第十二章 膜分離

第十二章

膜分離

MembraneSeperation

第十二章膜分離

利用選擇性透過(guò)膜，對(duì)組分進(jìn)行分離、提純或富集的單元操作，稱(chēng)膜分離。20世紀(jì)膜分離技術(shù)的發(fā)展歷程：30年代微孔過(guò)濾（MF），40年代滲析（DL），50年代電滲析（ED），60年代反滲透（RO），70年代超濾（UF），80年代氣體分離（GP），90年代滲透蒸發(fā)（PV）。第十二章膜分離第一節(jié)

膜及膜分離器

12-1分離膜

12.1A分離膜的分類(lèi)第十二章膜分離1．無(wú)機(jī)分離膜（1）陶瓷膜（2）玻璃膜（3）金屬膜（4）分子篩炭膜2．聚合物分離膜12.1B聚合物膜的制備工藝1.相轉(zhuǎn)化法成膜2.復(fù)合膜的制備分別制備超薄皮層和多孔支撐層后再將二者進(jìn)行復(fù)合。支撐層提供支持強(qiáng)度，皮層起分離作用。

第十二章膜分離第十二章膜分離12.1C膜的性能和膜滲機(jī)理1、分離膜的性能包括兩方面：分離透過(guò)特性和物理化學(xué)穩(wěn)定性。主要的分離透過(guò)特性為以下三種：（1）溶質(zhì)分離率（2）溶劑透過(guò)速度

（3）膜的流量衰減因數(shù)

2、膜滲機(jī)理（1）毛細(xì)管流動(dòng)模型（2）溶解擴(kuò)散模型第十二章膜分離12-2膜分離器膜分離器是膜分離裝置系統(tǒng)中最核心部分，又稱(chēng)膜組件。將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，這個(gè)基本單元設(shè)備就稱(chēng)為膜分離器。工業(yè)上常用的膜分離器形式主要有板框式、圓管式、螺旋卷式和中空纖維式四種類(lèi)型。性能良好的膜組件應(yīng)具備下列條件：（1）對(duì)膜提供足夠機(jī)械支撐并可使原料液和透過(guò)液分開(kāi)。（2）在能耗最小的條件下，料液在膜面上流動(dòng)，減少濃差極化。（3）具有盡可能高的裝填密度。（4）裝置牢固安全，價(jià)格低廉。

第十二章膜分離第十二章膜分離12.2A板框式膜組件1．系緊螺栓式2．耐壓容器式12.2B圓管式膜組件1．內(nèi)壓型管束式2．外壓型管殼式12.2C螺旋卷式膜組件12.2D中空纖維式膜組件中空纖維為極細(xì)的空心膜管，外徑約為50~200μm,內(nèi)徑為25~42μm。多達(dá)105~106根中空纖維成束裝入圓筒形耐壓容器內(nèi)。分為以下三種類(lèi)型：（1）軸流型（2）徑流型（3）纖維卷筒型

第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第二節(jié)反滲透和超濾

12-3反滲透的基本原理

12.3A滲透和反滲透第十二章膜分離因，發(fā)生滲透。

如果是稀溶液，滲透壓（osmoticpressure）:c—溶液濃度，mol/m3。溶液側(cè)施壓，發(fā)生反滲透(reverseosmosisRO)。第十二章膜分離第十二章膜分離12.3B反滲透的傳質(zhì)方程1、溶劑擴(kuò)散速率方程N(yùn)w——溶劑擴(kuò)散率，kg/(m2·s)Pw——溶劑膜滲透率(permeability),kg/(Pa·m·s);Kw——溶劑滲透率常量，又稱(chēng)透水系數(shù)kg/(Pa·m2·s);第十二章膜分離第十二章膜分離2.溶質(zhì)擴(kuò)散速率Ns——溶質(zhì)的通量，kg/(m2s)Ks——溶質(zhì)的滲透率常量，m/s第十二章膜分離3．溶質(zhì)的分離率

令：第十二章膜分離12-4反滲透的實(shí)際過(guò)程12.4A濃度極化及其消除表面附近溶液濃度高于濃縮液主體的濃度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為濃度極化（concentrationpolarization）。濃度極化因數(shù)M：

>1第十二章膜分離濃度極化對(duì)反滲透操作會(huì)產(chǎn)生三種不利作用。（1）使反向推動(dòng)力增大，降低透水速率。反滲透推動(dòng)力的合力較非極化時(shí)下降。（2）使有效膜面積減少，亦使透水率下降（3）使溶質(zhì)的滲漏增大。第十二章膜分離濃度極化作用的主要影響因素：（1）透水率（2）溶液黏度（3）溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)（4）膜表面上溶液的流動(dòng)條件12.4B反滲透工藝1．前處理工藝2．反滲透基本工藝流程（1）一級(jí)一段流程（2）一級(jí)多段流程（3）多級(jí)流程3．后處理工藝第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離12-5

超濾與微孔過(guò)濾

過(guò)程名稱(chēng)

功能

p(MPa)

分離機(jī)制微孔過(guò)濾(MF)超濾(UF)反滲透(RO)濾除>0.1μm顆粒濾除5～100nm顆粒水-鹽分離

0.01～020.1～11～10

篩濾毛細(xì)流動(dòng)溶解擴(kuò)散

第十二章膜分離12.5A超濾(Ultrafiltration,UF)1.超濾的基本原理超濾膜對(duì)大分子溶質(zhì)等的截留作用是由于（1）在膜表面和微孔內(nèi)的吸咐（一次吸咐）；（2）在膜孔中的阻塞；（3）在膜表面的機(jī)械截留（篩濾）。

2.

超濾膜和組件

3.超濾過(guò)程中膜的污染

4.超濾操作的流程第十二章膜分離12.5B微孔過(guò)濾(Microfiltration,MF)

微孔過(guò)濾（MF）是介于普通過(guò)濾和超濾之間的一種操作，一般認(rèn)為MF的有效分離范圍為直徑0.1~10μm的粒子，操作靜壓差為10~200kPa1．微孔濾膜及組件2．微孔過(guò)濾的應(yīng)用

12-6

超濾和反滲透在食品工業(yè)中的應(yīng)用1．蛋白質(zhì)的分離2．食品料液的凈化第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離超濾澄清工藝優(yōu)點(diǎn)：（1）縮短果蔬汁的處理時(shí)間（2）節(jié)省了壓濾機(jī)、離心機(jī)、反應(yīng)罐等設(shè)備投資以及淀粉酶、果膠酶以及澄清劑、助濾劑等費(fèi)用。（3）維生素C等損失少，果膠、蛋白質(zhì)和香氣物質(zhì)可以回收。（4）超濾本身可除微生物，后面不再需要加熱殺菌。

3.食品料液的濃縮

4.工業(yè)廢水的處理

5.膜反應(yīng)器的應(yīng)用第十二章膜分離第十二章膜分離第十二章膜分離第三節(jié)電滲析

使離子在電場(chǎng)作用下通過(guò)膜進(jìn)行滲析遷移的過(guò)程，稱(chēng)為電滲析（electrodialysis,ED）

12-7電滲析的基本原理和概念12.7A電滲析的基本原理第十二章膜分離第十二章膜分離1、離子交換膜的選擇性透過(guò)原理磺酸型陽(yáng)膜的結(jié)構(gòu)：R———SO-3——H+季胺型陰膜的結(jié)構(gòu)：R———N+(CH3)3——OH-2．電滲析器分離原理12.7B電滲析的基本概念1、離子移動(dòng)速度

2．離子通量3．離子遷移數(shù)

對(duì)1-1價(jià):第十二章膜分離第十二章膜分離4.能耗與庫(kù)侖效率每膜對(duì)中能量單耗庫(kù)侖效率: