第八章膜分离

1、1第八章第八章 膜膜 分分 离离28.1 8.1 概概 述述1 1、膜分离：、膜分离：用天然或合成的、具有选择透过性用天然或合成的、具有选择透过性的薄膜，以的薄膜，以化学位差或电位差化学位差或电位差为推动力，对双为推动力，对双组分或多组分物系进行分离、分级、提纯或富组分或多组分物系进行分离、分级、提纯或富集的过程。集的过程。涉及涉及气体分离、水溶液分离、生化产品的分离气体分离、水溶液分离、生化产品的分离与与纯化等。纯化等。3膜技术用于生物质资源开发 膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15158080倍倍 渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能

2、渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能6060 生产装置总投资为传统分离方法总投资的生产装置总投资为传统分离方法总投资的404080%80% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纤维素纤维素发酵发酵蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏脱水脱水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜传统过程传统过程:发酵速发酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物反应膜生物反应器：器：实现连实现连续生产，降续生产，降低操作成本低操

3、作成本4膜的应用膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘COCO2 2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧5膜技术的工业应用工业领域工业领域应用举例应用举例金属工艺金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧金属回收；污染控制；富氧燃烧 纺织及制革工业纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业食品及生

4、化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水6 膜分离法实际上是一般过滤法的发展和

5、延膜分离法实际上是一般过滤法的发展和延续。一般过滤法不是分子级水平的，它是利用续。一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相的不同相的不同将固体从液体或气体中分离出来；将固体从液体或气体中分离出来； 膜分离是分子级水平的分离方法膜分离是分子级水平的分离方法，该法关，该法关键在于过程中使用的过滤介质：膜。键在于过程中使用的过滤介质：膜。72 2、特点：、特点：1 1）不发生相变不发生相变，与有相变的分离相比，与有相变的分离相比能耗低能耗低。如一个单级的水脱盐蒸发过程需能耗约如一个单级的水脱盐蒸发过程需能耗约2260kJ/kg,2260kJ/kg,而反而反渗透过程在渗透过程在6.8Mpa6.8Mpa、

6、泵效率、泵效率60%60%、水收率、水收率50%50%的条件下，的条件下，仅需要仅需要28kJ/kg28kJ/kg能量。能量。 2 2）在常温下进行，适合于）在常温下进行，适合于热敏性物质的分离热敏性物质的分离。 3 3） 适用于许多适用于许多特殊溶液体系的分离特殊溶液体系的分离。 如大分子、无机盐、一些共沸物系的分离等。如大分子、无机盐、一些共沸物系的分离等。 8典型的膜分离技术：典型的膜分离技术：微滤（微滤（MFMF）、超滤（）、超滤（UFUF）、反渗透（）、反渗透（RORO）、）、纳滤（纳滤（NFNF）、渗透（）、渗透（D D）、电渗透（）、电渗透（EDED）、）、膜膜:固相、液相和气相

7、膜。固相、液相和气相膜。特殊膜：特殊膜：液膜（液膜（LMLM）、渗透蒸发膜（）、渗透蒸发膜（PVPV）、气体分）、气体分离膜。离膜。9Pressure MF 0.1 m mm - 10 m mm UF 5 - 100 nm (10kD - 1MD) NF 48反渗透：反渗透：在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差大于溶液的渗透压大于溶液的渗透压( ( pp ) )，溶剂从溶液一侧，溶剂从溶液一侧向纯溶剂一侧液流动。向纯溶剂一侧液流动。 反渗透是利用反渗透膜选择性地反渗透是利用反渗透膜选择性地只通过只通过溶剂溶剂（一般为水）的性质，对溶液施加压力（一般为水）的性质，对溶

8、液施加压力克服溶剂的渗透压，使溶剂从溶液中透过反克服溶剂的渗透压，使溶剂从溶液中透过反渗透膜而分离出来的过程。渗透膜而分离出来的过程。49 在一定的温度压力下，纯水的化学位为在一定的温度压力下，纯水的化学位为 而盐水的化学为而盐水的化学为 = + RTlna = + RTlna 纯水的活度为纯水的活度为1 1，而溶液中水的活度一般小于，而溶液中水的活度一般小于1 1， RTlnaRTlna0 0 纯水的化学位大于溶液中水的化学位纯水的化学位大于溶液中水的化学位，所以，所以引起纯水向溶液方向渗透，并不断增加溶液侧的压力。引起纯水向溶液方向渗透，并不断增加溶液侧的压力。当溶液中水的化学位与纯水的化

9、学位相等时渗透达到当溶液中水的化学位与纯水的化学位相等时渗透达到平衡，此时，两侧的压力差称为渗透压。平衡，此时，两侧的压力差称为渗透压。),(1PTm0),(1PTm),(1PTm0),(1PTm0),(1PTm50 渗透压是每个物质都具有的一种物性。渗渗透压是每个物质都具有的一种物性。渗透压与溶液中盐的浓度有关，盐浓度透压与溶液中盐的浓度有关，盐浓度 渗透压渗透压 。低渗透压的溶液。低渗透压的溶液高渗透压溶液渗透。高渗透压溶液渗透。 如果溶液中施加的压力如果溶液中施加的压力P(PP(P2 2-P-P1 1) )大于膜两侧大于膜两侧的渗透压差时，溶液中的水向纯水方向传递。的渗透压差时，溶液中的

10、水向纯水方向传递。这种在外压作用下使渗透现象的逆转过程称为这种在外压作用下使渗透现象的逆转过程称为反渗透反渗透 。溶质不能或很难透过半透膜，。溶质不能或很难透过半透膜， 溶液侧失去了水而增浓。溶液侧失去了水而增浓。51 对多组分物系的稀溶液，可用扩展的对多组分物系的稀溶液，可用扩展的Vant Vant Hoff(Hoff(范特荷夫范特荷夫) )公式计算溶液的渗透压公式计算溶液的渗透压 = RT= RT式中：式中：R-R-气体常数气体常数; c; ci i- -溶质摩尔浓度，溶质摩尔浓度，mol/l;mol/l;ciic152反渗透过程的机理与传质方程：反渗透过程的机理与传质方程： 反渗透膜微孔

11、孔径反渗透膜微孔孔径2 nm,2 nm,而一般无机离子而一般无机离子直径为直径为0.1-0.3 nm, 0.1-0.3 nm, 形成水合离子后水合离子的形成水合离子后水合离子的直径为直径为0.3-0.6nm0.3-0.6nm。 用筛分作用无法解释反渗透机理。用筛分作用无法解释反渗透机理。 53 目前已提出多种反渗透机理，最典型的有目前已提出多种反渗透机理，最典型的有溶解扩散模型；溶解扩散模型；优先吸附优先吸附- -毛细孔流动模型。毛细孔流动模型。由由19601960年，年，SourirajanSourirajan在在GibbsGibbs吸附方程基础上吸附方程基础上提出的，是当前比较流行的膜传递

12、理论之一，提出的，是当前比较流行的膜传递理论之一，也是用反渗透进行海水淡化等脱盐过程设计的也是用反渗透进行海水淡化等脱盐过程设计的基础。基础。54优先吸附优先吸附- -毛细孔流动机理毛细孔流动机理1 1） 膜与无机盐的稀溶液接触时，膜与无机盐的稀溶液接触时，水优先被膜表水优先被膜表面吸附面吸附，形成纯水层，其厚度，形成纯水层，其厚度t=1nm;t=1nm;2 2）无机离子受到排斥，不能进入纯水层。离子）无机离子受到排斥，不能进入纯水层。离子的价数越高，受到的排斥力越强；的价数越高，受到的排斥力越强；553 3）当外压）当外压P P的作用下，当膜表面的有效孔径的作用下，当膜表面的有效孔径2t2t

13、时，透过的是纯水；如果有效孔径时，透过的是纯水；如果有效孔径2t2t时，溶质也透过膜，而且有效孔径越大离子时，溶质也透过膜，而且有效孔径越大离子泄露越多；泄露越多；4 4） 当膜上的毛细孔孔径当膜上的毛细孔孔径=2t=2t时能得到最大纯水时能得到最大纯水透过量。这一孔径称为临界孔径。透过量。这一孔径称为临界孔径。 由此看出，膜表面的由此看出，膜表面的物化性质物化性质（吸附水、（吸附水、排斥离子）和排斥离子）和合适的微孔孔径合适的微孔孔径是实现反渗透是实现反渗透操作的必要条件。操作的必要条件。 56溶解溶解- -扩散机理扩散机理 由由LonsdaleLonsdale和和RileyRiley等人于

14、等人于2020世纪世纪6060年代中年代中期提出的。该机理认为溶剂和溶质透过膜的期提出的。该机理认为溶剂和溶质透过膜的过程分为三步：过程分为三步：1 1）溶剂和溶质在膜的上游侧吸附溶解溶剂和溶质在膜的上游侧吸附溶解；2 2） 溶剂和溶质在化学位梯度作用下，以溶剂和溶质在化学位梯度作用下，以分子分子扩散形式透过膜扩散形式透过膜；3 3）透过物在膜下游侧表面解吸透过物在膜下游侧表面解吸。 溶剂和溶质在膜中的溶解度和扩散系数溶剂和溶质在膜中的溶解度和扩散系数是该机理的核心参数。是该机理的核心参数。57 渗透通量：渗透通量：Kimura-Sourirajan模型求算溶剂和溶质渗透通量。1 1）溶剂的渗

15、透通量）溶剂的渗透通量 JW = A ( P - ) J JW W- -水的渗透速率或渗透通量，水的渗透速率或渗透通量，kmol/mkmol/m2 2.s.s或或mol/(cmmol/(cm2 2.s);.s); P-P-膜两侧的压力差，膜两侧的压力差，Pa;Pa; - -膜两侧溶液的渗透压差，膜两侧溶液的渗透压差，Pa;Pa; A- A-水的渗透系数，水的渗透系数，g/( cmg/( cm2 2.s.Mpa).s.Mpa)，表示纯水透过膜的，表示纯水透过膜的特性，它与特性，它与a a膜材料和膜的结构形态膜材料和膜的结构形态b b操作温度和压力操作温度和压力有关，一般用纯水实验测定。有关，一般

16、用纯水实验测定。582 2）溶质的渗透通量）溶质的渗透通量Js= (cRxA,RcPxA,P) JsJs溶质的渗透速率或渗透通量，溶质的渗透速率或渗透通量，kmol/mkmol/m2 2.s.s或或mol/(cmmol/(cm2 2.s);.s);c cR R- - 料液在膜表面处的浓度，料液在膜表面处的浓度，kmol/mkmol/m3 3或或mol/cmmol/cm3 3; ;c cp p- -透过液在膜表面处的浓度，透过液在膜表面处的浓度，kmol/mkmol/m3 3或或mol/cmmol/cm3 3; ;x xA,RA,R-料液在膜表面处的摩尔分率；料液在膜表面处的摩尔分率；x xA,

17、PA,P-透过夜在膜表面处的摩尔分率；透过夜在膜表面处的摩尔分率； -溶质的渗透系数，溶质的渗透系数，m/s;m/s;D DA,MA,M- - 溶质在膜中的扩散系数，溶质在膜中的扩散系数，m m2 2/s;/s;AMAKD,AMAKD,59- - 膜的厚度，膜的厚度，m;m;K KA A分配系数，因为溶质在膜中的浓度无法测定，分配系数，因为溶质在膜中的浓度无法测定，故常用分配系数故常用分配系数K KA A与膜表面出浓度表示，即与膜表面出浓度表示，即 K KA A=c=cA,MA,Mx xA,MA,M/ c/ cR Rx xA,RA,R 可以反映溶质透过膜的特性，其数值小，表示溶可以反映溶质透过

18、膜的特性，其数值小，表示溶质透过膜的速率小，膜对溶质的分离效率高；与质透过膜的速率小，膜对溶质的分离效率高；与溶质和膜材料的物化性质、膜的结构形态及操作溶质和膜材料的物化性质、膜的结构形态及操作条件有关。条件有关。 60浓差极化：浓差极化： 在反渗透过程中，大部分溶质被截流，溶质在膜表面附近积累，因此从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界层，溶质在膜表溶质在膜表面的浓度面的浓度C CAiAi大于料液主体浓度大于料液主体浓度C CA1A1。此现象。此现象称为称为浓差极化浓差极化。61传质机理与模型传质机理与模型浓度极化模型62浓差极化对反渗透过程的影响：浓差极化对反渗透过程的影响：1 1）

19、由于浓差极化，膜表面处溶质浓度）由于浓差极化，膜表面处溶质浓度 ， ，当，当P P一定时，过程的推动力（一定时，过程的推动力（P-P-） ，渗透通，渗透通量量J J ；2 2）随渗透通量）随渗透通量J JW W , ,浓差极化比浓差极化比 急剧地增加，急剧地增加，溶质的溶质的J JA A , ,截流率截流率 。说明浓差极化的存在对。说明浓差极化的存在对J JW W的的提高提出了限制。提高提出了限制。3 3）当膜表面处溶质浓度高于溶解度时，在膜表面上出）当膜表面处溶质浓度高于溶解度时，在膜表面上出现沉淀，形成凝胶层，透过膜的阻力现沉淀，形成凝胶层，透过膜的阻力 。料液主料液主体浓度体浓度x xA

20、1A1不能高于一定值。不能高于一定值。海水用反渗透处理时，水的利用率受到了限制，水海水用反渗透处理时，水的利用率受到了限制，水和盐不能完全分离。和盐不能完全分离。 1AAixx63由此看出，膜分离中完全避免浓差极化是不可由此看出，膜分离中完全避免浓差极化是不可能的。但可以采取如下措施减小浓差极化：能的。但可以采取如下措施减小浓差极化：1 1） 提高料液的流速，增加湍流程度；提高料液的流速，增加湍流程度；2 2） 提高操作温度，使溶质的溶解度增加；提高操作温度，使溶质的溶解度增加；3 3）对膜表面进行定期清洗等。）对膜表面进行定期清洗等。64渗透通量的影响因素渗透通量的影响因素操作压差操作压差P:P: P P , J, JW W , ,但浓差极化比但浓差极化比 ， ；能耗能耗 ； 应权衡之后选择最佳操作压差应权衡之后选择最佳操作压差P P。操作温度操作温度T:T: T T , ,水的渗透系数水的渗透系数A A