现代化工分离过程PPT学习教案

1、会计学1教学基本要求 第1页/共87页第2页/共87页第3页/共87页第4页/共87页第5页/共87页第6页/共87页第7页/共87页第8页/共87页第9页/共87页第10页/共87页第11页/共87页膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作；膜的性能可以灵活调节；适用广泛；（有机物或无机物的分离、特殊溶液体系如共沸物的分离）。 因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位第12页/共87页第13页/共87页l膜分离技术兼具分

2、离、浓缩和纯化的功能，又有膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。 l膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。 l膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近3030年年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水膜

3、分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理、湿法冶金等各个领域，如海水淡化、超纯处理、湿法冶金等各个领域，如海水淡化、超纯水制备等。产生了巨大的经济效益和社会效益，水制备等。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。已成为当今分离科学中最重要的手段之一。第14页/共87页第15页/共87页第16页/共87页第17页/共87页第18页/共87页第19页/共87页第20页/共87页优点优点: : 目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积

4、大，湍流状况好，适用于反渗透；流状况好，适用于反渗透； 缺点缺点: :清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。 第21页/共87页第22页/共87页第23页/共87页第24页/共87页 膜过滤装置的型式及其适用范围膜过滤装置的型式及其适用范围常见的膜过滤装置有四种类型：常见的膜过滤装置有四种类型： 管式管式 中空纤维式中空纤维式 平板式平板式 卷式（螺旋式）卷式（螺旋式）第25页/共87页1) 平板式膜组件 这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。隔板交替重叠组

5、成。滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。支撑板的下部孔道中汇集排出。为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液从另一孔道流出收集。从另一孔道流出收集。优点优点: 组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较 大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。缺点缺点: 需密封的边界线长需密封的边界线长 第26页/共87页将膜、支撑材料、膜

6、间隔材料依次叠好，围将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组。料液在膜绕一中心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。螺旋形流向中心管。优点优点: : 目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；流状况好，适用于反渗透； 缺点缺点: :清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。 2) 卷式膜

7、组件卷式膜组件第27页/共87页3) 3) 管式膜组件管式膜组件管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。优点：优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。缺点缺点: : 管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少少, ,一般仅为一般仅为3333330 330 ，保留体积大，压力降大，除特殊，保留体积大，

8、压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。场合外，一般不被使用。 第28页/共87页内压管式：内压管式：多孔管多孔管膜膜料液料液外压管式：外压管式：料液料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件管式膜组件第29页/共87页组件的进出料示意图组件的进出料示意图多通道组件多通道组件组件外壳组件外壳渗透液渗透液原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液渗透液渗透液垫圈垫圈第30页/共87页4) 4) 中空纤维膜组件中空纤维膜组件 有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，有数百上万根中空纤维膜固

9、定在圆形容器内构成，内径为内径为40-80um40-80um膜称中空纤维膜，膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm0.25-2.5mm膜称毛细管膜。膜称毛细管膜。前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。优点优点: :设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大( (高达高达160001600030000 ) 30000 ) 缺点缺点: :中空纤维内径小

10、，阻力大，易堵塞，膜污染难除去中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。，因此对料液处理要求高。第31页/共87页中空纤维构造第32页/共87页管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式型式优点缺点管式易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大中空纤维式保留体积小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件螺旋卷绕式单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需预处理，压力降大,易污染,清洗困难平板式保留体积小，能量

11、消耗界于管式和螺旋卷绕式死体积大第33页/共87页各种模件性能比较各种模件性能比较管式中空纤维式板式卷式单位膜面积的成本高低最高低更换膜费用低中等最低高通量较高中等/低最高/较高较高单位体积膜面积m2/m3差(20-30)很好 (1.6万-3万)好/一般(400-600)好(800-1000）保留体积大低中等中等能耗高低中等中等抗污染性很好差好/一般好/一般第34页/共87页第35页/共87页第36页/共87页第37页/共87页第38页/共87页第39页/共87页第40页/共87页微孔扩散模型微孔扩散模型第41页/共87页第42页/共87页第43页/共87页第44页/共87页第45页/共87页

12、第46页/共87页第47页/共87页微滤（微滤（Microfiltration）超滤（超滤（Ultrafiltration）纳滤（纳滤（Nanofiltration）反渗透反渗透 （Reverse Osmosis）气体膜分离（气体膜分离（Gas separation）渗透蒸发（渗透蒸发（Pervaporation）电渗析（电渗析（Electrodialysis）液膜分离（液膜分离（Liquid Membrane）第48页/共87页第49页/共87页过程过程 膜膜 主要功能主要功能 推动力推动力 微滤微滤对称细孔高分子膜对称细孔高分子膜孔径孔径0.0310 nm 滤除滤除 50 nm的的颗粒颗粒

13、 压差压差 0.1 MPa 超滤超滤非对称多孔膜非对称多孔膜孔径孔径120 nm 滤除滤除 5100 nm的颗粒的颗粒 压差压差 0.1 MPa 反渗透反渗透非对称性或复合膜非对称性或复合膜孔径孔径0.11 nm 水溶液中溶解盐水溶液中溶解盐类的脱除类的脱除 压差压差1 10 MPa 渗析渗析( (透析透析非对称离子交换膜非对称离子交换膜孔径孔径110 nm 水溶液中无机酸、水溶液中无机酸、盐的脱除盐的脱除 浓度差浓度差 电渗析电渗析阴、阳离子交换膜阴、阳离子交换膜孔径孔径110 nm 水溶液中酸、碱、水溶液中酸、碱、盐的脱除盐的脱除 电位差电位差 气体分离气体分离均质膜和非对称膜均质膜和非对

14、称膜 滤除滤除 50 nm的的颗粒颗粒 压差压差110 Mpa浓度差浓度差 渗透汽化渗透汽化复合膜复合膜 水、有机物的分水、有机物的分离离 渗透边的分压渗透边的分压下降下降 液膜液膜液体保存在多孔膜液体保存在多孔膜中中 盐、生理活性物盐、生理活性物质的分离质的分离 浓度差浓度差 常见的膜分离过程常见的膜分离过程第50页/共87页RONFUFMFF第51页/共87页微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐第52页/共87页第53页/共87页第54页/共87页(a)膜表面对水的优先吸附第55页/共87页如果毛细孔直径恰等于如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，

15、则可使纯水倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐时达到最大程度的脱盐。水 在膜表面处的流动第56页/共87页式中：式中： p压差；压差；渗透压；渗透压； C2膜两侧溶质的浓度膜两侧溶质的浓度差；差； A、B与膜材料和性质有关的常数。与膜材料和性质有关的常数。 溶剂通量随压力差增大而线性增大，但溶质通量与压差溶剂通量随压力差增大而线性增大，但溶质通量与压差无关，因而在透过液中浓度降低（无关，因而在透过液中浓度降低（ p J1 ，而，而J2不提不提高）。高）。溶质先溶解（或吸附）在原料一侧膜表面

16、，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。第57页/共87页在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。第58页/共87页第59页/共87页第60页/共87页 措施：措施： 错流；错流； 进料流速进料流速； 湍流程度提高，设备改进：湍流程度提高，设

17、备改进： a. 小型设备装搅拌；小型设备装搅拌； b. 装湍流促进器；装湍流促进器； c. 对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料; 温度不要太低。温度不要太低。 第61页/共87页第62页/共87页第63页/共87页反渗透法处理电镀废水工艺流程处理重金属废水，回收重金属：如处理镀镍废水，镍回收率可达99RO第64页/共87页第65页/共87页第66页/共87页v 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 。反渗透的工艺流程第67页/共87页v 一级多段连续式水的回收率

18、提高，浓缩液的量减少，但浓缩液中溶质的含量增大。 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。反渗透的工艺流程第68页/共87页v 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。 反渗透的工艺流程第69页/共87页v 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。 反渗透的工艺流程第70页/共87页2. 2. 微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质，以多孔薄膜为过滤介质，压力差压力差为推动力，利用为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（筛分原理使不溶性粒

19、子（0.1-10um）得以分离）得以分离的操作。操作压力的操作。操作压力0.05-0.5MPa。原理：压力差的作用下，利用膜的孔径的大小对微粒进原理：压力差的作用下，利用膜的孔径的大小对微粒进行机械筛分和截留，而吸附截留的作用相对较小。行机械筛分和截留，而吸附截留的作用相对较小。 第71页/共87页第72页/共87页第73页/共87页2. 2. 超超 滤滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一 般为6000到 50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。 第74页/共87页蛋白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超滤膜超滤膜P出出背压阀背

20、压阀超滤过程示意图：超滤过程示意图：P进进透出液透出液截留液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。第75页/共87页原理：原理：溶液在压力差的作用下，溶剂和小于膜孔径的溶质由膜溶液在压力差的作用下，溶

21、剂和小于膜孔径的溶质由膜透过，而大于膜孔径的溶质则被截留，从而达到溶液的净化、透过，而大于膜孔径的溶质则被截留，从而达到溶液的净化、分离和浓缩。分离和浓缩。 四、超滤四、超滤 超滤与微滤的不同之处在于能截留溶解的大分子，与反超滤与微滤的不同之处在于能截留溶解的大分子，与反渗透的不同之处在于所截留的大多为大分子溶质。渗透的不同之处在于所截留的大多为大分子溶质。 超滤应用非常广泛，从家用净水器到现代化工业生产。超滤应用非常广泛，从家用净水器到现代化工业生产。 第76页/共87页超滤应用超滤应用 超滤从超滤从7070年代起步，年代起步， 9090年代获得广泛应年代获得广泛应用用, ,已成为应用领域最

22、广的技术。已成为应用领域最广的技术。 u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/ /纯化纯化u梯度分离（相差梯度分离（相差1010倍）倍）u清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒u除病毒、热源除病毒、热源第77页/共87页微滤和超滤的分离机理微滤和超滤的分离机理一般认为是简单的筛分过一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。的分子则能透过膜。JV = AP/ JS=JVCP =JV(1-R)CF R=(CF-CP)/CFJV膜的水通量，cm3/(cm2 s)A膜透过系数，cm3/(cm2 s P

23、a)膜的厚度JS溶质透过膜的通量，mg/(cm2 s)CF,CP：分别为原料液和透过液中被分离物质的浓度，R是截留率JvJv水通量；水通量；膜的孔隙度；膜的孔隙度；d d 圆柱形孔道的直径；圆柱形孔道的直径；L L 膜的有效厚度；膜的有效厚度；pp膜两侧压力差；膜两侧压力差；水的粘度。水的粘度。第78页/共87页超滤过程的传质模型v筛子模型溶剂的渗透通量：溶质的渗透通量：水的渗透通量：v细孔模型第79页/共87页第80页/共87页纳滤纳滤Z纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应及降低成本的经济性不断发

24、展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。展而来的。Z膜组器于膜组器于8080年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。膜衍化而来。Z纳滤纳滤 ( NF( NF，Nanofiltration)Nanofiltration)是一种介于反渗透和是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。超滤之间的压力驱动膜分离过程。Z纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为范围约为 MWCO300MWCO3001000 1000 ，能截留透过

25、超滤膜的，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。那部分有机小分子，透过无机盐和水。第81页/共87页纳滤膜的特点u纳滤膜的纳滤膜的截留率大于截留率大于95%95%的最小分子约为的最小分子约为nm,nm,故故称之为纳滤膜。称之为纳滤膜。u从结构上看纳滤膜大多是从结构上看纳滤膜大多是复合膜复合膜，即膜的表面分，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。层由聚电解质构成。u能透过一价无机盐，能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低渗透压远比反渗透低，故操，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的作压力很低。达到同

26、样的渗透通量所必需施加的压差比用压差比用RORO膜低膜低0.50.53 MPa3 MPa，因此纳滤又被称作，因此纳滤又被称作“低压反渗透低压反渗透”或或“疏松反渗透疏松反渗透”( Loose RO )( Loose RO )。第82页/共87页1.1. 筛分：筛分：对对Na+Na+和和Cl- Cl- 等单价离子的截留率较等单价离子的截留率较低，但对低，但对Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、SO42-SO42-截留率高，对色截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（00-100000-1000）物质可进行分级分离，实现高）物质可进行分级分离

27、，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，相对分子量和低相对分子量有机物的分离，2.2. 道南（道南（DonnanDonnan）效应：）效应：纳滤膜本体带有纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。高的截留率。u 低压力下仍具有较高脱盐性能；低压力下仍具有较高脱盐性能；u 分离分子量相差不大但带相反电荷的小分分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。子（短肽、氨基酸、抗生素）。纳米膜的分离机理纳米膜的分离机理第83页/共87页( 纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还纳滤膜由于截留分子量介于超滤