膜分离理论与技术

关于膜分离理论与技术第2页,共102页，2024年2月25日，星期天4.1.1:膜及膜分离的定义:膜:狭义:如果在一个流体相或两个流体相之间有一薄层凝聚相(polymerphase,madefrompolyolefin)把流体分开,用于实现分离目的,这中间的凝聚相就叫膜.

广义:一个相或多个相中间的一个不连续区间(discretemargin),用于实现分离目的.Asyntheticmembraneisaninterphasethatseparatestwophasesandrestrictsthetransportofchemicalspeciesinaspecificmanner.4.1:膜分离技术概述第3页,共102页，2024年2月25日，星期天膜的特点:AmembranemustbeSemi-permeable:Amembranecanbe:homogeneousorheterogeneous,symmetricorasymmetricinstructure;solidorliquid;neutral,carryeitherpositiveornegativecharges,orhavefunctionalgroupswithspecificbindingorcomplexingabilities.Membranethicknessrangesfromlessthan100

nmtomorethan1

cm.Masstransportthroughamembranecanoccurviadiffusionofindividualmoleculesorconvectioninducedbyaconcentration,pressure,第4页,共102页，2024年2月25日，星期天temperature,Orelectricalpotentialgradient.被膜分离的物质:Liquid,gaseous.膜分离的定义:Membraneseparationinvolvespartiallyseparatingafeedcontainingamixtureoftwoormorecomponentsbyuseofasemipermeablebarrier(themembrane)throughwhichoneormoreofthespeciesmovesfasterthananotherorotherspecies.第5页,共102页，2024年2月25日，星期天1:按膜性质分:生物膜:细胞膜,线粒体膜,液泡膜.合成膜:有机膜,无机膜.2:按结构分:Althoughsyntheticmembranesvarywidelyinphysicalstructureandfunction,theycanbeclassifiedconvenientlyinfivegroups:microporousmembranes,Non-PorousMembranes(homogeneousmembranes),asymmetricmembranesCarrierMembranes,Liquidemulsionmembraneorwithselectivecarrierelectricallychargedbarriers,4.1.2:膜的分类第6页,共102页，2024年2月25日，星期天Non-PorousMembranesCarrierMembranesmicroporousMembranes第7页,共102页，2024年2月25日，星期天3:按分离过程分:Reverseosmosismembrane(ORM),Ultra-filtrationmembrane(UFM),Micro-filtrationmembrane(MFM),Nano-filtrationmembrane(NFM),Dialysismembrane(DM),Electricdialysismembrane(EDM).4.1.3:膜过程的推动力1:Pressuredriven(Pressuregap)Reverseosmosis(OR),Ultra-filtration(UF),Micro-filtration(MF),Nano-filtration(NF).Vapourizationpermeation(VP).第8页,共102页，2024年2月25日，星期天2:Non-pressuredrivenConcentrationgradient(chemicalpotentialgradient):Dialysis(D),Potentialgradient:Electricdialysis(ED)Concentrationgradient(chemicalpotentialgradient,activetransfer):Liquidemulsiondialysis(LED).4.1.4:膜分离过程中膜的作用选择性透过:过滤;溶解-扩散;优先吸附;氢键结合;主动运输.第9页,共102页，2024年2月25日，星期天第10页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingthemodesofmasstransportinsyntheticmembranesseparatingtwohomogeneousphases:

A)Passivetransport;B)Facilitatedtransport;C)ActivetransportA

=

componenttobetransported;B

=

carrier;m

=chemicalpotential;superscripts(‘)and(“)indicatethetwophasesonthedifferentsidesofthemembrane.第11页,共102页，2024年2月25日，星期天4.1.5:膜分离过程的特点及适用性1:特点:无相变,不存在平衡关系,过程简单,常温操作,能耗低,无污染,同样的过程可以解决不同的分离问题.2:适用性:化学或物理性质相似,但分子量不同的组分,如蛋白质和多肽.同分异构体,热敏性成分,酶,茶多酚,香气成分.大分子.第12页,共102页，2024年2月25日，星期天4.2:膜及膜分离技术的发展渗透和半渗透的发现(1748年，Nollet)扩散定律(Fick),1855渗析现象(1861,Graham)渗透现象和渗透压(VantHoff)微孔过滤,超滤和反渗透1907,Backman)Donnan平衡(1911)电解质和非电解质的反渗透,1920s,Mangold膜电势1930s人工肾的发明,1940s电渗析脱盐,血液透析电渗析技术,1950sSourirajan对膜的制备苦咸水淡化技术,1960s膜分离的工业化应用1970s新型膜及膜技术的开发第13页,共102页，2024年2月25日，星期天第14页,共102页，2024年2月25日，星期天4.3:膜分离技术的分类4.3.1:Pressuredriven(Pressuregap)1:Reverseosmosis(OR),去除具有高渗透压的小分子,需高压(4000-8000KPa)2:Ultra-filtration(UF),去除小分子,截留大分子(300-500,000)需压力(200-2000KPa)3:Nano-filtration(NF).在RO和UF的中间状态,去除分子量大于200-500的有机分子.4:Vapourizationpermeation(VP).气体渗透的推动力为分压差，常应用于空气中氧气的分离、富集.5:Micro-filtration(MF).从液体或气体中去除0.01-10m的粒子:空气除菌.微孔过滤－DeadendMF,过滤方向与压力方向相同,build-up,batchprocess,A:Depthfiltration.B:Surface-filtration第15页,共102页，2024年2月25日，星期天第16页,共102页，2024年2月25日，星期天第17页,共102页，2024年2月25日，星期天第18页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingpressure-drivenmembraneseparationprocesses

a)Particles;b)Macromolecules;c)Lowmolecularmasssolutes(microsolutes);d)Solvent;e)Gas.

第19页,共102页，2024年2月25日，星期天Dead-endMF:depthfiltrationA：微孔过滤－DeadendMF,过滤方向与压力方向相同,build-up,batchprocess,A:Depthfiltration.B:Surface-filtration第20页,共102页，2024年2月25日，星期天DeadendMF:surfacefiltration第21页,共102页，2024年2月25日，星期天CrossMFB:微孔过滤－CrossMF（错流微孔过滤）,nobuild-up,continuousprocess,highfluxrateforlongperiodoftime.过滤方向与压力方向垂直.第22页,共102页，2024年2月25日，星期天6:Gas-exchangeandseparation:Porousmembrane,根据气体分子量不同而实现分离:Gasescanbeseparatedinmicroporousaswellasinhomogeneousmembranes.TheselectivityofmicroporousmembranesisgenerallyratherlowbecauseoftheKnudsendiffusiontransportmechanism;第23页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratinggasseparation

p

=

pressureNon-porousmembrane.根据气体过膜时对膜的溶解和扩散的差异而进行分离.Underthedrivingforceofahydrostaticpressuredifference,somecomponentspermeatethemembrane,andthefeedstreamissplitintoapermeateandaretentatestream.Ifthemembranehasahigherpermeabilityforoneofthecomponentsinthefeedmixturethanforothers,thiscomponentisenrichedinthepermeateanddepletedintheretentate.第24页,共102页，2024年2月25日，星期天Significantlyhigherselectivitiescanbeobtainedinhomogeneousmembraneswheretransportisbasedonthesolutionanddiffusionofthecomponentsinthemembranephase.Masstransportinasolution

–

diffusionmembraneisillustratedinFigureandconsistsofthreesteps:1.sorptionofthecomponentsfromafeedmixtureaccordingtotheirpartitioncoefficientsbetweenthegasandpolymerphases;

2.diffusionoftheindividualcomponentswithinthemembranephaseaccordingtotheiractivitygradients;and

3.desorptionofthecomponentsfromthemembraneinthepermeablegasphase.

第25页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingthreeidealizedfeedandpermeateflowpatternsusedingasseparationsystems

A)perpendicular

plugoffeedandpermeate;B)Cocurrentplugflowoffeedandpermeate;C)Countercurrentplugflowoffeedandpermeate

第26页,共102页，2024年2月25日，星期天***4.3.2:Non-pressuredrivenprocess:Electrodialysis:electricalpotentialLiquidemulsionseparation(LEM),Concentrationgradientandactivecarrier.Membranereactor:Enzyme-membranereactor(EMR)Catalystmembranereactor(CMR)第27页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramofelectrodialysis

a)Cation-exchangemembrane;b)Anion-exchangemembrane第28页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingpreparationofanemulsion-typeliquidmembrane

a)Liquidmembranephase;b)Strippingsolution;c)Feedsolution

第29页,共102页，2024年2月25日，星期天第30页,共102页，2024年2月25日，星期天4.4:膜技术的应用领域

水处理:海水,苦咸水淡化,纯水的生产.医药工业:药剂浓缩,提纯,人工肝,人工肾,人工肺的制备.食品工业:果蔬汁浓缩,饮料除菌及澄清,大豆分离蛋白的制备,乳制品处理,食品废水处理.石油化工.环境保护.第31页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5:膜的制备4.5.1:与膜过程有关的因素:待分离物质的性质,膜的孔径,形状,梳密膜的分子结构,膜-组分之间的相互作用,膜的荷电性质.第32页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.2:按结构分类的膜Membranemusthaveahighpermeabilitytocertaintypesofmolecules.Membranestructuresconsistofthefollowingbasictypes:microporousmembranes,Non-PorousMembranes(homogeneousmembranes),SymmetricandasymmetricmembranesCarrierMembranes,Liquidemulsionmembraneorwithselectivecarrierelectricallychargedbarriers,第33页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.3:PorousMembranes用途:Porousmembranesareusedinmicrofiltrationandultrafiltration.孔径大小:Thedimensionofthepores(0.1~10

m).空隙率:80%,107个/cm2.

分离效果主要取决与膜孔及组分的分子大小.Highselectivitiescanbeobtainedwhenthesizeofthesoluteislargerelativetotheporesizeinthemembrane.PorousMembranes第34页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.3.1:微孔膜的制备制膜材料:溶质:高分子聚合物,如乙酸纤维素,聚烯烃类,壳聚糖等.溶剂:甲酸,乙酸,丙酸,甲醇,乙醇多种有机酸.添加剂:PEG,PVP,NaCl,酶,催化剂.制膜方法:烧结法:氧化铝、氮化硅、碳、钨、镍、铝及多种有机高分子等微细粉末在高温下烧结而成。孔径越过1

m，可用于气体、液体中微粒分离.相转化法:溶解浇铸凝胶化相转化

(获得非对称性膜)拉伸均相法:熔融挤出成膜延伸退火拉伸痕迹刻蚀法:均相聚合成膜U235辐射刻蚀洗涤成膜.膜组织膜孔第35页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingpreparationofcapillaryporemembranesbytracketching

a)Radiationsource;b)Polymerfilm;c)Radiationtrack

第36页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographofasintered(烧结)

membranepreparedfromaluminumoxidepowder

第37页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramofthefiltrationcharacteristicsofsymmetric(A)andasymmetric(B)membranes

第38页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdrawingofthecrosssectionofanasymmetricmembrane第39页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographsofcrosssectionsofasymmetricmembranesshowingtypical“finger”structure(A,polysulfone),a“sponge”structurewithgradedporesizedistribution(B,polyamide)andastructurewithuniformporesizedistribution(C,polyamide)

第40页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramshowingthestructureofanasymmetriccompositemembrane第41页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographshowinganasymmetriccompositemembranewithpolydimethylsiloxane（聚二甲基硅氧烷）astheselectivelayerdepositedonapolysulfonesupport第42页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographofthesurfaceofamicroporouspolypropylene（聚丙烯）membraneprecipitatedbythermalgelationfromahothomogeneouspolymersolution.第43页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographofthesurfaceofamicroporouscellulosenitratemembranepreparedfromahomogeneouspolymersolutionbyprecipitationwithwatervapor.第44页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographofamembranepreparedbystretchinganextrudedpolytetrafluoroethylene（PTFE，聚四氟乙烯）filmperpendiculartothedirectionofextrusion。第45页,共102页，2024年2月25日，星期天Scanningelectronmicrographofthesurfaceofacapillarypore

polycarbonate（聚碳酸酯）membrane第46页,共102页，2024年2月25日，星期天Membranematerial

*

Poresize,µm

Manufacturingprocess

Application

Ceramic,metal,orpolymerpowder

0.1

–

20

pressingandsinteringofpowder

microfiltration

Homogeneouspolymersheets(PE,PTFE)

0.5

–

10

stretchingofextrudedpolymersheets

microfiltration,burndressings,artificialbloodvessels

Homogeneouspolymersheets(PC)

0.02

–

10

tracketching

microfiltration

Polymersolution(CN,CA)

0.001

–

5

phaseinversion

microfiltration,ultrafiltration,sterilization

Table

2.

Microporousmembranes,theirpreparationandapplication

PE

=

polyethylene;PTFE

=

polytetrafluoroethylene;PC

=

polycarbonate;CN

=

cellulosenitrate;CA

=

celluloseacetate.第47页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.4:Non-PorousMembranesThesemembranesarecapableofseparatingmoleculesofthesamesize,gasesaswellasliquids.用途:Non-porousmembranesaremainlyusedinROprocess,UF.孔径大小:Thedimensionofthepores(5~10Å).孔结构用电子显微镜难以观察.空隙率:<10%.

厚薄:50-50000Å.由结晶部分与非定型部分组成.Thetransportisdeterminedbythesolution-diffusionmechanism,whichmeansthatcomponentsfirstmustdissolveintothemembraneandthendiffusethroughthemembraneduetoadrivingforce.Separationisduetodifferencesindiffusivityand/orsolubility.第48页,共102页，2024年2月25日，星期天(1)将含有一定乙醚基值的乙酸纤维按比例加进溶剂和添加剂中，充分混合，配成浇注液。(2)流延成膜．配制好的注膜液经压滤和脱气泡后，在一定的温度与湿度下，以流延法在平滑的玻璃板表面上刮制成具有一定形状和厚度的液膜·(3)蒸发．使制成的液膜在上操择作条件下，静置一定时间，让溶剂蒸发．第49页,共102页，2024年2月25日，星期天第50页,共102页，2024年2月25日，星期天Non-PorousMembranes°H2Oorsolvent•saltorotherminerals第51页,共102页，2024年2月25日，星期天Therepresentativemembranematerialsandapplicationsarelistedinfollowingtable.＊polyacrylonitrile聚丙烯腈，polyimide聚酰亚胺第52页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.5:Ionexchangemembrane离子交换膜:阳离子（cation-exchangemembranes）交换膜,用于交换阳离子.阴离子固定基团阳离子交换基团阴离子交换膜（anion-exchangemembranes）,用于交换阴离子.阳离子固定基团阴离子交换基团R-SO－3—H+(Na+)R-N+(CH3)3-OH-(Cl-)固定基团解离离子解离离子固定基团磺酸型阳离子交换膜(阳膜)活性基团季胺型阴离子交换膜(阴膜)活性基团第53页,共102页，2024年2月25日，星期天Thetypeandconcentrationoffixedionicchargesdeterminethepermselectivityandelectricalresistanceofthemembraneandalsoinfluenceitsmechanicalproperties.Thedegreeofswellingisaffectedbytheconcentrationoffixedcharges.Thefollowinggroupsareusedasfixedchargesincation-exchangemembranes:

Inanion-exchangemembranes,fixedchargesmaybe

第54页,共102页，2024年2月25日，星期天Homogeneousion-exchangemembranescanbepreparedbythreebasicprocedures:1.Polymerizationorpolycondensationofmonomers

2.Introductionofanionicorcationic

moietiesintoapreformedfilm

3.Introductionofanionicorcationicmoietiesintoapolymer,followedbyfilmcasting.第55页,共102页，2024年2月25日，星期天Structureofacation-exchangemembrane:

a)Polymermatrixwithnegativefixedcharges;b)Positivecounterions;c)Negativeco-ions.第56页,共102页，2024年2月25日，星期天4.5.6:液膜(Liquidemulsionmembrane,LEM)液膜构成:成膜溶剂,油溶性溶剂水溶性溶剂表面活性剂:促进膜过程乳化和选择性分离的作用.添加剂:提高膜的稳定性.载体:载体的作用是使分离组分与载体在液膜的一端形成结合体，然后在液膜中扩散，及至扩散至液膜的另一侧时将分离组分释放，载体再返回与其他分离组分结合。成膜的方法：将成膜剂倒入分离液中，高速搅拌使之乳化，乳化液外层即为液膜,液膜分油包水型和水包油型两类。水溶性分离液采用油溶性成膜剂，乳化后形成油包水型液膜；油溶性分离液则采用水溶性成膜剂，形成水包油型液膜。液膜厚度约为1—10

m,乳化液的液滴直径为0.05-0.2mm。第57页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdrawingofsupported(A)andunsupported(B)liquidmembranes

a)Aqueousphase;b)Poroussupport;c)Liquidmembrane

第58页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingpreparationofanemulsion-typeliquidmembrane

a)Liquidmembranephase;b)Strippingsolution;c)Feedsolution

第59页,共102页，2024年2月25日，星期天CarrierMembranes第60页,共102页，2024年2月25日，星期天第61页,共102页，2024年2月25日，星期天第62页,共102页，2024年2月25日，星期天4.6:RO和UF的分离过程机理及工艺4.6.1:反渗透现象:平衡(equilibrium):C1=C2,P1=P2;

1=2,1=

2渗透(osmosis)C1<C2,P1=P2;

1<

2,1>

2渗透平衡(osmoticequilibrium)C1<C2,P1<P2;△P=△

,△

反渗透(reverseosmosis)C1<C2,P1>P2;△P>△

,△

H2O12△P111222H2OC1=C2,P1=P2;

1=2,1=

2C1<C2,P1=P2;

1<

2,1>

2C1<C2,P1<P2;△P=△

,1>

2△P=△

C1<C2,P1>P2;△P>△

,1>

2△P>△

第63页,共102页，2024年2月25日，星期天Theosmoticpressureisapproximatedbythefollowingrelation:wherecsissoluteconcentration,Rthegasconstant,Ttheabsolutetemperature,andgtheosmoticcoefficient;gisacorrectionfactorforthenonidealbehaviorofasolution,onlyforanidealsolutiondoesgapproachunity.

反渗透的两个必要条件:

1:半透膜

2:操作压力>渗透压.

第64页,共102页，2024年2月25日，星期天4.6.2:膜过程中的几种传递现象:1:溶剂(水)在压力差的作用下通过膜的传导.2:溶质在压力差及浓度差的作用下通过膜的传导;3:膜的高压侧由于浓差极化现象,溶质由边界层向主体溶液的扩散现象.a)Particles;b)Macromolecules;c)Lowmolecularmasssolutes(microsolutes);d)Solvent;第65页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingtheconcentrationprofileofcomponentsretainedbythemembraneinthefilmmodel.第66页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingthetransportmechanismofcomponentsretainedbythemembraneandaccumulatedinagellayerfromthemembranesurfacebackintothebulksolution第67页,共102页，2024年2月25日，星期天4.7:膜的透过机理4.7.1:氢键理论及结合水．空穴有序扩散模型(Ried等提出)1:膜材料必须是亲水性的，能与水形成氢键。如醋酸纤维素膜(无孔)，由于氢键和范德华力的作用．大分子之间是牢固结合的，形成晶相区域和非晶相区域。2:在非晶相区，水与醋酸纤维素羰基上的氧原子形成氢键，形成所谓的“结合水”。引起水分子熵值的极大下降，类似于冰的构造。3:在结合水中依靠氢键与膜保持紧密结合的称为一级结合水，保持较松散结合的称为二级结合水。4:一级结合水的介电常数很低，对离子无溶剂化作用，离子不能进入一级结合水透过膜。二级结合水的介电常数与普通水相同，离子可以进入并透过膜。理想的膜表面只存在一级结合水。5:与醋酸纤维不能形成氢键的离子或分子不能透过结合水区域,能和膜产生氢键结合的离子或分子(如水、酸等)可以进入结合水区域，并进行迁移，通过膜。第68页,共102页，2024年2月25日，星期天6:在压力作用下，溶液中的水分子和醋酸纤维素的羰基上的原子形成氢键，而原来水分子间形成的氢键被断开，水分子解离出来和碳基上的原子形成新的氢键。这样连续的氢键形成与断开，使水分子进入膜的多孔层，由于多孔层含有大量的毛细管水．水分子能畅通流出膜外。这种离子或分子的迁移称为孔穴扩散。但氢键理论忽略了溶质—溶剂膜材料之间的相互作用力。另外盐的渗透与孔穴形成的几率有关,降低孔穴形成的几率，可减少盐的渗透性。4.7.2:优先吸附——毛细孔流理论(preferentialsorptionandporeflowmodel)1963年sourirajan在Gibbs吸附方程的基础上提出了优先吸附——毛细孔流理论:1:当溶液与高分子多孔膜接触时，膜对水优先吸附.2:在膜与溶液界面附近的溶质浓度会急剧下降？？？，在界面上形成被吸附的纯水层.第69页,共102页，2024年2月25日，星期天3:由于压力作用将使其通过膜表面的毛细孔，即可获得纯水。4:纯水层厚度约为1-2个水分子层，水分子的有效直径约5Å

，则纯水层厚度约为5-10Å。纯水层的厚度与溶液及膜的化学性质有关。5:当膜表面毛细孔孔径为纯水层厚度的2倍时，即10-20Å,每个毛细孔就得到最大流量的纯水．此时该毛细孔径称为“临界孔径”；如果孔径大于临界孔径，就会产生溶质的泄漏,小于临界孔径时则通量下降.6:但临界孔径可以比溶质与溶剂分子直径大几倍．而溶质仍能进行分离。因此．这种分离不是简单的筛分和超过滤作用，而是与孔的结构有关，包括:纯水层厚度、膜的厚度、孔径与孔分布、孔隙率、支撑层孔隙大小等。第70页,共102页，2024年2月25日，星期天7:膜材料对水要优先选择吸附，对溶质要选择排斥．膜表面应具有尽可能多的有效直径的孔，这才能获得最佳的分离率和最高的透水速度。这个理论符合氢键理论的结合水和孔穴型扩散模型，说明能与膜产生氢键的溶质以有序扩散的方式迁移。但是用电子显微镜观察，并没有看到所谓的临界孔径细孔及纯水层。

第71页,共102页，2024年2月25日，星期天第72页,共102页，2024年2月25日，星期天5.7.3:溶解扩散理论(solution

–

diffusion):Lonsdale和Riley等认为:1:此模型是把半透膜看作是一种完全致密的中性界面．水和溶质通过薄膜是分为两个阶段完成的．2:溶剂与溶质透过膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解。与膜孔的有无及性质关系不大.3:第一阶段是水和溶质被吸附溶解到膜材质表面上；4:第二阶段是水和溶质在膜中扩散传递，在压力和化学位差的推动力作用下，最后通过膜．因此，溶解扩散模型不要求膜是有孔的．5:在给定条件下，溶质与溶剂在膜中的溶解度和扩散系数应恒定，过滤速率及分离率也应当恒定。由于溶质与溶剂在膜中的溶解度和扩散系数的差异而获得分离.溶解扩散理论认为膜可以是均质膜，或非均质多孔膜但表面具有致密活化层，或超薄膜。但这个理论忽略了膜结构性能的重要影响。同时还不能解释膜材料具有高度吸附性和对水、盐具有高渗透性的原因。5.7.4:筛网理论.第73页,共102页，2024年2月25日，星期天5.8.1:MembraneMassTransportinUltrafiltration.Inultrafiltrationthedrivingforceagainisapressuregradient,andmasstransportisalsodominatedbytheconvectiveflux.However,soluteretentionbythemembraneleadstoaconcentrationdifferencefortheretainedcomponents,whichcancauseosmoticpressuredifferencesanddiffusivefluxesofthesolutesthroughthemembrane.ThevolumefluxinultrafiltrationcanthusbeexpressedbywhereLvvisphenomenologicalcoefficient,

themembraneporosity,rtheporeradius,

thedynamicviscosity,

atortuosityfactor,△

pthepressuredifferenceacrossthemembrane,and△zthemembranethickness.Afactor,△

osmosispressuredifference.5.8:传质的数学模型Jv=A(△

p

-△

)or第74页,共102页，2024年2月25日，星期天thesolutefluxofadilutesolutionthroughamembranemaybeexpressedbywhere

isthediffusioncoefficientand

theconcentrationofthesolutesinthesolvent-filledporesoftheultrafiltrationmembrane.

第75页,共102页，2024年2月25日，星期天5.8.2:MembraneMassTransportinReverseOsmosis.Inreverseosmosisthedrivingforceisahydrostaticpressuredifference.Twomodelshavebeendiscussedforthetransportmechanism.ThemodelproposedbySourirajanisbasedonthehypothesisofporeflowinreverseosmosismembranes.Thesecondmodel,whichisdiscussedinmoredetailhere,isbasedonasolution

–

diffusionmechanismthatvirtuallyexcludesconvectiveflow.ThefluxinreverseosmosismembranescanbeexpressedbyWhere,D1Mrepresentsdiffusioncoefficientofthesolventtheintheboundarylayerofthemembrane,and

lthepartialmolarvolumeofthesolvent.第76页,共102页，2024年2月25日，星期天Forthesolutefluxindilutesolution,thesolutefluxcanbedescribedbywhere

and

arethediffusioncoefficientandtheconcentrationofthesoluteinthemembranephase,respectively.第77页,共102页，2024年2月25日，星期天5.9:评价膜分离效果的指标Theperformanceofamembraneinapressure-drivenseparationprocessisdeterminedby1:itsfiltrationrate(透过速率)2:itsmassseparationproperties(i.e.,retentioncapability,RejectionRate,截留率).3:reductionconstantoffluxrate(通量衰减系数).5.9.1:Filtrationrates:Thefiltrationratesinmicrofiltration,ultrafiltration,andreverseosmosisaredescribedas:

Membranefluxcanalsobeexpressedbyahydrodynamicflowresistance:Jv=A(△

p

-△

)orwhereJvisthefiltrationrateandRhisthehydrodynamicresistanceofthemembrane.第78页,共102页，2024年2月25日，星期天5.9.2:MembraneRejectionRateTheseparationcapabilityofamembraneinreverseosmosisorultra-andmicrofiltrationcanbeexpressedintermsofamembranerejectioncoefficient,whichisdefinedaswhereRistherejectionrateofthemembraneforagivencomponentatadefinedhydrostaticpressureandfeedsolutionconcentration;cfandcraretheconcentrationsofrejectedcomponentsinthefiltrateandretentate,respectively.截留(切割)分子量(RejectionMW):膜让溶质透过的最大分子量,或者说膜能截留的最小分子量,再小就不能截留.第79页,共102页，2024年2月25日，星期天5.9.2:Reductioncoefficientoffluxrate通量衰减系数(压密系数)

促使膜材质发生物理变化的主要原因是由于操作压力与温度所引起的压密(实)、作用，从而造成透水率的不断下降，其经验公式如下式所示：·式中，J0为初始时的通量,Jt为运转t时间后的的通量,变换:㏒Jt=㏒J0-m㏒tm=(㏒J0-㏒Jt)/㏒tm越小越好．因为小的m值意味着膜的寿命较长．Jt=J0t-m第80页,共102页，2024年2月25日，星期天5.10:影响膜过程的因素Pressure,temperature,flowrateandConcentrationPolarizationeachplaysanimportantroleinmembraneseparation.5.10.1:Pressure:Athigh-pressuredifference,theconcentrationatthemembranesurfacewillreachacriticalvaluewhereacakeorgelforms.Undertheseconditions,thevolumetricfluxreachesalimitingvaluecalledaceilingfluxwhichischaracteristicofthecrossflowrateandsolutediffusioncoefficientintheboundarylayer.Furtherincreasesinpressurenotonlywillfailtoprovideadditionalflux,butcandrivetheprecipitatedlayersintotheporesandirreversiblydamagethemembranes.第81页,共102页，2024年2月25日，星期天Therefore,operatingatpressuresleadingtolimitingfluxbehaviorisnotrecommended.Thisprecipitatedlayerisknownasconcentrationpolarizationthatisaccumulationofrejectednon-permeatedsoluteattheinterfaceofthemembrane.Operatingathigh-pressurescanleadtodamageofthemembraneandlowpressureswillnotproduceenoughpressuredifferencetogetthedesiredselectivity.5.10.2:flowratestheflowratesandfluiddynamicsplayavitalrole.Withsuspension,hollowfiberandevenspiralwoundmoduleshaveatendencytoclog,whileflatsheetandborefedtubulardesignsshowtheleasttendencytoclogundercrossflowfiltration.Turbulentcross-flow（湍流）

velocitiesarerequiredtoavoidseriouspolarizationandfoulinginsomecases.第82页,共102页，2024年2月25日，星期天Propersurfacemodificationandmanagementoffluiddynamicsmembranesurfacearenecessarytoavoidfouling.5.10.3:TemperatureHightemperaturecanreducetheviscosityofsolutionandbenefitforfluxrate.Temperatureconstraintsoccurduetothematerialofthemembrane.Ifthetemperatureistoohigh,themembranemaymeltandbeirreversiblydamaged.Therefore,itisnecessarytoverifythattheoperatingtemperatureissuitableforthemembrane.Theamountofmembraneneeded,sizing,dependsontheselectivitythatneedstobeachieved.第83页,共102页，2024年2月25日，星期天5.10.4:ConcentrationPolarization（浓差极化）Majorproblemsinallmembraneseparationprocessesarethedeclineofthetransmembranefluxduetoconcentrationpolarizationandtheformationofgellayersbyfeedsolutionconstituentsretainedbythemembraneoradsorbedonitssurface.Controloftheseeffectsisamajorfactorinthedesignofmembraneseparationprocessesandequipment.5.10.4.1:Definition:Whenamolecularmixtureisbroughttoamembranesurface,somecomponentspermeatethemembraneunderagivendrivingforcewhileothersareretained.Thisleadstoaccumulationofretainedmaterialandformaboundarylayeradjacenttothemembranesurface.Thisphenomenonisreferredtoasconcentrationpolarization.Itsadverseeffectsareoftenintensifiedbyadsorptionoffeedconstituentsatthemembranesurface.Thisphenomenon,knownasmembranefouling.第84页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingtheconcentrationprofileofcomponentsretainedbythemembraneinthefilmmodel第85页,共102页，2024年2月25日，星期天5.10.4.2:Theadverseeffectsofconcentrationpolarization.concentrationpolarizationleadsto:1:anincreaseintheosmoticpressure2:andthusadecreaseinthetransmembranefluxwithaconstanthydrostaticpressuredrivingforce.3:Furthermore,thequalityofthefiltratedeterioratesbecausethesoluteleakagethroughthemembraneisdirectlyproportionaltothesoluteconcentrationatitssurface.4:Inultra-andmicrofiltration,onlymacromoleculesandparticlesareretainedbythemembrane.Diffusivebacktransportintothebulksolutionisthereforeslow;thesolubilityoftheretainedmaterialisoftenexceededandprecipitationoccursatthemembranesurfaceformingadensesolidlayer.Thislayer,whichoftenexhibitsmembranepropertiesitself,canaffectmembranefiltrationcharacteristicssignificantlybyreducingthetransmembranefluxandchangingtherejectionoflowermolecularmasscomponents.第86页,共102页，2024年2月25日，星期天Schematicdiagramillustratingconcentrationpolarizationwiththesolutesformingagelorcakelayeratthemembranesurface第87页,共102页，2024年2月25日，星期天

5.10.4.3:masstransferandbalanceunder

concentrationpolarizationwithoutSolutePrecipitation.ThematerialbalanceforthesoluteisgivenbywhereJsisthesolutefluxthroughthemembrane,Jconisthesolutefluxtowardthemembranebyconvection,andJdiffisthesolutefluxfromthemembranesurfaceintothebulksolutionbydiffusion.Furthermore:(a)第88页,共102页，2024年2月25日，星期天whereJvisthetransmembranevolumeflux;cpisthesoluteconcentrationinthepermeate;

istheconvectivevolumefluxtowardthemembranesurfacewhichindilutesolutionsistoafirstapproximationidenticalwiththetransmembranevolumeflux;

Disthediffusioncoefficient;anddc/dzistheconcentrationgradientofthesoluteintheboundarylayersolution.

CombinationofEquations(a)and(b),andintegrationwiththeboundaryconditionsc

=

cwatz

=

0andc

=

cbatz

=

zbleadstowherezbistheboundarylayerthickness,cwisthesoluteconcentrationatthemembranesurface,andcbisthebulksoluteconcentration(b)(C)第89页,共102页，2024年2月25日，星期天ThemembranerejectionRrelatesthepermeateandmembranewallsoluteconcentrations:

CombinationofEquations(c)and(d)leadsto