分离技术概论压差膜分离

分离技术概论压差膜分离第一页，共九十页，编辑于2023年，星期五第3章

反渗透、纳滤、超滤与微滤第二页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透、纳滤、超滤、微滤、过滤范围合成色素纳滤反渗透超滤微滤过滤10.01.00.10.01操作压力MPa原子半径伤肺尘埃m(对数)Å(对数)常见物质的相对尺寸近似分子量第三页，共九十页，编辑于2023年，星期五压差推动力膜的分子渗透示意该示意图表示的是：

反渗透、纳滤、超滤、微滤？小分子中分子大分子膜原料透过侧第四页，共九十页，编辑于2023年，星期五(a)C1=C2,p1=p2

π1=π2，μ1=μ2

(b)C1>C2,p1=p2

π1>π2,μ1<μ2

(c)C1>C2,p1>p2π1>π2,μ1=μ2,Δp=Δπ

(d)C1>C2,p1>p2π1>π2,μ1>μ2,Δp>Δπ

渗透与反渗透第五页，共九十页，编辑于2023年，星期五渗透压与最大溶质重量分数的关系13.8MPa

6.9MPa

3.5MPa

0.69MPa溶质重量分率溶质分子量第六页，共九十页，编辑于2023年，星期五几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系1、2、3、4、5、6、7、8氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖

各化合物在水中的浓度，%(w/w)渗透压

MPa3528211470第七页，共九十页，编辑于2023年，星期五各种渗透压计算方程式中，B为常数,Xs

为溶质摩尔分数；第八页，共九十页，编辑于2023年，星期五

各种溶质-水体系的反渗透B值第九页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透第十页，共九十页，编辑于2023年，星期五ThewaterfluxequationForROA=3×10-3

～6×10-5m3/m2h.barForNFA=2×10-2～3×10-3

m3/m2h.bar第十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五Thesolutepermeabilitycoefficientisafunctionofthediffusivityandthedistributioncoefficient

Thesolutefluxequation第十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五ThelimitingcaseRminisreachedas

ΔPtendtoinfinity.

TheconstantAmustbeashighaspossiblewhereastheconstantBmustbeaslowaspossibletobeobtainanefficientseparation.Thatmeans：

Rtendto1.第十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五Kimura-Sourirajan优先吸附－毛细管流动机理模型式中，A为水的渗透系数；为溶质的渗透系数,其与溶质性质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。第十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透过程的渗透系数若膜已确定，则在一定的压力下，与料液的浓度和流速无关，随温度升高而增加；当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范围内，几乎是个常量，当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于降低。第十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五渗透系数的物理意义

是三个具有重要意义的物理量的组合，在反渗透设计中，不必知道其中每个数值，只需知道其总值即可。

第十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五

的值可通过选择适当的参考溶质来预测。如：氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质；甘油、葡萄糖可作为芳香聚酰胺膜的参考溶质。第十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五溶质渗透系数推算式式中：为把一种离子从本体溶液相迁移到膜界面所需要的自由能；为料液中各种离子的排斥自由能参数之和；为与膜有关的常数，与溶质浓度无关。第十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五完全离解的无机电解质或有机溶质的膜渗透系数以NaCl为参考溶质，由实验测得溶质渗透系数，再由下式经线性回归求出常数其中

nc

、na分别为从每摩尔溶质中离解出的阳离子和阴离子的摩尔数。第十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五部分离解并形成离子对的无机溶质渗透系数式中，为离解度。对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算，必须在上式中引入有机溶质的极性参数和位阻参数，推算比较复杂。第二十页，共九十页，编辑于2023年，星期五碱金属阳离子和卤族阴离子的自由能参数离子种类

（ΔΔG/RT）i25℃芳香聚酰胺芳香聚酰胺酰肼醋酸丙酸纤维素aLi+–1.77–1.20–1.25Na+–2.08–1.35–1.30K+–2.11–1.28–1.27Rb+–2.08–1.27–1.23Cs+–2.04–1.23–1.18F–1.031.030.42Cl–1.351.351.10Br–1.351.351.15I–1.331.331.20第二十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五有机离子在25℃的自由能参数有机离子种类有机离子种类HCOO––4.78m–CH3C6H4COO––5.67HC6H4（COO–）2–4.63m–OHC6H4COO––5.64C2O42––14.06p–ClC6H4COO––5.63t–C4H9COO––6.90m–NO2C6H4COO––5.92i–C3H7COO––6.11p–NO2C6H4COO––5.93环–C6H11COO––6.24o–ClC6H4COO––6.41n–C4H9COO––6.11o–NO2C6H4COO––6.61n–C3H7COO––6.06HOOCCOO––6.60C2H5COO––6.14HOOC(CH2)2COO–s–5.65CH3COO––5.95CH3CHOOHCOO––6.30C6H5(CH2)3COO––5.93HOOCCH2COO––6.46C6H5(CH2)2COO––5.86HOOCCH(OH)CH2COO––5.97C6H5(CH2)COO––5.69HOOCCH(OH)CH(OH)COO––6.40C6H5COO––5.66HOOCCH2C(OH)—P–CH3OC6H4COO––5.74(COOH)CH2COO––6.24第二十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五例题

计算4种无机物的溶质渗透系数[例3-1]利用附录A的排斥自由能参数，推测出醋酸纤维素膜分别用于分离MgSO4、MgCl2、NaCl、KNO3水溶液时的溶质渗透系数，排出溶质截留率的次序；求离解度为60%的MgSO4溶液的值，并与完全离解的MgSO4溶液的溶质渗透系数值比较。第二十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五求出四种盐的自由能参数：解：第一步第二十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五获得：4种水溶液的溶质渗透系数大小当所使用的膜相同，数值较小，表示溶质透过量较少，而溶质的截留率较高。该膜对KNO3截留率最低，而渗透通量最高。

第二十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五对于离解度为60%的MgSO4溶液同一种溶液，离子对的存在会使溶质渗透系数在数值上增加，因此，降低了该膜对溶质的截留率。第二十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透过程的回收率式中，VP

、Vf分别为透过液液和原料液的浓度。第二十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五原料液浓度、回收率和截留率的关系

当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不能完全截留溶质，有部分溶质被损失掉。第二十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透过程的溶质损失率

与回收率、截留率的关系

第二十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透膜的溶质截留率大多在0.9－0.95之间；回收率不高；为提高料液的利用，必须采用多段或多级工艺过程。第三十页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透工艺流程

一级一段循环式反渗透流程一级一段连续式反渗透流程第三十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透工艺流程

一级三段连续式二级一段循环式第三十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透系统的设计第三十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透系统设计的总体要求达到所需的产水率；达到最高的脱盐率；提高水的回收率；减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；减少膜元件和压力容器的数量，降低造价；降低系统运行压力，节约能量。第三十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五膜元件的种类

（Filmtec/Dow公司膜元件）膜元件种类：海水高脱盐SW30HR

海水SW30

苦盐水BW30

自来水TW30膜元件的直径与长度标准直径(in)：2.5、4.0、8.0等标准长度(in)：40、80等新产品:采用有效表面积替代直径与长度表示法。第三十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五膜元件选择基本原则按脱盐率＞92％TW30;＞98％BW30;

＞99％SW30、SW30HR按进水含量TDS

＜1000mg/LXLE

＜2000mg/LTW/BWLE

＜10000mg/LBW30

＜10000-15000mg/LSW30

＜10000-50000mg/LSW30HR第三十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五膜元件选择基本原则按进水水源一般水源地表水，满足高脱盐率：BW30-365

地下水，满足高脱盐率：BW30-400TDS＜2000，满足高通量：BW30LE-440高污染水源预处理采用传统过滤器：BW30-365FR

预处理采用超滤、微滤：BW30-365FR第三十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五膜元件选择的基本原则按进水所需压力＜10.5atm:BW30LE,XLE-440(超低压膜）＜21.0atm:BW30(自来水可选TB30）按产品水流量＜0.2m3/h:2.5in

＜3.0m3/h:4in

＞3.0m3/h:8in第三十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五特殊工业应用膜元件的选择普通的膜元件与压力容器间存在死水区，因此部分用途的膜元件必须特别考虑：食品与饮料工业，宜采用HSRO类元件：为无外壳的元件结构，能经受85℃的热水消毒，满足FDA卫生标准。半导体工业，宜采用半导体级膜元件第三十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透系统设计的注意事项第四十页，共九十页，编辑于2023年，星期五平均水通量及允许每年水通量衰减百分数水源SDI水通量（m3/m2.d）水通量衰减（百分数/年）地表水3~50.326~0.5717.3~9.9井水<30.571~0.7344.4~7.3反渗透产品水<10.815~1.2232.3~4.4SDI为给水的污泥密度系数，与反渗透膜上的污染物质的数量之间的相互关系相当吻合。第四十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五年盐透过率增加百分数膜种类膜型号盐透过率增加（百分数/年）超低压聚酰胺复合膜ESPA1、ESPA2、ESPA33~17低压聚酰胺复合膜CPA2、CPA3、CPA43~17低污染聚酰胺复合膜LFC1-365、LFC1LFC23~17海水淡化膜SWC1、SWC2、SWC33~17节能型聚酰胺纳滤膜ESNA1、ESNA23~17第四十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五膜元件的最大给水流量与最小浓水流量膜元件直径（英寸）最大给水流量（吨/小时）最小浓水流量（吨/小时）43.60.768.81.8817.02.78.519.33.2第四十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五反渗透海水淡化降低成本的关键反渗透膜及其组件<30％能量回收装置15－20％高压泵15％其它附属设备20－35％第四十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五纳滤第四十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五纳滤膜对有机物的截留率

几种纳滤膜对有机物的截留率▽SU700(RO)△SU300○NF40HF▼NTR7450■Desal5

XP20

分子大小：甲醇、乙醇、正丁醇、乙二醇、三甘醇、葡萄糖、蔗糖、乳糖

第四十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五纳滤过程的截留率（脱除率），与溶质的种类、溶质的大小、溶质的形状相联系。有机溶质，与膜的相互作用关系，与膜上功能基团密切相关。第四十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五在恒容脱盐过程中，假定料液体积Ｖ０为常数，则料液中盐的浓度由Ｃ０降到Ｃt时，透过液的总体积为Ｖp，若过程中对盐的脱除率Ｄ恒定不变，则有设过程总脱盐率为则有D为过程脱盐率，Dt为过程脱盐率

纳滤过程总脱盐率与透过比的关系第四十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五

纳滤过程总脱盐纳滤过程总脱盐率与透过比的关系率与透过比的关系

总脱盐率Dt第四十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五例题：清洗液量的计算

一种染料含盐量高达10%,今采用恒容纳滤方法将染料中盐含量降低到0.5％以下。假定染料中的盐为氯化钠，若分别选用脱盐氯为90和40%的纳滤膜，各需多少清洗液量才能获得合格产品？第五十页，共九十页，编辑于2023年，星期五清洗液量的计算过程的总脱盐率选用90％脱盐膜选用40％的脱盐膜第五十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五清洗液量比较要脱除料液中９５％的盐，若选用脱盐率为９０％的纳滤膜，仅需３倍于料液的渗透量；若选用脱盐率为４０％的纳滤膜，则需要８倍于料液的渗透量。

第五十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五课外习题若染料的截留率R＜1.0，则会产生怎样的结果？若所选用的膜对染料的截留率均为98％，当获得合格产品时，该纳滤过程中染料的损失率各为多少？第五十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五ComparisonofretentioncharacteristicsbetweenNFandROSoluteRONFMonovalentions(Na,K,Cl,NO3)>98<50Bivalentions(Ca,Mg,SO4,CO3)>99>90Bacteria&virusses>99<99Microsolutes(Mw>100)>90>50Microsolutes(Mw<100)0-990-50第五十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五超滤第五十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五超滤膜的截留分子量定义截留分子量第五十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五操作压力对溶剂通量的影响

操作压力P通量Jv第五十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五

浓差极化和凝胶层模型a.浓差极化b.凝胶层现象第五十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五浓差极化模型计算方程第五十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五浓差极化比第六十页，共九十页，编辑于2023年，星期五相关传质系数第六十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五管内流动的传质系数第六十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五在湍流流动状态下的Sh准数方程EquationsBABCaldcrbank-Touag0.0820.690.33Chilton-Colbum(1)0.0230.800.33Chilton-Colbum(2)0.0400.750.33第六十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五扩散系数及斯托克斯半径与分子量的关系

第六十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五

蛋白质分子量与扩散系数的关系1.核糖核酸酶

2.溶菌酶

3.乳清蛋白

4.糜蛋白酶

5.胃蛋白酶6.乳球蛋白

7.卵清蛋白

8.血红蛋白

9.白蛋白

10.己糖激酶

11.免疫球蛋白12.过氧化氢酶

13.血纤维蛋白原

14.脱铁铁蛋白

15.肌球蛋白各种蛋白质的分子量g/mol121086420扩散系数

D

（m2/s10–11）104105106

123456789101112131415第六十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五链型高分子的扩散系数计算方程

D=8.76×10-9（Mw）-0.43

式中，MW

为分子量。扩散系数与温度的关系可用下式计算

μD/T=常数

溶质的半径可用斯托克斯公式计算

rs=kT/6πμD

第六十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五Young-Carroad-Bell方程

（蛋白质分子的扩散系数估算）式中，M为蛋白质分子量；

T为蛋白质溶液的温度。

第六十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五凝胶层模型计算方程第六十八页，共九十页，编辑于2023年，星期五蛋白质凝胶浓度透水通量l/m2h蛋白质浓度w/w%Cg=28%238204170136102683401510203050805000cm/min20001000500第六十九页，共九十页，编辑于2023年，星期五渗透压模型与边界层阻力模型计算方程第七十页，共九十页，编辑于2023年，星期五间隙洗滤和连续洗滤过程

(a)间隙洗滤(b)连续洗滤第七十一页，共九十页，编辑于2023年，星期五多级连续洗滤系统加水加水加水渗透物渗透物渗透物进料产物加水进料渗透物产物(a)并流

(b)逆流

第七十二页，共九十页，编辑于2023年，星期五洗滤过程的浓度比与体积稀释比第七十三页，共九十页，编辑于2023年，星期五溶质浓度比与体积浓缩比的关系

lg(SCR)=Rlg(VCR)体积浓缩比溶质浓度比

第七十四页，共九十页，编辑于2023年，星期五溶质浓度比与体积浓缩比之间的关系

体积浓缩比（VCR）溶

质

浓

度

比

SCR第七十五页，共九十页，编辑于2023年，星期五

溶质截留率与体积稀释倍数对溶质去除率的影响

溶质去除率体积稀释倍数第七十六页，共九十页，编辑于2023年，星期五连续洗滤过程中体积稀释比对溶质去除率的影响当截留率为零时，体积稀释比大于4时，几乎可洗去溶液中的所有小分子溶质；而当截留率为90%时，即使体积稀释比增加到6倍，其溶液中溶质的去除率也只有40%。第七十七页，共九十页，编辑于2023年，星期五各种超滤操作