化工分离工程演示稿

1、2022-5-221内蒙工业大学化工学院内蒙工业大学化工学院2|绪论 膜分离技术 |反渗透 纳滤 超滤|微滤 电渗析 主要参考资料主要参考资料：1 蒋维钧主编，新型传质分离技术，蒋维钧主编，新型传质分离技术，1992年年10月，化学工业出版社月，化学工业出版社2 陈洪钫主编，化工分离过程，陈洪钫主编，化工分离过程，1995年年5月，化学工业出版社月，化学工业出版社3 任建新主编，膜分离技术及其应用，任建新主编，膜分离技术及其应用，2003年年1月，化学工业出版社月，化学工业出版社4 刘茉娥主编，膜分离技术，刘茉娥主编，膜分离技术，2000年年3月，化学工业出版社月，化学工业出版社5 郑颂英主编

2、，膜技术，郑颂英主编，膜技术，2000年年11月，化学工业出版社月，化学工业出版社6 张维润主编，电渗析工程学，张维润主编，电渗析工程学，1995年年12月，科学出版社月，科学出版社7 汪汪 猛主编，膜材料及其制备，猛主编，膜材料及其制备，2003年年2月，化学工业出版社月，化学工业出版社8 王王 湛主编，膜分离技术基础，湛主编，膜分离技术基础，2000年年4月，化学工业出版社月，化学工业出版社9 严希康主编，生化分离工程，严希康主编，生化分离工程，2001年年2月，化学工业出版社月，化学工业出版社10徐南平主编，无机膜分离技术与应用，徐南平主编，无机膜分离技术与应用，2003年年3月，化学工

3、业出版社月，化学工业出版社3| 分离过程是将混合物分成组成分离过程是将混合物分成组成互不相同的两种或两种以上产品的互不相同的两种或两种以上产品的操作，操作，它在化工、轻工、制药、食它在化工、轻工、制药、食品、生物化工等以生产各种物料与品、生物化工等以生产各种物料与材料的化工类生产部门以及环境保材料的化工类生产部门以及环境保护工程中，均占有重要的地位。护工程中，均占有重要的地位。4 自然界的各种物质都是混合物，要利用这自然界的各种物质都是混合物，要利用这些物质，或采用化学或物理、生化等方法将些物质，或采用化学或物理、生化等方法将其转化为所需物料，需把它们分离成较纯的其转化为所需物料，需把它们分离

4、成较纯的物质；而采用各种手段加工得到的产物也是物质；而采用各种手段加工得到的产物也是混合物，须通过分离技术将其分离成各种纯混合物，须通过分离技术将其分离成各种纯度的中间产品或产品。度的中间产品或产品。一个典型的化工生产一个典型的化工生产过程或装置，通常是由反应器和具有提纯原过程或装置，通常是由反应器和具有提纯原料、中间产物和产品的多个分离设备及机、料、中间产物和产品的多个分离设备及机、泵、换热器等泵、换热器等构成。分离操作一方面为化学构成。分离操作一方面为化学反应提供符合的原料，清除杂质，减少副反反应提供符合的原料，清除杂质，减少副反应和提高收率；另一方面对反应产物起分离应和提高收率；另一方面

5、对反应产物起分离提纯的作用，以得到合格的产品，并使未反提纯的作用，以得到合格的产品，并使未反应的反应物循环利用。此外在环保和资源利应的反应物循环利用。此外在环保和资源利用方面起着重要作用用方面起着重要作用。5| 随着生产技术的发展，待处理的随着生产技术的发展，待处理的混合物种类日渐增多，分离的要求越混合物种类日渐增多，分离的要求越来越高。分离物料的量有的向大型化来越高。分离物料的量有的向大型化发展，也有的趋向于小型化，特别是发展，也有的趋向于小型化，特别是各种天然资源的不断开发利用，要求各种天然资源的不断开发利用，要求从有限的、含量较少的资源中去提取从有限的、含量较少的资源中去提取有用物质。这

6、些都将对原有的分离方有用物质。这些都将对原有的分离方法不断改进完善，开发新的分离方法，法不断改进完善，开发新的分离方法，使分离手段更加有效。使分离手段更加有效。6 实际生产过程中涉及到的混合物种实际生产过程中涉及到的混合物种类、性质、和分离要求不尽相同，需要类、性质、和分离要求不尽相同，需要针对实际过程采取不同的分离方法，甚针对实际过程采取不同的分离方法，甚至需要综合几种分离方法才能经济有效至需要综合几种分离方法才能经济有效地达到预期的分离效果。目前地达到预期的分离效果。目前生产方式生产方式由资源由资源- -产品产品- -排放转为排放转为资源资源- -产品产品- -再生再生资源资源型型。7|

7、混合物分为混合物分为非均相混合物和均相混非均相混合物和均相混合物两大类，所以分离过程据此分为机合物两大类，所以分离过程据此分为机械分离和传质分离。机械分离械分离和传质分离。机械分离用于非均用于非均相混合物的分离，是利用不同相之间存相混合物的分离，是利用不同相之间存在在物性差异，将各相分离，如沉降、过物性差异，将各相分离，如沉降、过滤、离心分离滤、离心分离等。传质分离过程则用于等。传质分离过程则用于均相混合物的分离，其特点是过程伴随均相混合物的分离，其特点是过程伴随质量传递现象质量传递现象发生。按照所依据的物理发生。按照所依据的物理化学原理不同，传质分离过程又分为平化学原理不同，传质分离过程又分

8、为平衡分离过程和速率分离过程。衡分离过程和速率分离过程。8| 平衡分离过程是借助于分离媒介平衡分离过程是借助于分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等），将（如热能、溶剂、吸附剂等），将均均相混合物系统变成两相系统，利用混相混合物系统变成两相系统，利用混合物中各组分中在处于平衡时组成分合物中各组分中在处于平衡时组成分配的不同，使其中某组分从一相向另配的不同，使其中某组分从一相向另一相转移，与其它组分实现分离的过一相转移，与其它组分实现分离的过程。诸如蒸馏、吸收、萃取、干燥、程。诸如蒸馏、吸收、萃取、干燥、吸附等过程。吸附等过程。9| 速率分离过程速率分离过程是指在是指在某种推某种推动力（压强差、浓度差

9、、温度差、动力（压强差、浓度差、温度差、电位差等）的作用下，有时配合电位差等）的作用下，有时配合选择性透过膜，利用混合物中各选择性透过膜，利用混合物中各组分扩散速率的差异组分扩散速率的差异，实现组分，实现组分间的分离。诸如反渗透、电渗析、间的分离。诸如反渗透、电渗析、纳滤等。纳滤等。101 11 1 概概 述述|一、膜分离技术的发展一、膜分离技术的发展|二、膜分离技术的基本概念二、膜分离技术的基本概念|1 1、膜分离膜分离：利用一张特殊制造的具有选利用一张特殊制造的具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种操作。进行分离、提纯、

10、浓缩的一种操作。|2 2、膜膜：是指在一种流体相内或是在两种流是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层体相之间有一层薄的凝聚相物质薄的凝聚相物质，它将流体，它将流体相相分隔分隔为互不相通的两部分，并能使两部分为互不相通的两部分，并能使两部分之间产生之间产生传质传质作用。作用。 11| 该薄层凝聚相称为膜，膜可以是液该薄层凝聚相称为膜，膜可以是液相、固相或气相，但绝大多数是固相膜。相、固相或气相，但绝大多数是固相膜。被膜分隔的流体可以为液态，也可以为被膜分隔的流体可以为液态，也可以为气态。气态。| 膜应该具有两个特性：膜应该具有两个特性：| （1 1）不论膜有多薄必须有）不论膜有多薄必须有两

11、个界面两个界面，通过该两界面与两侧流体相接触；通过该两界面与两侧流体相接触；| （2 2）膜应具有）膜应具有选择透过性选择透过性，可使流体，可使流体相中的物质有的通过，有的则不能通过相中的物质有的通过，有的则不能通过。12|3、膜分离过程的推动力| 在液相中膜能使在液相中膜能使溶剂溶剂（最常见（最常见的为水）透过的现象称为的为水）透过的现象称为渗透渗透，能，能使使溶质溶质透过的现象称为透过的现象称为渗析渗析。| 物质透过分离膜的能力可分为物质透过分离膜的能力可分为两类：一种借助外界能量，物质发两类：一种借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；另一种是生由低位向高位的流动；另一种是以化学位差为

12、推动力，物质发生由以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。一些主要的膜高位向低位的流动。一些主要的膜分离过程的推动力如下：分离过程的推动力如下：| 13|推动力推动力 膜分离过程膜分离过程 |压强差压强差 反渗透、超滤、气体分离反渗透、超滤、气体分离|电位差电位差 电渗析电渗析|浓度差浓度差 透析、控制释放透析、控制释放|分压差（浓度差）分压差（浓度差） 渗透汽化渗透汽化|浓度差浓度差+ +化学反应化学反应 液膜、膜传感器液膜、膜传感器 14|4、膜分离的基本原理膜分离的基本原理| 由于分离膜具有选择透过性，因由于分离膜具有选择透过性，因而可使混合物质的某些通过，另一些而可使混合物质的

13、某些通过，另一些截留。但是不同的膜分离过程它们使截留。但是不同的膜分离过程它们使物质截留通过的原理有的类似，有的物质截留通过的原理有的类似，有的则完全不同。分离膜之所以能将混在则完全不同。分离膜之所以能将混在一起的物质分开，不外乎采用两种手一起的物质分开，不外乎采用两种手段。段。 15 （1）根据它们物理性质的不同根据它们物理性质的不同（主要是质量、体积大小和几何形态（主要是质量、体积大小和几何形态的差异），的差异），用过筛的方法将其分离用过筛的方法将其分离。如微滤如微滤（Microfiltration MF）、超滤超滤（Ultrafiltration UF）等等。 16| （2）据混合物的不

14、同化学性质据混合物的不同化学性质。 物质通过膜的速度取决于从膜表面接触物质通过膜的速度取决于从膜表面接触的混合物进入膜内的速度，和进入膜内后从的混合物进入膜内的速度，和进入膜内后从膜的表面扩散到另一表面的速度，二者和称膜的表面扩散到另一表面的速度，二者和称为总速度。总速度越大透过膜的时间越短，为总速度。总速度越大透过膜的时间越短，混合物透过膜的总速度相差越大，则分离效混合物透过膜的总速度相差越大，则分离效率越高。注意这里溶解速度完全取决于被分率越高。注意这里溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间的化学性质的差异，而扩离物与膜材料之间的化学性质的差异，而扩散速度除与化学性质有关外，还与物质的分散

15、速度除与化学性质有关外，还与物质的分子量有关。子量有关。17|5 5、膜分离技术的特点、膜分离技术的特点| 目前有很多的分离技术在生产中应用，与目前有很多的分离技术在生产中应用，与传统的分离方法相比，膜分离有以下特点。传统的分离方法相比，膜分离有以下特点。 （1 1）膜分离是一个高效的分离过膜分离是一个高效的分离过程程。如在按物质颗粒大小分离的领域，。如在按物质颗粒大小分离的领域，以重力为基础的分离技术极限是微米，以重力为基础的分离技术极限是微米，而膜分离可以做到将相对分子量为几而膜分离可以做到将相对分子量为几千甚至几百的物质进行分离（相应颗千甚至几百的物质进行分离（相应颗粒大小为纳米）。粒大

16、小为纳米）。18| （2）膜分离过程的能耗较低膜分离过程的能耗较低。因为。因为过程不发生相变化，在常温下操作。过程不发生相变化，在常温下操作。| （3 3）膜分离在室温下进行操作，膜分离在室温下进行操作，特别适宜于热敏性物质的处理特别适宜于热敏性物质的处理。| （4 4）膜分离设备本身无运动部件，膜分离设备本身无运动部件，设备体积小设备体积小。而且通常可以直接插入。而且通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变。线进行大的改变。 19| （5）膜分离过程不需要从外界引膜分离过程不需要从外界引入其它物质入其它物质，节省原材料和化学药品，节省原材

17、料和化学药品，而且避免了引入其它物质对产品、环而且避免了引入其它物质对产品、环境的污染。境的污染。| 由于目前膜的成本较高，所以膜分离法由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收废水中的有用成分或水的回用处理废水中的有用成分或水的回用处理。 20|1 12 2 分离膜分离膜 分离膜是膜分离过程的核心，没有分离膜是膜分离过程的核心，没有膜就无膜分离技术。分离膜性能的改膜就无膜分离技术。分离膜性能的改进将使其应用范围扩大、经济效益提进将使其应用范围扩大

18、、经济效益提高，新的分离膜的研究成功往往象征高，新的分离膜的研究成功往往象征着新的膜分离技术的诞生。着新的膜分离技术的诞生。|一、分离膜具备的基本条件一、分离膜具备的基本条件|1 1、分离性能、分离性能 膜的分离性能包括三膜的分离性能包括三条条21|（1）必须）必须对被分离的混合物具有选择对被分离的混合物具有选择透过能力透过能力（基本要求）。（基本要求）。 |（2 2）分离能力要适度分离能力要适度（并非越大越好，（并非越大越好，需据被分离物的初态和分离目标定。需据被分离物的初态和分离目标定。因为分离性能和透过性能相互关联，因为分离性能和透过性能相互关联，分离性能高透过量必然减少）。分离性能高透

19、过量必然减少）。|（3 3）分离能力主要与膜材料的化学性）分离能力主要与膜材料的化学性能、膜的形态结构及其操作条件有关。能、膜的形态结构及其操作条件有关。22| 分离性能的表示：在反渗透中以分离性能的表示：在反渗透中以脱盐率来表示除盐能力；超滤中以膜脱盐率来表示除盐能力；超滤中以膜所能截留的最小分子量的蛋白质来表所能截留的最小分子量的蛋白质来表示示 （截留率（截留率M=6700M=6700表示可以将水溶表示可以将水溶液中比相对分子质量液中比相对分子质量67006700大的蛋白质大的蛋白质挡住挡住90%90%）；微滤中是以膜的平均孔）；微滤中是以膜的平均孔径来表示（即大于孔径的溶质或者固径来表示

20、（即大于孔径的溶质或者固体物可以被截留）。体物可以被截留）。| 23|2 2、透过性能、透过性能| 能对混合物具有选择性的透能对混合物具有选择性的透过是膜的基本条件。要求希望通过是膜的基本条件。要求希望通过的物质透过得快，而希望除去过的物质透过得快，而希望除去的物质透过速度尽可能低，二者的物质透过速度尽可能低，二者速度比代表分离效率，它是处理速度比代表分离效率，它是处理能力的主要标志。能力的主要标志。24|3 3、物理、化学稳定性、物理、化学稳定性| 目前使用的分离膜多是高聚物，目前使用的分离膜多是高聚物，当与光、热、氧气或者酸碱长期接触当与光、热、氧气或者酸碱长期接触时，能使形成高聚物长链中

21、的链节时，能使形成高聚物长链中的链节（化学键）断裂，导致长链解体，材（化学键）断裂，导致长链解体，材料具有的性能随之消失，称为料具有的性能随之消失，称为“老化老化”现象。因而要求分离膜具有耐热性；现象。因而要求分离膜具有耐热性；耐酸碱性；抗氧化性；抗微生物分解耐酸碱性；抗氧化性；抗微生物分解性；亲水性（或者疏水性）；机械强性；亲水性（或者疏水性）；机械强度性能好等。能稳定使用某一周期。度性能好等。能稳定使用某一周期。25|4、经济性经济性|综上所述，具有适度的分离率，综上所述，具有适度的分离率，较高的透过量，较好的物理化学较高的透过量，较好的物理化学稳定性和便宜的价格是具有工业稳定性和便宜的价

22、格是具有工业实用价值分离膜的最基本条件。实用价值分离膜的最基本条件。26|二、膜材料二、膜材料 多为高聚物膜，少数是无机材料膜多为高聚物膜，少数是无机材料膜|1 1、高聚物膜材料、高聚物膜材料 有机高分子聚合物（塑料、橡胶、有机高分子聚合物（塑料、橡胶、尼龙）是由许多有机小分子（称为单尼龙）是由许多有机小分子（称为单体）通过聚合反应和缩聚反应连接为体）通过聚合反应和缩聚反应连接为非常长的大分子物质，分子链以线形，非常长的大分子物质，分子链以线形，支链型和交链型结合而成。其状态是支链型和交链型结合而成。其状态是流动态和固态（又分为无定型态和非流动态和固态（又分为无定型态和非结晶态），结晶态），2

23、7 与一般物质不同的性能是：具有与一般物质不同的性能是：具有弹性、高温融化和低温又变固等。制弹性、高温融化和低温又变固等。制造时用溶剂小先配制成高聚物溶液，造时用溶剂小先配制成高聚物溶液，成膜后将溶剂去掉，即为各种形态的成膜后将溶剂去掉，即为各种形态的薄摸。（聚合膜由高分子塑脂、溶剂、薄摸。（聚合膜由高分子塑脂、溶剂、添加剂、骨架材料构成）添加剂、骨架材料构成）| 一些重要的高聚物膜材料及其在一些重要的高聚物膜材料及其在各类膜分离过程中的应用情况为：各类膜分离过程中的应用情况为：28|（1）纤维素衍生物纤维素衍生物| 纤维素是资源最最为丰富的天然纤维素是资源最最为丰富的天然高分子，相对分子质量

24、为高分子，相对分子质量为500200500200万，万，在分解温度前没有熔点，又不溶于一在分解温度前没有熔点，又不溶于一般的溶剂，所以一般都先进行化学改般的溶剂，所以一般都先进行化学改性生成纤维素醚和酯，这时的纤维素性生成纤维素醚和酯，这时的纤维素衍生物能溶于一般的溶剂。衍生物能溶于一般的溶剂。29|（2）聚砜类聚砜类|（3 3）聚酰胺类及杂环含氮高聚物）聚酰胺类及杂环含氮高聚物|（4 4）聚脂类）聚脂类|（5 5）乙烯类高聚物）乙烯类高聚物|（6 6）含氟高聚物）含氟高聚物30|2、无机膜无机膜| 无机膜是以金属及其氧化物、陶瓷、无机膜是以金属及其氧化物、陶瓷、玻璃和某些热固性聚合物为材料制

25、成玻璃和某些热固性聚合物为材料制成的陶瓷膜、金属膜、玻璃膜和分子筛的陶瓷膜、金属膜、玻璃膜和分子筛碳膜，以及以无机多孔膜为支撑体与碳膜，以及以无机多孔膜为支撑体与高聚物超薄致密层组成的复合膜。特高聚物超薄致密层组成的复合膜。特点是热稳定性好；适应于高温高压；点是热稳定性好；适应于高温高压；化学稳定性好（耐酸和弱碱，化学稳定性好（耐酸和弱碱，pHpH范围范围广）；机械强度高，使用寿命长；抗广）；机械强度高，使用寿命长；抗微生物能力强（与一般的微生物不发微生物能力强（与一般的微生物不发生生化及其化学反应）；生生化及其化学反应）；31|污染小（本身无毒）容易清洗；孔分污染小（本身无毒）容易清洗；孔分

26、布窄，分离性能好。主要缺点是无弹布窄，分离性能好。主要缺点是无弹性、比较脆；成型性差，造价高；强性、比较脆；成型性差，造价高；强碱条件下会受到侵蚀。主要在气体分碱条件下会受到侵蚀。主要在气体分离、废水处理、啤酒和饮料的除菌与离、废水处理、啤酒和饮料的除菌与澄清、病毒的分离等领域应用。澄清、病毒的分离等领域应用。32|三、高聚物分离膜的形态结构类型高聚物分离膜的形态结构类型| 高聚物分离膜的形态结构主要指：高聚物分离膜的形态结构主要指：它是否分层及其各层的厚度；各层内它是否分层及其各层的厚度；各层内孔的形态及其数量。从形态上可分为孔的形态及其数量。从形态上可分为均质膜和非对称性膜。均质膜和非对称

27、性膜。|1、均质膜均质膜 指膜的上下左右任何指膜的上下左右任何一部一部分都具有相同的形态和化学组成。均分都具有相同的形态和化学组成。均质膜可以是致密的，也可是多孔的，质膜可以是致密的，也可是多孔的，该类膜的透过量一般较小。该类膜的透过量一般较小。 33|（1）致密膜致密膜 为均匀致密的薄膜，物为均匀致密的薄膜，物质通过这类膜是依靠分子扩散。因物质通过这类膜是依靠分子扩散。因物质在固体中的扩散系数很小，为能实质在固体中的扩散系数很小，为能实用，需要很薄才能达到一定的传质速用，需要很薄才能达到一定的传质速率。因致密膜的渗透阻力与膜的厚度率。因致密膜的渗透阻力与膜的厚度成正比，通常厚度为成正比，通常

28、厚度为5nm 5nm 5000nm5000nm。34|（2）微孔膜微孔膜 在均匀一致的膜上开有在均匀一致的膜上开有一定量的微型小孔，平均孔径一定量的微型小孔，平均孔径20 20 10000nm10000nm，有多孔膜和核孔膜两种，有多孔膜和核孔膜两种类型。多孔膜应用比较普遍，表面呈类型。多孔膜应用比较普遍，表面呈海绵状，孔道曲折而且孔径分布范围海绵状，孔道曲折而且孔径分布范围宽，膜厚在宽，膜厚在5050250m250m。核孔膜是。核孔膜是用用101015m15m厚的塑料薄膜经过特殊厚的塑料薄膜经过特殊处理制得，特点是孔为圆柱形直孔，处理制得，特点是孔为圆柱形直孔，孔径均匀而且开孔率低。孔径均匀

29、而且开孔率低。35|2 、 非 对 称 性 膜非 对 称 性 膜 由 表 面 活 性 层由 表 面 活 性 层（0.10.11.50m1.50m，致密无孔或多孔），致密无孔或多孔）和支撑层（厚和支撑层（厚5050250m250m，成多孔，成多孔状，起支撑作用）所组成，因而它的状，起支撑作用）所组成，因而它的断面不对称。活性层起分离作用，支断面不对称。活性层起分离作用，支撑层决定膜的机械强度。撑层决定膜的机械强度。36| 此外还有此外还有11复合膜复合膜类似于非类似于非对称性膜，只是先制成支撑层，再将对称性膜，只是先制成支撑层，再将不同材料的活性层复合到支撑膜而形不同材料的活性层复合到支撑膜而形

30、成，广泛用于反渗透、气体膜分离等。成，广泛用于反渗透、气体膜分离等。22离子交换膜离子交换膜由离子交换树脂制由离子交换树脂制成，主要用于电渗析，有阳离子交换成，主要用于电渗析，有阳离子交换膜和阴离子交换膜，工业使用的为均膜和阴离子交换膜，工业使用的为均质膜，厚质膜，厚200m200m左右。左右。37| 分离用膜的形状有分离用膜的形状有平板式平板式和和管式管式两种。平板式类似于纸状、布状，管两种。平板式类似于纸状、布状，管式膜是按照分离设备的多孔支撑制成式膜是按照分离设备的多孔支撑制成特定尺寸、形状的管状，或者无支撑特定尺寸、形状的管状，或者无支撑的中空纤维膜管状。的中空纤维膜管状。38|1 1

31、3 3 膜分离设备膜分离设备 在应用膜分离技术时，首先要确在应用膜分离技术时，首先要确定分离过程的装置，采用特定的方式定分离过程的装置，采用特定的方式使单位体积内具有最大的膜面积，同使单位体积内具有最大的膜面积，同时要考虑到分离膜的维护、更换，原时要考虑到分离膜的维护、更换，原料的预处理，膜的清洗，经济成本，料的预处理，膜的清洗，经济成本，以及操作方便，安全可靠等问题。以及操作方便，安全可靠等问题。| 39| 各种膜分离装置主要包括：各种膜分离装置主要包括：膜分膜分离器、泵、过滤器、阀门、仪表及其离器、泵、过滤器、阀门、仪表及其管路等管路等。其中膜分离器是将膜以某种。其中膜分离器是将膜以某种形

32、式组装在一个基本单元内，在外界形式组装在一个基本单元内，在外界驱动力的作用下能实现对混合物中各驱动力的作用下能实现对混合物中各组分进行分离的器件，又称为组分进行分离的器件，又称为膜组件膜组件（ModuleModule），为膜分离的核心。在工），为膜分离的核心。在工业装置中，根据生产业装置中，根据生产 需要可设置数个乃至需要可设置数个乃至 数千个膜组件。数千个膜组件。40|一、膜组件的主要形式膜组件的主要形式 工业上常用的膜组工业上常用的膜组件主要有件主要有4种类型：种类型：板框式、圆管式、螺旋卷板框式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式。式和中空纤维式。|1 1、板框式、板框式 板框式使用的膜是平板

33、膜，板框式使用的膜是平板膜，其结构类似于板框过滤机。它由若干块圆形其结构类似于板框过滤机。它由若干块圆形承压板、多孔支撑板和膜经粘结密封构成脱承压板、多孔支撑板和膜经粘结密封构成脱盐板（具体承压板两侧覆盖着多孔支撑板，盐板（具体承压板两侧覆盖着多孔支撑板，多孔支撑板的上下两面粘贴着膜）将这种脱多孔支撑板的上下两面粘贴着膜）将这种脱盐板一层一层间隔叠合，并放入盐板一层一层间隔叠合，并放入O O型密封圈，型密封圈，最后用上、下头盖（法兰）以系紧螺栓固定，最后用上、下头盖（法兰）以系紧螺栓固定，装入耐压容器中装入耐压容器中。41 42| 2、圆管式圆管式( (内、外压管式内、外压管式) )| | 4

34、3|3、螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 |44| 4、中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件| 45|二、膜分离装置的基本流程膜分离装置的基本流程| 应用中的膜分离装置的流程多种应用中的膜分离装置的流程多种多样，需要根据不同处理对象和要求多样，需要根据不同处理对象和要求加以确定，以下介绍反渗透常见的基加以确定，以下介绍反渗透常见的基本流程。本流程。|1 1、一级流程、一级流程 原水一次通过反渗透原水一次通过反渗透装置达到要求的流程。装置达到要求的流程。462、一级多段流程一级多段流程 当一次浓缩达不到当一次浓缩达不到要求时采用多段流程要求时采用多段流程。47|3、二级流程二级流程 当一次浓缩达不到浓缩

35、和淡当一次浓缩达不到浓缩和淡化要求时，采用二级流程，将一级得到的淡化要求时，采用二级流程，将一级得到的淡化水送入二级再次进行淡化。化水送入二级再次进行淡化。|4 4、多级流程、多级流程 当分离要求很高时，采用多当分离要求很高时，采用多级流程。即对浓缩液和淡化液进行多次再分级流程。即对浓缩液和淡化液进行多次再分离，直至达到要求时为止。离，直至达到要求时为止。 48三、膜分离装置的操作膜分离装置的操作| 1 1、膜分离过程的浓差极化、膜分离过程的浓差极化| 膜分离操作时，由于部分或全膜分离操作时，由于部分或全部溶质受到膜的截留而停留在膜部溶质受到膜的截留而停留在膜面附近，使得从料液主体到膜表面附近

36、，使得从料液主体到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界面建立起有浓度梯度的浓度边界层，层，即即溶质在膜表面的浓度高于溶质在膜表面的浓度高于它在料液中的浓度，该现象称为它在料液中的浓度，该现象称为浓差极化浓差极化。49|（1）形成原因：由于机械压力的形成原因：由于机械压力的作用，溶质和溶剂都有穿过膜的作用，溶质和溶剂都有穿过膜的趋势，而溶剂基本上是畅通无阻，趋势，而溶剂基本上是畅通无阻，可以全部穿过；溶质则受到膜的可以全部穿过；溶质则受到膜的障壁作用，绝大部分无法通过而障壁作用，绝大部分无法通过而被截留在膜内侧表面附近并且累被截留在膜内侧表面附近并且累积，造成膜表面到主体间的浓度积，造成膜表面到主体

37、间的浓度梯度的浓度，引起溶质由膜表面梯度的浓度，引起溶质由膜表面通过边界层，向主体扩散。通过边界层，向主体扩散。 50|（2）浓差极化的危害浓差极化的危害|（a a）随膜面溶质浓度的增加，溶质的）随膜面溶质浓度的增加，溶质的渗透通量增加，渗透通量增加，截留率降低截留率降低。| （b b）膜面处溶质浓度的增加，导致）膜面处溶质浓度的增加，导致界面上渗透压增大，因而界面上渗透压增大，因而过程的有效过程的有效推动力减少，推动力减少，渗透通量下降渗透通量下降。| （c c）当膜面溶质浓度高于溶解度时，）当膜面溶质浓度高于溶解度时，在膜面上析出晶体沉积，堵塞膜孔而在膜面上析出晶体沉积，堵塞膜孔而造成膜污

38、染，造成膜污染，膜阻力增大膜阻力增大。51|（3）改善浓差极化的对策（只能减少改善浓差极化的对策（只能减少而不能彻底消除）而不能彻底消除）|(a)(a)增高流速增高流速增加扰动；增加扰动；|（b b）装设湍流促进器，以促进湍流；）装设湍流促进器，以促进湍流；|（c c）填料法；）填料法；|（d d）脉冲法；）脉冲法；|（e e）搅拌法。）搅拌法。52|2、前处理与膜的再生、前处理与膜的再生| 由于分离膜是一种高精密的分离由于分离膜是一种高精密的分离介质，对进料要求较高，通常都需对介质，对进料要求较高，通常都需对待分离的原料液进行前处理。待分离的原料液进行前处理。|工业经常采用的前处理过程有：工

39、业经常采用的前处理过程有：|（1 1）地面水：氯化絮凝沉降砂滤；地面水：氯化絮凝沉降砂滤；|（2 2）高硬度水：石灰或石灰碱软化砂滤；高硬度水：石灰或石灰碱软化砂滤；|（3 3）低硬度水；砂和锰沸石过滤；低硬度水；砂和锰沸石过滤；53|（4 4）盐水中若有机物含量过高，要用）盐水中若有机物含量过高，要用活性炭做附加过滤器；活性炭做附加过滤器；|（5 5）在原料盐水中加酸调节）在原料盐水中加酸调节PHPH值，值，加六偏磷酸钠以从形成的沉积污垢中，加六偏磷酸钠以从形成的沉积污垢中，最大地降低最大地降低CaSOCaSO4 4、FeFe、MoMo的氢氧的氢氧化物含量，化物含量，|（6 6）通氯气杀灭菌

40、类或藻类，消灭或）通氯气杀灭菌类或藻类，消灭或抑制微生物的生长抑制微生物的生长| 前处理要求的程度和反渗透膜组件的形前处理要求的程度和反渗透膜组件的形式有关，中空纤维系统的要求最高，而管式式有关，中空纤维系统的要求最高，而管式装置要求最低装置要求最低。54|21 反渗透反渗透 过程的基本原理过程的基本原理| 一种只透过溶剂而不透过溶质的膜，称一种只透过溶剂而不透过溶质的膜，称为半透膜为半透膜。当把溶剂和溶液（两种不同浓度。当把溶剂和溶液（两种不同浓度的溶液）分别置于该膜的两侧时，纯溶剂、的溶液）分别置于该膜的两侧时，纯溶剂、将自然穿过半透膜而自发地向溶液（或从低将自然穿过半透膜而自发地向溶液（

41、或从低浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现浓度溶液向高浓度溶液）一侧流动，这种现象称象称渗透渗透。| 渗透是由于存在化学位梯度而引起的自渗透是由于存在化学位梯度而引起的自发扩散现象。在一定温度发扩散现象。在一定温度 55和压强下，设纯水的化学位为和压强下，设纯水的化学位为O（T，P），溶液中水的化学位为），溶液中水的化学位为（T，P），），则溶液中水的化学位：则溶液中水的化学位： （T，p）=O（T，P）+RTlna| a为溶液中水的活度，为溶液中水的活度，a1，lna0，| 故故（T，p）O（T，P）56| 由于纯水的化学位高于溶液中水的由于纯水的化学位高于溶液中水的化学位，引起纯水向溶液

42、方向化学位，引起纯水向溶液方向渗透渗透，并不断增加溶液一侧的压强，对应溶并不断增加溶液一侧的压强，对应溶液中水的化学位也随之增加。液中水的化学位也随之增加。 | 当溶液中水的化学位与纯水的化学当溶液中水的化学位与纯水的化学位相等时，渗透达到动态平衡。此时位相等时，渗透达到动态平衡。此时膜两侧的压强差称为膜两侧的压强差称为渗透压渗透压。| 即即 : p2p157| 若在溶液上方施加一个大于渗透若在溶液上方施加一个大于渗透压的压强，溶液中的水向纯水方向传压的压强，溶液中的水向纯水方向传递。递。这种在压强差作用下，使溶液中这种在压强差作用下，使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动的过程称为的溶剂向纯溶剂方向

43、流动的过程称为反渗透。反渗透。|因而，反渗透过程的推动力为：因而，反渗透过程的推动力为：| p = （p2 p1 ）58| p1 p2 p2 p1| | | p2 p159| 式中为组成为x(摩尔分率)的盐溶液的水的渗透压, 25下，NaCL水溶液的渗透压数据如下:|摩尔分率摩尔分率103 1.798 3.59 5.375 7.154 10.69 15.95 28.02|101.3kPa 4.66 9.11 13.61 17.98 27.08 41.0 75.460|VW RT ln aW|aW W xW| 对理想溶液，对理想溶液，aW xW ，|稀溶液：稀溶液：ln xW ln（1xi） x

44、i VWci|VW RT VWci| 即：即： RTci| 该式即为理想溶液，且为稀溶液时该式即为理想溶液，且为稀溶液时渗透压的渗透压的Vant Hoff 方程式。方程式。61| 根据化学热力学的基本理论可以推根据化学热力学的基本理论可以推得溶液的渗透压与溶剂（均指水）的得溶液的渗透压与溶剂（均指水）的活度活度aW 的关系。的关系。 | 对实际溶液，可以引入渗透系数对实际溶液，可以引入渗透系数以校正其非理想性：以校正其非理想性：| iRTci| 而实际上，等温条件下很多物质而实际上，等温条件下很多物质的水溶液渗透压近似可表示为：的水溶液渗透压近似可表示为：| Bxi62|2525下，各种物质水

45、溶液的下，各种物质水溶液的B B值：值： 体体 系系 物物 质质 NaCLNaCL CaCl CaCl2 2 KCl KCl NaNO NaNO3 3 B B10103 3101.3kPa/101.3kPa/摩尔分率摩尔分率 2.52 3.63 2.48 2.442.52 3.63 2.48 2.44| 实际的反渗透过程，透过液中含实际的反渗透过程，透过液中含有一些溶质，其过程的推动力为：有一些溶质，其过程的推动力为：|p =p =（p p2 2 p p1 1 ）- -（1 1 2 2）| 因此为了进行反渗透过程，在膜的两侧因此为了进行反渗透过程，在膜的两侧施加的压强差必须大于两侧的渗透压差。

46、一施加的压强差必须大于两侧的渗透压差。一般反渗透过程的操作压差在般反渗透过程的操作压差在210 MPa。 63|2 22 2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| 当对水溶液一侧施加一个大于溶液渗透当对水溶液一侧施加一个大于溶液渗透压的压强时，水将通过反渗透膜向膜的另一压的压强时，水将通过反渗透膜向膜的另一侧流动，其过程可以大致分为：侧流动，其过程可以大致分为：| （1 1）水从水溶液主体传递到膜的表面；）水从水溶液主体传递到膜的表面；| （2 2）水透过膜（包括膜表面水进入膜，并）水透过膜（包括膜表面水进入膜，并且通过活性层）；且通过活性层）；| （3 3）水从活性层进入到支

47、撑层的孔道，然）水从活性层进入到支撑层的孔道，然后流出膜。后流出膜。64|一、 优先吸附优先吸附毛细孔流动模型毛细孔流动模型| 该理论由该理论由SourirajanSourirajan提出，其机提出，其机理及其模型如图示。当水溶液与亲水理及其模型如图示。当水溶液与亲水性的膜接触时，在膜表面水被优先吸性的膜接触时，在膜表面水被优先吸附，形成一层纯水层。而溶质被排斥附，形成一层纯水层。而溶质被排斥不能接近膜表面。该纯水层在外加压不能接近膜表面。该纯水层在外加压强的作用下进入膜表面的毛细孔道，强的作用下进入膜表面的毛细孔道，并且通过毛细孔道而流出。并且通过毛细孔道而流出。65H2O Na+ CL-

48、H2O Na+ CL- H2O Na+ CL- H2O Na+ CL- H2O H2O H2O H2O H2Ot 多孔膜 多孔膜 2t 66| 因为水流经毛细孔可以认为是层因为水流经毛细孔可以认为是层流流动，因而通过膜的水的渗透通量流流动，因而通过膜的水的渗透通量可以表示为：可以表示为：|J JW W = A = A（p p2 2 p p1 1 ）- -（1 1 2 2） | 实际进行的反渗透过程中有少量实际进行的反渗透过程中有少量溶质也透过膜，溶质透过膜可看作为溶质也透过膜，溶质透过膜可看作为通过膜孔的分子扩散过程，其渗透通通过膜孔的分子扩散过程，其渗透通量可以用分子扩散方程式表示：量可以用

49、分子扩散方程式表示：| J JA A =D =DMAMA/K/K（C CAiAi C CA1A1 ）67|二、 溶解扩散模型溶解扩散模型|Lonsdale和和Riley等提出了另一种反渗透等提出了另一种反渗透模型，认为膜是非多孔性的，溶剂与模型，认为膜是非多孔性的，溶剂与溶质透过膜的过程分三步：溶质透过膜的过程分三步：|（1）渗透物在膜的料液一侧表面处吸）渗透物在膜的料液一侧表面处吸附和溶解；附和溶解；| （2）渗透物在化学位差的推动下以分）渗透物在化学位差的推动下以分子扩散的方式通过膜；子扩散的方式通过膜；| （3）渗透物在膜的透过液一侧表面解）渗透物在膜的透过液一侧表面解吸。吸。68| 通

50、常第一和第三步进行很快，则通常第一和第三步进行很快，则透过膜的速率取决于第二步。据透过膜的速率取决于第二步。据Fick定定律，水通过膜的渗透通量为：律，水通过膜的渗透通量为：|JW = -DMW dcMW/dx|设水在膜中的溶解服从亨利定律，设水在膜中的溶解服从亨利定律，|dW =-RTdlncMW =-RTdcMW/cMW|JW = -DMW dcMW/dx =DMWcMW dW /RTdx = DMWcMW W /RT69|等温条件下：等温条件下：|W=RTlnaW +VWp| =VW + VWp|JW = DMWcMW W /RT =DMWcMWVW（p ）/RT = A（p ）|同样对

51、溶质可以得到类似的公式同样对溶质可以得到类似的公式 JA =DMA/K（CAi CA2 ）70|三、反渗透过程的浓差极化三、反渗透过程的浓差极化| 对于水与溶质从料液主体到对于水与溶质从料液主体到膜表面的传递过程膜表面的传递过程,若溶质完全不若溶质完全不透过膜透过膜,过程为水从料液主体到膜过程为水从料液主体到膜表面的单向扩散。而实际上在反表面的单向扩散。而实际上在反渗透过程中，总有少量的溶质透渗透过程中，总有少量的溶质透过膜，过程为两组分同时向膜表过膜，过程为两组分同时向膜表面扩散。但由于大部分溶质被截面扩散。但由于大部分溶质被截留，溶质将在膜表面附近积累，留，溶质将在膜表面附近积累，因此从料

52、液主体到膜表面建立起因此从料液主体到膜表面建立起一层有浓度梯度的边界层。使得一层有浓度梯度的边界层。使得溶质在膜表面的浓度高于它在料溶质在膜表面的浓度高于它在料液主体中的浓度，这种现象称为液主体中的浓度，这种现象称为浓差极化。浓差极化。71|浓差极化对反渗透过程产生不利浓差极化对反渗透过程产生不利影响，但它是过程不可避免的现影响，但它是过程不可避免的现象，因而要了解其产生的机理和象，因而要了解其产生的机理和影响因素，以便采取措施减轻浓影响因素，以便采取措施减轻浓差极化带来的影响。差极化带来的影响。 溶液主体 边界层 膜 | xAi| | xA1 xA2| JA JA| Z=0 C Z=L 72

53、|对如图过程进行分析，当过程达到稳对如图过程进行分析，当过程达到稳态时，边界层内的浓度分布一定，取态时，边界层内的浓度分布一定，取边界层内任意平行于膜面的截面边界层内任意平行于膜面的截面和和膜的透过液侧表面膜的透过液侧表面，作，作两平面两平面间溶质间溶质A的物料衡算：的物料衡算： J JA Ax xA A D DWAWAC dxC dx A A/dz/dz = J = JA Ax xA2A2 积分积分 J=DJ=DWAWAC/LC/Llnln （x x AiAi-x-xA2A2）/ /（x x A1A1-x-xA2A2） |lnln （x x AiAi-x-xA2A2）/ /（x x A1A1

54、-x-xA2A2） | =J L/ D =J L/ DWAWAC=J/Ck C=J/Ck | （k k为溶质为溶质A A的传质系数）的传质系数）|或（或（x x AiAi-x-xA2A2）/ /（x x A1A1-x-xA2A2）| = exp= exp（J/CkJ/Ck） 73|通常，反渗透过程要求对溶质通常，反渗透过程要求对溶质A A有较高有较高的截留率，即：的截留率，即：x xAiAix xA1A1x xA2A2，因而，因而公式可以简化为公式可以简化为 | x x AiAi/x/xA1A1 =exp =exp（J/CkJ/Ck）|M M= = x xAiAi/x/xA1A1 称为称为浓差

55、极化比浓差极化比，它表示，它表示浓差极化的大小。该值越大，表示膜浓差极化的大小。该值越大，表示膜表面处溶液浓度比主体浓度的倍数越表面处溶液浓度比主体浓度的倍数越大，浓差极化越严重。大，浓差极化越严重。|从料液主体到膜表面的传质为流体与从料液主体到膜表面的传质为流体与固定面间传递过程，研究者对该过程固定面间传递过程，研究者对该过程进行了研究，得出了相关的计算传质进行了研究，得出了相关的计算传质系数的关联式。系数的关联式。74|（1）当膜组件内的流动为层流时）当膜组件内的流动为层流时（100ReScde/L5000，沿膜长，沿膜长传质系数平均值的计算式为：传质系数平均值的计算式为：| Sh = 1

56、.62(ReScde/L)1/3|2）当膜组件内的流动为湍流时，）当膜组件内的流动为湍流时，其计算传质系数的关联式为：其计算传质系数的关联式为：| Sh = 0.023Re0.875Sc0.24 式中：式中：Sh =kde/D；Re = deu/； Sc = /DWA752 22 2反渗透过程的操作与影响因素反渗透过程的操作与影响因素 反渗透过程的推动力为反渗透过程的推动力为 p = （p2 p1 ）(1 2）|过程进行的主要步骤是：过程进行的主要步骤是：|（1）料液到膜表面的传递）料液到膜表面的传递 xAi/xA1 =exp（J/Ck）|（2）透过膜的过程，溶剂）透过膜的过程，溶剂 JW =

57、 A(p2 p1）(1 2）| 溶质溶质 JA =DMA（CAi CA2 ）/k| 可据这些关系讨论各种因素对过程的主要可据这些关系讨论各种因素对过程的主要分离性能、截留率、渗透通量的影响。分离性能、截留率、渗透通量的影响。76|一、浓差极化一、浓差极化|1、浓差极化对过程的影响：、浓差极化对过程的影响：|（1）由于浓差极化，使过程的有效推动力）由于浓差极化，使过程的有效推动力p =（p2 p1 ）（）（M1 2）下降，导致下降，导致渗透通量下降。渗透通量下降。 |（2）由浓差极化比知，浓差极化比随着渗透）由浓差极化比知，浓差极化比随着渗透通量增加而急剧增加，使溶质的截留率降低，通量增加而急剧

58、增加，使溶质的截留率降低，因而浓差极化的存在，因而浓差极化的存在，限制了渗透通量的增限制了渗透通量的增加。加。| （3）当膜表面处溶质浓度高于溶解度时，）当膜表面处溶质浓度高于溶解度时，将形成沉淀，使将形成沉淀，使透过膜的阻力增加。透过膜的阻力增加。77|2、减轻浓差极化的措施、减轻浓差极化的措施|浓差极化对过程产生不利的影响，操浓差极化对过程产生不利的影响，操作过程要尽可能减少，而减轻浓差极作过程要尽可能减少，而减轻浓差极化的有效途径是提高化的有效途径是提高k，采取的主要措，采取的主要措施是：施是：|（1）提高料液流速。）提高料液流速。|（2）在流道内设置湍流促进器，增强）在流道内设置湍流促

59、进器，增强湍动程度。湍动程度。| （3）提高温度。）提高温度。| （4）改善膜材料与结构。）改善膜材料与结构。78二、影响反渗透过程渗透通量的因素二、影响反渗透过程渗透通量的因素|1、操作压差、操作压差 压差越大过程的推动力就越大，压差越大过程的推动力就越大，渗透通量越大。但增加压强差，浓差极化比渗透通量越大。但增加压强差，浓差极化比增加，膜表面处溶液渗透压增加，其有效推增加，膜表面处溶液渗透压增加，其有效推动力并不按比例增加。因而需选择最佳的操动力并不按比例增加。因而需选择最佳的操作压差。作压差。|2、温度、温度 |3、料液流速、料液流速|4、料液的浓缩程度、料液的浓缩程度|5、膜材料与结构

60、、膜材料与结构|反渗透的通量为反渗透的通量为1080 kg/m2h。79|三、反渗透过程的分离效率三、反渗透过程的分离效率| 反渗透过程的分离效率用溶质的截留率反渗透过程的分离效率用溶质的截留率R表示：表示：R =（C1 C2）/C1 。R主要取决于被主要取决于被分离物质本身的性质和膜材料与结构。对一分离物质本身的性质和膜材料与结构。对一定的膜，定的膜，R随着渗透通量的增加而降低。随着渗透通量的增加而降低。|四、四、 透通量的衰减及其防治透通量的衰减及其防治| 在反渗透操作过程中，由于料液中含有在反渗透操作过程中，由于料液中含有固体微粒、胶体、可溶性高分子物、微生物固体微粒、胶体、可溶性高分子