膜分離過程hppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 廢水處理 印染廠廢水脫色 造紙廠廢水凈化 57 幾種膜分離技術的分離范圍 膜 的 分 類 與 物 性反 滲 透納 濾超 濾微 濾單 價 鹽不 游 離 酸水懸 浮 粒 子大 分 子糖二 價 鹽游 離 酸● ?■▲● ?■▲● ?■▲● ?■▲● ?■▲● ?■▲● ?■▲???●■▲●■▲●■▲●●●■▲■▲■▲■■■▲▲▲58 ? 利用待分離分子的荷點性質和分子大小的差別，以外電場電位差為推動力， 利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作； ? 電滲析器主要組成部分是離子交換膜。分為陽膜，陰膜。陽膜只充許陽離子通過而陰離子被阻擋；陰膜只充許陰離子通過而陽離子被阻擋。 （六） 膜分離技術 電滲析 59 正極 陰離子交換膜 負極 + 固定離子 Cl Na+ 60 電滲析分離原理示意圖 61 離子交換膜和離子交換樹脂的區別： 作用機理 使用方法 樹脂 離子間交換 ? RSO3－ H+ 選擇互換作用 Na+ H+ 解吸后須再生，并恢復成原來的離子型式，才能繼續使用。 膜 選擇透過作用 ， RSO3－ Na+ 膜上反離子是 H2O 什么 ， 無關緊 Na+ Na+ 要 ， 主要是骨 Cl－ 架的電荷作用 。 可連續使用 ， ∵ 是透過，不是交換。 62 電滲析應用 ?工業上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理 ?生物分離中可用于氨基酸和有機酸等小分子的脫鹽和分離純化。 63 （七） 滲透蒸發 ? 滲透蒸發原理 ? 它是利用膜與被分離有機液體混合物中各組分的 親合力不同（料液側為疏水膜） ，而有選擇性地優先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中 擴散速度 不同，在 膜兩側分壓差 的作用下達到 分離 的目的。 64 滲透蒸發原理示意圖 滲透蒸發膜 混合液 疏水膜 抽真空 65 特點： ?不存在蒸餾法中的共沸點的限制，適合共沸點和揮發相差小的雙組分分離。 ?與反滲透相比，滲透蒸發透過側組分以氣體存在，消除了滲透壓的作用，可在低壓下進行，適合高濃度混合物的分離。 滲透應用： 有機溶劑脫水、水的凈化、有機混合物分離，低醇酒生產。 滲透蒸發 66 傳統的研究中，膜分離和親和分離是 2個平行發展的研究方向，在生物分子的分離和純化方面各具特色，但也存在著一些不可克服的技術缺陷。 膜分離過程設備簡單，易于放大，成本低，分離速度快，可連續操作，但選擇性低；而親和分離的選擇性和特異性較強，但不宜放大。 由膜與親和分離相結合的親和膜分離技術，可發揮二者的特色，具有處理量大、選擇性強、易于放大等顯著優點。 （八） 膜親和過濾技術 67 親和膜的作用機理 親和膜 68 膜親和過濾法 包括兩種情況： 1. 將親和配基（與產物具特異親和力） 與膜化學結合，制得親和膜， 膜過濾時，產物與膜孔壁上的配基結合被截留，未結合的雜質透過，膜經洗滌后在適宜的條件下洗脫，使復合物解離，產物透過膜，達到分離和濃縮目的。 2. 將產物結合到親和載體（具特異親和能力的高分子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子復合物，在合適孔徑的膜上被截留，未結合的雜質透過，然后再將產物從聚合物上洗脫下來，透過膜，而親和載體被截留循環使用。 69 親和膜分離 ? 親和超濾過程分離目標物的同時，濃縮其他成分 70 過程 膜結構 驅動力 應用對象 實 例 微濾 對稱微孔膜 ~10μm 壓力差 消毒、澄清收集細胞 培養懸浮液除菌，產品消毒，細胞收集 超濾 不對稱微孔膜 １ ~５ 0nm 壓力差 大分子物質分離 蛋白質的分離 /濃縮 /純化 /脫鹽 /去熱源 納濾 復合膜 ＜ 1nm 壓力差 Donna效應 小分子物質分離 糖 /二價鹽 /游離酸的分離 反滲透 致密膜、復合膜＜ 1nm 壓力差 小分子物質濃縮 單價鹽 /非游離酸的分離 透析 對稱的或不對稱的膜 濃度差 小分子有機物/無機離子 除小分子有機物或無機離子 電滲析 離子交換膜 電位差 離子脫除、氨基酸分離 海水淡化，純水制備，生產工藝用水 滲透蒸發 致密膜 氣壓差 小分子有機物與水的分離 醇 /乙酸與水分離，有機液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等 幾種膜分離技術的適用范圍 71 思考題 1. 理解概念：復合膜 、 截留分子量 ， 截留率 ， 水通量 、 濃差極化 、 道南定律 。 2. 影響截留率的因素有哪些 ？ 3. 微濾 ， 超濾 ， 納濾 ， 反滲透分離技術的特點 ，及適用范圍 ？ 4. 溶解擴散模型和優先吸附模型的原理 ， 各適用于解釋哪些膜過程 ? 72 第二講 膜分離過程 主要內容 ?膜兩側溶液傳遞理論 ?影響膜過濾的因素 ?膜的污染 ? 膜過濾裝置的型式及其適用范圍 73 一 膜兩側溶液傳遞理論 ? 許多研究者試圖將通量表達成系統操作參數和物理特征的函數： ? 濃差極化 凝膠層模型（ concentration Polarizationgel layer model） ? 阻力模型（ resistance model） ? 管狀收縮效應 (Tubular Pinch effect)的影響 74 1 濃差極化 ? 在膜分離過程中，料液中溶劑在壓力驅動下透過膜，而大分子溶質被截留而不能透過，在 膜表面形成一溶質濃度分布邊界 ，并以 相反的方向擴散 ，當達到平衡時，在 膜表面形成邊界層 ，導致 溶液透過流量下降 ，同時這種濃度差導致溶質自膜反擴散到主體溶液，對溶劑的透過作用起著 阻礙作用 。 ? 膜分離過程中，膜面濃度高于主體濃度的現象稱為濃差極化。 ? 在膜分離過程中，濃差極化是經常發生的現象，是影響膜分離技術在某些方面應用的攔路虎。 75 濃差極化 透過快的組分 透過慢的組分 推動力 膜 濃差極化示意圖 76 進料 濃差極化 77 ? 當發生濃差極化后，膜面上濃度 Cw大于主體濃度 Cb，溶質向主體反擴散； ? 當溶質向膜面的流動速度與反擴散速度達到平衡時，在膜面附近存在一個穩定的濃度梯度區，這一區域稱為濃度極化邊界層； ? 在邊界層中取一微元薄層，對此微元薄層作物料衡算。推導邊界層形成后，通量與 Cw及 Cb的關系。 濃差極化 凝膠層模型 78 濃差極化邊界層中的濃度分布 C pCxＪvCw微 元 薄 層Cb膜濃差極化 凝膠層模型 pbpwmv CCCCKJ??? ln通量與 Cw及 Cb的關系 79 如果溶質完全被截留， Cp=0 上式就可以寫成 bwmv CCKJ ln?)/ex p ( mvbw KJCC ? Cw/Cb稱為極化模數 （ polarization modulus） 或 濃差極化 凝膠層模型 80 凝膠層的形成 C pCxＪvw凝 膠 層Cb膜C在超濾中，當膜面濃度增大到某一值時，溶質成最緊密排列，或析出形成凝膠層，此時膜面濃度達到極大值 CG。 bGmv CCKJ ln?濃差極化 凝膠層模型 81 凝膠層形成前后通量 JV與主體濃度 log Cb的關系 bwmv CCKJ ln?通量 bGmv CCKJ ln?濃差極化 凝膠層模型 82 濃差極化 凝膠層模型的特點 ? 凝膠層模型是在超濾中廣泛使用的模型 ? 很好的解釋主體濃度變化效應、流體力學對通量的影響 ? 很好的解釋通量曲線平穩段的變化 ? 缺陷： ? 凝膠層形成后通量與膜種類無關 ? 凝膠層的濃度應為常數 83 措施： ① 錯流； ② 進料流速 ↑ ； ③ 設備改進： a. 小型設備裝攪拌； b. 裝湍流促進器； c. 對料液施加脈沖，以不恒定的線速度進料 。 ④ 適度提高溫度 。 濃差極化 凝膠層模型 84 克服濃差極化的方法 濃差極化的減少 降低壓力 降低膜表面的濃度 降低溶質在料液中的濃度 垂直于膜 的混合 排除膜表面 的濃集物 槳式混合器 靜態混合器 邊界層減薄 機械清洗 提高膜面粒子 反向傳遞 增加流速 短的液流周期 增加擴散 細的通道 85 2 管狀收縮效應的影響(Tubular Pinch effect) ? 人們發現，在膠體溶液的超濾或微濾中，實際通量要比用濃差極化一凝膠層模型估算的要大。 ? 原因就是－ 管狀收縮效應 ? 膠體溶液在管中流動時，顆粒有離開管壁向中心運動的趨向，稱為管狀收縮效應。 ? 由于這個現象，使膜面上沉積的顆粒具有向中心橫向移動的速度，使膜面污染程度減輕，通量增大。 86 ? 橫向移動速度 VL和軸向速度 u的平方成正比，而和管徑 r的立方成反比： ? 管狀收縮效應 32ruV L ?87 二 、 影響膜過濾的各種因素 壓力 濃