【食品工程原理課件】第十章 膜分離過程.doc

第十章 膜分離過程總學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)【學(xué)習(xí)要求】通過本章的學(xué)習(xí)，了解各種膜分離過程的特點(diǎn)和分離設(shè)備，掌握膜分離操作的基本原理和基本概念。第一節(jié) 膜分離過程概論【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：膜分離過程的特點(diǎn)；膜的結(jié)構(gòu)、材料和特性；膜分離設(shè)備理解：幾種重要的膜分離過程的分類【課時(shí)】0.5學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】一、膜分離的概念（了解）膜分離過程：借助于膜而實(shí)現(xiàn)分離的過程。二、膜分離過程的效率（了解）常用來表示分離效率的指標(biāo)有兩種：一是組分在兩相中的濃度之比，常用選擇性系數(shù)表示；二是某組分在經(jīng)過分離后的兩股物流中的分配比例，常用截留率表示。 選擇性系數(shù)或截留率表示了分離的質(zhì)的方面。對于分離的量的方面，一般用通量，即單位時(shí)間內(nèi)單位分離面積上的流量來表示。 在大多數(shù)膜分離操作中，截留率和通量是表征過程的兩個(gè)最重要指標(biāo)。三、幾種重要的膜分離過程（理解）1、反滲透對溶液施加超過滲透壓的壓強(qiáng)，使溶劑分子通過半透膜而與溶液分離。 2、超濾用孔徑為10-210-3mm的膜在壓差下過濾溶液，使大分子或細(xì)微粒與溶液分離。 3、微濾與超濾相似，但孔徑更大，大致為0.110mm。4、電滲析以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)。 5、滲透氣化溶液與某種特殊的膜接觸后，各組分在通過膜的同時(shí)發(fā)生氣化，且各組分的透過速率不同。 6、氣體滲透利用混合氣體中各組分通過膜的速率不同而使組分分離。7、滲析在濃度梯度作用下，溶質(zhì)通過膜進(jìn)入另一側(cè)的溶液，從而與原溶液分離。 8、納濾介于超濾和反滲透之間的操作。五、膜過程的流動(dòng)特征（了解）膜過程的流動(dòng)特征：切向流動(dòng)。常規(guī)過濾 切向過濾常規(guī)過濾中的料液是在與膜垂直（與膜表面成法向）的方向流入。切向過濾則在與膜平行的方向上流動(dòng)。常規(guī)過濾中，被截留的粒子在過濾介質(zhì)上形成濾餅層。隨著過濾的進(jìn)行，阻力越來越大，通量越來越小。切向過濾中，大部分粒子被料液帶走，在膜表面只留下薄薄的一層粒子，過濾阻力就大為減小。切向流動(dòng)的一個(gè)直接結(jié)果是分離過程實(shí)際上都是增濃過程。第二節(jié) 超濾與微濾【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：微濾和超濾的過程特征；微濾和超濾的操作方式理解：微濾和超濾過程的濃差極化；過濾曲線；壓差-通量曲線【課時(shí)】0.5學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】一、微濾和超濾的分離范圍（了解）微濾MF：0. 150mm超濾UF：粒子更小，實(shí)際已是大分子，而截留分子的相對分子量NWCO來表征超濾的分離性能。一般認(rèn)為超濾的截留NWCO范圍為5000100000?？煞蛛x的粒子（分子）包括病毒、蛋白質(zhì)、多糖、膠粒等。反滲透可以將所有的溶質(zhì)截留，只允許水分子通過。NWCO為18。納濾：介于超濾和反滲透之間，NWCO值為1005000。二、微濾和超濾的操作特點(diǎn)（了解）過濾機(jī)理：篩分 過濾方式：切向過濾 過濾壓差：比常規(guī)過濾高 過濾溫度：取決于膜和物料的耐熱性四、微濾和超濾的數(shù)學(xué)模型（理解）（一）邊界層和濃差極化（理解）由于溶質(zhì)分子被截留，在膜表面附近形成濃度邊界層。根據(jù)費(fèi)克定律：溶質(zhì)將從膜表面向主體溶液擴(kuò)散，直至最終形成穩(wěn)定的濃度分布，這一現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化是不可避免的，它的直接后果是濾液通量的下降。通常，濃差極化層是傳質(zhì)的主要阻力。（二）過濾曲線（理解）固定操作條件，測定濾液的通量J，可以得到通量J隨時(shí)間t變化的曲線，稱為過濾曲線或動(dòng)力學(xué)曲線，如圖所示：I區(qū)：通量快速下降；II區(qū)：通量顯著下降；III區(qū)：穩(wěn)定過濾（三）壓差通量曲線（理解）虛線把曲線分為：壓差控制區(qū) J與成正比擴(kuò)散控制區(qū) J近似為常數(shù) 四、超濾與微濾的操作（一）微濾和超濾的操作方式1、單級(jí)間歇操作2、單級(jí)連續(xù)操作3、多級(jí)連續(xù)操作（二）影響通量的因素和提高濾液通量的措施 1、壓差的影響提高壓差并不一定總能使濾液通量顯著增加。如果過濾已在傳質(zhì)控制區(qū)，增加壓差不僅不能使濾液通量增加，反而增加了膜堵塞的機(jī)會(huì)，此時(shí)最好通過減少濃度邊界層厚度來增加濾液通量，可通過提高流速、安裝攪拌裝置等實(shí)現(xiàn)。 2、進(jìn)料濃度的影響通量J隨進(jìn)料濃度cB的增加呈指數(shù)型降低。 3、溫度的影響提高操作溫度，可使液體黏度降低，擴(kuò)散系數(shù)增大，使通量增加。但不能超過膜的耐溫能力。 4、湍流程度的影響提高湍流程度可使邊界層厚度減薄，使傳質(zhì)系數(shù)增加，可提高通量。第三節(jié) 反滲透【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：反滲透原理【課時(shí)】0.5學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】用半透膜將純?nèi)軇ㄋ┡c溶液隔開，在溶液側(cè)施加大于滲透壓的壓強(qiáng)，則溶劑分子將從溶液側(cè)向溶劑側(cè)滲透，這一現(xiàn)象就是反滲透。當(dāng)兩側(cè)為不同濃度的溶液時(shí)，結(jié)論相同。RO的推動(dòng)力也是壓強(qiáng)差。平衡時(shí)膜兩側(cè)的壓差稱為滲透壓。如果半透膜兩側(cè)是兩種不同濃度的溶液，則同樣存在滲透現(xiàn)象，其方向是從稀溶液側(cè)向濃溶液側(cè)滲透。在濃溶液側(cè)施加大于兩溶液滲透壓之差的壓強(qiáng)，則會(huì)發(fā)生反滲透。反滲透的推動(dòng)力為膜兩側(cè)的壓差減去兩側(cè)溶液的滲透壓差，即。第四節(jié) 電滲析【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：電滲析原理【課時(shí)】0.25學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】在直流電場作用下，電解質(zhì)溶液中的離子選擇性地通過離子交換膜，從而實(shí)現(xiàn)分離。離子交換膜：只允許一種電荷的離子通過，而將另一種離子截留的膜，分陰、陽兩種。在常規(guī)電滲析器內(nèi)，兩種膜成對交替平行排列，料液均勻分布于各室。在電場作用下，形成交替的濃室和淡室。第五節(jié) 滲透汽化【考核知識(shí)點(diǎn)和考核要求】了解：滲透汽化原理【課時(shí)】0.25學(xué)時(shí)【具體講授內(nèi)容】當(dāng)液體混合物與滲透