化工原理12.03

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1、第三节膜分离12-3-1概述膜分离的种类和特点利用固体膜对流体混合物中的各组分的选择性渗透从而分离各个组分的方法统称为膜分离。膜分离过程的推动力是膜两侧的压差或电位差，表12-3列举几种膜分离过程的要点。表12-3几种主要的膜分离过程过程示意图膜及膜内孔径推动力传递机理透过物截留物微孔过滤进料多孔膜压差颗粒尺度水、溶剂溶悬浮物颗粒（0.02~10μm)~0.1MPa的筛分解物滤液超滤进料浓缩液非对称性膜压差微粒及大水、溶剂、胶体大分(1~20nm)0.1~1分子尺度小分子溶子、细菌等滤液MPa形状的筛解物分反渗透进料溶质非对称性膜或复压

2、力差溶剂和溶水、溶剂溶质、盐(悬合膜1~10质的选择浮物、大分(0.1~1nm)MPa性扩散子、离子)溶剂电渗析溶剂离子交换膜电位差电解质离电解质离非电解质溶浓电解质(1~10nm)子在电场子剂+_下的选择极极传递阴膜进料阳膜混合气体渗余气均质膜(孔径压差气体的选易渗透的难渗透性的的分离进气<50nm)、1~择性扩散气体气体多孔膜10MPa渗透渗透气非对称性膜浓度差渗透汽化溶质或溶剂均质膜(孔径分压差气体的选溶液中的溶液中的难进料<1nm)、复合膜、择性扩散易透过组透过组分非对称性膜渗透分（蒸汽）（液体）(蒸汽)（孔径0.3~0.5溶剂

3、或溶质μm）膜分离过程的特点是：(1)多数膜分离过程中组分不发生相变化，所以能耗较低；(2)膜分离过程在常温下进行，对食品及生物药品的加工特别适合；(3)膜分离过程不仅可除去病毒、细菌等微粒，而且也可除去溶液中大分子和无机盐，还可分离共沸物或沸点相近的组分；(4)由于以压差及电位差为推动力，因此装置简单，操作方便。241本节简要说明使用固体膜的分离过程，液膜分离已在本书第11章中作了介绍。分离用膜膜分离的效果主要取决于膜本身的性能，膜材料及膜的制备是膜分离技术发展的制约因素。分离用固体膜按材质分为无机膜及聚合物膜两大类，而以聚合物膜使用

4、最多。无机膜由陶瓷、玻璃、金属等材料制成，孔径为1nm~60μm。膜的耐热性、化学稳定性好，孔径较均匀。聚合物膜通常用醋酸纤维素、芳香族、聚酰胺、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯等材料制成，膜的结构有均质致密膜或多孔膜，非对称膜及复合膜等多种。膜的厚度一般很薄，如对微孔过滤所用的多孔膜而言，约为50~250μm。因此，一般衬以膜的支撑体使之具有一定的机械强度。对膜的基本要求首先要求膜的分离透过特性好，通常用膜的截留率、透过通量、截留分子量等参数表示。不同的膜分离过程习惯上使用不同的参数以表示膜的分离透过特性。(1)截留率R:其定义为C−C12R

5、=×100%（12-45）C1式中C1、C2分别表示料液主体和透过液中被分离物质（盐、微粒或大分子等）的浓度。2(2)透过速率（通量）J：指单位时间、单位膜面积的透过物量，常用的单位为kmol/(ms)。由于操作过程中膜的压密、堵塞等多种原因，膜的透过速率将随时间而衰减。透过速率与时间的关系一般服从下式：mJ=Jτ（12-46）0式中J0为操作初始时的透过速率；τ为操作时间；m称为衰减指数。(3)截留分子量：当分离溶液中的大分子物时，截留物的分子量在一定程度上反映膜孔的大小。但是通常多孔膜的孔径大小不一，被截留物的分子量将分布在某一范围

6、内。所以，一般取截留率为90%的物质的分子量称为膜的截留分子量。截留率大、截留分子量小的膜往往透过通量低。因此，在选择膜时需在两者之间作出权衡。此外，还要求分离用膜有足够的机械强度和化学稳定性。12-3-2反渗透原理用一张固体膜将水和盐水隔开，若初始时水和盐水的液面高度相同，则纯水将透过膜向盐水侧移动，盐水侧的液面将不断升高，这一现象称为渗透，参见图12-23。待水的渗透过程达到定态后，盐水侧的液位升高h不再变动，ρgh即表示盐水的渗透压π。若在膜两侧施加压差△p，且△p>π，则水将从盐水侧向纯水侧作反向移动，此称为反渗透。这样，可利用

7、反渗透现象截留盐（溶质）而获取纯水（溶剂），从而达到混合物分离的目的。渗透压π的大小是溶液的物性，且与溶质的浓度有关，表12-4列举不同浓度下氯化钠水溶液的渗透压。图12-23渗透和反渗透示意图242表12-4氯化钠水溶液在25℃下的渗透压盐水浓度/质量%01.15552.28463.38826.554312.302225.3179渗透压/MPa00.9231.822.745.6112.036.5当反渗透膜的两侧是浓度不同的溶液，则反渗透所需的外压△p应大于膜两侧溶液渗透压之差△π。实际反渗透过程所用的压差△p比渗透压高许多倍。反渗透膜

8、常用醋酸纤维、聚酰胺等材料制成。图12-24是醋酸纤维膜的结构示意图。它是由表面活性层、过渡层和多孔支撑层组成的非对称结构膜，总厚度约100μm左右。表面层的结构致密，其中孔隙直径最小，约0.8~2nm，厚