1、一、教学参考书：一、教学参考书：1、新型化工分离技术新型化工分离技术 蒋维钧蒋维钧 主编主编 化工出版社化工出版社 1992 年年2、化工分离过程化工分离过程 陈洪钫陈洪钫 刘家祺刘家祺 编编 化工出版社化工出版社 1995 年年3、膜分离技术膜分离技术 刘茉娥刘茉娥 著著 化工出版社化工出版社 2001 年年4.4.膜科学与技术基础膜科学与技术基础 贾志谦贾志谦 编编 化工出版社化工出版社 2012 年年二、内容安排：二、内容安排：1、绪、绪 论论 2、膜分离技术、膜分离技术 3、特殊萃取、特殊萃取 4、特殊精馏、特殊精馏 5、吸吸 附附三、成绩评定方法：三、成绩评定方法：平时成绩：平时成绩
2、：30 分（考勤、文献作业）分（考勤、文献作业）期末考试：期末考试：70 分（开卷）分（开卷）第一章第一章 绪绪 论论一、分离操作在化工生产中的重要性一、分离操作在化工生产中的重要性 定义：分离过程是将定义：分离过程是将混合物混合物分为分为组成不同组成不同的的 两种或几种产品的操作两种或几种产品的操作 目的：目的：原料的精制原料的精制 产物的提纯产物的提纯 提浓或回收提浓或回收 在大型石油化工生产中，在大型石油化工生产中，分离装置分离装置费用大到占费用大到占总投资总投资的的5090%。对二甲苯对二甲苯 生产流程图生产流程图气 液 分 离 罐压 缩 机气 液 分 离 罐对 二 甲 苯结 晶 器重
3、 芳 烃苯 和 甲 苯非 芳 烃轻 烃 类芳 烃乙 二 醇循 环 混 合 二 甲 苯压 缩 机 混 合二 甲 苯间 邻 二 甲 苯、放 空石 脑 油H2H2H2熔点熔点:邻二甲苯邻二甲苯-25.2 C,间二甲苯间二甲苯-47.9 C,对二甲苯对二甲苯13.3 C 漳州漳州 PX项目项目 p-xylene 2个个2万立方米的常渣油罐起火万立方米的常渣油罐起火 另外，另外，冶金、食品、生化、原子能冶金、食品、生化、原子能领域领域:如从矿产中提取和精选金属如从矿产中提取和精选金属 食品脱水、除有毒或有害组分食品脱水、除有毒或有害组分 抗生素的净制和病毒的分离抗生素的净制和病毒的分离 同位素的分离和重
4、水制备等同位素的分离和重水制备等 在在环保环保和和充分利用资源充分利用资源方面也有重要作用方面也有重要作用 生产大型化生产大型化 -三废三废处理处理 综合利用综合利用物料物料 环境污染、生态平衡环境污染、生态平衡 如电渗析：如电渗析：电镀废水中回收电镀废水中回收Cu、Zn、Ni、Cr 等金属等金属 造纸废水中回收碱、造纸废水中回收碱、Na2SO4、木质素等木质素等 能源紧张能源紧张、石油提价石油提价对分离对分离能耗能耗要求苛刻，要求苛刻，设备性能设备性能要求提高。要求提高。分离技术的多样化、新型化要求：分离技术的多样化、新型化要求：常规分离过程常规分离过程 蒸发、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶等
5、改进和发展蒸发、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶等改进和发展 新型分离技术新型分离技术 固膜和液膜分离、热扩散、色层分离等出现和工业化固膜和液膜分离、热扩散、色层分离等出现和工业化二、传质分离过程的二、传质分离过程的分类和特征分类和特征 分离过程分：分离过程分：（1）机械分离机械分离 分离分离两相以上两相以上混合物混合物 如如过滤过滤、沉降沉降、旋风分离旋风分离、离心分离离心分离、静电除尘静电除尘等等 （2）传质分离传质分离 均相均相混合物的分离，且有混合物的分离，且有质量传递质量传递现象发生现象发生 据据物化物化原理不同，原理不同，传质分离过程传质分离过程分：分：平衡分离过程平衡分离过程 速率分
6、离过程速率分离过程 1、平衡分离过程、平衡分离过程 定义：借助定义：借助分离媒介分离媒介(如如热能、溶剂热能、溶剂和和吸附剂吸附剂)，使，使均均相相混合物变为混合物变为两相两相，再以各组份在处于，再以各组份在处于相平衡相平衡的两相中的的两相中的不等同的分配不等同的分配为依据而分离为依据而分离 分离媒介：分离媒介：能量媒介能量媒介 (ESA)：如：如 热、功热、功 物质媒介物质媒介 (MSA)：与混合物中一个或几个组份：与混合物中一个或几个组份 部份互溶或完全互溶部份互溶或完全互溶 MSA和和ESA共同使用，改变相对挥发度，完全分离共同使用，改变相对挥发度，完全分离 如萃取如萃取(MSA)精馏精
7、馏(ESA)表表1-1 平衡分离过程的单元操作（常用）平衡分离过程的单元操作（常用）名称名称简简 图图原料原料相态相态分离分离媒介媒介产生相态产生相态或或MSA的的相态相态分离分离原理原理工业应工业应用实例用实例闪闪蒸蒸 液体液体减压减压气体气体挥发挥发度度有有差别差别海水淡海水淡化生产化生产纯水纯水精精馏馏汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物热量热量,有时有时为功为功汽体汽体液体液体挥发挥发度度有有差别差别石油裂石油裂解气深解气深冷分离冷分离L L VL V L精馏段精馏段提馏段提馏段精馏塔精馏塔冷凝器冷凝器进料进料塔底产品塔底产品(残液残液)再沸器再沸器馏出液馏出液回流液回流液蒸汽蒸汽冷凝
8、水冷凝水冷却水冷却水连续精馏连续精馏:萃萃取取精精馏馏汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液体溶液体溶剂和塔剂和塔釜加热釜加热汽体汽体液体液体溶剂溶剂改变改变组份组份相对相对挥发挥发度度DMF做萃做萃取剂制取剂制丁丁二烯二烯单体单体恒恒沸沸精精馏馏汽、液汽、液或汽液或汽液混合物混合物液体共液体共沸剂和沸剂和热量热量汽体汽体液体液体共沸共沸剂改剂改变变相相对挥对挥发度发度醋酸丁酯醋酸丁酯做做共沸剂共沸剂从稀溶液从稀溶液分离分离醋酸醋酸?LVLL或VMSAC4LVLL或VMSALVLL或VDMFC4燕化橡胶厂燕化橡胶厂顺丁橡胶顺丁橡胶用用 DMF 做萃取剂生产做萃取剂生产丁二烯单体丁二烯单体C4分
9、离的实例分离的实例 组分组分异丁烯异丁烯 1-丁烯丁烯丁二烯丁二烯 正丁烷正丁烷 反反-2-丁丁烯烯顺顺-2-丁丁烯烯 沸点沸点,K266.26266.90268.76272.66272.28276.88相对挥发度相对挥发度（加前）（加前）1.0301.0131.0000.8860.8450.805相对挥发度相对挥发度(加加30%DMF)3.393.391.00 -2.351.63碳四馏分中各组分的碳四馏分中各组分的沸点沸点及及加入萃取剂前后加入萃取剂前后相对挥发度相对挥发度 顺顺(反反)-2-丁烯的相对挥发度只有丁烯的相对挥发度只有0.845和和0.805，DMF 对对丁二烯有丁二烯有选择性
10、溶解选择性溶解能力，使丁二烯变得较难挥发，而顺能力，使丁二烯变得较难挥发，而顺(反反)-2-丁烯变得较易挥发丁烯变得较易挥发吸吸收收气气体体 液液 体体吸收剂吸收剂液液体体溶解度溶解度不不 同同乙醇胺吸乙醇胺吸收除去天收除去天然气中然气中CO2和和H2S液液液液萃萃取取液液体体 液液 体体萃取剂萃取剂液液体体溶解度溶解度不不 同同丙烷从重丙烷从重渣油中萃渣油中萃取沥青取沥青V V L MSAL L L MSA吸吸附附气体或气体或液体液体固体固体吸附吸附剂剂固固体体吸附作吸附作用用差别差别分子筛分子筛吸附空吸附空气中水气中水离离子子交交换换液液 体体固体固体树脂树脂固固体体质量作质量作用定律用定
11、律水的水的软化软化L L或或V VL L或或V VL LL L 在新技术方面，在新技术方面，络合吸收、盐析蒸馏、变压吸附、络合吸收、盐析蒸馏、变压吸附、超临界萃取超临界萃取等都是常规分离操作的改进和发展等都是常规分离操作的改进和发展（7）干燥液体常见为固体气体）干燥液体常见为固体气体（MSA）热量）热量 （ESA）气气 体水份蒸发用热空气脱除聚氯乙烯中水份体水份蒸发用热空气脱除聚氯乙烯中水份（8）蒸发液体热量）蒸发液体热量(ESA)气体蒸汽压不同气体蒸汽压不同 NaOH水溶液中蒸出水份水溶液中蒸出水份（9）结晶液体冷量或热量固体利用过饱和度）结晶液体冷量或热量固体利用过饱和度 由由二甲苯混合物
12、中结晶分离对二甲苯二甲苯混合物中结晶分离对二甲苯 KNO3NaCl分离分离 KNO3结晶析出结晶析出（10）泡沫分离液体表面活性剂与鼓泡液体）泡沫分离液体表面活性剂与鼓泡液体(两种两种)气泡的气液界面吸附清除废水中的洗涤剂，矿石气泡的气液界面吸附清除废水中的洗涤剂，矿石浮选浮选2、速率分离过程、速率分离过程 定义定义：在在推动力推动力(浓度差、压力差、温度差、电位差等浓度差、压力差、温度差、电位差等)作用作用下，有时在下，有时在选择性透过膜选择性透过膜配合下，利用各组份配合下，利用各组份扩散速度的扩散速度的差异实现组份分离差异实现组份分离 原料、产品通常属原料、产品通常属同一相态同一相态，仅有
13、，仅有组成组成的的差别差别 膜分离：膜分离：利用各组份对利用各组份对膜膜的的渗透速率渗透速率的差异实现分离的差异实现分离 热扩散热扩散属属场分离场分离的一种，以的一种，以温度梯度温度梯度为推动力，分子为推动力，分子量较小的分子向量较小的分子向热端热端漂移，建立浓度梯度，达到分离漂移，建立浓度梯度，达到分离 热扩散可热扩散可用于分离同位素、高粘度润滑油，在精细用于分离同位素、高粘度润滑油，在精细化工和药物生产中应用化工和药物生产中应用 膜分离：膜分离：超超 滤：滤：压力差压力差为推动力为推动力 反反 渗渗 透：透：压力差压力差 电电 渗渗 析析：电位差电位差 气体膜分离：气体膜分离：压力差压力差
14、 渗透汽化：渗透汽化：蒸汽压差蒸汽压差 膜膜 蒸蒸 馏：馏：水蒸汽压差水蒸汽压差 液膜分离：液膜分离：浓度差浓度差（归（归 特殊萃取）特殊萃取）精馏已有精馏已有160多多年历史，在右上角年历史，在右上角 正在起步的在左下角正在起步的在左下角 目前研究对象集中在中下段目前研究对象集中在中下段,因该段斜率最大因该段斜率最大 分离过程发展现状分离过程发展现状1精馏精馏 2吸收吸收 3结晶结晶4萃取萃取 5共沸共沸(萃取萃取)精馏精馏6离子交换离子交换7吸附吸附(气体进料气体进料)8吸附吸附(液体进料液体进料)9膜膜(液体液体)10膜膜(气体气体)11色层分离色层分离12超临界萃取超临界萃取13液膜分
15、离液膜分离 14场感应分离场感应分离15亲和亲和分离分离三、分离过程的相平衡常数和分离因子三、分离过程的相平衡常数和分离因子 1、相平衡常数相平衡常数 工程计算中常用工程计算中常用相平衡常数相平衡常数表示相平衡关系表示相平衡关系 相平衡常数相平衡常数Ki 定义：定义：对对精馏精馏和和吸收吸收过程，过程，Ki 称称汽液平衡常数汽液平衡常数 对对萃取萃取过程，过程，xi1(=yi)和和 xi2(=xi)表示萃取相和萃表示萃取相和萃余相的浓度，余相的浓度，Ki 称称分配系数分配系数或或液液平衡常数液液平衡常数iiixyK 2、分离因子分离因子 可采用分离因子来表示平衡关系可采用分离因子来表示平衡关系
16、 对对A、B 两组分混合物，分离因子两组分混合物，分离因子 定义：定义：原料中原料中 i,j 组分组分摩尔分率摩尔分率 透过物中透过物中 i,j 组分组分摩尔分率摩尔分率jijiijxxyyjixx,jiyy,表示分离过程达到的表示分离过程达到的分离程度分离程度,精馏精馏中称中称相对挥发度相对挥发度 相对相对Ki 而言，而言，随随温度温度和和压力压力变化不敏感变化不敏感 值反映体系分离值反映体系分离难易难易（i为透过快的组分，为透过快的组分，1 1）大，组分透过速率差大，膜选择性好，分离程度高大，组分透过速率差大，膜选择性好，分离程度高 =1 1，膜无分离能力，膜无分离能力对对双组份双组份：对
17、对多组份多组份：iiixxyxxyy1111iiiiixxy第二章膜分离技术第二章膜分离技术 第一节绪第一节绪 论论一、发展史一、发展史 膜分离：膜分离：借助膜的借助膜的选择渗透选择渗透作用，对作用，对溶质溶质和和溶剂溶剂进行进行 分离、分级、提纯分离、分级、提纯和和富集富集的方法的方法 世界膜发展史：世界膜发展史：30年代年代微孔过滤微孔过滤;40年代年代透析；透析；50年代年代电渗析；电渗析；60年代年代反渗透；反渗透；70年代年代超滤和液膜分离；超滤和液膜分离；80年代年代气体分离；气体分离；90年代年代渗透汽化渗透汽化 1748年年，Nelkt发现水自发扩散到装酒精溶液的发现水自发扩散
18、到装酒精溶液的猪膀胱猪膀胱内内 十九世纪十九世纪，发现，发现天然橡胶天然橡胶对对气体气体有不同渗透率，提出有不同渗透率，提出用用多孔膜多孔膜分离分离气体混合物的气体混合物的思想，还提出用思想，还提出用微滤膜微滤膜分离分离细细菌、蛋白质、胶体菌、蛋白质、胶体等微细粒子的超过滤概念等微细粒子的超过滤概念 1918年年，Zsigmondy制成制成微孔滤膜微孔滤膜 40年代年代，出现基于，出现基于渗析渗析原理的人工肾，除去血液中原理的人工肾，除去血液中蛋白代谢产物、尿素及其它有毒物质蛋白代谢产物、尿素及其它有毒物质 50年代年代，离子交换膜离子交换膜研制成功，研制成功，电渗析电渗析工业应用，工业应用，
19、开始开始反渗透反渗透研究研究 60年代年代，美国加州，美国加州Loeb和和Sourirajan研制成醋酸纤维研制成醋酸纤维素素非对称性膜非对称性膜，反渗透反渗透(RO)和和超滤超滤进入实用阶段；进入实用阶段；气体气体膜分离膜分离(如氢的分离如氢的分离)工业应用工业应用 70年代杜邦公司年代杜邦公司开发成功高效芳香聚酰胺中空纤维开发成功高效芳香聚酰胺中空纤维反渗透膜反渗透膜，使，使RO膜性能进一步提高膜性能进一步提高 80年代后年代后，渗透汽化渗透汽化进行醇类等进行醇类等恒沸物恒沸物脱水进入工业脱水进入工业应用。能耗为恒沸精馏的应用。能耗为恒沸精馏的1/31/2，且不用，且不用苯苯等挟带剂，等挟
20、带剂，在取代恒沸精馏及其它脱水技术上有很大优势。在取代恒沸精馏及其它脱水技术上有很大优势。德国德国GFT公司率先开发成功唯一商品公司率先开发成功唯一商品GFT膜。膜。90年代年代初向巴西、法、美、英等国出售初向巴西、法、美、英等国出售100多套装置，其中最大多套装置，其中最大为为4万吨万吨/年年无水乙醇无水乙醇装置，建于法国。装置，建于法国。我国我国:58年年电渗析电渗析，66年年反渗透反渗透，70年代年代对对电渗析、反渗电渗析、反渗透、超滤和微滤透、超滤和微滤膜及组件研究开发，膜及组件研究开发，80年代年代推广推广应用应用。80年代中期年代中期，我国，我国气体分离膜气体分离膜研究取得长足进步
21、。研究取得长足进步。1985年年,中科院中科院大连化物所大连化物所首次研制成功首次研制成功中空纤维中空纤维N2/H2分离器分离器,性能接近国外同类产品性能接近国外同类产品,成本为进口装置成本为进口装置1/3。我国我国渗透汽化渗透汽化(PV)研究开始于研究开始于1984年年。1995年年80 吨吨/年年无水乙醇无水乙醇中试装置在中试装置在巨化集团公司巨化集团公司,走向工业应用。走向工业应用。1998年年大连建大连建国家膜工程中心国家膜工程中心，依托在中科院，依托在中科院大连化物所大连化物所，筹资筹资1.07亿人民币。亿人民币。2000年年组建组建 膜技术国家工程研究中心膜技术国家工程研究中心，依
22、托在大连化物所，依托在大连化物所与中铁铁龙集装箱物流股份有限公司。与中铁铁龙集装箱物流股份有限公司。膜技术国家工程研究中心膜技术国家工程研究中心的主导产品的主导产品氮氢膜氮氢膜分离器及装置，分离器及装置，已在国内、外已在国内、外200余家石油、化工企业应用。余家石油、化工企业应用。有机蒸气膜有机蒸气膜产品产品及膜工程正以国内独家生产、世界领先水平得到良好产业化及膜工程正以国内独家生产、世界领先水平得到良好产业化推广。自行研制用于推广。自行研制用于液体液体分离的分离的纳滤膜纳滤膜、超滤膜超滤膜、微孔滤膜微孔滤膜等多项产品，也在国内近百家药厂建立水处理设备和药物分等多项产品，也在国内近百家药厂建立
23、水处理设备和药物分离装置。还采用离装置。还采用反渗透反渗透技术承接海水淡化和锅炉补给水等大技术承接海水淡化和锅炉补给水等大型水处理项目，利用型水处理项目，利用膜法富氮、富氧膜法富氮、富氧技术为石油、化工、医技术为石油、化工、医药、冶炼等领域相关企业解决了大量实际问题。药、冶炼等领域相关企业解决了大量实际问题。二、膜分离过程的特点二、膜分离过程的特点（1）是）是高效高效分离过程，可实现分离过程，可实现高纯度高纯度分离分离（2）大多数过程）大多数过程不发生相变不发生相变，因此，因此能耗较低能耗较低（3）常温常温操作，利于操作，利于热敏物质的热敏物质的分离分离（4）适用于）适用于特殊溶液的特殊溶液的
24、分离分离 如溶液中大分子的分离、无机盐分离，共沸物或近如溶液中大分子的分离、无机盐分离，共沸物或近沸点物系分离等沸点物系分离等第二节第二节 膜与膜组件膜与膜组件一、膜材料与分离膜一、膜材料与分离膜 目前使用的固体分离膜大多是目前使用的固体分离膜大多是高分子聚合物高分子聚合物膜，膜，近年来又开发了近年来又开发了无机材料无机材料膜。膜。制制膜的高分子材料膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。烯、硅橡胶等。无机膜无机膜：陶瓷、玻璃、金属和分子筛炭膜等：
25、陶瓷、玻璃、金属和分子筛炭膜等 1聚合物膜聚合物膜 按膜按膜结构形态结构形态，分，分对称对称膜、膜、非对称非对称膜两类膜两类 不同类型膜横断面示意图不同类型膜横断面示意图（a）对称膜）对称膜 （b）非对称膜）非对称膜多孔支撑层多孔支撑层微孔膜微孔膜致密膜致密膜(a)一体化膜一体化膜复合膜复合膜致 密致 密活 性活 性层层(b)对称膜对称膜又称又称均质膜均质膜，是均匀薄膜，膜两侧截面结构及，是均匀薄膜，膜两侧截面结构及形态完全相同，包括形态完全相同，包括 微孔膜微孔膜和和致密膜致密膜两种两种(图图a）微孔膜微孔膜：分分多孔膜多孔膜 (厚厚50250 m)和和核孔膜核孔膜 (厚厚 5 m)平均孔径
26、平均孔径 0.02 10 m 致密膜致密膜：很薄：很薄(5 nm 5 m),靠靠分子扩散分子扩散通过通过 传质阻力由膜总厚度决定，传质阻力由膜总厚度决定，降低膜厚降低膜厚可提高透过速率可提高透过速率 非对称膜非对称膜横断面有不对称结构，如图横断面有不对称结构，如图b 一体化非对称膜一体化非对称膜用同种材料制备、由用同种材料制备、由0.1 0.5 厚的厚的表表面活性层面活性层 和和50 150 厚的厚的多孔支撑层多孔支撑层构成，支撑层具一构成，支撑层具一定强度，高压下不会引起较大形变。定强度，高压下不会引起较大形变。在多孔支撑层覆一层在多孔支撑层覆一层致密致密活性活性层层可制成可制成复合膜复合膜
27、(属非对属非对称膜称膜)对复合膜，可选对复合膜，可选不同材料不同材料制备致密制备致密活性活性层与多孔支撑层与多孔支撑层，使每层层，使每层独立独立发挥作用发挥作用 非对称膜分离作用主要由非对称膜分离作用主要由薄的薄的活性活性层层决定，传质阻力小，决定，传质阻力小，透过速率比对称膜高得多，应用十分广泛透过速率比对称膜高得多，应用十分广泛 离子交换膜，由离子交换树脂制成，用于电渗析，离子交换膜，由离子交换树脂制成，用于电渗析，由基膜和活性基团构成，膜多为均质膜，厚由基膜和活性基团构成，膜多为均质膜，厚200 左右左右 离子交换膜离子交换膜分：分：阳离子交换膜阳离子交换膜 具酸性活性基团，带负电荷，吸
28、附和透过阳离子具酸性活性基团，带负电荷，吸附和透过阳离子 阴离子交换膜阴离子交换膜 具碱性活性基团，带正电荷，吸附和透过阴离子具碱性活性基团，带正电荷，吸附和透过阴离子2无机膜无机膜 聚合物膜通常在低温下使用聚合物膜通常在低温下使用(200)，且要求待，且要求待分离物料分离物料与膜不发生化学作用与膜不发生化学作用。需需高温高温或原料为化学活性物质时，可用无机材料膜。或原料为化学活性物质时，可用无机材料膜。无机膜多以金属及其氧化物、无机膜多以金属及其氧化物、陶瓷陶瓷、多孔玻璃等为原、多孔玻璃等为原料，制成相应金属膜、陶瓷膜、玻璃膜等。料，制成相应金属膜、陶瓷膜、玻璃膜等。优点优点：热、机械和化学
29、稳定性好，寿命长，污染少热、机械和化学稳定性好，寿命长，污染少,易清洗，孔径分布均匀等。易清洗，孔径分布均匀等。缺点缺点：易破损、成型性差、造价高易破损、成型性差、造价高二、分离膜的性能二、分离膜的性能 膜膜(membrane)是膜过程的核心部件，其性能直接是膜过程的核心部件，其性能直接影响分离效果、操作能耗及设备尺寸影响分离效果、操作能耗及设备尺寸 膜的性能膜的性能：分离透过特性分离透过特性 包括包括分离效率分离效率、渗透通量渗透通量、通量衰减系数通量衰减系数三方面三方面 物化稳定性物化稳定性 决定使用寿命决定使用寿命 指强度、允许压力、温度、指强度、允许压力、温度、pH值及对有机溶剂和化值
30、及对有机溶剂和化学药品的抵抗性学药品的抵抗性 1、分离效率、分离效率 对溶液脱盐或微粒及高分子物质的脱除等可用对溶液脱盐或微粒及高分子物质的脱除等可用脱盐脱盐率率或或截留率截留率表示：表示：C1、C2：原原液液和透过液和透过液被分离物被分离物(盐、微粒或高分子物质盐、微粒或高分子物质)的浓度的浓度 对某些混合物的分离，可用分离系数对某些混合物的分离，可用分离系数 表示：表示：BABAABxxyy%100121CCCRxA,yA:原液与透过液中组份原液与透过液中组份A的的mol 分率分率2、渗透通量渗透通量：单位时间通过单位膜面积的透过物量：单位时间通过单位膜面积的透过物量3、通量衰减系数通量衰
31、减系数：由于浓差极化、膜孔堵塞等原因，通量由于浓差极化、膜孔堵塞等原因，通量随时间随时间衰减衰减 J0：初始渗透通量：初始渗透通量(kg/m2 h)：时间（：时间（h）J ：时间：时间 时的渗透通量时的渗透通量 m：衰减系数衰减系数 一般希望一般希望分离效率高、渗透通量大分离效率高、渗透通量大，但两者矛盾，但两者矛盾，找最佳条件找最佳条件mJJ0 三、膜分离的三、膜分离的物理化学物理化学原理原理 截流机理和筛孔效应：截流机理和筛孔效应：机械截留机械截留(筛孔效应筛孔效应)物理作用或吸附截留物理作用或吸附截留 架桥作用架桥作用 网络内部截流网络内部截流 四、膜分离设备四、膜分离设备 膜可做成各种
32、形状：膜可做成各种形状：平板平板膜，膜，管式管式膜或膜或中空纤维中空纤维膜膜 平板膜平板膜：长宽各约长宽各约1 m，活性层厚度一般，活性层厚度一般500 5000 管式膜管式膜：直径直径0.5 5 cm，长约，长约 6 m，致密活性层致密活性层可在可在管外侧管外侧或或内侧内侧。用玻璃纤维、多孔金属或其它。用玻璃纤维、多孔金属或其它多孔多孔材料作材料作支撑体支撑体 中空纤维膜中空纤维膜(提供提供大大的的膜面积膜面积)：内径内径100200 ，纤维长约，纤维长约1 m，致密活性层厚，致密活性层厚0.1 1.0 膜组件有膜组件有板框式板框式、螺旋卷式螺旋卷式、中空纤维式中空纤维式、圆管式圆管式等等
33、1 1、板框式膜器：、板框式膜器：用平板膜，与板框压滤机类似用平板膜，与板框压滤机类似 由由导流板导流板、膜膜和和多孔支撑板多孔支撑板交替重叠组成交替重叠组成板框式膜器示意图板框式膜器示意图 板框式膜组件板框式膜组件 支撑板两侧覆以平板膜，用密封环和两个端板密封、支撑板两侧覆以平板膜，用密封环和两个端板密封、压紧。海水从上部进入组件，沿膜表面逐层流动，纯水透压紧。海水从上部进入组件，沿膜表面逐层流动，纯水透过膜到膜另一侧，经支撑板上过膜到膜另一侧，经支撑板上小孔小孔汇集在边缘的导流管排汇集在边缘的导流管排出，浓缩水从下部排出出，浓缩水从下部排出用板框式膜组件进行用板框式膜组件进行海水淡化海水淡
34、化的装置：的装置：2、卷式膜器、卷式膜器：用用平板膜平板膜，结构与螺旋板式换热器类似，结构与螺旋板式换热器类似 支撑材料插入支撑材料插入三边密封三边密封的的信封状信封状膜袋膜袋,袋口袋口与与中心集水管中心集水管相接相接,衬料液隔网，绕中心管卷成柱状再放入压力容器内。衬料液隔网，绕中心管卷成柱状再放入压力容器内。原料进组件后，在隔网中流道沿平行中心管方向流动。透过物原料进组件后，在隔网中流道沿平行中心管方向流动。透过物进入膜袋后进入膜袋后旋转旋转着沿着沿螺旋螺旋方向流动，最后汇集在中心管排出。方向流动，最后汇集在中心管排出。优点：优点：设备紧凑，透水量大，设备费用低，单位体积膜面积大设备紧凑，透
35、水量大，设备费用低，单位体积膜面积大缺点：缺点：浓差极化难控制，易堵，不易清洗，无法更换膜浓差极化难控制，易堵，不易清洗，无法更换膜3、管式膜器：、管式膜器：由管式膜制成，与管式换热器类似由管式膜制成，与管式换热器类似 有支撑的管状膜：有支撑的管状膜：缺点缺点：单位体积膜面积小，一单位体积膜面积小，一般般 33330 m2/m3一般，料液走管内一般，料液走管内?无支撑的中空纤维膜，一般为列管式无支撑的中空纤维膜，一般为列管式中空纤维膜组件中空纤维膜组件料液走管间料液走管间?如何判断膜堵如何判断膜堵?优点：优点：设备紧凑，单位体积膜面积大设备紧凑，单位体积膜面积大(1600030000 m2/m
36、3)缺点：缺点：纤维内径小，阻力大，易堵，压降大，去污难，对料纤维内径小，阻力大，易堵，压降大，去污难，对料液要求高，纤维无法更换液要求高，纤维无法更换膜组件的特性比较膜组件的特性比较 项项 目目板框式板框式螺旋卷式螺旋卷式圆管式圆管式中空纤维式中空纤维式填充密度填充密度/（m2/m3）30-500200-80030-200500-9000抗污染性能抗污染性能好好中等中等很好很好差差膜膜 清清 洗洗易易可可简单简单难难相对造价相对造价高高低低高高低低 小结：小结：尽管板框式尽管板框式造价高，填充密度也不很大造价高，填充密度也不很大，但在工业，但在工业膜过程中普遍使用膜过程中普遍使用(气体分离除
37、外气体分离除外)螺旋卷式由于螺旋卷式由于低造价低造价和良好和良好抗污染性抗污染性被广泛采用被广泛采用 中空纤维膜组件由于具中空纤维膜组件由于具高填充密度高填充密度和和低造价低造价，在膜，在膜污染小和不需膜清洗的场合普遍应用污染小和不需膜清洗的场合普遍应用第三节第三节各种膜分离过程简介各种膜分离过程简介过程过程示意图示意图膜类型膜类型推动力推动力传递传递机理机理透过物透过物截留截留物物微滤微滤MF多孔膜多孔膜压压 差差(0.1 MPa)筛分筛分水水溶剂溶剂溶解物溶解物悬浮悬浮颗粒颗粒超滤超滤UF非对称非对称膜膜压压 差差(0.1 1 MPa)筛分筛分溶剂溶剂离子离子小分子小分子胶体胶体及各及各类
38、大类大分子分子、原料液原料液 滤液滤液原料液原料液滤液滤液浓缩液浓缩液反渗透反渗透RO非对非对称膜称膜,复合复合膜膜压差压差(210 MPa)溶剂的溶剂的 溶解溶解-扩散扩散 水水溶剂溶剂悬浮物悬浮物溶解物溶解物胶胶 体体电渗析电渗析ED离子离子交换交换膜膜电位电位差差离子在离子在电场中电场中的传递的传递离子离子 非解离非解离和大分和大分子颗粒子颗粒极一极 产品(溶剂)浓电解质阴膜阳膜进料进料溶剂（水）溶质（盐）气体气体分离分离GS均质膜均质膜,复合膜复合膜,非对称膜非对称膜压差压差(1-15 MPa)溶解溶解-扩散扩散易渗易渗气体气体难渗难渗气体气体渗透渗透汽化汽化PV均质膜均质膜,复合膜复
39、合膜,非对称膜非对称膜浓度差浓度差,分压差分压差溶解溶解-扩散扩散易溶易溶或易或易挥发挥发组分组分不易溶不易溶或难挥或难挥发组分发组分膜蒸馏膜蒸馏MD微孔膜微孔膜由由温度温度差差产生产生的的蒸汽蒸汽压差压差通过通过膜的膜的扩散扩散易挥易挥发物发物质质非挥发非挥发物质物质混合气混合气渗透气渗透气渗余气渗余气原液原液渗透渗透蒸气蒸气溶质或溶质或 溶剂溶剂原液原液渗 透渗 透液液浓 缩浓 缩液液第四节反渗透第四节反渗透一、概述一、概述反渗透：反渗透：利用利用反渗透膜反渗透膜选择性地选择性地只透过溶剂只透过溶剂(通常是水通常是水)的性质，的性质，对溶液对溶液加压加压克服溶剂的克服溶剂的渗透压渗透压，使
40、，使溶剂溶剂透过膜而分离出来透过膜而分离出来的过程。的过程。截留截留水中无机离子、胶体水中无机离子、胶体和和大分子溶质大分子溶质（M 500）反渗透研究较早，技术上较成熟，应用较广反渗透研究较早，技术上较成熟，应用较广 早在十八世纪，发现水能自发通过半透膜早在十八世纪，发现水能自发通过半透膜 60年年代代洛布洛布(Loeb)与索里拉简与索里拉简(Sourirajan)发明第一代发明第一代高性能非对称高性能非对称醋酸纤维素醋酸纤维素膜膜,反渗透反渗透(RO)首次用于海水首次用于海水及苦咸水淡化及苦咸水淡化 70年代年代,开发成功高效开发成功高效芳香聚酰胺芳香聚酰胺中空纤维中空纤维RO膜，膜，性能
41、进一步提高性能进一步提高 90年代年代,低压低压RO复合膜复合膜出现出现,为第三代为第三代 RO 膜，膜，膜性能大幅提高，为膜性能大幅提高，为 RO 技术发展开辟广阔前景技术发展开辟广阔前景 目前目前,许多领域应用，超纯水制造、许多领域应用，超纯水制造、锅炉水软化，锅炉水软化，食品、医药浓缩，城市污水处理，废液有用物质回收食品、医药浓缩，城市污水处理，废液有用物质回收 反渗透反渗透(Reverse Osmosis)，是自然界中水分，是自然界中水分自然渗透自然渗透的的反向反向过程。过程。1950年年,美国科学家美国科学家Sourirajan无意中发现无意中发现海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水
42、，隔几秒后吐出海鸥在海上飞行时从海面啜起一大口海水，隔几秒后吐出一小口海水。他产生疑问：陆地上由肺呼吸动物是绝对无一小口海水。他产生疑问：陆地上由肺呼吸动物是绝对无法饮用高盐份海水，为什么海鸥可饮用海水呢？这位科学法饮用高盐份海水，为什么海鸥可饮用海水呢？这位科学家把海鸥带回实验室，解剖发现在海鸥囔嗉位置有一层薄家把海鸥带回实验室，解剖发现在海鸥囔嗉位置有一层薄膜，该薄膜构造非常精密。海鸥利用这薄膜把海水过滤为膜，该薄膜构造非常精密。海鸥利用这薄膜把海水过滤为可饮用淡水，而含杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外。可饮用淡水，而含杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外。这是以后这是以后逆渗透逆渗透(RO)
43、的基本理论架构。的基本理论架构。渗透现象在自然界常见，如将一根黄瓜放入盐水中，渗透现象在自然界常见，如将一根黄瓜放入盐水中，黄瓜会因失水变小。黄瓜中水分子进入盐水溶液就是黄瓜会因失水变小。黄瓜中水分子进入盐水溶液就是渗透渗透过程。过程。二、基本原理二、基本原理 渗透是由于渗透是由于化学位梯度化学位梯度存在而引起的存在而引起的自发扩散自发扩散现象现象 渗透、平衡与反渗透渗透、平衡与反渗透盐溶液中水的化学位：盐溶液中水的化学位：aRTPTPTln0,a：溶液中水的活度纯水溶液中水的活度纯水a1溶液溶液a 1 RTlna ，盐水中水流向纯水侧，盐水中水流向纯水侧 推动力：推动力：P（P2P1）实际过
44、程，透过液并非纯水，含溶质，推动力：实际过程，透过液并非纯水，含溶质，推动力：P(P2P1)(1 2)?)?分析分析 1、2:原液侧与透过液侧溶液的渗透压原液侧与透过液侧溶液的渗透压 PEC-1000复合膜的断面放大结构图复合膜的断面放大结构图保护层保护层超薄的超薄的分离层分离层支撑层支撑层 (30 nm)聚砜基质聚砜基质纤维织物纤维织物反渗透膜多为反渗透膜多为非对称非对称或或复合膜复合膜，活性层为，活性层为表层致密层表层致密层致密层几乎无孔，可截留多数溶质致密层几乎无孔，可截留多数溶质(离子离子)而使溶剂通过而使溶剂通过 操作压力较高，一般操作压力较高，一般 2 10 MPa 多采用多采用卷
45、式卷式膜组件和膜组件和中空纤维中空纤维膜组件膜组件三、反渗透机理与传质方程三、反渗透机理与传质方程 膜微孔孔径约膜微孔孔径约2 nm，而一般无机离子直径仅，而一般无机离子直径仅0.1-0.3 nm，水合离子直径，水合离子直径0.30.6 nm，筛分无法筛分无法解释解释 目前机理模型有：目前机理模型有：孔模型孔模型、溶解扩散模型溶解扩散模型、优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型等等 各有不足，且大都以各有不足，且大都以醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜为研究对象为研究对象 较流行的较流行的优先吸附毛细孔流动优先吸附毛细孔流动模型模型优先吸附毛细孔流优先吸附毛细孔流 模型模型 膜由膜由醋酸纤维素醋酸
46、纤维素等等亲水性亲水性高分子材料制成高分子材料制成 与盐溶液接触，水优先吸附于膜表面与盐溶液接触，水优先吸附于膜表面(纯水层纯水层)，无机，无机离子被排斥，价数越高，排斥力也大。离子被排斥，价数越高，排斥力也大。吸附纯水层厚吸附纯水层厚 t=1 nm。膜表面膜表面 有效有效孔径孔径 2 t，透过为，透过为纯水纯水 膜表面膜表面 有效有效孔径孔径2 t，溶质溶质也透过也透过 毛细孔径为毛细孔径为 2 t 时时纯水渗透量最大纯水渗透量最大临界孔径临界孔径 水的渗透通量：水的渗透通量：Jw=A(P-)Jw：水渗透速率或通量，：水渗透速率或通量，kmol /m2 s P：膜两侧压差，：膜两侧压差，Pa
47、 ：膜两侧溶液的渗透压差，膜两侧溶液的渗透压差，Pa A：纯水的渗透系数，：纯水的渗透系数，kmol/m2 s Pa A 反映反映纯水透过膜纯水透过膜的特性，与温度、压力及膜材料的特性，与温度、压力及膜材料和结构有关，可由和结构有关，可由纯水实验纯水实验测定测定 少量少量溶质溶质透过膜可看成是通过膜孔的透过膜可看成是通过膜孔的分子扩散分子扩散 溶质的渗透通量：溶质的渗透通量：22MAMMAiMiMAAxCxCDJ JA:A的渗透通量，的渗透通量，kmol /m2 s DMA：A在膜中的有效扩散系数，在膜中的有效扩散系数，m2/s ：膜厚，膜厚，m CMi：料液侧料液侧表面处表面处膜中膜中总总m
48、ol浓度浓度(kmol/m3)CM2：透过液侧透过液侧表面处表面处膜中膜中总总mol 浓度浓度 xMAi：料液侧料液侧表面处表面处A的的mol 分率分率 xMA2：透过液侧透过液侧表面处表面处A的的mol 分率分率MAMAxKCCx 溶质在溶质在溶液溶液与与膜间膜间的平衡关系呈的平衡关系呈线性线性：C：溶液总：溶液总mol 浓度，浓度，kmol/m3 xA：溶液中：溶液中A的的mol 分率分率 K：相平衡常数：相平衡常数 代入平衡关系：代入平衡关系：CAi：料液侧表面溶液料液侧表面溶液中中A的的mol浓度，浓度，kmol/m3 CA2：透过液透过液中中A的的mol浓度，浓度，kmol/m3 D
49、MA/K:反映反映溶质透过膜溶质透过膜的特性的特性 与与溶质、膜材料的物化性质、结构形态溶质、膜材料的物化性质、结构形态和和P、T有关有关 其值小，溶质透过膜的速率小，分离效率高其值小，溶质透过膜的速率小，分离效率高222AAiMAAAiiMAACCKDxCxCKDJ三、反渗透的浓差极化三、反渗透的浓差极化 1、浓差极化、浓差极化 由于膜的由于膜的选择透过性选择透过性，溶质在料液侧膜表面积累，溶质在料液侧膜表面积累，形成浓度边界层，形成浓度边界层，膜表面膜表面浓度浓度CAi 主体浓度主体浓度，导致，导致溶质从膜表面向料液主体溶质从膜表面向料液主体的的反向扩散反向扩散。此现象叫浓差极化此现象叫浓
50、差极化 I：边界层内平行膜面的边界层内平行膜面的任意截面任意截面 II：透过液侧透过液侧膜表面膜表面 I、II 间溶质间溶质A的物料衡算：的物料衡算：02AAwAAJxdzdxCDJx J：透过液的总渗透通量，透过液的总渗透通量，kmol/m2 s xA,xA2：截面截面 I,II 上上A的的mol 分率分率 DWA ：A 在水中的扩散系数，在水中的扩散系数，m2/s C：截面截面I处料液总浓度，处料液总浓度，kmol/m3，可视为常数可视为常数AwAAAdxCDdzxxJ)(22AAAwAxxdxdzCDJ从从 z=0(xA=xA1)到到 z=l(xA=xAi)积分：积分：k k为溶质的传质
