（化学工程与技术专业论文）卷式膜组器结构的优化设计.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 0学科分类号5 3 0 1 1 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 ll o l 0 8 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化l ：人学 作者姓名 张止府学号2 0 0 8 0 0 0 1 0 8 获学位专业名称化学i ：程与技术 获学位专业代码0 8 1 7 0 1 课题来源国家白然科学基金研究方向 膜纸器结构的设计 论文题目 卷式膜组器结构的优化设计 关键词 卷式膜组器，网丝，平行流道，菱形流道 论文答辩日期 2 0 ll 一0 5 2 5 宰论文类型麻川研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师曹兵 教授北京化l ：人学膜分离i ：艺 评阅人l张p 尔 教授北京化l ：人学膜反应器 评阅人2潘凯 讲师北京化i ：人学功能聚合物制备 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席郭锴 教授北京化+ i ：人学 传质与分离技术 答辩委员l郭锴教授北京化l ：人学 传质与分离技术 答辩委员2郭奋教授北京化i ：人学 超重力技术 答辩委员3文利雄教授北京化l ：人学 化i ：过科强化技术 答辩委员4刘晓林教授北京化i ：人学 纳米材料技术 答辩委员5张鹏远副教授北京化l ：人学 超重力j i ：祥技术 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 卷式膜组器结构的优化设计 摘要 卷式膜组器的几何结构对组器内的流体流动和膜通量有着重要 的影响。在卷式膜组器中，计算流体力学( c f d ) 方法被有效地用来 研究和模拟流体的流动。在纳滤和反渗透分离过程中，膜通量与进料 液流量相比过小，膜通常处理为非渗透的壁面。然而，在超滤卷式膜 组器中，较大的膜通量对流体流动有着重要的影响，超滤膜的渗透性 不可忽略。在超滤卷式膜组器的三维流道中，研究了流体流动对膜通 量和压降的影响。此时，超滤膜处理为多孔性的壁面并利用了 f l u e n t 中的k 湍流模型。该论文研究了两种型式的流道：平行流 道和菱形流道。在平行流道中，研究了网丝直径、网丝形状以及横向 网丝间距对流体流动的影响；在菱形流道中，研究了网丝直径和网丝 形状对流体流动的影响。另外，为对超滤卷式膜组器进行优化设计， 对组器内膜通量与能耗之间的关系进行了讨论。 在网丝直径不同的五种平行流道中，上下网丝直径均为o 3 0 m m 的流道是较好的流道。对于横向网丝间距不同的三种平行流道，在压 降损失相同时，横向网丝间距为2 m m 的流道与另外两种流道相比， 具有较好的膜通量。在网丝形状不同的三种平行流道中，正方形是较 好的网丝形状。 在网丝直径不同的三种菱形流道中，网丝直径为o 1 0 m m 的流道 l 北京化t 人学硕i ：研究生学位论义 是较好的流道。在网丝形状不同的三种菱形流道中，推荐圆形网丝用 于流道的优化设计，因为它具有较好的膜通量。 关键词：卷式膜组器，网丝，平行流道，菱形流道 a b s t r a c t t h eo p t i m u ms t r u c t u r a ld e s i g no f s p i r a lw o u n dm e m b r a n em o d u l e a b s t r a c t t h eg e o m e t r i cc o n s t t l j c t i o no fas p i r a l - w o u n dm e m b r a n em o d u l eh a s as i g n i f i c a n te f r e c to nt h ef l u i dn o wa n dp e 力 】 1 e a t ef l u xi nt h em o d u l e c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c s ( c f d ) ，a sa ne f r e c t i v em e t h o d ，h a sb e e n u s e dt o s t u d ya n ds i m u l a t et h en u i df l o wi n as wm o d u l e t h e m e m b r a n e sa r e u s u a l l y c o n s i d e r e da s n o n p e r m e a b l e w a l l si n n a n o f i l t r a t i o na n dr e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n ep r o c e s s e sb e c a u s eo f s i g n i f i c a n t l ys m a l lp e r m e a t i o nn u xc o m p a r e dw i t ht h ef e e df l o wr a t e h o w e v e r ，h i g h e rp e n n e a t ef l u xh a sas i g n i f i c a n te f r e c to nf l u i dn o wa n d t h ep e n n e a b i l i t yo fa nu l t r a 6 1 t r a t i o nm e m b r a n ec a n tb ei g n o r e di na n u l t r a 丘l t r a t i o ns - wm o d u l e t h ee f r e c to ff l u i df l o wo np e n n e a t en u xa n d p r e s s u r ed r o pi si n v e s t i g a t e d i n3dc h a n n e lo fas wm o d u l ef o r u l t r a f i l t r a t i o n ，w h e nt h eu l t r a 行l t r a t i o nm e m b r a n ei sc o n s i d e r e da sa p o r o u sw a l la n dk - t u r b u l e n tm o d e li su s e di nf l u e n t t w od i f r e r e n t c h a n n e l sa r es t u d i e di nt h ep a p e r w h i c hi n f c l u d e sp a r a l l e lc h a n n e la n d d i a m o n dc h a n n e l t h ee f k c t so f 行l a m e n td i a m e t e r s ，f i l a m e n ts h a p e s ，a n d t h es p a c i n g sb e t w e e nt r a n s v e r s ef i l a m e n t so nf l u i dn o wh a v eb e e ns t u d i e d 北京化t 人学顾i ：研究生学位论义 i np a r a l l e lc h a n n e l ；t h ee f r e c t so ff i l a m e n td i a m e t e r sa n df i l a m e n ts h a p e s o nn u i df l o wh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nd i a m o n dc h a n n e l i na d d i t i o n ，f o r o p t i m u md e s i g no fas wm o d u l ef o ru l t r a f i l t r a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np e m e a t en u xa n dp o w e rc o n s u m p t i o na l o n gt h em o d u l eh a s b e e nd i s c u s s e d t h ec h a n n e lw h o s ed i a m e t e r so ft o pf i l a m e n t sa n db o t t o mf i l a m e n t s a r eb o t ho 3 0 m m ，i st h eb e t t e rc h a n n e la m o n gt h ef i v ep a r a l l e lc h a n n e l so f d i f r e r e n td i a m e t e r s a sf o rt h et h r e e s p a c i n g s b e t w e e nt r a n s v e r s e f i l a m e n t si np a r a l l e lc h a n n e l ，t h ec h a n n e lw h o s et r a n s v e r s es p a c i n gi s 2 m m ，h a sab e t t e rp e r m e a t en u xt h a nt h eo t h e rt w ow h e np r e s s u r e1 0 s s e s r e m a i nt h es a m e s q u a r ei st h eb e t t e rs h a p ei nt h et h r e ed i f r e r e n tf i l a m e n t s h a p e si np a r a l l e lc h a n n e l t h ec h a n n e lw h o s ef i l a m e n td i a m e t e re q u a l st oo 1o m m ，i st h eb e t t e r c h a n n e l i nt h et h r e ed i a m o n dc h a n n e l so fd i f f e r e n td i a m e t e r s m o r e o v e r ， c i r c l ef i l a m e n t ss h o u l db er e c o m m e n d e di no p t i m u md e s i g nf o ri t sb e t t e r p e n n e a t en u x i nt h et h r e ed i a m o n dc h a n n e l so fd i f ! e ；暑r e n tf i l a m e n ts h 印e s k e yw o r d s ： s p i r a lw o u n d m e m b r a n em o d u l e ，f i l a m e n t ，p a r a l l e l c h a n n e l ，d i a m o n dc h a n n e l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 膜分离技术概况1 1 1 1 膜的基本概念1 1 1 2 膜分离技术的简史及现状1 1 2 膜分离技术的分类及其重要应用3 1 2 1 膜的种类3 1 2 2 膜分离技术的原理3 1 2 3 主要的膜分离过程4 1 2 4 膜分离过程的应用5 1 3 膜分离设备6 1 3 1 板框式膜组器7 1 3 2 卷式膜组器8 1 3 3 管式膜组器8 1 3 4 中空纤维式膜组器9 1 3 5 各种膜组器的比较1 0 1 4 流体力学的研究方法1 1 1 5 计算流体力学( c f d ) 的基本原理1 3 1 5 1 质量守恒方程1 3 1 5 2 动量守恒方程1 3 1 5 3 能量守恒方程1 5 1 5 4 组分质量守恒方程1 6 1 6 计算流体力学的工作步骤1 6 1 7c f d 软件结构、功能及特点1 8 1 8c f d 技术在卷式膜组器优化设计方面的具体应用1 9 1 9 选题的意义及主要研究内容2 3 1 9 1 选题的意义2 3 1 9 2 论文的主要研究内容2 5 第二章模拟方法2 7 北京化t 人学硕i ：研究生学位论文 2 1 模拟软件2 7 2 2 模拟步骤2 7 2 2 1 几何模型的建立及网格的划分2 8 2 2 2 求解器的选择2 9 2 2 3 读入网格并检查网格质量3 0 2 2 4 求解方案的选取3 0 2 2 5 定义物理模型3 0 2 2 6 定义流动流体性质3 l 2 2 7 定义边界条件3 l 2 2 8 调整计算控制参数3 2 2 2 9 保存算例文件并开始计算3 3 2 2 1 0 保存计算结果3 3 2 3 模拟内容3 3 第三章平行流道中网丝直径对流体流动的影响3 5 3 1 平行流道的几何模型3 5 3 2 网格划分后的平行流道几何模型3 5 3 3 平行流道的雷诺数3 7 3 4 平行流道的剪切应力3 8 3 5 平行流道的压力和速度分布4 0 3 6 膜通量与压降的关系4 3 3 7 小结4 4 第四章平行流道中横向网丝间距对流体流动影响4 5 4 1 平行流道的几何模型及网格划分4 5 4 2 平行流道的雷诺数4 6 4 3 平行流道的速度和剪切应力分布4 7 4 4 平行流道的压力分布5 0 4 5 膜通量与压降的关系5 l 4 6 小结5 2 第五章平行流道中网丝形状对流体流动的影响5 3 日录 5 1 隔网网丝几何模型5 3 5 2 平行流道的雷诺数5 4 5 3 平行流道中壁面的剪切应力5 5 5 4 平行流道的压力和速度分布5 7 5 5 膜通量与压降的关系5 8 5 6 小结5 9 第六章菱形流道中网丝直径对流体流动的影响6 0 6 1 菱形流道的几何模型6 0 6 2 菱形流道的计算模型及网格划分6 0 6 3 菱形流道的雷诺数6 1 6 4 菱形流道的壁面剪切应力6 2 6 5 菱形流道中上层膜面的压力和速度分布6 3 6 6 膜通量与压降的关系6 5 6 7 小结6 6 第七章菱形流道中网丝形状对流体流动的影响6 7 7 1 菱形流道的几何模型及网格划分6 7 7 2 菱形流道的雷诺数6 8 7 3 菱形流道的壁面剪切应力6 9 7 4 菱形流道的速度和压力分布6 9 7 5 膜通量与压降的关系7 1 7 6 小结7 2 第八章结论7 3 参考文献7 3 致谢7 7 研究成果及发表的学术论文7 8 i l i 北京化t 人学硕 ：研究生学位论文 作者和导师简介7 9 i v c o n t e n t s c0 n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。l 1 10 i v e r v i e wo f m 锄b r a n es 印a r a t i o nt e c h n o l o 百e s 1 1 1 1b a s i cc o n c 印to f m 锄b r a n e 。1 1 1 2b e 仆i s t o 巧a i l dc u r r e n ts i t u a t i o no f m 锄b r a n es e p a r a t i o nt e c l l l l 0 1 0 西e s l 1 2c l a l s s i f i c a t i o na n ds i 印i f i c a n ta p p l i c a t i o n so f m e l l 椭m es 印a r a t i o i l s 3 1 2 1c l a s s i f i c a t i o no f m e i n b r a n e s 3 1 2 2t t l e 研n c i p l eo f m e r i l b r 锄es e p a r a t i o nt e c h n i q u e 3 1 2 3t h ep r i m a r ym 锄b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s e s 4 1 2 4t h e a p p l i c a t i o n so f m e m b r a l l es 印a r a t i o np m c e s s e s 5 1 3t h ee q u i p m e i l t su s e df o rm e m b r a n es 印a r a t i o n 6 1 3 1p l a t e a n d 行孤n em e m b r a n em o d u l e 7 1 3 2s p i r a lw o u n dn l e m b r a n em o d u l e 8 1 3 3t u b u l a rm e l l l b r a n em o d u l e 一8 1 3 4h o l l o wf i b e rm 锄b r a n em o d u l e 9 1 3 5c o m p a r i s o n s 锄o n ga 1 1k i n d so f m e m b r a n em o d u l e s 1 0 1 4r e s e i r c hm e t l l o d so f 日u i dm e c h a n i c s 11 1 5f u l l d 锄即t a l 研n c i p l e so f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd ”锄i c s ( c f d ) 13 1 5 1m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 13 1 5 2m o m e n t u 】【1 1c o n s e a t i o ne q u a t i o n 13 1 5 3e n e 唱yc o n s e a t i o ne q u a t i o n 15 1 5 4s p e c i e sm a s s - c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 一l6 1 6o p e r a t i n gp r o c e d u r e so f c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n 锄i c s 16 1 7s t r u c t u r e s ，m n c t i o n s ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so fc f ds o f t w a r e 18 1 8t h es p e c i f i c 印p l i c a t i o n so fc f di nt h eo p t i m 啪d e s i 盟o fs p i r a lw o u n d m e m b r a n em o d u l e 19 1 9s i 印i f i c a n c eo f t h et o p i ca 1 1 dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 2 3 1 9 1s i 印i f i c a n c eo f t h et o p i c 2 3 1 9 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h ep 印e r 2 5 c h a p t e r2s i m u l a t i o nm e t h o d 一2 7 北京化工人学硕1 ：研究生学位论文 2 1s o r w a r e su s e df o rs i m u l a t i o n 2 7 2 2s i m u l a t i o np r o c e d u r e s 2 7 2 2 1s e t i j pa n dm e s h i n go f g e o m e t r i c a lm o d e l s 2 8 2 2 2s e l e c t i o no fs o l v 盯2 9 2 2 3g d sr e a d i n ga l l dt h ec h e c ko nm e s hq u a l 时3 0 2 2 4s e l e c t i o no fs o l v i n gs c h 锄e 3 0 2 2 5d e f i n i t i o no fp h y s i c a lm o d e l s 3 0 2 2 6d e f i n i t i o no fn o wn u i dp r o p e r t i e s 31 2 2 7d e 6 n i t i o no f b o u n d a 眄c o n d i t i o i l s 3l 2 2 8a d j u s t i n e n to f s o l v i n gc o n t r o lp a r a m c t e r s 3 2 2 2 9s a v i n go f c o m p u t a t i o n a li n s t a n c ea n ds t a no f c a l c u l a t i o n 3 3 2 2 1os a v i n go fc a l c u la t i e dr e s u l t s 。3 3 2 3s i m u l a t i o nc o n t e n t s 3 3 c h a p t e r3t h ee f f e c to ff i l a m e n td i a m e t e ro nn u i dn o wi np a r a l l e i c h a n n e l s 3 5 3 1g e o m e t r i c a lm o d e l so f p a r a l l e lc h a n n e l s 3 5 3 2m e s h e dg e o m e t r i c a lm o d e l so f p a r a l l e lc h a i m e l s 3 5 3 3r e y n o l d sn u m b e ro fp a r a l l e lc h a n n e l s 3 7 3 4w a l ls h e a rs t r e s so f p a r a l l e lc h a n n e l s 3 8 3 5p r e s s u i ea 1 1 dv e l o c i t 、，d i s t r i b u t i o n si np a r a l l e ld 1 锄e l s 4 0 3 6n e r e l a t i o n s h i pb e 觚e e i lp e m e a t ef l u ) 【a i l dp r e s s u r ed r o p 4 3 3 7s u m m a r y 4 4 c h a p t e r4t h ee f f e c to ft r a n s v e r s ef i l a m e n ts p a c i n go nn u i dn o wi n p a r a u e lc h a n n e l s 4 5 4 1g e o m e t r i c a lm o d e l sa j l dm e s h i n 笋o f p a r a l l e lc h a 仰e l s 4 5 4 2r e ”o l d sn u m b e ro f p a m l l e lc h a n i l e l s 4 6 4 3v e l o c i t ya n dw a l ls h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n si np a r a h e ld h a n n e l s 4 7 4 4p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n si np a r a l l e lc h 暑哪e l s 5 0 4 5t h er e l a t i o n s h i pb 娟v e e np 锄e a t ef l u xa n dp r e s s u r ed r o p 51 4 6s u m m a r v 5 2 c o n t 朗t s c h a p t e r5t h ee f f e c t o ff i l a m e n ts h a p eo nn u i dn o wi np a r a l l e l c h a n n e l s 5 3 5 1g c o m e t r i c a lm o d e l so f s p a c e rf i l a m e n t s 5 3 5 2r e y i l o l d sn l l m b e ro f p a r a l l e lc 1 1 a n n e l s 5 4 5 3w a l ls h e a rs t r e s so f p a r a l l e lc h 猢e l s 。5 5 5 4p r e s s u r ea i l dv e l o c i 舛d i s t r i b u t i o l l si np a r a l l e lc h a n n e l s 5 7 5 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e m l e a t en u xa n dp r e s s u r ed r 叩5 8 5 6s u m m a r v 5 9 c h a p t e r6t h ee f f e c to ff i l a m e n td i a m e t e ro nn u i dn o w i nd i a m o n d c h a n n e i s 6 0 6 1g e o m e t r i c a lm o d e l so fd i 锄o n dc h a n n e l s 6 0 6 2c o m p u t a t i o n a lm o d e l sa n dm e s h i n g so f d i 锄o n dc h a m l e l s 6 0 6 3r e v n o l d sn u m b e ro f d i a i n o n dc h a n n e l s 6 l 6 4w a l ls h e a rs t i e s so f d i a m o n dc h a n n e l s 6 2 6 5p r e s s u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n so f t o pm e l t l t 舢ei i ld i 锄o n dc h a n n e l s 6 3 6 6t h er e l a t i o n s h i pb e t 、) l 厂e e np e 衄e a t en u xa 1 1 dp r e s s u r ed r o p 6 5 6 7s u m m a r v 6 6 c h a p t e r7t h ee f f e c t o ff i l a m e n ts h a p eo nn u i dn o wi nd i a m o n d c h a n n e l s 6 7 7 1g e o m e t r i c a lm o d e l sa n dm e s h i n g so f d i 锄o n dc h a n i l e l s 6 7 7 2r e v n o l d sn u m b e ro f d i a m o n dc h a n n e l s 6 8 7 3 ，a l ls h e a rs 仃e s so f d i a m o n dc h 猢e l s 6 9 7 4v b l o c i t va n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n si nd i 锄o n dc 1 1 a n n e l s 一6 9 7 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a t en u xa i l dp r e s s u r ed r o p 7 l 7 6s l 】m m a r v 7 2 c h a p t e r 8c o n c l u s i o n s 7 3 r e f e r e n c e s 7 3 a c l m o w i e d g e m e n t s 7 7 1 1 l 北京化t 人学硕 ：研究生学位论文 p u b l i c a t i o na n da c c e p t e dp a p e r 7 8 a u t h o r s a n di n s t r u c t o r s 7 9 i v 第一章绪论 1 1 膜分离技术概况 1 1 1 膜的基本概念 第一章绪论 膜具有选择透过性的功能，借助膜而实现物质的不同组分分离的过程称为 膜分离。如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层物质把流体分隔成为两 部分，则这一层物质就是膜。该物质可以是液态的，也可以是气态或固态的。 1 1 2 膜分离技术的简史及现状 在人类早期的生活和生产实践过程中，人类就已经不自觉地接触和使用了膜 分离的技术，对该技术接触和使用最早的当属中国的古人。中国的汉书淮南子 详细描述了豆腐的制作过程。而后，人类又学习并掌握了制作腐皮和薄粉的工艺。 这些可以说是人类利用天然的原材料制作可食用的“人工薄膜”的最早记载。2 0 0 0 多年f ； 的中国，人们在酿造、烹饪、炼月以及制药的过程中，就已利用了天然生 物膜的分离特性。但在其后漫长的历史长河中，中国的膜分离技术没有得到应有 的发展，尽管偶尔有几个零星的古人对其稍有兴趣。 在国外，a b b l en e l l ( t 大约在1 8 世纪中叶发现水能自发地扩散通过猪膀胱到 酒精溶液中，首次揭示了膜分离现象。1 9 世纪中叶，g r a h a m 发现了透析现象， 人们丌始重视对膜性能的研究。另外，还发现动植物体的细胞膜是一种理想的半 透膜，即对不同的组分具有选择透过性，动植物正是通过膜进行自身的新陈代谢 活动。1 9 世纪六十年代中期，t r a u b e 成功制作了第一片人造膜亚铁氰化铜膜。 而后，p r e 仃e r 用该膜对蔗糖和其他溶液进行了细致的实验，把渗透压和溶质浓度、 温度联系起来。之后，范托夫建立了完整的稀溶液理论。热力学上，吉布斯于 1 9 2 0 年完善了渗透压和其他热力学性能关系的理论。出于缺乏可靠的膜，研究 工作曾经一度中止，直到反渗透方法可有效地利用于海水淡化工程后，又掀起了 新的高潮i i j 。 北京化t 人学硕i ：研究生学位论文 2 0 世纪5 0 年代以后，膜分离技术的发展进入了一个新的高潮，平均每十年 就有一种新的膜分离技术进入实际工业应用领域，高通量、无缺陷膜和紧凑、高 体积比的膜分离器不断被开发出来。上世纪中叶，微滤和离子交换膜分离技术得 到迅速发展。美国佛罗里达州的罩德首先发现了具有良好半透性的乙酸纤维素。 同时，加州大学的y u s t e r 等人在对膜材料进行广泛筛选工作的时候，也发现乙 酸纤维素具有良好的半透性并且对此进行了深入的改性研鲥，终于在1 9 6 0 年 突破性地制成了高性能非对称的乙酸纤维素反渗透膜。在1 9 6 5 年左右，美籍华 裔黎念之先生在用d u 肌o y 环法测定皂草甙水溶液和油的表面张力时，发现它们 能够形成可挂住的界面膜不带固膜支撑的液膜。该液膜很薄且面积较大，处理 能力比固膜、支撑性液膜强很多。6 0 年代，反渗透膜分离技术得到迅速发展； 7 0 年代，人们开发了超滤膜分离技术；8 0 年代，气体分离膜技术得以丌发出来； 9 0 年代，渗透气化膜分离技术得到迅猛发展。膜分离技术的应用为人类创造了 巨大的经济效益和社会效益。 如上所述，微滤、反渗透、超滤、气体分离、渗透气化等膜分离技术在上世 纪5 0 9 0 年代相继得以迅速发展。总而言之，膜分离技术的发展大体可以分为 以下几个阶段【1 】： 2 0 世纪5 0 年代为奠定基础的阶段，主要是进行膜分离技术的基础性理论研 究和初期的工业化应用研究。 2 0 世纪6 0 7 0 年代为发展阶段，很多膜分离技术得以广泛地应用于实际的 工业化生产过程中。 2 0 世纪8 0 年代之后为深化发展阶段，主要是不断提高已经工业化应用的膜 分离技术，并且开拓应用领域。另外，一些较高难度的膜分离技术也被丌发出来， 取得了重要进展。 在中国，电渗析的研究丌始于2 0 世纪5 0 年代。在6 0 年代，对反渗透现象 进行了研究，8 0 年代以来，开始对各种新型制膜技术和膜分离技术进行研究和 开发。目前，已有多种膜分离产品在各个工业、科研和医药部门投入商业化运营。 膜分离技术j 下处于以微滤、超滤、纳滤、反渗透等为代表的第一代膜过程向以气 体分离、渗透气化、膜蒸馏、膜接触反应器和载体介质传递为特征的第二代膜过 程过渡的时期。膜分离技术作为分离多组分混合物的重要方法，在生产实践中发 挥着越来越重要的作用。 2 第一章绪论 1 2 膜分离技术的分类及其重要应用 1 2 1 膜的种类 膜是具有选择性分离功能的材料，它与传统的过滤分离不同，其不同点在于 它能够在分子数量级上进行分离，该过程只涉及物理变化，没有化学变化，不需 要添加化学助剂。膜的种类有很多【2 3 】，分类方法多种多样，常用的分类方法见 下表1 1 。 表1 1 分离膜的种类 t a b i e1 - lc a t e g o r yo fs 印a r a t i o nm e 瑚【b 咖1 e s 分类标准具体类别 膜的材料 膜孔径 膜结构 膜的作用机理 膜功能 膜的相态 同体膜的形状 天然膜、合成膜 微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜 致密性膜、多孔性膜 吸附性膜、选择渗透膜、扩散性膜、非选择 性膜、离子交换膜 离子交换膜、超滤膜、渗析膜、反渗透膜、 气体渗透膜、微滤膜，渗透汽化膜 液态膜、固态膜 平板膜、核孔膜、中空纤维膜以及管式膜笛 1 2 2 膜分离技术的原理 膜分离技术是一门多学科交叉的技术，有广阔的发展前景。一个世纪以来， 膜技术在实际工业领域得以广泛应用与推广。该技术的分离原理为：通过克服膜 的渗透压实现混合物中多种组分的提取、分离与浓缩。如果将很多种不同浓度的 溶液用只能透过溶剂而不能通过溶质的分离膜隔开，并假定该层膜两侧溶液的静 压力相同，则溶剂在化学势梯度的推动下自发地从一侧的稀溶液侧透过分离膜扩 散到另一侧的浓溶液侧，这就是人们所说的渗透现象。这种现象发生的主要原因 是：分离膜的两侧存在化学位梯度，溶液中溶质浓度越高，则该溶液的化学位越 北京化t 人学硕i j 研究生学