分离技术课件(电渗析后)

1、第五节电渗析第五节电渗析一、基本原理一、基本原理在在直流电场直流电场作用下，利用作用下，利用离子交换膜离子交换膜的的选择透过性选择透过性，产生产生阴阳离子阴阳离子的的定向迁移定向迁移，达到溶液，达到溶液分离、提纯分离、提纯和和浓浓缩缩的传递过程。的传递过程。 离子交换膜：离子交换膜：高分子材料高分子材料制成，具制成，具离子交换基团离子交换基团的薄膜的薄膜 可离解的可离解的活性基团活性基团： 磺酸型阳膜磺酸型阳膜SO3H 季胺型阴膜季胺型阴膜N(CH3)3OH 在水溶液中解离：在水溶液中解离： R-SO3- H RN(CH3)3OH电渗析的原理（以盐水中电渗析的原理（以盐水中NaCl 的的脱除为

2、例）脱除为例）:NaNaNaNaNaNaClClClClClCl阳膜阴膜阳膜阴膜阴极阳极浓缩室浓缩室淡化室直流电源12345 反离子迁移：与反离子迁移：与膜所带电荷相反膜所带电荷相反的的离子穿过膜离子穿过膜的现象的现象 膜上的反离子膜上的反离子( H、OH)进入溶液，进入溶液，固定基团固定基团吸引吸引溶液中的异性电荷离子，溶液中的异性电荷离子，具选择性具选择性 脱除离子的基本条件：脱除离子的基本条件： 直流电场使阳、阴离子直流电场使阳、阴离子定向运动定向运动 阳离子阳离子阴极，阴离子阴极，阴离子阳极阳极 离子交换膜的选择透过，溶液中离子作离子交换膜的选择透过，溶液中离子作反离子迁移反离子迁移二

3、、电渗析中的传递过程二、电渗析中的传递过程1、反离子迁移反离子迁移 为主要传递过程，起脱盐分离作用为主要传递过程，起脱盐分离作用2、同性离子迁移同性离子迁移 与膜的固定基团带相同电荷的离子透过膜与膜的固定基团带相同电荷的离子透过膜 （膜选择性膜选择性 JA( e ) 膜面右侧阳离子浓度下降，引起浓度差传递膜面右侧阳离子浓度下降，引起浓度差传递JA ( d ) DA ：阳离子：阳离子A+ 的扩散系数的扩散系数 dC/ / dx ： - - 浓度梯度浓度梯度 设边界层内为层流，且设边界层内为层流，且DA为常数，则上式积分为：为常数，则上式积分为： 20CCDdJAA C0、C2：溶液主体与阳膜右侧

4、界面溶液中：溶液主体与阳膜右侧界面溶液中A+的浓度的浓度过程达稳态时：过程达稳态时： dxdCDdJdJeJeJAAAAACDCCDttzFiAAAA20)( 当当i ilim ，C2 = 0，迫使水解离由，迫使水解离由H传递电流，传递电流， 此为电渗析的此为电渗析的极化现象极化现象 实际实际 i ilim 阴膜阴膜两侧也会产生极化两侧也会产生极化AAoAttCzFDilim 当当i，浓差，浓差C，C2； 当当i 增大到一定程度，增大到一定程度， C20，CC0， 此时的此时的 i 称极限电流称极限电流 ilim 影响极限电流密度影响极限电流密度ilim 的因素的因素： 膜种类、离子种类、膜种

5、类、离子种类、 离子浓度、温度、水流速、离子浓度、温度、水流速、 隔板结构形成等。隔板结构形成等。 ilim，生产能力，生产能力，生产效率，生产效率提高电渗器的性能提高电渗器的性能 影响影响浓差极化浓差极化的因素的因素： 离子性质与膜的性质离子性质与膜的性质：DA, tA , tA, Z 溶液的溶液的浓度浓度C0： C0 小小 ， ilim小小 温度温度：温度高，：温度高， DA大，大， ilim大，有利大，有利 边界层的厚度边界层的厚度 ： 小，小， ilim大，有利大，有利 与流速、膜间流道间距、溶液粘度有关与流速、膜间流道间距、溶液粘度有关 流速高，间距小，粘度低，流速高，间距小，粘度低

6、， 小，小，有利有利AAoAttCzFDilim 浓差极化的浓差极化的危害危害： 易形成沉淀的离子在膜面产生沉淀，膜电阻易形成沉淀的离子在膜面产生沉淀，膜电阻， 有效面积有效面积 水电离和水电离和 H、OH的的迁移损耗电流，电流效率迁移损耗电流，电流效率， 电耗电耗 极化时的极化时的pH值变化值变化, 造成膜腐蚀，缩短寿命造成膜腐蚀，缩短寿命减轻浓差极化的措施减轻浓差极化的措施: 控制电流控制电流, ,使其低于使其低于极限电流密度极限电流密度 提高淡化室两侧离子的传递速率提高淡化室两侧离子的传递速率 定期定期清洗清洗或采用或采用防垢剂防垢剂和和倒换电极倒换电极等措施消除等措施消除 沉淀沉淀,

7、,也可对水进行预处理也可对水进行预处理, ,除去易沉淀的离子除去易沉淀的离子 提高温度提高温度, ,减小溶液粘度减小溶液粘度, ,增大增大DA 高温电渗析高温电渗析五、电渗析的流程五、电渗析的流程 多采用多采用板框式板框式阴极阴膜浓缩室隔板阳膜淡化室隔板阴膜阴极阴膜浓缩室隔板阳膜淡化室隔板阴膜浓缩室隔板阳膜阳极浓缩室隔板阳膜阳极等构成组件等构成组件 为减轻浓差极化，电流密度为减轻浓差极化，电流密度不能太高，水流速不能太低，不能太高，水流速不能太低，故水经淡化室一次除去的离子故水经淡化室一次除去的离子量有限，量有限， 据原水含盐量与据原水含盐量与脱盐要求，采用不同流程脱盐要求，采用不同流程一+出

8、水出水进水进水二段电渗析器二段电渗析器串联，提串联，提高脱盐率高脱盐率D+一CDCDD+一CDCD第1台第2台第3台C浓缩室D淡化室脱盐水一次连续脱盐流程一次连续脱盐流程D+一CDCD循环操作流程（间歇）循环操作流程（间歇）六、电渗析法的应用六、电渗析法的应用 1、水的脱盐纯化和浓缩：、水的脱盐纯化和浓缩： 与与离子交换离子交换结合制高纯水结合制高纯水 苦咸水和海水淡化苦咸水和海水淡化 海水、盐泉卤水海水、盐泉卤水浓缩制盐浓缩制盐 日本日本 增加产量，降低成本（与增加产量，降低成本（与真空蒸发真空蒸发制盐比较制盐比较） 与与蒸馏法蒸馏法、萃取法萃取法、离子交换法离子交换法、反渗透法反渗透法相比

9、相比, ,电渗析电渗析脱盐的脱盐的特点特点：（1）仅用电能，连续操作，不需再生（反渗透用高压）仅用电能，连续操作，不需再生（反渗透用高压）（2）无物质状态的变化，耗能较小）无物质状态的变化，耗能较小（3）设备简单，操作方便）设备简单，操作方便（4）电极上的氧化、还原反应可利用电极上的氧化、还原反应可利用 电渗析法电渗析法纯化水纯化水还有以下特点：还有以下特点：（1）脱盐能耗与）脱盐能耗与含盐量含盐量成成正比正比，只适用于，只适用于含盐量低含盐量低的的 苦咸水苦咸水脱盐，不适合含盐量高的海水淡化脱盐，不适合含盐量高的海水淡化（2）当原水含盐浓度当原水含盐浓度过低过低时，溶液时，溶液电阻大电阻大，

10、也不经济，也不经济 制高纯水采用制高纯水采用电渗析电渗析和和离子交换离子交换结合结合 2、废水处理：废水处理： 废水净化、重新利用并回收其中有价值的组份废水净化、重新利用并回收其中有价值的组份 从从金属酸洗金属酸洗废水中回收废水中回收酸酸与与金属金属 从从电镀电镀废水中回收废水中回收Cu、Zn、Ni、Cr等金属等金属 从合从合成纤维成纤维厂废水中回收厂废水中回收ZnSO4、Na2SO4等等 从从造纸造纸废水中回收碱、废水中回收碱、Na2SO3、木质素木质素等等 木质素木质素： 世界第二位最丰富的有机物世界第二位最丰富的有机物(纤维素第一纤维素第一)，造纸造纸黑液黑液 由四种醇的由四种醇的单体单

11、体(对香豆醇、松柏醇、对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥羟基松柏醇、芥子醇子醇) 形成的一种形成的一种复杂的酚类聚合物复杂的酚类聚合物 废弃物资源化与可再生资源的利用废弃物资源化与可再生资源的利用, 是当代经济与社是当代经济与社会发展的重大课题。自然界中会发展的重大课题。自然界中, 木质素木质素储量仅次于储量仅次于纤维素纤维素, 且每年以且每年以500 亿吨的速度再生。制浆造纸业每年要从植物亿吨的速度再生。制浆造纸业每年要从植物中分离出大约中分离出大约 1.4 亿吨纤维素亿吨纤维素, 同时得到同时得到 5000万吨左右的万吨左右的木质素副产品。但迄今为止木质素副产品。但迄今为止, 超过超过9

12、5 %木质素仍以木质素仍以“黑液黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉直接排入江河或浓缩后烧掉, 很少得到有效利用很少得到有效利用。化石能源日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学化石能源日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素经济效益的可持续发展性。的飞速发展决定木质素经济效益的可持续发展性。 木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能，木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能，可作为分散剂、吸附可作为分散剂、吸附/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂。解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂。木质素对人类可持续发展最重大贡献就在于提供稳定、持木质素对人类可持续发展最重大贡献就在于提供稳定

13、、持续的有机物质来源，应用前景十分广阔。续的有机物质来源，应用前景十分广阔。3、医药、食品工业医药、食品工业 葡萄糖、甘露醇、维生素葡萄糖、甘露醇、维生素C 等的脱盐等的脱盐 牛奶、乳清的脱盐牛奶、乳清的脱盐 (与与超滤超滤、反渗透反渗透结合使用结合使用) 有机物中酸、碱、盐的脱除有机物中酸、碱、盐的脱除 果汁中过量柠檬酸的脱除果汁中过量柠檬酸的脱除 两侧均用两侧均用阴膜阴膜， 酸根一侧渗出，另侧渗入酸根一侧渗出，另侧渗入OH与与H中和中和 柠檬酸钠柠檬酸钠 柠檬酸柠檬酸 阳膜阳膜4、化工生产中化工生产中离子性物质离子性物质与与非离子性物质非离子性物质的分离的分离5、离子膜电解、离子膜电解 氯

14、碱生产（举例，氯碱生产（举例，1975年后）年后） Na+OHClH2O NaCl浓溶液浓溶液膜膜阴极阴极阳极阳极Cl 2 , NaCl 稀溶液稀溶液NaOH溶液溶液, H2第六节气体膜分离第六节气体膜分离一、基本原理一、基本原理 气体膜分离：利用气体膜分离：利用气体混合物气体混合物中各组份在中各组份在致密膜致密膜中中渗透速率渗透速率的不同使各组份分离的过程。的不同使各组份分离的过程。压缩机压缩机渗透气渗透气渗余气渗余气真空泵真空泵原料气原料气气体气体膜膜分离过程示意图分离过程示意图 推动力：推动力：压力差压力差 机理复杂，有多种机理模型机理复杂，有多种机理模型 按简单的按简单的溶解扩散溶解扩

15、散模型，气体透过膜的步骤：模型，气体透过膜的步骤： 膜膜高压侧高压侧，气体中易渗组份，气体中易渗组份溶解溶解在在膜表面膜表面 溶解组份通过溶解组份通过分子扩散分子扩散从从高压侧高压侧传递到传递到低压侧低压侧 膜膜低压侧低压侧表面组份表面组份 解吸解吸到气相到气相 气体透过膜为气体透过膜为溶解、扩散、解吸溶解、扩散、解吸过程过程 纯气体在高分子膜中的纯气体在高分子膜中的溶解平衡溶解平衡可用可用亨利定律亨利定律表示：表示： CHP 据据费克定律费克定律，稳态条件下，气体在膜中，稳态条件下，气体在膜中扩散通量扩散通量：21CCDJ J： 气体扩散通量气体扩散通量C1、C2：气体组份在：气体组份在膜高

16、压侧膜高压侧与与低压侧低压侧表面的浓度表面的浓度 D：扩散系数：扩散系数 ：膜厚膜厚若膜两侧若膜两侧温度相同温度相同( (H 相等相等) )，则：，则：2121PPQPPDHJ P1、P2 ：高压侧、低压侧气体的压力：高压侧、低压侧气体的压力 Q ：气体组份通过膜的渗透率：气体组份通过膜的渗透率 QD H 二组份气体混合物透过膜的二组份气体混合物透过膜的理想情况理想情况： 即假设一种组份对膜的渗透即假设一种组份对膜的渗透不受不受另一组份透过的影响另一组份透过的影响 两组份两组份i、j 的渗透通量：的渗透通量：iiiiPPQJ21 jjjjPPQJ21分离系数：分离系数：iiiiijxxyy11

17、 x、y ：高压侧、低压侧摩尔分率：高压侧、低压侧摩尔分率 对对 i. g. (理想气体理想气体) )，摩尔比等于分压比，摩尔比等于分压比( (道尔顿定律道尔顿定律) )jijiijPPPP1122 1：高压侧：高压侧2：低压侧：低压侧 膜膜低压侧低压侧两组份两组份分压比分压比等于两组份等于两组份渗透通量渗透通量之比之比 ?可证明：可证明： 当当低压侧压力比高压侧压力小得多时低压侧压力比高压侧压力小得多时： P2 / P10P2j / P1j0 即即两组份两组份分离系数分离系数等于在膜中等于在膜中渗透率渗透率之比之比jiijQQjjjjijjiijPPPPQQ121211mmQQmmmppQQ

18、mpppmppQQmpppppQQppppppppQQJJppmppmppppppmppjiiijiiiiiijiijjiijijjijjjiijijijiiiiijijijj11111112121212122112212121221212112212两边分子同除以即：两边分母同除以设 由于扩散组份由于扩散组份分子间分子间和扩散组份和扩散组份分子分子与与高分子膜高分子膜间的间的相互作用，一个组份的渗透通量受其它组份的同时渗透而相互作用，一个组份的渗透通量受其它组份的同时渗透而改变，具体模型可参阅有关文献。改变，具体模型可参阅有关文献。)()(jijijjiiijHHDDHDHD 扩散型扩散型

19、溶解度型溶解度型 ( (都决定膜的选择性都决定膜的选择性) )二、影响渗透通量与分离系数的因素二、影响渗透通量与分离系数的因素1、膜材料膜材料 (决定因素决定因素) ) 高分子聚合物高分子聚合物: 醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜、含氟聚合物、有机硅等醋酸纤维素、聚酰胺、聚砜、含氟聚合物、有机硅等 对膜对膜改性改性或进行或进行交链交链处理，可使处理，可使ij 除高分子膜外除高分子膜外, 可用金属箔、玻璃等无机膜可用金属箔、玻璃等无机膜2、膜厚膜厚 ，J，采用复合膜采用复合膜 (超薄膜多孔基膜超薄膜多孔基膜)，J 致密活性层致密活性层薄薄，生产能力，生产能力 3、温度温度 T, H，但，但 D，比较而言

20、，比较而言，T 对对D 的影响大的影响大 总体上，总体上，T，J 4、压力压力 P，J 实际实际P 受受能耗能耗、膜强度膜强度和和制造费用制造费用的限制的限制 应综合考虑应综合考虑三、气体分离膜与设备三、气体分离膜与设备 1、膜、膜 要求：要求：渗透通量大渗透通量大，分离系数高分离系数高(或选择性高或选择性高) 另外有较高的另外有较高的机械强度机械强度 采用复合膜采用复合膜 (包括包括非对称性膜非对称性膜) 阻力型复合膜阻力型复合膜 表层表层薄薄而而致密，致密，但因有孔隙但因有孔隙, 降低降低，涂易渗材料涂易渗材料 构成薄层构成薄层 (堵孔堵孔), 加试剂加试剂 (三氟化硼处理聚砜膜三氟化硼处

21、理聚砜膜)，减小孔隙减小孔隙 起分离作用的起分离作用的超薄膜超薄膜与与多孔基膜多孔基膜形成形成复合膜复合膜（常用）（常用） 优点：优点：活性层材料活性层材料的的选择余地大选择余地大(但制造困难但制造困难) 2、膜分离设备膜分离设备（1）中空纤维管式中空纤维管式膜器膜器 用阻力型复合膜用阻力型复合膜 (如如聚砜聚砜表面涂表面涂聚甲基硅氧烷聚甲基硅氧烷) 例：合成氨弛放气中例：合成氨弛放气中H2的回收的回收（2）卷式卷式膜器膜器 醋酸纤维素非对称膜醋酸纤维素非对称膜 例：例： H2、CO2、H2S、H2O (气气) 与烃的分离与烃的分离 O2、N2 的的 分离分离四、分离流程四、分离流程 一般串级

22、使用，组成级联，四种类型一般串级使用，组成级联，四种类型1、简单级联简单级联（与简单蒸馏对比）（与简单蒸馏对比） 每级每级渗透气渗透气作为下一级作为下一级进料气进料气，每级每级排出排出渗余气渗余气， 末级渗透气末级渗透气作为作为产品。产品。R1进气F1P1R2进气2P2R3进气3P32、精馏级联精馏级联 每级每级渗透气渗透气作为作为下一级进料下一级进料，末级渗透气末级渗透气为为易渗产品易渗产品，第一级渗余气第一级渗余气为为难渗产品难渗产品。各级。各级渗余气渗余气回流，部份易渗产回流，部份易渗产品回流，品回流，易渗产品易渗产品纯度纯度与与产量产量 (比简单级联比简单级联)R1渗余气回流F 1 P

23、1R22 P2R33 P3部份易渗产品回流渗透气渗透气串联及回流，提高串联及回流，提高易渗产品的易渗产品的纯度纯度渗余气渗余气回流提高回流提高易渗产品的易渗产品的产量产量 ？3、提馏级联、提馏级联 每级渗余气作下一级进料，每级渗余气作下一级进料，末级渗余气末级渗余气为为难渗产品难渗产品，第第一级渗透气一级渗透气为为易渗产品易渗产品，后各级渗透气回流进前一级，后各级渗透气回流进前一级 特点：特点：难渗产品的难渗产品的 纯度纯度与与产量产量(因渗透气回流因渗透气回流)高高 （比简单级联）（比简单级联）4、完全级联、完全级联 精馏与提馏级联组合，精馏与提馏级联组合，易渗与难渗易渗与难渗产品产品纯度纯

24、度与与产量产量R1P1R2P2R3P3五、应用五、应用 气体膜分离既无相变化，又不用质量分离剂，气体膜分离既无相变化，又不用质量分离剂，节能节能 用于提取或浓缩有用成份用于提取或浓缩有用成份 1、工业气体中氢回收工业气体中氢回收 合成氨弛放气中合成氨弛放气中H2的的回收回收 回收回收 96% 的的H2，经济效益，经济效益 大连化物所，大连化物所，H2、N2 膜膜分离器分离器 炼厂气中炼厂气中H2的的回收回收 i) 从催化重整尾气中回收从催化重整尾气中回收 H2 ii) 从渣油催化裂化干气从渣油催化裂化干气(H2 = 10-30 %)中中回收回收H2 2、氧氮分离氧氮分离 制制O2含量含量30-

25、40 %的富氧空气的富氧空气(医疗和工业炉助燃医疗和工业炉助燃) 同时得同时得含氮量高的含氮量高的N2 (惰气保护、管道吹洗、加压、水果库存保护气惰气保护、管道吹洗、加压、水果库存保护气) 3、从天然气从天然气(含含He 5 %)中提取氦中提取氦 经二级分离可将氦浓缩到经二级分离可将氦浓缩到82%左右左右 膜材料：膜材料：聚醋酸纤维聚醋酸纤维 或或 氟塑料氟塑料4、CO2的分离的分离 （醋酸纤维非对称性膜）（醋酸纤维非对称性膜） 从天然气中分离从天然气中分离CO2 以提高以提高CH4含量含量 油井压油井压CO2 降低油的黏度降低油的黏度, 用膜分离。用膜分离。 除发酵法产生的生物气中的除发酵法

26、产生的生物气中的CO2，以提高热值，以提高热值 渗透汽化分离原理渗透汽化分离原理汽化汽化第七节第七节 渗透汽化渗透汽化 (Pervaporation )一、基本原理一、基本原理 有相变有相变的的膜渗透膜渗透过程过程 将液体混合物在一侧与膜接触，另一侧维持较低的易将液体混合物在一侧与膜接触，另一侧维持较低的易渗组分的蒸汽压。由于渗组分的蒸汽压。由于蒸汽压蒸汽压的差异，易渗组分较多地溶的差异，易渗组分较多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜另一侧汽化抽出解在膜上，并扩散通过膜，在膜另一侧汽化抽出。 按按溶解溶解-扩散模型，扩散模型，被分离组分通过膜的传递被分离组分通过膜的传递 分三步：分三步：（1）被

27、分离组分在膜）被分离组分在膜上游表面上游表面吸附吸附并并溶解溶解 （液固平衡）（液固平衡）（2）在）在膜内以膜内以分子扩散分子扩散形式形式通过膜通过膜（3）在在膜下游表面膜下游表面脱附脱附并并汽化汽化 （固气平衡）（固气平衡） 据造成膜两侧据造成膜两侧蒸汽压差蒸汽压差的方法不同，渗透汽的方法不同，渗透汽化主要有三种形式：化主要有三种形式：（1）真空渗透汽化真空渗透汽化 膜透过侧用膜透过侧用真空泵抽真空真空泵抽真空，造成膜两侧组分蒸汽压差，造成膜两侧组分蒸汽压差（2）载气吹扫渗透汽化载气吹扫渗透汽化 载气吹扫载气吹扫膜的透过侧，带走透过组分膜的透过侧，带走透过组分（3）热渗透汽化热渗透汽化 料液

28、料液加热加热和透过侧冷凝，形成膜两侧蒸汽压差和透过侧冷凝，形成膜两侧蒸汽压差原液原液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器真空泵真空泵 原液原液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器载气载气原液原液渗透液渗透液渗余液渗余液冷凝器冷凝器加热器加热器真空真空渗透汽化渗透汽化载气吹扫载气吹扫渗透汽化渗透汽化 热热渗透汽化渗透汽化 渗透汽化示意图渗透汽化示意图 工业生产中常采用工业生产中常采用真空真空与与热渗透汽化热渗透汽化结合的方式结合的方式二、渗透汽化二、渗透汽化膜膜 致密均质膜、复合膜或非对称膜，其中致密均质膜、复合膜或非对称膜，其中复合膜复合膜应用最广应用最广 表征膜分离性能的主要参数：表征膜分离

29、性能的主要参数： 分离系数分离系数 透过速率透过速率(或渗透通量或渗透通量) 要求：分离系数大、渗透通量大（但矛盾）要求：分离系数大、渗透通量大（但矛盾） 在选膜和制膜时在选膜和制膜时, 需据需据具体情况具体情况进行优化进行优化三、应用三、应用 渗透汽化过程复杂，原料渗透汽化过程复杂，原料组成组成对分离性能影响大对分离性能影响大 一般用于一般用于普通蒸馏难分离的普通蒸馏难分离的近沸物近沸物或或恒沸物恒沸物或或液体混液体混合物中除少量杂质合物中除少量杂质 推动力为膜两侧组分的推动力为膜两侧组分的浓度差浓度差或或分压差分压差 分离主要受组分在膜内分离主要受组分在膜内渗透速率渗透速率限制限制(控制步

30、骤控制步骤)， 不受不受组分在膜两侧组分在膜两侧平衡条件平衡条件的限制的限制 优点：分离系数大优点：分离系数大 缺点：通量小，有相变，需提供汽化热缺点：通量小，有相变，需提供汽化热 （1）恒沸物的分离恒沸物的分离典型过程典型过程: 工业乙醇脱水工业乙醇脱水制无水乙醇（易透制无水乙醇（易透? 膜）膜）分离能耗比恒沸精馏低得多，已大规模分离能耗比恒沸精馏低得多，已大规模工业应用工业应用 含水量大含水量大的恒沸物的恒沸物: 如如丙醇丙醇-水水(71%)，异丙醇异丙醇-水水(88%)的的分离分离 渗透汽化渗透汽化与与精馏精馏结合结合 流程流程( 2 ) 近沸点近沸点有机物的分离有机物的分离 如苯如苯/

31、环己烷（沸点环己烷（沸点80.1 和和 80.7 C） 丁烷丁烷 / 丁烯等的分离丁烯等的分离( (3 ) ) 混合物中少量杂质的分离混合物中少量杂质的分离 从废水中除去有机污染物从废水中除去有机污染物(如含氯的化合物、酚等如含氯的化合物、酚等)第八节第八节 膜接触器膜接触器 (Membrane Contactors) 一、概述一、概述 传统分离单元操作如蒸馏、吸收、萃取等也可通过传统分离单元操作如蒸馏、吸收、萃取等也可通过膜来实现，即为膜蒸馏、膜吸收、膜萃取。膜来实现，即为膜蒸馏、膜吸收、膜萃取。 膜过程与常规分离过程结合，是开发中的新型膜分膜过程与常规分离过程结合，是开发中的新型膜分离技术

32、，也是今后膜过程的发展方向。离技术，也是今后膜过程的发展方向。 实现上述膜过程的设备，统称膜接触器。实现上述膜过程的设备，统称膜接触器。 膜接触器是以膜接触器是以多孔膜多孔膜为传递介质实现两相传质的装置为传递介质实现两相传质的装置 其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在其中一相并不是直接分散在另一相中，而是在微孔膜微孔膜表面开孔处表面开孔处的的两相界面两相界面上接触而进行传质上接触而进行传质优点优点： 具极大的两相传质面积具极大的两相传质面积 比气体吸收器大比气体吸收器大30 倍以上，比液倍以上，比液-液萃取器大液萃取器大500 倍以上倍以上 操作范围宽操作范围宽 高流量下不会造成液泛、雾沫

33、夹带等不正常操作高流量下不会造成液泛、雾沫夹带等不正常操作 低流量下不致滴液，能正常操作低流量下不致滴液，能正常操作缺点：缺点： 传质中引入一个新相传质中引入一个新相 膜膜 膜的存在影响总传质阻力，程度取决于膜和体系性质膜的存在影响总传质阻力，程度取决于膜和体系性质依据气液传递相的不同，膜接触器分：依据气液传递相的不同，膜接触器分： 气气- 液（液（G-L）型）型:（一相为气一相为气(汽汽) 体，另一相为液体）体，另一相为液体） 液液- 气（气（L-G）型）型:（一相为液体，另一相为气（一相为液体，另一相为气(汽汽) 体）体） 液液- 液（液（L-L）型（两相均为液体）型（两相均为液体） 气气

34、-液液型中，气体或蒸汽从型中，气体或蒸汽从气相气相传递到传递到液相液相 液液-气气型中，气体或蒸汽从型中，气体或蒸汽从液相液相传递到传递到气相气相传质方向传质方向传质方向传质方向传质方向传质方向 液体液体液体液体 气体气体液体液体 液体液体气体气体 膜接触器类型膜接触器类型a 气气-液液接触器接触器 b 液液-气气接触器接触器 c 液液- -液液接触器接触器(a)(b)(c)透过组分在膜接触器中传递包括三个步骤：透过组分在膜接触器中传递包括三个步骤： 从原料相主体到膜的传递从原料相主体到膜的传递 在膜内微孔的扩散传递在膜内微孔的扩散传递 从膜到渗透物相的传递从膜到渗透物相的传递 K总传质系数总

35、传质系数: 原料相、膜及透过物相的传质分系数原料相、膜及透过物相的传质分系数c c : 原料相与透过物相中透过组分的浓度差原料相与透过物相中透过组分的浓度差 cKJoutminkkkK1111outminkkk、 传质总阻力由三部分组成传质总阻力由三部分组成: 即即 原料相边界层的阻力原料相边界层的阻力 膜阻膜阻 透过物相边界层的阻力透过物相边界层的阻力传递过程的通量表示为：传递过程的通量表示为：二、膜蒸馏二、膜蒸馏 ( Membrane Distillation ) 1、概述、概述 膜蒸馏是一种处理膜蒸馏是一种处理水溶液水溶液的新型膜分离过程的新型膜分离过程 所用膜是不被料液润湿的多孔所用膜

36、是不被料液润湿的多孔疏水膜疏水膜，膜一侧是，膜一侧是加热加热的待处理的待处理水溶液水溶液，另一侧是，另一侧是低温冷水低温冷水或其它或其它气体气体 由于由于膜疏水膜疏水，水不会从膜孔中通过，但由于膜两侧，水不会从膜孔中通过，但由于膜两侧水水蒸汽压差蒸汽压差存在，存在，水蒸汽水蒸汽通过通过膜孔膜孔，从，从高蒸汽压高蒸汽压侧传递到侧传递到低低蒸汽压侧蒸汽压侧 传递过程的三个步骤：传递过程的三个步骤： 水在料液侧膜表面水在料液侧膜表面汽化汽化 汽化的汽化的水蒸汽水蒸汽通过疏水膜孔通过疏水膜孔扩散扩散 在膜另侧表面上在膜另侧表面上冷凝为水冷凝为水 膜蒸馏膜蒸馏推动力推动力是是水蒸汽压差水蒸汽压差，一般通

37、过膜两侧，一般通过膜两侧温差温差来来实现，所以膜蒸馏属于实现，所以膜蒸馏属于热推动热推动过程过程 据水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸馏可分为据水蒸汽冷凝方式不同，膜蒸馏可分为 直接接触式直接接触式 热料液和冷却水与膜两侧直接接触热料液和冷却水与膜两侧直接接触 气隙式气隙式 用空气隙使膜与冷却水分开，水蒸汽需要通过气隙用空气隙使膜与冷却水分开，水蒸汽需要通过气隙 到达冷凝板上才能冷凝到达冷凝板上才能冷凝 减压式减压式 透过膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝透过膜的水蒸汽被真空泵抽到冷凝器中冷凝 气扫式气扫式 利用不凝的吹扫气将水蒸汽带入冷凝器中冷凝利用不凝的吹扫气将水蒸汽带入冷凝器中冷凝吹扫气吹扫气冷凝

38、水冷凝水 气隙气隙 膜蒸馏类型膜蒸馏类型(a)(a)直接接触式直接接触式 (b)(b)气隙式气隙式 (c)(c) 减压式减压式 (d) (d) 气扫式气扫式冷却水冷却水热料液热料液 (a)冷却水冷却水热料液热料液 (b)冷凝水冷凝水热料液热料液真空泵真空泵冷凝水冷凝水热料液热料液(c)(d)2、影响膜蒸馏过程的因素：、影响膜蒸馏过程的因素： 1） 膜材料与结构：微孔疏水膜膜材料与结构：微孔疏水膜 疏水性差，分离效率低疏水性差，分离效率低 开孔率大，渗透通量大开孔率大，渗透通量大 2） 热侧和冷侧液体的温度热侧和冷侧液体的温度 热侧温度高，冷侧温度低，推动力大，通量大热侧温度高，冷侧温度低，推动

39、力大，通量大 3） 溶液浓度溶液浓度 浓度高，水蒸汽压低，粘度大，传质传热慢，通量小浓度高，水蒸汽压低，粘度大，传质传热慢，通量小 水汽通过膜最慢水汽通过膜最慢，溶液主体与膜表面处浓差小，所以，溶液主体与膜表面处浓差小，所以 膜蒸馏的浓缩溶液可接近饱和浓度膜蒸馏的浓缩溶液可接近饱和浓度 4）两侧压差两侧压差 两侧均两侧均常压常压，压差尽可能小，压差尽可能小 若压差大，溶液可能穿过膜孔流向另一侧，截留率低若压差大，溶液可能穿过膜孔流向另一侧，截留率低3、膜蒸馏的应用、膜蒸馏的应用 从从非挥发性物质水溶液非挥发性物质水溶液中中分理出水分理出水的过程，可认为的过程，可认为是是蒸发蒸发过程与过程与膜膜

40、过程的结合。过程的结合。优点：操作温度优点：操作温度低低。热侧溶液一般为。热侧溶液一般为40-50 C 纯水的制备纯水的制备 如盐水和海水淡化、电厂锅炉用水处理等如盐水和海水淡化、电厂锅炉用水处理等 水溶液的浓缩水溶液的浓缩(操作温度低操作温度低) 如如热敏性水溶液热敏性水溶液的浓缩、盐的浓缩结晶等的浓缩、盐的浓缩结晶等三、膜吸收三、膜吸收 ( Membrane Absorption )1、概述、概述 膜吸收与膜解吸是将膜与常规吸收、解吸相结合的膜吸收与膜解吸是将膜与常规吸收、解吸相结合的膜分离过程。膜分离过程。 膜吸收膜吸收为为气气-液液接触器，而接触器，而膜解吸膜解吸为为液液-气气接触器。接触器。 利用微孔膜将气、液两相分隔开来，一侧为气相流动，利用微孔膜将气、液两相分隔开来，一侧为气相流动，另一侧为液相流动，中间的膜孔提供气、液传质的场所，另一侧为液相流动，中间的膜孔提供气、液传质的场所，使一种或多种气体被使一种或多种气体被吸收进入液相吸收进入液相实现实现吸收吸收，或一种气体，或一种气体或多种气体从或多种气体从吸收剂中被气提吸收剂中被气提实现实现解吸解吸。 膜吸收中所用膜可是膜吸收中所用膜可是亲水性膜亲水性膜，也可是，也可是疏水性膜疏水性膜 据膜材料疏水和亲水性能及吸收剂性能差异，膜吸收据膜材料疏水和亲水性能及吸