膜科学与技术课件.ppt

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1、第七章膜过程传递理论7.1概述膜过程是个传递过程，包括物质传递和能量传递。膜传递可分为膜内传递与膜外传递。膜内传递与膜和所传递物质的物理、化学性能（如膜的材料、结构，物质粒子的大小、形状、极性，温度和压力等）有关。膜外传递则与膜外侧流体的物理、化学性能（如流体的组成、流动状态、温度、压力等）有关。仅供学习参考，请勿侵权1传递的推动力膜分离过程中使物质透过膜的推动力可统称为电化学位差。电化学位包含了一般的化学位和电位，是温度、压力、浓度和电位的函数。在多数具体的膜过程中，电化学位差表现为某单一参数的差别，如温度差（膜蒸馏）、压力差（微滤、超滤、反渗透）、浓度差（

2、渗析）、电位差（电渗析）。仅供学习参考，请勿侵权27.2膜内传递描述膜内传递的模型可分为两大类。第一类以不可逆热力学（或称非平衡热力学）为基础导出物质透过膜的通量方程。此时膜被看成是“黑箱”，不考虑膜的结构，也不考虑物质是如何透过膜的。第二类以假定的传递机理为基础导出物质透过膜的通量方程。这类模型中包含了对膜的结构和某些特性的描述，以及透过膜的物质的物理、化学性质和传递特性。仅供学习参考，请勿侵权37.2.1以不可逆热力学为基础的模型缺点：由于不考虑膜结构而对研制新膜缺乏指导作用。优点：可以清楚地显示并定量描述不同的推动力和通量之间的耦合。上述耦合作用在具体的

3、膜过程中可表现为（1）不同组分透过膜时互相影响，即一种组分的透过会引起其它组分的透过；（2）不同性质的推动力会导致同一种通量。这类模型有K-K模型，S-K模型，网络热力学模型，扩展的非平衡热力学模型。仅供学习参考，请勿侵权4线性非平衡热力学基本理论基础：局域平衡理论考察一个宏观体系熵的变化（1）dS=deS+diS其中，deS为外界供给的熵，diS为体系内部所增长的熵。（2）diS0仅供学习参考，请勿侵权5（3）熵源强度定义=diS/(dVdt)0（4）耗散函数定义=T（5）由熵平衡方程得到=JiXi其中，Ji为热力学流（单位时间单位面积流过的量

4、），Xi为热力学力。仅供学习参考，请勿侵权6（6）线性定律Ji=LikXk（k=1,2,…n)说明：上式可由经验定律（或个别的现象定律，如Fick扩散定律，牛顿粘滞定律，热传导定律）归纳而得；另外，上式也有其数学基础，即，傅立叶定律，把Ji展开成Xk在“0”点的级数，取一级近似。该式的适用范围是，热力学力很弱，偏离平衡态小。一般传输过程适合，化学反应过程不适合。仅供学习参考，请勿侵权7（7）Onsager互易关系Lij=Lji说明：上式可严格证明。其意义是可减少实验量。应用条件是，力流的乘积具有耗散函数的量纲，且线性定律满足。仅供学习参考，请勿侵权8水和一个

5、溶质构成的稀溶液透过膜的过程由非平衡热力学理论可得到如下方程(称为K-K方程）：Jv=Lp(DP-D)（7-1）Js=(cs)ln(1-)Jv+D（7-2）式中，Jv为包括溶剂和溶质的总体积通量（m3/s），Js为溶质的摩尔通量（mol/s），Lp为水渗透率（m3/sPa），为溶质渗透率（mol/sPa），(cs)ln为溶质在膜内的对数平均摩尔浓度（mol/m3），P、分别是膜两侧的压差和渗透压差（Pa），为截留系数（反射系数），该系数实际上就反映了水和溶质在膜内传递时的耦合效应（也称伴生效应）。仅供学习参考，请勿侵权9电渗透过程多孔膜

6、将两盐水溶液分开，其推动力有电位差（E）和压差（P），相应的通量是电流（I）和体积通量（J）。由非平衡热力学理论可得到如下方程I=L11E+L12P（7-3）J=L21E+L22P（7-4）从以上两式可明显地看出电位差和压差均可引起电流，同时电位差和压差也都可以引起体积通量。仅供学习参考，请勿侵权107.2.2以一定分离机理为基础的模型特点（1）模型内的参数物理意义明确。（2）参数不一定都能确知。这类模型有摩擦模型，溶解-扩散模型，非理想溶解扩散模型，大孔模型，细孔模型，优先吸附-毛细孔流模型。仅供学习参考，请勿侵权11膜内物质传递分离机理注意（1

7、）不同的膜过程机理可能不同。（2）膜分离机理至今还是个不完全确知的问题。仅供学习参考，请勿侵权12筛分机理把膜看作一个筛子，溶液组分的分子若比筛孔小就能通过，否则被截留。（MF,UF,GS)仅供学习参考，请勿侵权13溶解—扩散机理（Lonsdaleetal.,1965）该模型认为膜是均一无孔的，溶剂和溶质首先溶于膜表层，然后通过扩散传递到膜下游。注意：溶解-扩散成立的条件仅供学习参考，请勿侵权14氢键理论Reid,Breton1959年针对处理水溶液的RO膜提出。要点如下：（1）膜材料极易被水湿润，水通过氢键附着在膜上形成吸附膜；（2）吸附膜阻塞膜孔，因而阻止

8、了溶质离子的进入；（3）因为水在移动过