第十二章 膜分离

第十二章

膜分离

MembraneSeperation

第十二章膜分离

利用选择性透过膜，对组分进行分离、提纯或富集的单元操作，称膜分离。20世纪膜分离技术的发展历程：30年代微孔过滤（MF），40年代渗析（DL），50年代电渗析（ED），60年代反渗透（RO），70年代超滤（UF），80年代气体分离（GP），90年代渗透蒸发（PV）。第十二章膜分离第一节

膜及膜分离器

12-1分离膜

12.1A分离膜的分类第十二章膜分离1．无机分离膜（1）陶瓷膜（2）玻璃膜（3）金属膜（4）分子筛炭膜2．聚合物分离膜12.1B聚合物膜的制备工艺1.相转化法成膜2.复合膜的制备分别制备超薄皮层和多孔支撑层后再将二者进行复合。支撑层提供支持强度，皮层起分离作用。

第十二章膜分离第十二章膜分离12.1C膜的性能和膜渗机理1、分离膜的性能包括两方面：分离透过特性和物理化学稳定性。主要的分离透过特性为以下三种：（1）溶质分离率（2）溶剂透过速度

（3）膜的流量衰减因数

2、膜渗机理（1）毛细管流动模型（2）溶解扩散模型第十二章膜分离12-2膜分离器膜分离器是膜分离装置系统中最核心部分，又称膜组件。将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，这个基本单元设备就称为膜分离器。工业上常用的膜分离器形式主要有板框式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式四种类型。性能良好的膜组件应具备下列条件：（1）对膜提供足够机械支撑并可使原料液和透过液分开。（2）在能耗最小的条件下，料液在膜面上流动，减少浓差极化。（3）具有尽可能高的装填密度。（4）装置牢固安全，价格低廉。

第十二章膜分离第十二章膜分离12.2A板框式膜组件1．系紧螺栓式2．耐压容器式12.2B圆管式膜组件1．内压型管束式2．外压型管壳式12.2C螺旋卷式膜组件12.2D中空纤维式膜组件中空纤维为极细的空心膜管，外径约为50~200μm,内径为25~42μm。多达105~106根中空纤维成束装入圆筒形耐压容器内。分为以下三种类型：（1）轴流型（2）径流型（3）纤维卷筒型

第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第二节反渗透和超滤

12-3反渗透的基本原理

12.3A渗透和反渗透第十二章膜分离因，发生渗透。

如果是稀溶液，渗透压（osmoticpressure）:c—溶液浓度，mol/m3。溶液侧施压，发生反渗透(reverseosmosisRO)。第十二章膜分离第十二章膜分离12.3B反渗透的传质方程1、溶剂扩散速率方程Nw——溶剂扩散率，kg/(m2·s)Pw——溶剂膜渗透率(permeability),kg/(Pa·m·s);Kw——溶剂渗透率常量，又称透水系数kg/(Pa·m2·s);第十二章膜分离第十二章膜分离2.溶质扩散速率Ns——溶质的通量，kg/(m2s)Ks——溶质的渗透率常量，m/s第十二章膜分离3．溶质的分离率

令：第十二章膜分离12-4反渗透的实际过程12.4A浓度极化及其消除表面附近溶液浓度高于浓缩液主体的浓度，这种现象称为浓度极化（concentrationpolarization）。浓度极化因数M：

>1第十二章膜分离浓度极化对反渗透操作会产生三种不利作用。（1）使反向推动力增大，降低透水速率。反渗透推动力的合力较非极化时下降。（2）使有效膜面积减少，亦使透水率下降（3）使溶质的渗漏增大。第十二章膜分离浓度极化作用的主要影响因素：（1）透水率（2）溶液黏度（3）溶质在溶液中的扩散系数（4）膜表面上溶液的流动条件12.4B反渗透工艺1．前处理工艺2．反渗透基本工艺流程（1）一级一段流程（2）一级多段流程（3）多级流程3．后处理工艺第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离12-5

超滤与微孔过滤

过程名称

功能

p(MPa)

分离机制微孔过滤(MF)超滤(UF)反渗透(RO)滤除>0.1μm颗粒滤除5～100nm颗粒水-盐分离

0.01～020.1～11～10

筛滤毛细流动溶解扩散

第十二章膜分离12.5A超滤(Ultrafiltration,UF)1.超滤的基本原理超滤膜对大分子溶质等的截留作用是由于（1）在膜表面和微孔内的吸咐（一次吸咐）；（2）在膜孔中的阻塞；（3）在膜表面的机械截留（筛滤）。

2.

超滤膜和组件

3.超滤过程中膜的污染

4.超滤操作的流程第十二章膜分离12.5B微孔过滤(Microfiltration,MF)

微孔过滤（MF）是介于普通过滤和超滤之间的一种操作，一般认为MF的有效分离范围为直径0.1~10μm的粒子，操作静压差为10~200kPa1．微孔滤膜及组件2．微孔过滤的应用

12-6

超滤和反渗透在食品工业中的应用1．蛋白质的分离2．食品料液的净化第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离超滤澄清工艺优点：（1）缩短果蔬汁的处理时间（2）节省了压滤机、离心机、反应罐等设备投资以及淀粉酶、果胶酶以及澄清剂、助滤剂等费用。（3）维生素C等损失少，果胶、蛋白质和香气物质可以回收。（4）超滤本身可除微生物，后面不再需要加热杀菌。

3.食品料液的浓缩

4.工业废水的处理

5.膜反应器的应用第十二章膜分离第十二章膜分离第十二章膜分离第三节电渗析

使离子在电场作用下通过膜进行渗析迁移的过程，称为电渗析（electrodialysis,ED）

12-7电渗析的基本原理和概念12.7A电渗析的基本原理第十二章膜分离第十二章膜分离1、离子交换膜的选择性透过原理磺酸型阳膜的结构：R———SO-3——H+季胺型阴膜的结构：R———N+(CH3)3——OH-2．电渗析器分离原理12.7B电渗析的基本概念1、离子移动速度

2．离子通量3．离子迁移数

对1-1价:第十二章膜分离第十二章膜分离4.能耗与库仑效率每膜对中能量单耗库仑效率: