《其他分离方法》PPT课件.ppt

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1、化工原理任 课 教 师 ： 杨 雪 峰Prof. Dr. Yang XuefengPrinciples of Chemical Engineering 第 十 四 章 其 他 传 质 分 离 方 法 结 晶 是 从 蒸 气 、 溶 液 或 熔 融 物 中 析 出 晶 体 的 过 程 。由 于 晶 体 与 气 体 、 液 体 以 及 非 晶 体 固 体 不 同 ， 所 以 晶 体 有其 自 身 的 共 同 规 律 和 基 本 特 性 。溶 液 结 晶 、 熔 融 结 晶 、 升 华 结 晶 、 反 应 沉 淀 及 盐 析 等 类 型 。(1) 能 从 杂 质 含 量 较 多 的 溶 液 中 获

2、得 高 纯 度 的 固 体 产 品 ；(2) 与 蒸 馏 等 单 元 操 作 相 比 ， 结 晶 操 作 过 程 的 能 耗 较 低 （ 一般 来 讲 ， 结 晶 热 仅 为 汽 化 热 的 1/31/7） ；(3) 结 晶 操 作 可 用 于 高 熔 点 混 合 物 、 共 沸 物 以 及 热 敏 性 物 质等 难 分 离 物 系 的 分 离 。 溶 液 结 晶 过 程 是 涉 及 溶 质 由 液 相 转 入 固 相 的 相 际 传 质 过 程 ，而 且 由 于 影 响 晶 体 成 长 的 因 素 较 多 ， 使 问 题 变 得 更 为 复 杂 。 晶 核 的 生 成 机 理 主 要 有 三

3、 种 ： 初 级 均 相 成 核 、 初 级 非 均 相 成核 和 二 次 成 核 。 晶 体 的 成 长 机 理 可 分 为 两 步 ：(1) 溶 质 由 溶 液 主 体 向 晶 体 表 面 的 扩 散 过 程 ， 其 推 动 力 为 溶液 主 体 与 晶 体 表 面 溶 质 的 浓 度 差 ；(2) 溶 质 在 晶 体 表 面 以 某 种 方 式 嵌 入 空 间 晶 格 而 组 成 有 规 则的 结 构 ， 并 放 出 结 晶 热 。 该 过 程 也 称 为 表 面 反 应 过 程 。 结 晶 只 可 能 在 过 饱 和 溶液 中 发 生 。 溶 质 与 溶 液 共 存 并 处 于 相平

4、衡 状 态 。 其 浓 度 即 是 该温 度 下 固 体 溶 质 在 溶 剂 中的 溶 解 度 (平 衡 浓 度 )。浓 度 饱 和 浓 度 的 溶 液 。 溶 液 的 过 饱 和 度 ： 同 一 温 度 下 ， 过 饱 和 溶 液 与 饱 和 溶 液 的 浓度 差 。 *CCC */CCS 1/)( * SCCC绝 对 过 饱 和 度 C 过 饱 和 系 数 S相 对 饱 和 度 温度 浓 度 不稳区 稳定区 介稳区 a b A B C D C B 晶 核 不 能 自 发 生 成 ， 则 晶 体 的 数量 可 由 所 加 入 的 晶 种 量 控 制 ， 可以 得 到 颗 粒 较 大 而 整

5、齐 的 晶 体 。晶 核 可 自 发 生 成 ， 大 量 的 晶 核 使所 得 到 的 结 晶 产 品 粒 度 较 小 。 对 结 晶 产 品 的 要 求 过 程 的 能 耗 、 产 品 的 纯 度 有 一 定 的 要 求 ，并 希 望 晶 体 有 适 当 的 粒 度 和 较 窄 的 粒 度 分 布 。 微 观 粒 子 的 规 则 排 列 可 按 不 同 的 方 向 发 展 ， 即 各 晶 面 可 有 不同 的 生 长 速 率 ， 由 此 可 形 成 不 同 外 形 的 晶 体 。同 一 晶 系 的 晶 体 在 不 同 结 晶 条 件 下 可 得 到 外 形 不 同 的 晶 体 。晶 体 的

6、外 形 、 大 小 和 颜 色 在 很 大 程 度 上 取 决 于 结 晶 时 的 条 件 ，如 温 度 变 化 、 溶 剂 种 类 、 pH值 、 结 晶 速 率 、 溶 液 的 过 饱 和度 、 少 量 的 杂 质 或 添 加 剂 以 及 晶 体 生 长 时 的 位 置 等 。例 如 氯 化 钠 在 纯 水 溶 液 中 的 结 晶 为 立 方 体 ， 但 若 在 溶 液 中 加入 少 量 尿 素 ， 则 得 到 的 结 晶 为 八 面 体 。 又 如 碘 化 汞 由 于 结 晶温 度 的 不 同 可 以 是 黄 色 或 红 色 。 母 液 中 含 有 各 种 杂 质 ， 若 附 在 晶 体

7、 上 则 会 影 响 结 晶 产 品 的 纯度 。 常 用 离 心 机 或 过 滤 机 将 晶 体 和 母 液 进 行 分 离 ， 并 用 适 当的 溶 液 对 晶 体 进 行 洗 涤 。 包 藏 在 晶 簇 中 的 母 液 很 难 用 洗 涤 的 方 法 除 去 。 所以 在 结 晶 操 作 中 应 尽 量 避 免 晶 簇 的 形 成 。 如 对 溶 液 进 行 搅 拌 。 小 晶 体 有 因 表 面 能 过 大 而 被 溶解 的 倾 向 。 在 晶 体 粒 度 不 一 且 溶 液 的 过 饱 和 度 较 低 的 情 况 下 ，小 的 晶 体 会 被 溶 解 ， 而 较 大 的 晶 体 则

8、会 继 续 成 长 成 外 形 更 加完 好 的 晶 体 。在 工 业 生 产 中 常 利 用 晶 体 的 再 结 晶 来 得 到 粒 度 均 匀 的 较 大 晶体 ， 也 称 为 产 品 的 。 将 溶 液 冷 却 使 其 达 到 过 饱 和 状 态 ， 适 用 于 溶 解 度 随 温 度 降 低并 显 著 减 小 的 物 质 ， 如 KNO3， NaNO3， MgSO4和Na2CO310H2O等 。 使 溶 液 在 常 压 (沸 点 温 度 )或 减 压 (低 于 正 常 沸 点 )下 蒸 发 ， 溶 液由 于 部 分 溶 剂 的 汽 化 而 浓 缩 ， 从 而 得 到 过 饱 和 溶 液

9、 。 适 用 于溶 解 度 随 温 度 降 低 但 变 化 不 大 的 物 质 ， 如 氯 化 钠 、 无 水 硫 酸钠 等 。有 些 物 质 的 结 晶 可 将 以 上 两 种 方 法 结 合 起 来 使 用 ， 以 便 更 快地 使 溶 液 达 到 过 饱 和 状 态 ， 并 且 可 节 约 操 作 费 用 。 换 热 器 晶体出口 进料 蒸汽出口 蒸发 室 结晶 室 蒸汽喷射泵 蒸汽 冷却水 冷却器 进料口 出料口 循环管 双级式蒸汽 喷射泵 将 多 孔 性 固 体 物 料 与 流 体 (气 体 或 液 体 )混 合 物 进 行 接 触 ， 有 选择 地 使 流 体 中 的 一 种 或

10、多 种 组 分 附 着 于 固 体 的 内 外 表 面 ， 从而 达 到 与 其 它 组 分 分 离 的 目 的 。多 孔 性 固 体 物 料 称 为 吸 附 剂 ， 附 着 于 固 体 表 面 的 组 分 称 为 吸附 质 。 吸 附 剂 靠 固 体 颗 粒 的 表 面 力 (可 以 是分 子 间 引 力 即 范 德 华 力 )使 吸 附 质 分 子 单 层 或 多 层 地 附 着在 吸 附 剂 表 面 。 吸 附 热 在 数 值 上 与 吸 附 质 的 冷 凝 热 相 当(4262 kJ/mol)。 物 理 吸 附 的 吸 附 力 较 弱 ， 容 易 脱 附 。吸 附 剂 与 吸 附 质

11、之 间 发 生 了 化 学 反 应 ， 吸 附 是 因吸 附 质 与 吸 附 剂 表 面 原 子 间 的 化 学 键 合 作 用 造 成 的 。 吸附 所 放 出 的 热 较 物 理 吸 附 的 吸 附 热 为 高 ， 数 值 上 与 化 学反 应 热 相 当 。 化 学 吸 附 的 吸 附 力 较 强 ， 一 般 不 易 脱 附 。 (1) 表 面 积 越 大 ， 吸 附 能 力 越 强 。 例 如 硅 胶为 500 m2/g， 活 性 炭 为 1000 m2/g。(2) 选 择 性 愈 高 ， 一 次 吸 附 的 分 离 愈 完 全 。 例如 木 炭 对 SO2和 NH3的 吸 附 能 力

12、 远 远 大 于 对 空 气 的 吸 附 能力 ， 故 能 从 空 气 中 吸 附 分 离 SO2和 NH3， 使 空 气 净 化 。 (3) 一 定 的 机 械 强 度 和 耐 磨 性 可 防 止 在 运 输和 操 作 过 程 中 过 多 破 碎 ， 造 成 操 作 中 流 体 通 道 的 阻 塞 或流 体 污 染 。 (4) 流 体 阻 力 较 小 ， 流 动 性 较 好 ， 适 当 的 堆密 度 等 。(5) 具 有 化 学 稳 定 性 和 热 稳 定 性 ， 以 适 应 较 大范 围 的 操 作 条 件 。(6) 。 (1) 由 天 然 矿 物经 硫 酸 处 理 活 化 ， 再 干 燥

13、 粉 碎 后 制 成 。 其 主 要 成 分 为 硅藻 土 。 多 用 于 植 物 油 或 石 油 产 品 的 脱 色 、 脱 硫 和 干 燥 等 。(2) 由 含 水 氧 化 铝 加 热 脱 水 制 成 ， 为 一 种 极 性 吸附 剂 。 由 于 对 水 分 子 的 吸 附 能 力 较 大 ， 故 多 用 于 气 体 或液 体 的 干 燥 。(3) 一 种 亲 水 性 吸 附 剂 。 硅 胶 是 无 定 形 多 孔 水 合 二 氧 化硅 ， 多 用 于 气 体 或 液 体 的 脱 水 。 (4) 由 动 物 骨 骼 、 煤 、 椰 壳 、 核 桃 壳 或 木 材 等 经 炭 化 、活 化

14、后 制 成 。 为 非 极 性 吸 附 剂 ， 具 有 疏 水 性 ， 可 用 于 溶剂 蒸 气 的 回 收 ， 油 品 和 糖 液 的 脱 色 ， 水 的 净 化 以 及 气 体的 脱 臭 等 。(5) 能 选 择 性 地 让 尺 寸 小 于 孔 径 的 分 子 进 入 微 孔 ， 起到 筛 选 分 子 的 作 用 。 常 见 的 分 子 筛 有 天 然 沸 石 和 上 百 种合 成 沸 石 ， 具 有 较 高 的 化 学 稳 定 性 和 吸 附 选 择 性 ， 属 于强 极 性 吸 附 剂 。 多 用 于 气 体 或 液 体 的 干 燥 和 精 制 ， 混 合物 的 吸 附 分 离 等 。

15、 不 同 温 度 下 NH3在 木 炭 上 的 吸 附 等 温 曲 线 80 oC151.5 oC30 oC-23.5 oC 0 oC0.2 0.4 0.6 0.8 1.050100150吸附质分压p（大气压）吸附量x 吸 附 剂 与 吸 附 质 在 一 定 条 件 下 长 时 间 接 触 后 达到 饱 和 ， 吸 附 质 在 气 (液 )、 固 两 相 中 的 浓 度 不 再 随 时 间改 变 ， 此 时 气 (液 )、 固 两 相 的 浓 度 称 为 平 衡 浓 度 。在 恒 定 温 度 下 ， 平 衡 时 吸 附 剂 的 吸 附 量 x 与 气(液 )相 中 的 吸 附 质 组 分 分

16、压 p (或 吸 附 质 的 浓 度 C) 的 关 系曲 线 。 25 下 不 同 吸 附 质 在 活 性 碳 上 的 吸 附 等 温 线 丙酮苯CCl4氯乙烯10 20 30 40 500.20.40.6吸附质蒸气浓度C（g/m3空气）吸附量x 00.8 I II III 吸附质浓度 吸附量 压缩空气 油 漂白土 脱色后的油 含溶剂的空气 低压蒸气 活性炭 活性炭 溶剂，回收 水层，丢弃 脱溶剂后的空气 吸 附 剂 提 升 管 空气 汽提蒸气 进料口 汽 提 段 增 浓 段 吸 附 段 底部产品 顶部产品 加热器 冷却器 平衡区 传质区 未用区 Y0 Xm Y1 XR 固定床的吸附曲线 Xm

17、 XR 传质区随操作时间的移动 ti ti-1 ti-2 ti+2 ti+1 YB B Y0 Ya Y0 Yc Y0 Yd Y0 Ye Y0 Yf Y0 Yg Y0 Yb YE Y0 B E E 传质区 未用区 平衡区 透 过 点 (Y = 0.05Y 0) 失 效 点 (Y = 0.95Y0) 膜 分 离 一 般 是 指 利 用 膜 (Membrane) 对 流 体 混 合 物 中 不 同 组 分的 选 择 性 渗 透 的 特 点 来 分 离 流 体 混 合 物 的 操 作 过 程 (1) 分 散 得 很 细 的 固 体 ， 特 别 是 与 液 体 密 度 相 近 ， 胶 状 的 可 压缩

18、的 固 体 微 粒 ；(2) 低 分 子 量 的 不 挥 发 的 有 机 物 、 药 物 与 溶 解 的 盐 类 ；(3) 对 温 度 、 酸 碱 度 等 物 理 化 学 条 件 特 别 敏 感 的 生 物 物 质 。 膜 分 离 的 应 用 领 域涉 及 气 体 分 离 、 水 溶 液 分 离 、 生 化 产 品 的 分 离 与 纯 化 等 操 作的 食 品 和 饮 料 加 工 过 程 、 工 业 污 水 处 理 、 大 规 模 空 气 分 离 、湿 法 冶 金 、 气 体 和 液 体 燃 料 的 生 产 及 石 油 化 工 制 品 的 生 产 等 过 程 膜 主 要 功 能 推 动 力 微

19、 滤 (MF)Microfiltration 对 称 细 孔 高 分 子 膜孔 径 0.0310 nm 滤 除 50 nm的颗 粒 压 差 0.1 MPa 超 滤 (UF)Ultrafiltration 非 对 称 多 孔 膜孔 径 120 nm 滤 除 5100 nm的 颗 粒 压 差 0.1 MPa 反 渗 透 (RO)Reverse Osmosis 非 对 称 性 或 复 合 膜孔 径 0.11 nm 水 溶 液 中 溶 解盐 类 的 脱 除 压 差1 10 MPa 渗 析 (透 析 )（ D）Dialysis 非 对 称 离 子 交 换 膜孔 径 110 nm 水 溶 液 中 无 机酸

20、 、 盐 的 脱 除 浓 度 差 电 渗 析 (ED)Electrodialysis 阴 、 阳 离 子 交 换 膜孔 径 110 nm 水 溶 液 中 酸 、碱 、 盐 的 脱 除 电 位 差 气 体 分 离 (GP)Gas Permeation 均 质 膜 和 非 对 称 膜 滤 除 50 nm的颗 粒 压 差 110 Mpa浓 度 差 渗 透 汽 化 (PV)Pervaporation 复 合 膜 水 、 有 机 物 的分 离 渗 透 边 的 分 压下 降 液 膜 (L)Liquid Membrane 液 体 保 存 在 多 孔 膜中 盐 、 生 理 活 性物 质 的 分 离 浓 度 差

21、 膜 的 分 类 （ Classification of membrane） 膜 生 物 膜合 成 膜 无 机 膜固 体 膜液 膜 有 机 膜 不 对 称 膜 多 孔 膜无 孔 膜 不 对 称 膜对 称 膜转 相 膜复 合 膜按 来 源 分 类 按 制 造 方 法 分 类按 形 态 /结 构 分 类按 材 料 分 类 材 料 特 点纤维素 二 醋 酸 纤 维 素 (CDA)、 三 醋酸 纤 维 素 (CTA)、 硝 化 纤 维素 (CN)， 混 合 纤 维 素 (CN-CA)、 乙 基 纤 维 素 (EC)等 。 成 孔 性 、 亲 水 性 好 、 价 廉 易 得 ，使 用 温 度 范 围 较

22、 广 ， 可 耐 稀 酸 ，不 适 用 于 酮 类 ， 酯 类 、 强 酸 和 碱类 等 液 体 的 过 滤 。聚酰胺 尼 龙 -6(NY-6)、 尼 龙 -66(NY-66)、 芳 香 聚 酰 胺 (PI)、 芳 香聚 酰 胺 酰 肼 (PPP)、 聚 苯 砜 对苯 二 甲 酰 (PSA) 具 亲 水 性 能 ， 较 耐 碱 而 不 耐 酸 ，在 酮 、 酚 、 醚 及 高 相 对 分 子 质 量醇 类 中 ， 不 易 被 浸 蚀 ， 孔 径 型 号也 较 多 。聚砜 聚 砜 (PS)、 聚 醚 砜 (PES)微 滤膜 具 有 良 好 的 化 学 稳 定 性 和 热 稳 定性 ， 耐 辐 射

23、 ， 机 械 强 度 较 高 。含氟材 料 聚 偏 氟 乙 烯 膜 (PVDF)、 聚 四氟 乙 烯 膜 (PTFE)、 聚 全 氟 磺酸 化 学 稳 定 性 好 ， 耐 高 温 。 如 PTFE膜 ， 40 260oC， 可 耐 强 酸 ， 强碱 和 各 种 有 机 溶 剂 。 具 疏 水 性 ，可 用 于 过 滤 蒸 气 及 腐 蚀 性 液 体 。 材 料 特 点聚烯烃 聚 丙 烯 (PP)、 聚 乙 烯 拉 伸 式微 孔 膜 、 聚 丙 烯 纤 维 式 深 层过 滤 膜 化 学 稳 定 性 好 ， 耐 酸 、 碱 和 有 机 溶剂 ， 价 格 便 宜 ， 但 孔 径 分 布 宽 。 商品

24、 膜 有 平 板 式 和 中 空 纤 维 式 多 种 构型 ， 孔 径 规 格 (从 0.170 m)。聚碳酸酯 主 要 用 于 制 备 核 孔 微 孔 膜 。 核 孔 膜孔 非 常 均 匀 ， 厚 度 5 15m。 制 造工 艺 较 复 杂 ， 价 格 高 ， 应 用 受 到 限制 。无机材料 如 陶 瓷 微 孔 膜 ， 玻 璃 微 孔 膜 ，各 类 金 属 微 孔 膜 等 。 具 有 耐 高 温 、 耐 有 机 溶 剂 、 耐 生 物降 解 等 优 点 ， 特 别 在 高 温 气 体 分 离和 膜 催 化 反 应 器 及 食 品 加 工 等 行 业中 有 良 好 的 应 用 前 景 。 表

25、 面 层 和 支 撑 层 由 同 种 聚 合 物 构 成聚 酰 胺 转 相 膜 是 指 在 渗 透 方 向 上结 构 不 均 匀 的 膜 ， 由 两 层 组 成 ，表 层 极 薄 ， 为 微 孔 直 径 极 小 或无 孔 的 活 性 层 （ 起 分 离 作 用 ） ，支 撑 层 孔 径 较 大 ， 空 隙 率 较 高（ 不 起 分 离 作 用 ） 。 传 质 阻 力主 要 在 极 薄 的 表 面 层 ， 其 通 量比 对 称 膜 大 很 多 。 不 对 称 超 滤 膜 制 膜 材 料 主 要 是 金 属 、 金 属 氧 化 物 、 多 孔 玻 璃 、 陶瓷 等 无 机 物 。 与 有 机 膜

26、相 比 ， 无 机 膜 具 有 耐 高 温 ， 不 可 压 缩 ，耐 有 机 溶 剂 ， 透 过 量 大 ， 污 染 较 少 ， 孔 径 分 布 较 窄 和 寿 命 长等 优 点 ， 缺 点 是 膜 脆 易 碎 ， 设 备 费 用 大 。 不 对 称 陶 瓷 膜 陶 瓷 膜 表 面 SEM照 片 纳 米 管 膜 膜 的 分 离 性 能 参 数 除 了 描 述 膜 结 构 中 如 孔 径 分 布 ， 最 大 孔 径 等 孔 的 特 性 参 数 以外 ， 其 分 离 性 能 主 要 用 膜 的 分 离 因 素 和 膜 的 通 量 来 表 示Cf 料 液 中 某 组 分 的 浓 度 ；Cp 透 过

27、液 中 该 组 分 的 浓 度 ； R 该 组 分 的 截 留 系 数 。 f pfC CCR 是 指 R = 0.95 那 种 组 分 的 分 子 量 ， 表 示 分 子 量 大 于 或 等 于MWCO的 分 子 基 本 上 都 能 够 被 截 留 。 膜 分 离 的 原 理 大 多 为 对 不 同 的 微 粒 的 选 择 透过 ， 故 分 离 效 率 通 常 都 很 高 。 相 对 于 蒸 馏 等 分 离 过 程 ， 膜 分离 的 分 离 系 数 要 大 得 多 。 膜 分 离 过 程 中 ， 被 分 离 的 物 质 大 都 不 发 生 相变 ， 与 蒸 发 ， 蒸 馏 相 比 ， 操 作

28、 所 需 能 耗 很 小 。 膜 分 离 设 备 本 身 没 有 运 动 部 件 ， 且 操 作 温 度和 压 力 不 高 。 操 作 的 可 靠 性 主 要 取 决 于 膜 的 性 能 。 膜 分 离 过程 的 操 作 十 分 简 便 ， 从 启 动 到 得 到 产 品 所 需 时 间 较 短 ， 故 可以 频 繁 地 启 停 。 膜 分 离 设 备 的 性 能 不 受 处 理 量 大 小 的 影响 ， 即 单 位 生 产 能 力 与 分 离 效 率 ， 设 备 单 价 及 操 作 费 用 关 系不 大 。 限 制 膜 分 离 过 程 广 泛 使 用 的 一 个 重 要 因 素 。 膜 污

29、染 使 膜 的 透过 速 率 不 断 降 低 ， 且 使 低 分 子 量 溶 质 （ 盐 ） 的 截 留 率 增 加 ，而 最 终 使 流 动 通 道 堵 塞 。 所 以 制 造 不 易 发 生 膜 污 染 的 分 离 膜是 非 常 重 要 的 。 1. 膜 被 压 实 ， 从 而 使 膜 的 通 道 减 少 。 反 渗 透 过 程 中 ， 由 于 操作 压 差 较 大 ， 故 这 一 因 素 的 影 响 较 为 明 显 。 膜 被 压 实 本 不是 真 正 意 义 上 的 膜 污 染 ， 但 因 其 与 膜 污 染 有 同 样 的 效 果 ，故 也 归 于 此 ；2. 膜 孔 的 有 效 直

30、 径 因 被 某 些 溶 质 阻 塞 而 减 小 ， 或 部 分 孔 道 被完 全 堵 塞 ；3. 膜 表 面 附 着 一 层 凝 胶 层 。 1. 选 好 膜 的 种 类 ， 考 虑 包 括 亲 水 性 、 荷 电 性 、 膜 孔 结 构 ；必 要 时 可 对 膜 表 面 进 行 改 性 ；2. 选 择 适 宜 的 膜 组 件 ， 以 保 持 较 好 的 流 动 状 态 （ 流 速 适 当大 ） ；3. 对 料 液 进 行 必 要 的 预 处 理 ， 例 如 预 过 滤 ， 预 灭 菌 及 调 节适 当 的 pH值 等 ；4. 适 时 清 洗 ， 可 以 进 行 反 冲 （ back flu

31、sh） 和 化 学 清 洗 （ 无机 酸 、 有 机 酸 ， 螯 合 剂 ） 。 但 应 注 意 频 繁 的 清 洗 会 影 响膜 的 寿 命 ； 5. 外 加 场 控 制 ， 如 电 场 、 离 心 力 场 和 超 声 场 。 假 设 溶 液 透 过 膜 的 过 程 可 视 为 流 体 以 层 流的 方 式 通 过 曲 折 的 毛 细 管 的 流 动 ， 其 处 理 方 式 与 过 滤 相 似 。对 微 滤 ， 超 滤 等 过 程 可 用 此 模 型 。 气 体 分 子 运 动 平 均 自 由 程 大 于 毛 细 管 管 径 ，则 气 体 分 子 的 扩 散 阻 力 取 于 分 子 与 管

32、壁 之 间 的 碰 撞 (Knudsen扩 散 )。 气 体 膜 分 离 可 用 此 模 型 。 水 优 先 吸 附 在 亲 水 性 膜 的 外 表 面 并 与 膜中 的 内 表 面 形 成 结 合 水 ， 这 类 结 合 水 不 溶 解 盐 粒 子 ， 阻 碍 水合 离 子 通 过 。 此 模 型 用 于 反 渗 透 过 程 。 溶 质 先 溶 解 (或 吸 附 ) 在 原 料 一 侧 膜 表 面 ，然 后 以 扩 散 的 方 式 通 过 膜 ， 在 膜 另 一 侧 表 面 解 吸 。 可 用 于 通过 致 密 均 质 膜 的 传 质 过 程 ， 不 要 求 致 密 层 是 有 孔 的 。

33、即 纯 溶 剂 通 过 半 透 膜 由 纯 溶 剂 一 侧 向 溶 液 一 侧 的自 发 流 动 过 程 。渗 透 过 程 达 平 衡 时 半 透 膜 两 侧 形 成 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 (p)， 溶 剂 从 溶 液 一 侧 向 纯 溶 剂 一 侧 液 流 动 。 稀溶液 浓溶液 半透膜 渗透 稀溶液 浓溶液 半透膜 平衡 稀溶液 浓溶液 半透膜 反渗透 p 主 要 为 两 大 类 ， 醋 酸 纤 维 素 膜 (如 醋 酸 纤 维 素 -三 醋 酸 纤 维素 共 混 不 对 称 膜 和 三 醋 酸 纤 维

34、素 中 空 纤 维 膜 ) 和 芳 香 族 聚 酰胺 膜 (如 芳 香 族 聚 酰 胺 复 合 膜 和 芳 香 族 聚 酰 胺 中 空 纤 维 膜 )。从 结 构 上 又 可 分 为 非 对 称 膜 和 复 合 膜 。 但 无 论 哪 种 反 渗 透膜 ， 其 制 膜 材 料 必 须 是 亲 水 性 的 。 反 渗 透 膜 的 基 本 性 能 包括 透 水 率 、 透 盐 率 和 抗 压 实 性 等 。反 渗 透 膜 过 程 的 推 动 力 为 压 力 差 。 反 渗 透 膜 截 留 溶 质 并 非靠 膜 的 筛 分 作 用 ， 而 是 靠 膜 对 溶 质 和 溶 剂 的 亲 和 力 差 异

35、。就 其 分 离 机 理 而 言 ， 尚 存 在 与 之 争 。 反渗 透 过 程 中 膜 材 料 与 被 分 离 介 质 间 的 化 学 特 性 比 膜 的 结 构形 态 更 为 重 要 。 c3 c2 c 1 溶剂反渗透 J w 溶质扩散 溶质扩散 J s 稀溶液 浓溶液 随 着 反 渗 透 过 程 的 进 行 ， 溶 剂 不 断 地 从 高 浓度 一 侧 渗 透 到 低 浓 度 一 侧 ， 而 溶 质 则 被 膜 截 留 ， 使 膜 表 面 的溶 质 浓 度 高 于 溶 液 主 体 浓 度 ， 在 膜 表 面 附 近 形 成 一 溶 质 的 浓度 梯 度 。 该 现 象 被 称 为 浓

36、差 极 化 。 pAJwJw 溶 剂 的 透 过 速 率 ， kmol/(m2s)；A 纯 溶 剂 (水 ) 的 透 过 系 数 ， kmol/(m2sPa)；p 膜 两 侧 的 压 差 ， Pa； 膜 两 侧 溶 液 的 渗 透 压 之 差 ， Pa。 溶 剂 (水 )的 透 过 速 率 即 单 位 时 间 单 位 膜 面 积 的 水 透 过 量 ， 与膜 的 性 质 和 结 构 （ 如 厚 度 、 化 学 成 分 和 空 隙 率 等 ） 及 系 统条 件 （ 如 温 度 、 膜 两 侧 的 压 差 和 溶 液 浓 度 等 ） 有 关 。 Js 溶 质 的 透 过 速 率 ， kmol/(m

37、2s)；B 溶 质 的 透 过 系 数 ， m/ s；c3、 c2 分 别 为 膜 两 侧 的 浓 度 ， kmol/ m3。 23 ccBJs sw JJJ Js 和 Jw 比 值 的 大 小 代 表 分 离 效 果 的 好 坏 。 比 值 越 小 则 分 离效 果 越 好 。 由 于 膜 两 侧 溶 液 存 在 浓 度 差 ， 故 少 量 溶 质 也 会 扩 散 透 过 膜 。溶 质 的 透 过 速 率 可 表 示 为 压 力 差 的 作 用 下 ， 利 用 膜 的 孔 径 的 大 小 对 微 粒 进 行 机械 筛 分 和 截 留 ， 而 吸 附 截 留 的 作 用 相 对 较 小 。 常

38、 用 的 膜 是 醋 酸 纤 维 素 和 硝 酸 纤 维 素 等 混 合 组 成 。 其 它 商 业化 膜 有 再 生 纤 维 素 膜 ， 聚 氯 乙 烯 膜 ， 聚 酰 胺 膜 和 陶 瓷 膜 等 。工 业 上 主 要 用 于 无 菌 液 体 、 超 纯 水 的 生 产 和 空 气 过 滤 。 溶 液 在 压 力 差 的 作 用 下 ， 溶 剂 和 小 于 膜 孔 径 的 溶 质 由膜 透 过 ， 而 大 于 膜 孔 径 的 溶 质 则 被 截 留 ， 从 而 达 到 溶液 的 净 化 、 分 离 和 浓 缩 。 超 滤 与 微 滤 的 不 同 之 处 在 于 能 截 留 溶 解 的 大 分

39、 子 ， 与 反 渗 透的 不 同 之 处 在 于 所 截 留 的 大 多 为 大 分 子 溶 质 。超 滤 应 用 非 常 广 泛 ， 从 家 用 净 水 器 到 现 代 化 工 业 生 产 。 A+B溶液 A溶液 B溶液 操 作 过 程 中 无 相 变 化 ， 且 一 般 在 常 温 低 压 下 进 行 ， 故 能耗 很 低 ， 约 为 蒸 发 或 冷 冻 法 的 1/21/3； 物 质 在 浓 缩 过 程 中 不 发 生 质 变 ， 因 而 适 用 于 保 味 和 热 敏性 物 质 的 处 理 ； 设 备 体 积 小 ， 结 构 简 单 ， 故 投 资 费 用 低 ； 工 艺 流 程 简

40、 单 ， 易 于 操 作 和 管 理 ； 能 将 不 同 分 子 量 的 物 质 分 级 。超 滤 作 为 一 种 膜 分 离 技 术 ， 在 工 业 生 产 、 医 药 卫 生 和 环 境保 护 等 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 如 海 水 淡 化 和 超 纯 水 的 制备 、 无 菌 液 体 食 品 的 制 造 、 血 液 超 滤 净 化 、 药 物 的 浓 缩 和净 化 、 乳 制 品 的 浓 缩 以 及 废 水 处 理 等 。 透 过 速 率 JV 透 过 速 率 ， kmol/(m2s)； A 纯 溶 剂 （ 水 ） 的 透 过 系 数 ， kmol/(m2sPa)；p

41、 膜 两 侧 的 压 差 ， Pa； 膜 两 侧 溶 液 的 渗 透 压 之 差 ， Pa。透 过 系 数 A 的 倒 数 Rm 称 为 膜 阻 ， 是 膜 性 能 的 重 要 参 数 之 一 。 pAJV 浓 差 极 化 Rm 膜 阻 ， (m 2sPa)/kmol；Rc 附 加 阻 力 ， (m2sPa)/kmol。 cmw RRpJ /透过速率操作压力图14-28 透过速率与操作压力的关系低流速高流速 纯溶剂 cw膜表面浓度凝胶层 渗透液透过速率JV溶质扩散 渗透液浓度cp 料液主体浓度cf 图14-29 浓差极化现象和凝胶层 膜 在 一 半 透 膜 两 侧 的 两 种 溶 液 中 的

42、小 分 子 溶 质 或 溶 剂 通 过 膜 进行 交 换 ， 而 大 分 子 被 截 留 在 各 自 的 一 侧 的 现 象 ， 称 为 透 析 。 人 工 肾 是 透 析 过 程 最 成 功的 范 例 。 自 1943年 Kolff用醋 酸 纤 维 素 膜 制 成 的 人 工肾 对 血 液 进 行 透 析 治 疗 尿毒 症 获 得 成 功 后 ， 透 析 技术 在 血 液 滤 过 、 血 液 灌 流和 血 浆 分 离 等 多 种 治 疗 方法 上 得 到 应 用 。 水 x1 溶质 B A 渗出液 原液 x 2 水或溶剂 渗析液 溶剂+扩散分子 Two Examples of Artific

43、ial Kidneys (Hemodialyzers) 电 渗 析 是 以 电 位 差 为 推 动 力 ， 利 用 离 子 交 换 膜 对 离 子 的 选 择透 过 性 ， 从 溶 液 中 脱 除 或 富 集 电 解 质 的 操 作 。 阴离子交换膜 Na+ Cl - Na+ Cl - 阳离子交换膜 图14-31 离子交换膜功能示意图 电 渗 析 的 基 本 工 作 单 元 膜 对 阴膜 阴膜 阳膜 阳膜 阳 极 + 阴 极 - 极 室 极 室 Na+ 电极清洗水 Cl - Cl- Na+ Cl- Na + 浓水 淡水 浓水 原水 电渗析器工作原理示意图 电极清洗水 电极清洗水 电极清洗水 浓

44、缩室 浓缩室 脱盐室 控 制 释 放 就 是 利 用 一 定 的 控 制 机 理 ， 使 某 种 物 质 （ 如 农 药 、化 肥 和 药 物 ） 按 一 定 的 速 率 稳 定 地 释 放 到 特 定 区 域 的 过 程 。 高分子膜药物扩散到膜外的药物 时间 = 0时间 = 储存型（reservior）系统 基体药物扩散到基体外的药物 时间 = 0时间 = 基体型（matrix）系统 血 药 浓 度 理想浓度区域 时间 第一剂第二剂第三剂 血 药 浓 度理想浓度区域 时间 混 合 气 体 在 压 差 作 用 下 通 过 分 离 膜 ， 利 用 混 合 气 中 的 各 组 分分 子 在 膜

45、中 的 透 过 速 率 不 同 而 达 到 分 离 的 目 的 。 渗透物 残留物 原料气 图14-35 气体膜分离过程示意图 特 点 ： 能 耗 低 、 操 作 简 单 、 装 置 紧 凑 并 可 按 处 理 量 改 变 等 。应 用 ： 合 成 氨 弛 放 气 中 回 收 氢 气 （ Prism膜 ） ， 天 然 气 中 分离 CO2、 空 气 、 有 机 蒸 气 或 天 然 气 的 脱 湿 、 燃 烧 废 气 中 CO2的 回 收 和 燃 烧 废 气 脱 硫 等 。 液 体 混 合 物 中 被 分 离 物 在 膜 两 侧蒸 气 分 压 差 的 推 动 作 用 下 ， 透 过膜 而 部 分

46、 汽 化 ， 从 而 实 现 混 合 物分 离 的 过 程 。 特 点 ： 发 生 液 相 到 汽 相 的 转 变 ，需 不 断 加 入 至 少 相 当 于 透 过 物 汽化 潜 热 的 热 量 。 渗透蒸气 冷凝器 抽真空 渗透物 膜 进料 贫液渗透物 增 加 膜 两 侧 蒸 气 分 压 差 的 方 法 ：提 高 料 液 温 度 （ 工 业 中 常 用 的 热 渗 透 汽 化 法 ） ；降 低 膜 汽 化 侧 的 蒸 气 分 压 ， 如 冷 凝 法 、 抽 真 空 法 （ 多 用 于 实验 室 ） 、 惰 性 气 体 吹 扫 法 和 溶 剂 吸 收 法 等 。 将 反 应 过 程 和 分 离

47、 过 程 耦 合 ， 通 过 有 选 择 性 地 使 反 应 产 物 中的 某 种 （ 或 多 种 ） 成 分 渗 透 过 膜 ， 使 反 应 平 衡 发 生 移 动 ， 提高 转 化 率 。 特 点反 应 与 分 离 的 结 合 可 减 少 分 离 费 用 所 需 投 资 ；反 应 物 的 控 制 加 入 保 持 反 应 物 的 浓 度 ， 避 免 如 深 度 加 氢 或深 度 氧 化 副 反 应 ；反 应 的 偶 联 可 在 膜 两 侧 同 时 进 行 两 个 不 同 的 反 应 ；高 温 的 适 应 性 无 机 膜 具 有 较 高 的 耐 热 性 。 例 1： 硫 化 氢 的 热 分 解

48、 与 氢 燃 烧 的 膜 偶 联复 合 金 属 膜 ： 以 钒 作 为 基 质 ， 进 料 侧 涂 铂 ， 起 催 化 和 防 腐 作用 ， 渗 透 侧 涂 钯 ， 利 于 氢 渗 透 。 金 属 间 涂 S2O， 防 止 金 属 间扩 散 。 脱硫天然气 S 含硫天然气 空气 H2O空气 H2S S+H2 2H2+O22H2O H2 膜 分 离 设 备 一 般 由 已 组 装 好 的 膜 器 件 、 泵 、 管 路 、 过 滤 器 、阀 门 和 仪 表 等 组 成 。 其 中 膜 器 件 是 膜 分 离 设 备 的 核 心 部 分 。 将 膜 以 某 种 形 式 组 装 在 一 个 基 本

49、单 元 设 备 内 ， 在 一 定 推 动 力的 作 用 下 完 成 混 合 物 中 各 组 分 的 分 离 的 装 置 。 对 不 同 的 膜 分离 过 程 需 用 不 同 的 膜 器 件 。 板 框 式 圆 管 式 螺 旋 卷 式 中 空 纤 维 式 毛 细 管 式 1 - 轴芯2 - O型环3 - 垫圈4 - 固定材5 - 网6 - 护罩7 - 外层材8 - 膜9 - 内层材10 - 固定材 1-密 封 圈 (原 溶 液 )； 2-渗 透 物 收 集 管 ； 3、 4-浓 缩 物 ；5、 9-进 料 -分 隔 板 ； 6、 8-膜 ； 7-渗 透 物 -分 隔 板 ；10-膜 的 粘 合

50、 ； 11-外 壳 ； 12-渗 透 槽螺 旋 卷 式 膜 组 件 是 将 做 好 的 平 板 膜 密 封 成 膜 袋 ， 在 两 膜 袋 间衬 以 网 状 间 隔 材 料 并 紧 密 地 卷 绕 在 多 孔 中 心 管 上 制 成 。 1-水力管2-组件3-密封4-进料连接管 螺 旋 卷 式 膜 组 件 的 结 构 紧 凑 ， 单 位 体 积 的 有 效 膜 面 积 较 大 (可达 6501600 m2/m3)， 制 作 工 艺 相 对 比 较 简 单 ， 安 装 和 操 作 也比 较 方 便 。 适 合 在 低 流 速 ， 低 压 力 下 操 作 。 由 于 不 易 清 洗 ，对 原 料

51、的 预 处 理 要 求 较 高 。 将 几 十 万 根 或 更 多 的 中 空 纤 维 束 的 一 端 封 死 ， 另 一 端 固 定 在管 板 上 ， 再 装 入 圆 筒 型 耐 压 容 器 内 制 成 。 特 点 是 自 承 式 。Du Pont 公司的B-5组件 材 质 为 聚 偏 氟 乙 烯 (PVDF) 的 微 滤 膜 组 件中 空 纤 维 超 滤 膜 组 件 毛 细 管 式 膜 组 件 是 由 管 径 较 中 空 纤 维 大 (di = 0.56 mm)， 耐 压性 相 对 较 弱 的 膜 管 构 成 。 活 性 分 离 层 在 管 内 侧 ， 进 料 走 管 内 。膜 管 平 行 排 列 ， 两 个 端 头 被 粘 合 在 一 起 。 装 填 密 度 比 管 式 膜组 件 高 ， 可 达 1000 m2/m3。 由 于 管 内 的 流 动 多 为 层 流 ， 故 物质 交 换 性 能 较 差 。