1、第十章 膜分离本章学习目的与要求n了解膜分离的基本原理、各种膜分离的机理和各种分离膜的构造与特性n了解膜组件的构成、膜分离装置及典型流程。n了解各种因素对膜分离的影响。 n掌握膜分离过程中浓差极化与膜污染的产生原因与消除方法。n重点掌握膜分离装置的选用。10-1 概述v按膜的孔径、传质动力和传递机理n膜分离过程过程孔径推动力传递机制微滤0.0210m压力差约为105Pa筛分超滤0.0010.02m相对分子质量103106压力差105106Pa筛分纳滤1nm相对分子量2001000压力差51051.5106Pa溶解扩散Donnan效应反渗透0.11nm压力差106107Pa优先吸附、毛细管流动、
2、溶解-扩散气体分离无孔压力差106107Pa溶解-扩散渗析13nm浓度差筛分加上扩散度差电渗析相对分子质量200电位差反离子迁移渗透蒸发无孔分压差、浓度差溶解-扩散n按动力本质分v以静压力差为推动力的过程微滤（microfiltration, MF)超滤（ultrafiltration, UF）反渗透（reverse osmosis, RO)纳滤（nanofiltration, NF)v以蒸汽分压为推动力的过程膜蒸馏（membrane distillation, MD)渗透蒸发（pervaporation, PV）v以浓度差为推动力的过程渗析（dialysis, D)v以电位差为推动力的过程电
3、渗析（electrodialysis, ED)n膜的分类 常用的膜分离类型有以下几种：常用的膜分离类型有以下几种： 1微滤微滤 在压力差作用下，将溶液通过孔径为在压力差作用下，将溶液通过孔径为0.0210.00m的多孔膜来除去其中微粒的过程。通常，微滤操作的跨的多孔膜来除去其中微粒的过程。通常，微滤操作的跨膜压差为膜压差为0.10.5MPa。可用于分离淀粉离子、细菌等。可用于分离淀粉离子、细菌等。 2超滤超滤 在压力差作用下，应用孔径为在压力差作用下，应用孔径为10-210-3m的超滤膜的超滤膜来过滤溶液，使大分子或微粒从溶液中分离的过程。一来过滤溶液，使大分子或微粒从溶液中分离的过程。一般超
4、滤操作的跨膜压差为般超滤操作的跨膜压差为0.31.0MPa。主要用于大分子。主要用于大分子物质的分离。物质的分离。 3纳滤纳滤 又称纳米过滤，是近年来发展起来的介于超滤和反又称纳米过滤，是近年来发展起来的介于超滤和反渗透之间的膜分离方法。适于分离相对分子质量在渗透之间的膜分离方法。适于分离相对分子质量在200以上，分子大小约为以上，分子大小约为1nm的组分。其跨膜压差为的组分。其跨膜压差为0.53.0MPa。 4反渗透反渗透 在高于溶液渗透压的压强作用下，通过反渗透膜将在高于溶液渗透压的压强作用下，通过反渗透膜将溶液中溶质包括无机盐类截流在膜内，而使溶剂（通常溶液中溶质包括无机盐类截流在膜内，
5、而使溶剂（通常是水）压至膜外。其跨膜压差为是水）压至膜外。其跨膜压差为115MPa，主要用于海，主要用于海水淡化。水淡化。 5电渗析电渗析 在外加电场作用下，利用离子交换膜对离子具有不在外加电场作用下，利用离子交换膜对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与溶液分离。同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与溶液分离。主要用于制备去离子水、去除溶液中的无机盐类等。主要用于制备去离子水、去除溶液中的无机盐类等。 各种膜分离过程具有不同的机理和适用范围，与其各种膜分离过程具有不同的机理和适用范围，与其他分离方法相比，有许多显著特点：他分离方法相比，有许多显著特点： 膜分离过程无相变发生，能耗通
6、常较低；膜分离过程无相变发生，能耗通常较低； 一般无需从外界加入其他物质，从而可以节约资一般无需从外界加入其他物质，从而可以节约资源，保护环境；源，保护环境； 可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行，从可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行，从而大大提高过程的效率；而大大提高过程的效率； 通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集；物质的分离、分级、浓缩与富集； 膜分离的使用范围广泛。不仅适用于从病毒、膜分离的使用范围广泛。不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物或无机物的分离，而且细菌到微粒广泛范围的有机物或无机物的分
7、离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如共沸物或近沸还适用于许多特殊溶液体系的分离，如共沸物或近沸物的分离；物的分离； 膜的性能可以灵活调节；膜的性能可以灵活调节； 膜组件简单，可实现连续操作，易与其他分离膜组件简单，可实现连续操作，易与其他分离过程或反应过程耦合，易于控制、维修和放大。过程或反应过程耦合，易于控制、维修和放大。 因此食品在膜分离过程中风味和香味成分不易失因此食品在膜分离过程中风味和香味成分不易失散；易保持食品的某些功效，如蛋白的泡沫稳定性；散；易保持食品的某些功效，如蛋白的泡沫稳定性；另外与蒸发浓缩、冷冻浓缩不同，它不存在相变过程，另外与蒸发浓缩、冷冻浓缩不同，它不存在相变
8、过程，故经济性好。故经济性好。n膜性能v分离透过性分离效率渗透通量通量衰减系数v物化稳定性膜强度压力温度pH耐受性1pbcRc 1wbcRc 0mJJn常见膜均质膜非对称性膜微孔对称性膜n常见膜铝膜纳米管膜聚酰胺转相膜10-2 反渗透n反渗透的基本原理渗透与反渗透图6-23 渗透和反渗透示意图（a）渗透 （b）渗透平衡 （c）反渗透反渗透的传质机理轻键模型水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；溶质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。优先吸附毛细孔流动模型溶解扩散模型溶质先溶解（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，不要求致密是
9、有孔的。n反渗透的浓差极化现象v浓差极化现象v浓差极化对反渗透的影响n反渗透的渗透通量v影响渗透通量的因素：操作压差操作温度料液速度料液的浓缩程度膜材料与结构浙江玉环海水淡化项目浙江玉环海水淡化项目船用海水淡化设备船用海水淡化设备10-3 超滤n超滤原理 超滤是应用孔径为超滤是应用孔径为10-210-3m的超滤膜来过滤含有大的超滤膜来过滤含有大分子或微粒的溶液，使大分子或微粒从溶液中分离出来的分子或微粒的溶液，使大分子或微粒从溶液中分离出来的过程。超滤的推动力是压力差，在溶液侧加压，一定大小过程。超滤的推动力是压力差，在溶液侧加压，一定大小的溶质分子将随溶剂一起透过超滤膜。的溶质分子将随溶剂一
10、起透过超滤膜。 超滤对大分子的截留机理主要是筛分作用。决定截留超滤对大分子的截留机理主要是筛分作用。决定截留效果的主要是膜表面活性层上孔的大小与形状。除了筛分效果的主要是膜表面活性层上孔的大小与形状。除了筛分作用外，膜表面、微孔内的吸附和粒子在膜孔中的滞留也作用外，膜表面、微孔内的吸附和粒子在膜孔中的滞留也使大分子被截留。有些情况下，膜表面的物化性质对分离使大分子被截留。有些情况下，膜表面的物化性质对分离也有重要影响。由于超滤处理的是大分子溶液，溶液的渗也有重要影响。由于超滤处理的是大分子溶液，溶液的渗透压对过程也有一定的影响。透压对过程也有一定的影响。 超滤过程的传质模型v筛子模型wgmpJ
11、RR1bswpcJJc溶剂的渗透通量：溶质的渗透通量：水的渗透通量：v细孔模型2222481 6119211pwsFpssFpprJPrSrrrSrr 超滤的浓差极化现象v超滤的浓差极化现象v减轻差极化的方法回收率的控制 （单个组件15%,整机50）流动型态和流程的控制 （压降控制在3.924.9MPa）提高温度搅拌法扩大扩散系数法影响超滤渗透通量的因素及控制方法v影响因素：操作压差料液浓度料液流速温度截留液浓度操作时间v控制方法选择合适的膜材料料液的预处理膜的清洗超滤和反渗透的主要设备v主要设备 反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透和超滤操作的主体设
12、备。v膜组件板式管式螺旋卷式中空纤维式平板式膜组件管式膜组件螺卷式膜组件中空纤维膜组件聚偏乙烯膜组件10-4 电渗析n基本原理 电渗析的基本原理电渗析的基本原理 电渗析在外电场的作用下，利用离子交换膜对具有不电渗析在外电场的作用下，利用离子交换膜对具有不同的选择透过性而使溶液中阴、阳离子与其溶剂分离。由同的选择透过性而使溶液中阴、阳离子与其溶剂分离。由于溶液的导电是靠溶液中离子的迁移来实现的，其导电性于溶液的导电是靠溶液中离子的迁移来实现的，其导电性取决于溶液中离子浓度和离子的绝对速率。取决于溶液中离子浓度和离子的绝对速率。 离子浓度越高，离子绝对速率越大，则溶液的导电性离子浓度越高，离子绝对
13、速率越大，则溶液的导电性越强，即溶液的电阻越小。纯水的主要特征，一是不导电，越强，即溶液的电阻越小。纯水的主要特征，一是不导电，二是极性较大。当水中有电解质（盐类离子等）存在时，二是极性较大。当水中有电解质（盐类离子等）存在时，其电阻率就比纯水小，即导电性强。电渗析正是利用含离其电阻率就比纯水小，即导电性强。电渗析正是利用含离子的溶液在通电时发生离子迁移者一特点。子的溶液在通电时发生离子迁移者一特点。10-4 电渗析n电渗析中的传递过程与伴随过程10-4 电渗析n离子交换膜的选择透过性空隙作用磺酸型阳膜的空隙结构作用静电作用和扩散作用离子交换膜的选择透过性0-4 电渗析n电渗析中的电化学过程v
14、电渗析的推动力电位差电极反应膜电位电阻电流+-222-1+-21HO = H+ O H ; 2 O H-2 e=O+ HO21C l-e=C l ; H+ C l = H C l2+-+22+-H +OH =H O; 2H +2e=H+OH =NaOHNa阳极阴极10-4 电渗析n浓差极化v浓差极化和极限电流密度v防治极化的方法v极限电流密度的计算极化时的浓度分布和离子迁移电流极限密度：0limAAAZFD cittZ 和DA分别是阳离子A的价数和扩散系，F法拉第常数10-4 电渗析n电渗析装置v基本结构n电渗析的主要部件v膜堆v极区v其他部件浓、淡水隔板（a）有回路 （b）无回路1，6料液流道；2，5进水孔；3，8出水孔；4，7隔网膜分离技术在食品工业中的应用10-5 液膜分离技术析n液膜的分类与组成v乳状液膜v支撑液膜乳状液膜示意图支撑液膜示意图v液膜的组成 包括膜溶剂、表面活性剂和活性载体等。n液膜分离机理v无载体液膜分离机理选择型渗透机理选择性渗透与化学反应结合机理萃取与吸附机理v有机载体液膜分离机理逆相迁移和同相迁移逆相迁移同相迁移
