④从造纸废水中回收碱、Na2SO3、木质素等

木质素：世界第二位最丰富的有机物(纤维素第一)，造纸黑液

由四种醇的单体(对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂的酚类聚合物

废弃物资源化与可再生资源的利用,是当代经济与社会发展的重大课题。自然界中,

木质素储量仅次于纤维素,且每年以500亿吨的速度再生。制浆造纸业每年要从植物中分离出大约1.4

亿吨纤维素,同时得到5000万吨左右的木质素副产品。但迄今为止,超过95%木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉,很少得到有效利用。

化石能源日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素经济效益的可持续发展性。木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能，可作为分散剂、吸附/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂。木质素对人类可持续发展最重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源，应用前景十分广阔。3、医药、食品工业①葡萄糖、甘露醇、维生素C

等的脱盐②牛奶、乳清的脱盐(与超滤、反渗透结合使用)③有机物中酸、碱、盐的脱除

¤果汁中过量柠檬酸的脱除两侧均用阴膜，酸根一侧渗出，另侧渗入OHˉ与H＋中和

¤

柠檬酸钠柠檬酸阳膜4、化工生产中离子性物质与非离子性物质的分离5、离子膜电解

氯碱生产（举例，1975年后）

Na+OHˉClˉH2ONaCl浓溶液膜阴极阳极Cl2,NaCl稀溶液NaOH溶液,H2离子膜电解法示意图第六节气体膜分离一、基本原理气体膜分离：利用气体混合物中各组份在致密膜中渗透速率的不同使各组份分离的过程。压缩机渗透气渗余气真空泵原料气气体膜分离过程示意图

推动力：压力差机理复杂，有多种机理模型按简单的溶解－扩散模型，气体透过膜的步骤：①膜高压侧，气体中易渗组份溶解在膜表面②溶解组份通过分子扩散从高压侧传递到低压侧③膜低压侧表面组份解吸到气相∴气体透过膜为溶解、扩散、解吸过程

纯气体在高分子膜中的溶解平衡可用亨利定律表示：

C＝HP

据费克定律，稳态条件下，气体在膜中扩散通量：

J：气体扩散通量C1、C2：气体组份在膜高压侧与低压侧表面的浓度

D：扩散系数

δ：膜厚若膜两侧温度相同(H相等)，则：

P1、P2：高压侧、低压侧气体的压力

Q：气体组份通过膜的渗透率Q＝D·H

二组份气体混合物透过膜的理想情况：即假设一种组份对膜的渗透不受另一组份透过的影响两组份i、j的渗透通量：

分离系数：

x、y：高压侧、低压侧摩尔分率对i.g.(理想气体)，摩尔比等于分压比(道尔顿定律)

1：高压侧2：低压侧∵膜低压侧两组份分压比等于两组份渗透通量之比?可证明：

当低压侧压力比高压侧压力小得多时：

P2/P1≈0

P2j/P1j≈0

即两组份分离系数等于在膜中渗透率之比

由于扩散组份分子间和扩散组份分子与高分子膜间的相互作用，一个组份的渗透通量受其它组份的同时渗透而改变，具体模型可参阅有关文献。

扩散型

溶解度型

(都决定膜的选择性)二、影响渗透通量与分离系数的因素1、膜材料

(决定因素)

¤

高分子聚合物:

醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜、含氟聚合物、有机硅等对膜改性或进行交链处理，可使αij↑¤除高分子膜外,可用金属箔、玻璃等无机膜2、膜厚

δ↓，J↑，采用复合膜(超薄膜＋多孔基膜)，J↑

致密活性层薄，生产能力↑

3、温度

T↑,H↓，但D↑，比较而言，T对D的影响大∴总体上，T↑，J↑

4、压力

ΔP↑，J↑

实际ΔP受能耗、膜强度和制造费用的限制应综合考虑三、气体分离膜与设备

1、膜要求：渗透通量大，分离系数高(或选择性高)另外有较高的机械强度采用复合膜(包括非对称性膜)①

阻力型复合膜表层薄而致密，但因有孔隙,

降低，涂易渗材料构成薄层(堵孔),↑加试剂(三氟化硼处理聚砜膜)，减小孔隙②起分离作用的超薄膜与多孔基膜形成复合膜（常用）优点：活性层材料的选择余地大(但制造困难)

2、膜分离设备（1）中空纤维管式膜器用阻力型复合膜(如聚砜表面涂聚甲基硅氧烷)

例：合成氨弛放气中H2的回收（2）卷式膜器醋酸纤维素非对称膜例：

H2、CO2、H2S、H2O(气)与烃的分离

O2、N2的分离四、分离流程一般串级使用，组成级联，四种类型1、简单级联（与简单蒸馏对比）每级渗透气作为下一级进料气，每级排出渗余气，末级渗透气作为产品。2、精馏级联每级渗透气作为下一级进料，末级渗透气为易渗产品，第一级渗余气为难渗产品。各级渗余气回流，部份易渗产品回流，易渗产品纯度与产量↑(比简单级联)渗透气串联及回流，提高易渗产品的纯度渗余气回流提高易渗产品的产量？3、提馏级联每级渗余气作下一级进料，末级渗余气为难渗产品，第一级渗透气为易渗产品，后各级渗透气回流进前一级特点：难渗产品的

纯度与产量(因渗透气回流)高

（比简单级联）4、完全级联精馏与提馏级联组合，易渗与难渗产品纯度与产量↑五、应用气体膜分离既无相变化，又不用质量分离剂，节能

用于提取或浓缩有用成份

1、工业气体中氢回收①合成氨弛放气中H2的回收回收96%的H2，经济效益↑大连化物所，H2、N2膜分离器②炼厂气中H2的回收

i)从催化重整尾气中回收H2ii)

从渣油催化裂化干气(H2

=10-30%)中回收H22、氧氮分离制O2含量30-40%的富氧空气(医疗和工业炉助燃)同时得含氮量高的N2

(惰气保护、管道吹洗、加压、水果库存保护气)3、从天然气(含He5%)中提取氦经二级分离可将氦浓缩到82%左右膜材料：聚醋酸纤维或氟塑料4、CO2的分离（醋酸纤维非对称性膜）①从天然气中分离CO2以提高CH4含量油井压CO2降低油的黏度,用膜分离。②除发酵法产生的生物气中的CO2，以提高热值

渗透汽化分离原理汽化第七节渗透汽化(Pervaporation)一、基本原理

有相变的膜渗透过程将液体混合物在一侧与膜接触，另一侧维持较低的易渗组分的蒸汽压。由于蒸汽压的差异，易渗组分较多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜另一侧汽化抽出。

按溶解-扩散模型，被分离组分通过膜的传递分三步：（1）被分离组分在膜上游表面吸附并溶解

（液固平衡）（2）在膜内以分子扩散形式通过膜（3）在膜下游表面脱附并汽化

（固气平衡）

据造成膜两侧蒸汽压差的方法不同，渗透汽化主要有三种形式：（1）真空渗透汽化膜透过侧用真空泵抽真空，造成膜两侧组分蒸汽压差（2）载气吹扫渗透汽化

载气吹扫膜的透过侧，带走透过组分（3）热渗透汽化料液加热和透过侧冷凝，形成膜两侧蒸汽压差原液渗透液渗余液冷凝器真空泵

原液渗透液渗余液冷凝器载气原液渗透液渗余液冷凝器加热器真空渗透汽化载气吹扫渗透汽化

热渗透汽化

渗透汽化示意图

工业生产中常采用真空与热渗透汽化结合的方式二、渗透汽化膜致密均质膜、复合膜或非对称膜，其中复合膜应用最广表征膜分离性能的主要参数：①分离系数②透过速率(或渗透通量)

要求：分离系数大、渗透通量大（但矛盾）

在选膜和制膜时,需据具体情况进行优化三、应用渗透汽化过程复杂，原料组成对分离性能影响大一般用于普通蒸馏难分离的近沸物或恒沸物或液体混合物中除少量杂质

推动力为膜两侧组分的浓度差或分压差分离主要受组分在膜内渗透速率限制(控制步骤)，

不受组分在膜两侧平衡条件的限制

¤优点：分离系数大

¤

缺点：通量小，有相变，需提供汽化热（1）恒沸物的分离典型过程:工业乙醇脱水制无水乙醇（易透?

膜）分离能耗比恒沸精馏低得多，已大规模工业应用含水量大的恒沸物:

如丙醇-水(71%)，异丙醇-水(88%)的分离

渗透汽化与精馏结合⌂流程(2)

近沸点有机物的分离如苯/环己烷（沸点80.1和80.7C）丁烷/丁烯等的分离(3)

混合物中少量杂质的分离从废水中除去有机污染物(如含氯的化合物、酚等)第八节膜接触器(MembraneContactors)

一、概述

传统分离单元操作如蒸馏、吸收、萃取等也可通过膜来实现，即为膜蒸馏、膜吸收、膜萃取。膜过程与常规分离过程结合，是开发中的新型膜分离技术，也是今后膜过程的发展方向。

实现上述膜过程的设备，统称膜接触器。膜接触器是以多孔膜为传递介质实现两相传质的装置其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在微孔膜表面开孔处的两相界面上接触而进行传质优点：①具极大的两相传质面积比气体吸收器大30倍以上，比液-液萃取器大500倍以上

②操作范围宽高流量下不会造成液泛、雾沫夹带等不正常操作低流量下不致滴液，能正常操作缺点：传质中引入一个新相—膜膜的存在影响总传质阻力，程度取决于膜和体系性质依据气液传递相的不同，膜接触器分：

①气-液（G-L）型:（一相为气(汽)

体，另一相为液体）②液-气（L-G）型:（一相为液体，另一相为气(汽)体）③液-液（L-L）型（两相均为液体）气-液型中，气体或蒸汽从气相传递到液相液-气型中，气体或蒸汽从液相传递到气相传质方向传质方向传质方向

液体液体

气体液体

液体气体

膜接触器类型a气-液接触器b液-气接触器c液-液接触器(a)(b)(c)透过组分在膜接触器中传递包括三个步骤：①从原料相主体到膜的传递②在膜内微孔的扩散传递③从膜到渗透物相的传递K—总传质系数:原料相、膜及透过物相的传质分系数Δc

:原料相与透过物相中透过组分的浓度差

传质总阻力由三部分组成:

即①原料相边界层的阻力②膜阻③透过物相边界层的阻力传递过程的通量表示为：二、膜蒸馏(MembraneDistillation)1、概述膜蒸馏是一种处理水溶液的新型膜分离过程所用膜是不被料液润湿的多孔疏水膜，膜一侧是加热的待处理水溶液，另一侧是低温冷水或其它气体由于膜疏水，水不会从膜孔中通过，但由于膜两侧水蒸汽压差存在，水蒸汽通过膜孔，从高蒸汽压侧传递到低蒸汽压侧传递过程的三个步骤：①水在料液侧膜表面汽化②汽化的水蒸汽通过疏水膜孔扩散③在膜另侧表面上冷凝为水

膜蒸馏推动力是水蒸汽压差，一般通过膜两侧温差来实现，所以膜蒸馏属于热推动过程据水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸馏可分为①直接接触式热料液和冷却水与膜两侧直接接触②气隙式用空气隙使膜与冷却水分开，水蒸汽需要通过气隙到达冷凝板上才能冷凝③减压式透过膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝④气扫式利用不凝的吹扫气将水蒸汽带入冷凝器中冷凝吹扫气冷凝水气隙

膜蒸馏类型(a)直接接触式(b)气隙式(c)减压式(d)气扫式冷却水热料液(a)冷却水热料液(b)冷凝水热料液真空泵冷凝水热料液(c)(d)2、影响膜蒸馏过程的因素：

1）膜材料与结构：微孔疏水膜

疏水性差，分离效率低开孔率大，渗透通量大2）热侧和冷侧液体的温度

热侧温度高，冷侧温度低，推动力大，通量大3）溶液浓度

浓度高，水蒸汽压低，粘度大，传质传热慢，通量小

水汽通过膜最慢，溶液主体与膜表面处浓差小，所以

膜蒸馏的浓缩溶液可接近饱和浓度4）两侧压差

两侧均常压，压差尽可能小

若压差大，溶液可能穿过膜孔流向另一侧，截留率低3、膜蒸馏的应用

从非挥发性物质水溶液中分理出水的过程，可认为是蒸发过程与膜过程的结合。优点：操作温度低。热侧溶液一般为40-50

ºC①纯水的制备如盐水和海水淡化、电厂锅炉用水处理等②水溶液的浓缩(操作温度低)

如热敏性水溶液的浓缩、盐的浓缩结晶等三、膜吸收(MembraneAbsorption)1、概述膜吸收与膜解吸是将膜与常规吸收、解吸相结合的膜分离过程。

膜吸收为气-液接触器，而膜解吸为液-气接触器。利用微孔膜将气、液两相分隔开来，一侧为气相流动，另一侧为液相流动，中间的膜孔提供气、液传质的场所，使