新型分离技术2教学课件

第四节电渗析1-4-1电渗析过程原理1.基本原理电渗析指在直流电场下溶液中的离子选择性地通过离子交换膜的过程。目前电渗析主要用于溶液中电解质的分离。第四节电渗析+++++++++++++++---------------+直流电源阳极阴极阳膜阳膜阴膜阴膜浓缩室浓缩室淡化室Na+Na+Na+Na+Na+Na+Cl_Cl_Cl_Cl_Cl_Cl_12345图1-30电渗析过程示意图第四节电渗析图1-30是除去水中NaCl的电渗析器示意图。在正负两电极间交替地平行放置阳离子交换膜(简称阳膜)和阴离子交换膜(简称阴膜),并依次构成浓缩室与淡化室。

阳膜由带负电荷的酸性活性基团(如磺酸基)的阳离子交换树脂构成,它能选择性地使阳离子透过,而阴离子不能透过。

阴膜由带正电荷的碱性活性基团(如胺基)的阴离子交换树脂构成,它能选择性地使阴离子透过,而阳离子不能透过。第四节电渗析2.电渗析中的传递过程反离子迁移——与离子交换膜所带电荷相反的离子穿过膜的迁移过程。反离子迁移是电渗析中起分离作用的主要传递过程。但在电渗析中还存在其它一些不需要而有害的过程。(1)同性离子迁移（与膜孔电荷符号相同的离子透过膜）(2)电解质的浓差扩散（在浓度差的作用下电解质自浓缩室向两侧淡化室扩散）

第四节电渗析(3)水的渗透（淡化室中的水在渗透压的作用下向浓缩室渗透）(4)水的电渗透（由于离子的水合作用，在反离子迁移和同性离子迁移过程中都会携带一定数量的水分子一起迁移）(5)压差渗漏（当膜两侧产生压差时，溶液将向压力小的一侧渗漏）(6)水的电解（当发生浓差极化时，水电离产生的H+和OH-也可以通过膜）第四节电渗析第四节电渗析阴膜阳膜淡化室浓缩室浓缩室性3.离子交换膜的功能离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜。其所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。第四节电渗析磺酸型阳膜：R—SO3——H+基膜固定基团解离离子（反离子）活性基团季胺型阴膜：R—N+(CH3)3——OH-基膜固定基团解离离子（反离子）活性基团1-4-2电渗析设备与操作1.离子交换膜的性能要求及分类离子交换膜是电渗析装置的关键部件，应具有以下性能：离子选择透过性要大离子的反扩散速度要小具有较低的渗水性具有较低的膜电阻膜的物理强度要高膜的结构要均匀膜廉价第四节电渗析2.电渗析器主要由浓、淡水室隔板、离子交换膜、极水隔板、电极以及锁紧装置等组装成的第四节电渗析3.电渗析流程(1)二段电渗析器(2)多台电渗析串联连续操作(3)循环式脱盐第四节电渗析1-4-3电渗析的应用1.海水、苦咸水的淡化2.盐水、盐泉卤水浓缩制盐3.医药、食品工业中的应用脱除有机物有机物中酸的脱除或中和有机酸盐取代反应制有机酸利用离子的可渗透性分离氨基酸等4.电厂和其他工业锅炉用水的制备5.纯水、超纯水的制备6.废水处理、有用物质的回收和再生水的回用7.离子膜电解第四节电渗析第五节气体的膜分离过程1-5-1气体的膜分离过程的原理1.基本原理气体膜分离的推动力是膜两侧的压力差。有多种机理模型，按简单的溶解-扩散模型，组分通过膜的过程有三步：在膜的高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜表面上；溶解在膜表面上的组分从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜的低压侧；在膜的低压侧表面组分解吸到气相。第五节气体的膜分离过程第五节气体的膜分离过程2.影响渗透通量与分离系数因素(1)膜材料(2)膜的厚度(3)温度(4)压力1-5-2气体分离膜与设备1.气体分离膜复合膜是常用的膜，有两种类型：阻力复合膜引起分离作用的超薄膜与多孔基膜形成的复合膜2.气体膜分离设备中空纤维管式膜器卷式膜器第五节气体的膜分离过程第五节气体的膜分离过程1-5-3气体膜分离的应用1.工业气体中氢的回收2.氧氮分离3.天然气中氦的提取4.二氧化碳的分离第五节气体的膜分离过程膜分离回收乙烯、丙烯、丁烷、氯乙烯、氯甲烷及苯蒸气等有机气体技术设备

膜分离制氮装置第六节渗透蒸发(气化)

(Pervaporation,简称PV）1-6-1渗透蒸发过程原理1.基本原理渗透蒸发是指被分离物透过膜时,在膜两侧组分的蒸气分压差的作用下,液体混合物部分地蒸发,从而达到分离目的的一种膜分离方法。分离机理可分为三步(1)被分离的物质在膜表面上有选择性地被吸附并被溶解；(2)以扩散形式在膜内渗透；(3)在膜的另一侧变成气相脱附而与膜分离开来。第六节渗透蒸发进料未透产品冷凝器液蒸汽渗透蒸发膜真空泵(1—500mmHg)透过产品图1-41渗透蒸发的原理示意图第六节渗透蒸发在渗透蒸发过程中，膜的上游侧压力一般维持常压，而膜的下游侧有三种方式维持组分的蒸气分压差：(1)扫气渗透蒸发采用惰性气体吹扫的方式(2)真空渗透蒸发以真空泵获得一定的真空方式(3)热渗透蒸发采用冷凝器连续冷却的方式2.渗透蒸发的特点(1)单级选择性好(2)操作简单(3)操作稳定，膜不会压密(4)能耗高(5)渗透通量小第六节渗透蒸发3.渗透蒸发膜复合膜非对称性膜4.影响渗透蒸发过程的因素(1)膜材料及其结构，以及被分离组分的物化性质(2)温度的影响(3)液体浓度的影响(4)上、下游压力的影响(5)浓差极化及温度梯度的影响(6)膜厚度的影响第六节渗透蒸发1-6-2渗透蒸发的应用优点：分离系数高，过程简单，操作方便缺点：渗透通量小（<1kg/m2·h），有相变。适用于：1.恒沸物的分离2.近沸组分混合物的分离3.混合物中少量杂质的分离第六节渗透蒸发水丙醇丙醇—水恒沸物恒沸物富水相富醇相冷凝器精馏塔1精馏塔2渗透蒸发图1-42渗透蒸发—精馏联合流程第六节渗透蒸发95%工业酒精第一产品，大批量，98.5—99.5%酒精第二产品，小批量，99.9%酒精淡酒回用智能柔性化计算机集散控制系统第六节渗透蒸发渗透蒸发分离乙醇装置渗透蒸发膜器渗透蒸发膜剖面电镜照片第七节透析(dialysis)1-7-1透析过程原理当把一张半透膜置于两种溶液之间并使其与之接触时,将会出现双方溶液中的大分子溶质原地不动,小分子溶质(包括溶剂)透过膜而相互交换的现象,这种现象就是所谓的透析。浓度差(化学位)是唯一推动力。第七节透析膜渗析液水或溶剂水溶质x1x2原液渗出液(溶剂+扩散分子)图1-43透析的原理示意图透析过程的简单原理如图1-43所示,即中间以膜相隔,A侧通原液、B侧通溶剂。如此,溶质由A侧根据扩散原理,而溶剂(水)由B侧根据渗透原理互进行移动,一般低分子比高分子扩散得快。透析的目的就是借助这种扩散速度的差,使A侧二组分以上的溶质得以分离。不过这里所说的不是溶剂与溶质的分离(浓缩),而是溶质之间的分离。第七节透析AB1-7-4透析的应用1.人工肾第七节透析第七节透析血液透析系统流程图第七节透析2.从人造丝浆压榨液中回收碱第八节其它膜分离过程1-8-1膜蒸馏1.基本原理

第八节其它膜分离过程图1-51是膜蒸馏原理的示意图,它所用的是疏水微孔膜,孔径一般为0.1～0.4.膜的一侧是热的(40～50℃)非挥发性物质(如盐等)的水溶液,另一侧为冷水。因为膜疏水,膜两侧的热水溶液与冷水均不能进入膜孔,孔内为气相.膜孔热端液面上水的饱和蒸汽压高,冷端液面上水的饱和蒸汽压低,由于水蒸汽的压差,热端水汽化,水汽通过膜孔扩散到冷端冷凝.这样,水便从热的水溶液中分离出来,热水溶液得到浓缩。2.传递过程(1)从热溶液主体扩散到膜表面的孔口(2)在膜孔口的液面处水汽化(3)汽化的水汽扩散通过膜孔(4)水汽在膜孔的冷凝，并随冷水流出第八节其它膜分离过程过程的推动力是水蒸汽的分压差，或者说是温度差。4.应用盐水淡化，热敏性物质溶液的浓缩等。1-8-2膜分相1.基本原理膜分相是利用多孔固体膜表面对乳浊液中两液相吸附力不同的性质,在压差的作用下使亲膜液透过膜,从而使两液相分离和过程.第八节其它膜分离过程第八节其它膜分离过程

如图1-53所示,当乳浊液与多孔固体膜接触时,与膜表面亲和力较强的液体在膜表面形成一薄层,在膜两侧压差的作用下,这层液体可以穿过膜孔而从乳浊液中分离出来。图中(a)是亲膜液为分散相的情况,此时分散相在膜面凝聚一层液膜,随着这层液体在压差作用下穿过膜,外层的分散相液滴不断向膜面补充,而不亲膜的连续相不能靠近膜。图中(b)是亲膜液为连续相的情况,不亲膜的分散相始终与膜面保持一定距离。这样,利用一对分相膜(各与乳浊液中的一种液体亲和)就可以使乳浊液完全分离成两相。膜分离过程小结1．反渗透反渗透是利用反渗透膜，只能透过溶剂（通常是水），可对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。2．超滤应用孔径为10到200埃（或更大）的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。3．微滤与超滤的原理相同，它是利用孔径大于0.02~10m的多孔膜来过滤含有微粒的溶液，将微粒从溶液中除去。第一节绪论4．透析利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。5．电渗析基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的。6．气体膜分离利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术。7．渗透汽化也称渗透蒸发，利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现其分离的新膜分离过程。8．膜蒸馏实质上是利用膜的蒸发过程，应用疏水的微孔膜将热的水溶液与冷却水隔开，热水溶液中的水汽化，扩散通过膜孔而在冷却水侧冷凝，因而从非挥发性物质的溶液中分离出水，这一过程称为膜蒸馏。可用于纯水制造与水溶液的浓缩。9．膜分