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第十章 膜分离

第十章 膜分离. 本章学习目的与要求. 了解膜分离的基本原理、各种膜分离的机理和各种分离膜的构造与特性 了解膜组件的构成、膜分离装置及典型流程。 了解各种因素对膜分离的影响。 掌握膜分离过程中浓差极化与膜污染的产生原因与消除方法。 重点掌握膜分离装置的选用。. 过程. 孔径. 推动力. 传递机制. 微滤. 0.02~10 μm. 压力差约为 10 5 Pa. 筛分. 超滤. 0.001~0.02 μm 相对分子质量 10 3 ~10 6. 压力差 10 5 ~10 6 Pa. 筛分. 纳滤. > 1nm 相对分子量 200~1000.

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第十章 膜分离

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Presentation Transcript

  1. 第十章 膜分离

  2. 本章学习目的与要求 • 了解膜分离的基本原理、各种膜分离的机理和各种分离膜的构造与特性 • 了解膜组件的构成、膜分离装置及典型流程。 • 了解各种因素对膜分离的影响。 • 掌握膜分离过程中浓差极化与膜污染的产生原因与消除方法。 • 重点掌握膜分离装置的选用。

  3. 过程 孔径 推动力 传递机制 微滤 0.02~10μm 压力差约为105Pa 筛分 超滤 0.001~0.02μm 相对分子质量103~106 压力差105~106Pa 筛分 纳滤 >1nm 相对分子量200~1000 压力差5×105~1.5×106Pa 溶解扩散 Donnan效应 反渗透 0.1~1nm 压力差106~107Pa 优先吸附、毛细管流动、溶解-扩散 气体分离 无孔 压力差106~107Pa 溶解-扩散 渗析 1~3nm 浓度差 筛分加上扩散度差 电渗析 相对分子质量<200 电位差 反离子迁移 渗透蒸发 无孔 分压差、浓度差 溶解-扩散 10-1 概述 • 膜分离过程 • 按膜的孔径、传质动力和传递机理

  4. 以静压力差为推动力的过程 • 微滤（microfiltration, MF) • 超滤（ultrafiltration, UF） • 反渗透（reverse osmosis, RO) • 纳滤（nanofiltration, NF) • 以蒸汽分压为推动力的过程 • 膜蒸馏（membrane distillation, MD) • 渗透蒸发（pervaporation, PV） • 以浓度差为推动力的过程 • 渗析（dialysis, D) • 以电位差为推动力的过程 • 电渗析（electrodialysis, ED) • 按动力本质分

  5. 膜的分类

  6. 常见膜 微孔对称性膜 均质膜 非对称性膜

  7. 常见膜 铝膜 聚酰胺转相膜 纳米管膜

  8. 分离透过性 • 分离效率 • 渗透通量 • 通量衰减系数 • 物化稳定性 • 膜强度 • 压力 • 温度 • pH • 耐受性 • 膜性能

  9. 10-2 反渗透 • 反渗透的基本原理 渗透与反渗透

  10. 反渗透的传质机理 • 轻键模型 水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；溶 质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。

  11. 优先吸附－毛细孔流动模型 • 溶解扩散模型 溶质先溶解（或吸附）在原料一侧膜表面，然后以扩散的方式通过膜，在膜另一侧表面解吸。可用于通过致密均质膜的传质过程，不要求致密是有孔的。

  12. 10-2 反渗透 • 浓差极化现象 • 浓差极化对反渗透的影响 • 反渗透的浓差极化现象

  13. 因素渗透通量的因素： • 操作压差 • 操作温度 • 料液速度 • 料液的浓缩程度 • 膜材料与结构 • 反渗透的渗透通量

  14. 反渗透的流程和装置 • 反渗透的工艺流程 • 一级一段连续式 透过液的回收率不高，在工业中很少采用

  15. 反渗透的工艺流程 • 一级一段循环式 部分浓缩液返回进料液贮槽与原有的进料液混合后，再次通过组件分 离。因浓缩液中溶质含量较原料液高，所以透过液的质量有所下降 。

  16. 反渗透的工艺流程 水的回收率提高，浓缩液的量减少，但浓缩液中溶质的含量增大。 • 一级多段连续式 这种方式得到的浓缩液由于经过多段流动，压力损失较大，生产率下降，为此需增设高压泵。

  17. 反渗透的工艺流程 • 一级多段循环式 第二段的透过水质较第一段差，这种方法可得到较高浓度的浓缩液。

  18. 反渗透的工艺流程 • 多级多段配置 对膜的选择更广泛每一级膜两侧的浓差减小，操作压差可以降低对设备的要求降低；但各级多需要泵将料液提高到较高的压力，能耗增加。

  19. 10-3 超滤 • 超滤原理

  20. 超滤过程的传质模型 • 筛子模型 • 溶剂的渗透通量： • 溶质的渗透通量： • 细孔模型 水的渗透通量：

  21. 超滤的浓差极化现象 • 减轻差极化的方法 • 超滤的浓差极化现象 • 回收率的控制 （单个组件<15%,整机<50％） • 流动型态和流程的控制 （压降控制在3.92－4.9MPa） • 填料法 • 搅拌法 • 扩大扩散系数法

  22. 设置湍流促进器 • 脉冲法

  23. 影响超滤渗透通量的因素及控制方法 • 影响因素： • 操作压差 • 料液浓度 • 料液流速 • 温度 • 截留液浓度 • 操作时间 • 控制方法 • 选择合适的膜材料 • 料液的预处理 • 膜的清洗

  24. 超滤的流程和装置 • 超滤的流程 • 间歇错流 截留液全循环 截留液部分循环

  25. 超滤的流程 • 连续错流 单段连续操作 多段连续操作

  26. 超滤和反渗透的主要设备 • 主要设备 反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透和超滤操作的主体设备。 • 膜组件 • 板式 • 管式 • 螺旋卷式 • 中空纤维式

  27. 平板式膜组件

  28. 管式膜组件

  29. 螺卷式膜组件

  30. 中空纤维膜组件 聚偏乙烯膜组件

  31. 10-4 电渗析 • 基本原理

  32. 10-4 电渗析 • 电渗析中的传递过程与伴随过程

  33. 10-4 电渗析 空隙作用 静电作用和扩散作用 • 离子交换膜的选择透过性 离子交换膜的选择透过性 磺酸型阳膜的空隙结构作用

  34. 0-4 电渗析 • 电渗析的推动力－电位差 • 电极反应 • 膜电位 • 电阻 • 电流 • 电渗析中的电化学过程 阳极 阴极

  35. 10-4 电渗析 • 浓差极化和极限电流密度 • 防治极化的方法 • 极限电流密度的计算 • 浓差极化 • 电流极限密度： Z 和DA分别是阳离子A的价数和扩散系，F法拉第常数 极化时的浓度分布和离子迁移

  36. 10-4 电渗析 • 基本结构 • 电渗析装置

  37. 膜堆 • 极区 • 其他部件 • 电渗析的主要部件 浓、淡水隔板 （a）有回路 （b）无回路 1，6—料液流道；2，5—进水孔；3，8—出水孔；4，7—隔网

  38. 单级连续电渗析操作 间歇电渗析操作 • 电渗析的操作流程 多级连续电渗析操作

  39. 膜分离技术在食品工业中的应用

  40. 10-5 液膜分离技术析 • 乳状液膜 • 支撑液膜 • 液膜的分类与组成 乳状液膜示意图 支撑液膜示意图 • 液膜的组成 包括膜溶剂、表面活性剂和活性载体等。

  41. 无载体液膜分离机理 • 选择型渗透机理 • 选择性渗透与化学反应结合机理 • 萃取与吸附机理 • 有机载体液膜分离机理 • 逆相迁移和同相迁移 • 液膜分离机理 逆相迁移 同相迁移

  42. 液膜分离操作过程 液膜法处理废水流程示意图 包括液膜制备、液膜渗透、澄清分离和破乳四部分

  43. 请进入第十一章内容 • 本章总结 • 本章作业

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