吉林大学食品工程原理第十章讲诉

膜分离过程：借助于膜而实现分离的过程。膜:两相之间的一个不连续区间，用以区别相界面。一、膜和膜分离的概念

第十章膜分离过程

反渗透对溶液施加超过渗透压的压强，使溶剂分子通过半透膜而与溶液分离。超滤用孔径为10-2~10-3mm的膜在压差下过滤溶液，使大分子或细微粒与溶液分离。微滤与超滤相似，但孔径更大，大致为0.1~10mm。电渗析以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。5.渗透气化溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通过膜的同时发生气化，且各组分的透过速率不同。二、几种重要的膜分离过程（1）化学稳定性；（2）耐热性；（3）机械强度；（4）耐生物降解的性能。三、膜性能的表示第一节超滤与微滤一、微滤和超滤的过程特征和膜（一）过程原理微滤可用于处理含细小粒子的溶液。超滤可分离的粒子则更小，实际上已是大分子。三种以压差为推动力的膜分离过程的应用范围微滤和超滤与常规过滤的区别1.微滤和超滤通常采用切向过滤或称为错流过滤，待过滤的料液沿膜的切向流过，利用料液带走膜表面上的粒子，膜表面上的粒子层很薄，大大减小了过滤阻力。2.作为推动力的压强差比常规过滤大，一般不用真空过滤。3.过滤过程中膜逐渐被堵塞，导致滤液流量下降，到一定程度时必须停下来对膜进行清洗。4.一般情况下滤液流量较小，必须使料液循环通过膜，更确切地说，它们是增浓过程。常规过滤切向过滤膜过程的流动特征：切向流动（二）常见的微滤和超滤膜

微孔膜均质膜不对称膜复合膜（三）膜的性能测定1.溶质截留率：即被分离的粒子或大分子被截留的百分数；2.滤液通量：单位膜面积上的滤液体积流量。试验指标：（1）表面孔径或切割相对分子质量测定（2）孔径分布测定（3）水通量测定（一）通量——压差曲线虚线把曲线分为：压差控制区J与Dp成正比扩散控制区J近似为常数二、预测滤液通量的数学模型（二）浓差极化现象当溶液流动到达膜表面后，溶剂分子可以通过膜，溶质分子被截留，从而使溶质分子在膜表面积累，形成高浓度区。在浓度差推动下，溶质分子必然向溶液主体作反向扩散。同时，如果膜的截留率未达到百分之百，也会有少量溶质分子通过膜进入滤液。达到稳定状态时，在膜表面附近的薄层中存在着一定的浓度梯度，由主体流动带到界面上的溶质量等于反向扩散的溶质量与通过膜的溶质量之和。这一现象称为浓差极化，膜表面附近的浓度边界层称浓差极化层。(一)几种膜组件结构1.管式膜组件三、微滤和超滤设备板式膜原理

2.平板式膜分离设备3.中空纤维膜组件4.螺旋式膜分离设备1．单级间歇操作(二)超滤与微滤的操作方式2.单级连续操作3.多级连续操作一、反渗透的原理（一）渗透压与反渗透现象

用半透膜将纯溶剂与溶液隔开，溶剂分子会从纯溶剂侧经半透膜渗透到溶液侧，这种现象称为渗透。

用半透膜将纯溶剂（水）与溶液隔开，在溶液侧施加大于渗透压的压强，则溶剂分子将从溶液侧向溶剂侧渗透，这一现象就是反渗透。

平衡时膜两侧的压差称为渗透压。第二节反渗透反渗透的原理(1)渗透(2)反渗透1．回收率渗透液流量与进料流量之比，即浓缩比。2．温度温度升高时液体的粘度下降，但渗透压增加。3．压密效应多数反渗透组件的压差限度为8MPa，某些垫套式组件可在20MPa下使用。4．膜的耐氯性5.抗氧化性6.有机溶剂用有机溶剂浸泡后，有些膜的水通量增大，有些膜的水通量减小，但截留率总是大为降低。（三）影响反渗透操作的因素（一）基本原理在直流电场作用下，电解质溶液中的离子选择性地通过离子交换膜，从而实现分离。它是一种特殊的膜分离操作。所以只允许一种电荷的离子通过，而将另一种离子截留，称为离子交换膜。分阴膜、阳膜两种。一、电渗析过程的原理第三节电渗析在常规电渗析器内，两种膜成对交替平行排列，料液均匀分布于各室。在电场作用下，形成交替的浓缩室和淡化室。+CACA-I浓液稀液电渗析过程示意图阳极：

H2OH++OH-2OH--2e[O]+H2O

Cl--e[Cl]H++Cl-HCl阴极：

H2OH++OH-2H++2eH2

Na++OH-NaOH阳极室中溶液呈酸性，阴极室中溶液呈碱性。若溶液中存在Ca+、Mg+等离子，还会生成沉淀。因此，引入极水以保护电极。（二）电极反应（1）能耗低于有相变的过程，比离子交换也低得多；（2）装置使用灵活，维修方便，在单台设备上容易调节产水量和脱盐率；（3）装置使用寿命长，唯一易损坏的部件是电极，但选择好的材料后也可以用相当长的时间；（4）整个过程无污染物排放，为清洁生产过程；（5）用于水的脱盐时，原水的回收率高，可以节约水源，减少动力消耗，节省预处理费用。（三）电渗析过程的特点1.非均相离子交换膜膜电阻较大，选择透过性较差，但制作容易，机械强度较高，价格较便宜。2.均相离子交换膜化学结构均匀，孔隙小，膜电阻小，不易渗漏，电化学性能优良。但制作复杂，机械强度较低。3.半均相离子交换膜性能介于均相离子交换膜和非均相离子交换膜之间。对膜的要求：（1）选择透过性好；（2）膜电阻低，化学稳定；（3）机械强度高，孔隙度适当。（四）离子交换膜1．法拉第定律（1）电流通过电解质溶液时，在电极上参与反应的物质量正比于电流和通电时间，即正比于通过溶液的电量；（2）每通过96500C的电量，在任一电极上发生得（失）1mol电子的反应，参与此反应的物质的量亦为1mol。2．离子的迁移离子i在电场力推动下的迁移速度：ui=-KidE/dx当dE/dx=1V/cm时，某离子在一定溶剂中的迁移速度称为该离子的淌度。

mi=Ki/Zi

三、电渗析的基本概念如果膜的选择性为100%，那么通过膜的电流全由反离子承担，从而P=1。如果膜无选择性，那么反离子在膜内的迁移数等于它在溶液中的迁移数，从而P=0。影响膜电阻的因素：（1）膜内固定基团的浓度和性质。固定基团浓度越高，电阻就越小。（2）膜外溶液浓度越高，扩散入膜的离子浓度就越高，因而使电阻降低。（3）均相膜的电阻小于非均相膜。（4）温度升高时，电阻也减少。3．膜的选择性和电阻（一）电渗析器的构造四、电渗析装置电渗析器1.单级间歇操作电渗析的操作方式2.单级连续操作3.多级连续操作当液体混合物与渗透汽化膜接触时，混合物中的组分在通过膜的同时发生汽化，渗透物的组成不同于料液，从而实现分离。推动力：化学势差，具体表现为分压差。可以加一惰性挟带剂，也可以抽真空。一般采用抽真空法。的优点：能耗低，是唯一可能代替蒸馏的分离操作。一、