第九章-膜分離

第九章

膜分離教師：曾濤1、膜分離的概念：利用天然或人工合成膜的選擇性，以外界能量或化學(xué)位差或電位差作推動力，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，因溶液中各組分透過膜的遷移速率不同而實現(xiàn)混合物進行分離、提純和富集。2、膜分離技術(shù)的類型和定義膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進行分類：（1）微濾：以多孔細小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動力，使不溶性物質(zhì)得以分離的操作，孔徑分布范圍在0.025~14μm之間；（2）超濾：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.001~0.02μm，分離推動力仍為壓力差，適合于分離酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)；（3）反滲透：是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑范圍在0.0001~0.001μm之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透）；本章目錄（4）納濾：以壓力差為推動力，從溶液中分離300~1000小分子量的膜分離過程，孔徑分布在平均2nm（5）電滲析：以電位差為推動力，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)的膜分離操作；膜分離具有分離溫度低，無相變，能耗低等特點。常見膜分離過程見P205表7-1本章目錄一、膜的概念1、膜的定義

在一種流體相內(nèi)或兩個流體相之間有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜必須具有兩個界面膜具有選擇透過性本章目錄2、膜的分類按孔徑大?。何V膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜按膜結(jié)構(gòu)：對稱性膜、不對稱膜、復(fù)合膜按材料分：合成有機聚合物膜、無機材料膜本章目錄天然膜生物膜天然物質(zhì)改性膜人工膜無機膜金屬膜非金屬膜有機膜均質(zhì)膜微孔膜非對稱性膜復(fù)合膜離子交換膜二、設(shè)備：板框式

卷式

管式膜性能：1.分離透過性

a.透過通量單位時間通過單位膜面積的物理量。

b.分離效率用截留率表示：（R）截留率；表示膜對溶質(zhì)的截留能力，可用小數(shù)或百分數(shù)表示。

c.分離系數(shù)：（）ad.通量率減系數(shù)膜滲透通量隨時間減少對膜材料的特性的要求對于不同種類的膜都有一個基本要求：（1）耐壓：膜孔徑小，要保持高通量就必須施加較高的壓力，一般膜分離操作的壓力范圍在0.1~0.5MPa

反滲透膜的壓力更高，約為1~10MPa（2）耐高溫:高通量帶來的溫度升高和清洗的需要（3）耐酸堿：防止分離過程中，以及清洗過程中的水解；（4）化學(xué)相容性：保持膜的穩(wěn)定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的變性；（6）成本低；本章目錄二、膜組件（1）板框式膜具↑↑（2）卷式膜具由四層組成膜鹽水中心管多孔支撐材料進料液隔網(wǎng)淡化水流（3）管式膜具纖維束管中心分布管透過液濃縮液料液返回9.2反滲透

透過：溶劑截留：水中無機離子、膠體物質(zhì)、大分子溶液應(yīng)用：

海水、苦咸水淡化；廢水處理；鍋爐用水軟化；乳品、果汁濃縮；生產(chǎn)產(chǎn)品、生物制劑的分離、濃縮。P1P2C.P2﹣P1>∏P1P2P1<P2且：P2﹣P1=∏一、基本原理鹽水溶液：膜純水

P1溶液

P2a.P1=P2溶液中水的化學(xué)勢純水的化學(xué)勢純水的a＝1,溶液中水的活度a<1,即RTlna<0則其結(jié)果是水從純水一側(cè)透過半透膜向溶液側(cè)滲透，使后者的液位抬高,直至溶液液柱升至一定高度H并保持不變，兩側(cè)靜壓差即等于純水和鹽溶液之間的滲透壓π。本章目錄如果在溶液一側(cè)施加一壓力，外界力做功使溶液中水的化學(xué)勢升高，則純水通過膜的滲透就會逐漸減小，當壓力為P2時，滲透最終停止，此時的壓力差就是溶液的滲透壓。

當時，水將從溶液一側(cè)向純水一側(cè)移動，此種滲透稱之為反滲透。討論：鹽水溶液為水的滲透壓。）。；水達到動態(tài)平衡（圖時開始升高，若由于水的滲透，（（pmmpbPPPPTPT0),),12212.2==-溶液中水反滲透，使溶液增濃。對于實際反滲透過程：

溶劑滲透時，少量溶質(zhì)也滲透，兩邊都有溶質(zhì)，溶質(zhì)與水之間各有滲透壓，對于正常操作：二、過程機理

1）優(yōu)先吸附-毛細孔流機理

2）溶解-擴散?。┧畠?yōu)先吸附膜表面，形成純水層厚度t=1nmⅱ）無機離子受排斥，不能進入純水層，價數(shù)越高，斥力越強。ⅲ）當膜孔徑≤2t時，透過的是純水，孔徑增大，溶質(zhì)開始透過，越大，透過溶質(zhì)越多。

∴孔徑為2t時稱臨界孔徑。優(yōu)先吸附——毛細孔流動模型多孔膜多孔膜界面上的脫鹽水溶解-擴散第一步：溶劑和溶質(zhì)在膜上游側(cè)吸附溶解第二步：溶質(zhì)和溶劑在化學(xué)位梯度作用下，以分子擴散形式透過膜第三步：透過物在膜下游側(cè)表面解吸。三、濃差極化

這種現(xiàn)象為濃差極化xA1XMAiXAiXMA2XA2溶質(zhì)在膜表面附近積累傳質(zhì)方向濃差極化對過程的不利影響：1）使2）使截留率下降3）XAi高于溶解度時，會出現(xiàn)沉淀，使膜阻力增加。減輕濃差極化的有效途徑：

提高傳質(zhì)系數(shù)方法：

增加料液流速；增加湍流速度；提高溫度；清洗膜面。反滲透過程通量與下列因數(shù)有關(guān)：（1）操作壓差：△P△P↑,使JW=A（△P—△)↑

但有能耗大?！噙x擇適當?shù)摹鱌

(2)操作溫度:TT↑,使純水的透過系數(shù)A↑,J↑

但受膜耐溫所限。

(3)料液流速流速大,傳質(zhì)系數(shù)大。但溶質(zhì)的滲透通量JA大。p（4）料液的濃縮程度濃縮程度高，水回收率高。但：①有效壓差?。?/p>

②污染膜。（5）膜材料與結(jié)構(gòu)（主要研究方向）五、應(yīng)用舉例1.反滲透（RO）技術(shù)在果蔬汁濃縮中應(yīng)用超濾反滲透2.反滲透法濃縮茶液2.反滲透法濃縮茶液返回9.3超濾與微濾一、過程原理：

1.超濾過程膜:非對稱性膜,表面活性層孔徑10-200?微孔,

能截留分子量500以上大分子或膠體微粒.壓差:0.1-0.5MPa原理:原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過膜上微孔,流到低壓側(cè).機理:篩分機理.超濾：進料溶劑、水膠體大分子應(yīng)用：1.純水制造電子工業(yè)：超純水；醫(yī)藥工業(yè)：注射劑、眼藥水。

2.廢水處理回收有用的物質(zhì)

3.產(chǎn)品加工各種大分子物質(zhì)分離，濃縮。2.微濾過程(微孔過濾)膜:微孔,均質(zhì)的多孔膜,孔徑0.02-10μ微孔,

能截留直徑為0.05-10μ

的微?；蚍肿恿看笥诘母叻肿訅翰?0.01-0.2MPa原理:原料液在壓差作用下,小分子物質(zhì)與小分子量物質(zhì)透過膜上微孔,流到低壓側(cè).機理:篩分機理.610二、過程與操作1.透過通量溶劑:溶質(zhì):2.影響因數(shù)(1)操作壓差(推動力)

壓差大,通量大,能耗大;

一般取一較好值(接近于凝界滲透通量時壓差)(2)料液流速采用錯流裝置,使料液與膜面平行流動.

流速高,傳質(zhì)系數(shù)大,有利于提高滲透通量;

但:膜面壓降大,能耗大.因此:可采用湍流促進器,脈沖流動等提高流速.(3)溫度溫度高,料液粘度小,擴散系數(shù)大,有利于提高滲透通量.(4)截留液濃度濃度增加,濃度邊界層增厚,易形成凝膠層,使?jié)B透通量減小.三、工藝流程和應(yīng)用1.超、微濾流程透過液原料膜組件儲槽2.超濾應(yīng)用(1)食品、飲料工業(yè)超濾反滲透(2)失。（3）配制葡萄酒中酒的澄清（4）在藥物制劑中的應(yīng)用另外：a.對生物活性物質(zhì)：酶、病毒、核酸、特殊蛋白等的分離提純；b.從植物或動物中提取藥物：如生物堿、荷爾蒙等；c.血液過濾除去有害成分或進行血清分離。（5）工業(yè)廢水處理造紙工業(yè)廢水：回收有用成分、水重新使用；食品工業(yè)廢水：回收有用的高分子物質(zhì)；紡織工業(yè)廢水：含聚乙烯醇水處理、回收。3.微濾應(yīng)用同于超濾，例：。返回9.3氣體膜分離

利用氣體混合物中各組分在致密膜中滲透速率的不同使各組分分離的過程?；驹恚?/p>

溶解——擴散模型

1.在膜高壓側(cè)，氣體混合物中的滲透組分溶解在膜的表面上；

2.從膜的高壓側(cè)通過分子擴散傳遞到膜低壓側(cè)；

3.在低壓側(cè)解吸到氣相。二、影響滲透通量與分離系數(shù)的因素1、膜材料2、膜厚度活性厚度小，滲透通量大。通常制成具有極?。ㄐ∮?00埃）致密活性層的非對稱性膜和復(fù)合膜。，3、溫度T上升，滲透通量增加。4、壓力P上升，滲透通量增加。本章目錄四、氣體膜分離的應(yīng)用1、工業(yè)氣體中氫的回收2、氧氮分離3、天然氣中氦的提取4、二氧化碳的分離本章目錄電滲析技術(shù)是在直流電場的作用下，產(chǎn)生陰陽離子的定向遷移，由于離子交換膜的阻隔作用，實現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，分離推動力是靜電引力。一、電滲析的基本原理離子交換膜為由高分子材料制成的具有離子交換團的薄膜。陽膜帶負電荷的固定基團吸引溶液中帶正電荷的粒子，；陰膜帶正電荷的固定基團吸引溶液中帶負電荷的粒子，而排斥溶液中帶負電荷的粒子。膜具有選擇性。本章目錄9.4電滲析電滲析的基本條件（1）直流電場使溶液中陽、陰離子作定向運動，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極；（2）離子交換膜的選擇性透過，溶液中離子作反離子遷移。本章目錄一、電滲析的基本原理1.采用的膜由高分子材料制成，具有粒子交換基團的薄膜。分：陽離子交換膜——陽膜

陰離子交換膜——陰膜陽膜：

例：磺酸型，R-SO3H——-SO3H為活性基因在水中離解，產(chǎn)生，進入水溶液。陰膜：例：季胺型，為活性基團，在水中離解，產(chǎn)生，進入水中。操作中：陽膜中帶負電荷的基團“”吸引溶液中帶正電荷的離子，排斥帶負電荷的離子；

陰膜中帶正電荷的基因“”吸引帶負電荷的離子，排斥帶正電荷的離子

這種現(xiàn)象稱：反粒子遷移即：與膜所帶電荷相反的離子穿過膜的現(xiàn)象稱反粒子遷移。2.電滲析過程陽膜陰膜陰膜陽膜+++++++++++----------陽級陰級+—12345濃縮室濃縮室淡化室N+aN+aN+aN+a-Cl-Cl-Cl-Cl-ClN+aN+a-Cl過程：

1.兩電極間交替放置陰陽離子膜；

2.在二膜形成的隔室中充入含離子水溶液；

3.接上電源后，溶液中帶正點荷離子在電場作用下，向陰極方向運動，易穿過陽膜，被陰膜擋住，帶負電荷離子反之。

4.結(jié)果

2、4隔室中離子濃度增加，3室離子濃度下降。電滲析的條件：

1.直流電場

使溶液中的陽、陰離子作定向運動

2.離子交換膜的選擇透過

使溶液中離子作反離子遷移二、電滲析中傳遞過程（1）反粒子遷移；（2）同名離子遷移；（3）電解質(zhì)離子遷移；（4）水的滲透；（5）滲漏；（6）水的電滲析。三、電極反應(yīng)和電極電位濃、淡隔室及膜中導(dǎo)電：離子型電極上導(dǎo)電：電子型例：食鹽水溶液四種離子：電極反應(yīng)：在陽極：（氧化反應(yīng)）特點：腐蝕設(shè)備。；另外，產(chǎn)生減少，極水呈酸性；HClClOOH22.2.1-在陰極：（還原反應(yīng)）一般操作中；

要按一定時間調(diào)換電極；并排除或加入水。四、離子交換膜的選擇透過實用膜應(yīng)具備：

1.選擇透過性良好；

2.膜阻??；

3.較好的化學(xué)穩(wěn)定性；

4.較高的化學(xué)強度，良好的尺寸穩(wěn)定性，較低的擴散性能；

5.便宜。評價膜好壞的方法：

1.反粒子遷移數(shù)；

2.膜的通過性。五、工藝流程1.循