1、第四章膜分离过程原理 膜分离包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜分离。从分离科学的角度看,超滤、渗析、反渗析、电渗析等位垒分离过程是靠在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作用的界面时在速度上的差别来进的。微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。微粒的液体。1)1)微滤微滤 2)2)超滤超滤 3)3)纳滤纳滤 4 4）反渗透）反渗透4.2 以压力差为推动力的膜分离过程 微滤是指大于0.1m的颗粒或可溶物被截流的压力驱动型膜过程(MF)超滤是指小于0.1m大于2nm的颗粒或可溶物被截流的压力驱
2、动型膜过程(UF)反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透压而选择性透过的膜过程(RO)纳滤是指小于2nm的颗粒或可溶物被截流的压力驱动型膜过程(nF)一.各种膜分离法及其原理膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤压差（0.050.5MPa）筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差（0.11.0MPa）筛分蛋白质，多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差（1.010MPa）筛分盐，氨基酸，糖的浓缩，淡水制造透析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差筛分，荷电脱盐，氨基酸和有机酸的分离渗透气化压差，温差溶质与膜的亲和力有机溶剂与水的分离，共沸物的分离（如乙醇浓缩）4.2.1.1渗透和渗透压渗透和渗透压 18851885年年
3、,Vant Hoff,Vant Hoff渗透压定律渗透压定律：R RT T C Ci i 渗透渗透是在膜两边渗透是在膜两边渗透压差压差 的作用下的的作用下的溶剂流动溶剂流动；而；而反渗透反渗透、超滤是在一外加压力差超滤是在一外加压力差 P P 的作用下的作用下,溶溶剂逆向流动。剂逆向流动。盐溶液 纯水H2O渗渗透透 P 反渗透反渗透超滤和微滤都是利用膜的筛分性质,以压差为传质动力.超滤和微滤膜具有明显的孔道结构,主要用于截留高分子溶剂超滤原理:超滤是利用膜的“筛分”作用进行 分离的膜过程。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子被阻拦在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分离。由于膜
4、孔小，其过滤精度很高，实际操作压力一般为0.1-0.5MPa。对象：超滤主要用于从液相物质中分离大分子化合物（蛋白质、核酸聚合物、淀粉、天然胶、酶等），胶体分散液（粘土、颜料、矿物料、乳液粒子、微生物）以及乳液（润滑脂、洗涤剂、油水乳液）采用先与适合的大分子结合的方法也可以从水溶液中分离金属离子、可溶型溶质和高分子物质（如蛋白质、酶、病毒）以达到净化、浓缩的目的。超滤膜一般为非对称膜，由一层极薄（通常为0.1-1um）具有一定孔径的表皮层和一层较厚（通常为125um）具有海绵状或指状结构的多孔层组成，前者起筛分作用，后者起支撑作用。分离机理：一般认为超滤过程的分离机理为筛分分离过程。但膜表面的
5、化学性质也是影响超滤分离的重要因素。即超滤过程中溶质的截留包括在膜表面上的机械截留（筛分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附三种方式。超滤的操作模式基本上是死端过滤和错流过滤两种。产物既可以是渗透液，也可以是截留液或者二者都有。微孔过滤 用于从气相或液相物质中截留分离微粒、用于从气相或液相物质中截留分离微粒、细菌、污染物等。细菌、污染物等。1 1 微过滤膜微过滤膜:孔径孔径0.025 30.025 3 m m，特种纤维，特种纤维素酯、高分子聚合物制成。素酯、高分子聚合物制成。三醋酸酯纤维素三醋酸酯纤维素 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 尼龙尼龙6666 亲水型亲水型 憎水型憎水型 通用型通
6、用型 水、低级醇水、低级醇 有机溶剂有机溶剂*滤膜溶解法滤膜溶解法(Soluble Membrane Filter)(Soluble Membrane Filter)对于微过滤膜富集对于微过滤膜富集,通常采用酸等溶剂将通常采用酸等溶剂将沉积物溶解进行后续测定。而沉积物溶解进行后续测定。而可溶滤膜法将可溶滤膜法将目标成分转变为憎水的适应收集的形式；抽目标成分转变为憎水的适应收集的形式；抽滤于合适的可溶膜上；将滤膜及收集物溶于滤于合适的可溶膜上；将滤膜及收集物溶于合适溶剂中；有机相可直接分光等直接测定合适溶剂中；有机相可直接分光等直接测定。如用硝化纤维素膜过滤如用硝化纤维素膜过滤,可以用甲基溶纤剂
7、可以用甲基溶纤剂和和DMFDMF或浓硫酸溶解或浓硫酸溶解,也可用丙酮、乙腈、也可用丙酮、乙腈、THFTHF等溶解。等溶解。纳滤过滤纳滤过滤（nanofiltration,nF）纳滤过滤是上世纪纳滤过滤是上世纪80 80 年代末问世的新型膜年代末问世的新型膜分离技术分离技术 。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜渗透膜(RO)(RO)和超滤膜和超滤膜(UF)(UF)之间，因此称为之间，因此称为“纳纳滤滤”。纳滤膜能够截留分子量为几百的物质，纳滤膜能够截留分子量为几百的物质，对对NaClNaCl的截留率为的截留率为50%-70%50%-70%，对某些低分子有，对某些低分子
8、有机物的截留率可达机物的截留率可达90%90%。纳滤膜的表层较纳滤膜的表层较RORO膜的表层要疏松得多，但较膜的表层要疏松得多，但较UFUF膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度，以形成大量具纳米级的表层孔。疏松程度，以形成大量具纳米级的表层孔。纳滤截留的相对分子量为纳滤截留的相对分子量为100-1000100-1000其操作压力较低其操作压力较低,一般在一般在0.5-1.5MPa 0.5-1.5MPa 同时纳滤膜的通量高同时纳滤膜的通量高,与反渗透相比，纳滤具有能与反渗透相比，纳滤具有能耗低的优点。因此耗低的优点。因此,纳滤恰好填
9、补了超滤与反渗透之间的空白纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分量的有机物它能截留透过超滤膜的那部分小分量的有机物,透析被反渗透膜透析被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同同,对单价离子的截留率低对单价离子的截留率低(10%-80%),(10%-80%),对二价及多价离子的截留对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子率明显高于单价离子(90%)(90%)以上。以上。应用应用：低聚糖的分离和精制低聚糖的分离和精制 果汁的高浓度浓缩果汁的高浓度浓缩 多肽和氨基酸的分离多肽和氨基酸的分离
10、离子与荷电膜之间存在唐南离子与荷电膜之间存在唐南(Donnan(Donnan)效应效应,即相同电荷排斥即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的,当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团有静电官能团,基于静电相互作用基于静电相互作用,对离子有一定的截留率对离子有一定的截留率,可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零酸和多肽等溶质的截留率几乎为零
11、,因为溶质是电中性的并且因为溶质是电中性的并且大小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多大小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率表现出较高的截留率肽等溶质的截留率表现出较高的截留率,因为溶质离子与膜之因为溶质离子与膜之间产生静电排斥间产生静电排斥,即即DonnanDonnan 效应而被截留。效应而被截留。静压差膜分离小结静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW 1umROUFF新型的新型的nFnF正好介于正好介于UFUF和和RORO之间，截流分子量大概在之间，截流分子量大概在300-1000300-1000。1 1 溶剂溶剂 2 2 小分子小分子 3 3 大
12、分子大分子 4 4 微粒微粒 盐分子盐分子 糖蛋白糖蛋白 病毒病毒 胶体胶体几种静压差膜分离法应用比较几种静压差膜分离法应用比较 1 2 3 4MF 1 2 3 4UF 1 2 3 4RO4.2.1 反渗透渗透是在膜两侧的压力相等的情况下,在浓差作用下溶剂水分子从低浓度向高浓度透过.反渗透是利用外压将渗透过程逆转,达到分离物质的目的.反渗透原理反渗透原理 反渗透（反渗透（Reverse OsmosisReverse Osmosis）分离过程）分离过程是使溶液是使溶液在一定压力（在一定压力（10-100 atm10-100 atm）下通过一个多孔膜，）下通过一个多孔膜，在常压和环境温度下收集膜渗
13、透液。溶液中的一在常压和环境温度下收集膜渗透液。溶液中的一个或几个组分在原液中富集，高浓度溶液留在膜个或几个组分在原液中富集，高浓度溶液留在膜的高压侧。的高压侧。反渗透膜反渗透膜(homogeneous membrane or(homogeneous membrane or skintype membrane):skintype membrane):反渗透膜可截留反渗透膜可截留0.X-0.X-60 nm60 nm的粒子的粒子,截留粒子分子量可达截留粒子分子量可达500500以下。以下。在分析上在分析上,反渗透膜可用于富集水溶液中微量有反渗透膜可用于富集水溶液中微量有机物。机物。在反渗透过程的设
14、计中，溶液的渗透压数据是必不可少的。对于多组分体系得稀溶液，可用扩展的范特霍夫渗透压公式计算溶液的渗透压 1iniRTc式中，ci溶质物质的量浓度，kmol/m3;n溶液中的组分数。对电解质水溶液，常引入渗透压系数来校正偏离程度，对水溶液中溶质i组分，其渗透压可用下式计算 1 ic RT在实际应用中，常用以下简化方程计算 sBx 4.2.1.2反渗透操作特性参数计算 基于Sourirajan的优先吸附毛细孔流动机理，溶剂和溶质通量可用Kimura-Sourirajan模型求算溶剂通量()()AARAPJApxx 2/()kmolms 溶质通量 ()AmASRARPAPDKJc xc x2/()
15、kmolms 反渗透与纳滤膜的截流率 在反渗透过程中，膜的分离性质一般用截流率R表示 01PcRc 式中，c0、cP分别为原料液和透过液的浓度，kmol/m3。在纳滤过程中，则常用脱盐率T来表示：01RcTc 膜过程设计 过程回收率 定义透过液体积与原料液体积之比 称为回收率，即0pVV截流液和透过液浓度、回收率和截流率的函数关系如下0(1)RRcc0(1)(1)RPccR溶质的损失率与膜的截留率和回收率有关，可用下式表示 1(1)R 过程脱除率 对纳滤过程，由于一次脱盐率通常较低，一般需经多次脱除，因此还取决于过程的总脱盐率。在恒容脱盐过程中，假定料液体积V0为常数，则料液中盐的浓度由c0-
16、降到c1，透过液的总体积为VP，若过程对盐的脱盐率T恒定不变，则有 0V dccTdV 01TtcTc设则有 101ln(1)pVTVT 4.2.2 超滤超滤 超滤是在超滤是在1-101-10大气压作用下分离分子量约大气压作用下分离分子量约大于大于10001000的大分子和胶体粒子的方法。超滤的大分子和胶体粒子的方法。超滤膜是一种微孔结构的膜，分离是依靠孔径的膜是一种微孔结构的膜，分离是依靠孔径的分布来完成的。分布来完成的。超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为：R=(1Cp/Cf)100C Cp p 和和C Cf f分别是溶质在滤出液产物中和原料中分别是溶质在滤
17、出液产物中和原料中的浓度的浓度。1.超滤的基本原理 超滤是通过莫德筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，使这些溶质与小分子溶剂分离的膜过程。流 速 增 大温 度 升 高进 料 浓 度 降 低膜 阻 力 增 加区 域 边 界II II I IpJ纯 水图 1 3 2 4 超 滤 过 程 中 的 传 质I 压 力 控 制 区；I I 过 渡 区；I I I 传 质 控 制 区4.2.2.1 超滤通量方程 1.渗透压阻力模型)(cmwRRpJ 2.浓差极化与凝胶层阻力模型J、cPcmcbdcDdzJ、cZ=Z=0膜膜凝胶层J,cpdcDdZJ、cZ=Z=0Ggcb图1325 超滤过程中的浓差极化
18、和凝胶层形成现象(a)浓差极化；(b)凝胶层现象exp()mmbxJxck式中，称为浓差极化比，其值越大，浓差极化现象越严重。mbxx01()vmcdVpJVA dtRrA超滤过程的透过率为 0.50.50()tvcpJr 通量与过率时间的0.5次方衰减的关联式DzdCDJvCJs JvC:向着膜方向传递的溶质通量 ：反向扩散的溶质通量Js:透过膜的溶质通量dZdCD渗滤是超滤的一种衍生过程，常用于小分子和大分子混合物的分离或精制，被分离的两种溶质的分子量差异较大，通常选取截留分子量介于两者之间的膜，这种膜对大分子的截留率为100,而对小分子则完全透过。回 流料 液 槽循 环 泵循 环 回 路
19、膜 组 件截 留 液透 过 液料 液 泵（a）回 流料 液 槽膜 组 件透 过 液料 液 泵循 环 泵截 留 液料 液膜 组透 过料 液截 留 液料 液料 液料 液槽膜 组 件透 过 液料 液 泵循 环 泵截 留 液膜 组 件透 过 液(b)(c)(d)图 13 29 各 种 超 滤 操 作 工 艺（a）部 分 循 环 间 歇 操 作;(b)单 级 连 续 操 作;(c)部 分 循 环 连 续 操 作:(d)多 级 连 续 操 作;4.2.2.3超滤过程工艺流程4.2.3 微滤 微滤也是利用微滤膜的筛分机理，在压力驱动下，截留直径在0.11m之间的颗粒，如悬浮物、细菌、部分病毒及大尺寸胶体，多
20、用于给水预处理系统。微滤(MF)也可以称为精过滤。可去除微米(10-6m)级的水中杂质，其滤膜的孔径为005500mm，凡太于孔径的颗粒均可被截留，但孔径增大则出水浊度随之增加。可直接用于中水回用、制取优质饮用水，也可作为反渗透或纳滤的预处理设施。根据原水水质，可经过预过滤以去除大颗粒防止膜过快堵塞，亦可视情况投加混凝剂或粉末活性炭，以生产有机物含量低的水。但在生产高质量水时，通常作为超滤、反渗透或纳滤的预处理设施。而在生产高纯水时，微滤常作为纯水或超滤水生产时的末端处理，以去除剩余在水中的痕量杂质。目前，市场上的微滤膜多为平板膜折叠式滤芯，膜材料为聚丙烯(PP)或聚砜(PS)、尼龙等。聚砜膜
21、的孔径经常为045mm、02mm或更小，其孔径分布均匀，水通量大，不易堵塞。而聚丙烯膜的过滤精度范围广，价格便宜，但精度差。另外，无机精滤膜亦是应用在水处理上的重要微滤技术之一，如陶瓷膜和预涂膜过滤根据微滤过程中微粒被膜截留在膜表面或是膜深层的现象,可将微滤分为表面过滤和深层过滤.表面过滤:料液中的微粒直径与膜的孔径相近,随着微滤的进行,微粒被膜截留在膜表面并堵塞 膜孔。完全堵塞式；逐级堵塞式；滤饼过滤式；中间堵塞式；深层过滤：在微滤过程中，膜孔的孔径大于被滤微粒的粒径，流体中的粒子能进入膜的深层并被除去。4.2.4渗透气化与蒸汽渗透 1.渗透汽化及蒸汽渗透原理 渗透汽化是指液体混合物在膜两侧
22、压差得作用，利用膜对被分离混合物中某组分有优先选择性透过膜得特点，使料液侧优先渗透组分渗透通过膜，在膜得下游侧汽化去除，从而达到混合物分离提纯得一种新型膜分离技术。蒸汽渗透过程与渗透汽化过程不同之处是，蒸汽渗透为气相进料，相变过程通常发生在 进装置前，在过程中蒸汽相 渗透通过膜，达到混合物的 分离与纯化。t膜 上 游 侧 液 相膜 下 游 侧 气 相p2A=p2yAp1A=pA0 xAc1c2图 13 30a 液 体 渗 透 汽 化 通 过 致 密 膜 时 的 浓 度 与 分 压 差 分 布渗透通量和分离因子 根据渗透气化传递过程的基本原理，组分A，B通过膜的渗透速率可用下式表示 02()AM
23、AAAAAAmPJp xf P yl02(1)(1)BMBBBAAAmPJpxf Pyl 00(1)(1)ABMAAAAMBBAAPpyxPpxyPMA,PMB:组分A和B 的渗透率;lm:膜厚;p0A,p0B:组分A和B的饱和蒸气压;p1,p2:膜上下侧汽相总压;xA、yA：A在膜两侧的汽相组成两式括号中的第二项可略，上式除以下式并简化后可得4.3 以浓度差为推动力的膜分离过程 4.3.1 渗析过程 在浓度梯度为推动力下,使一股液流中的一种或多种溶质通过膜传递到另一股液流中,最后达到原料液中溶质被脱除的过程称为渗析。4.3.2气体分离 1.气体在膜内的传递机理(a)(b)(c)(d)图133
24、1 气体在各种不同膜中的传递(a)分子扩散;(b)努森扩散;(c)分子筛分;(d)溶解扩散;气体的选择性和渗透性 对于理想气体在多孔膜中的传递，如果膜两侧的气体总压力、温度相等，则可用气体的分压差作为推动力来表示。若忽略主体流动，则气体的渗透通量可用费克定律来计算：0()lMiiimDJppRTl为有效扩散系数MD的计算与气体在膜孔内的流动状态有关，一般根据努森（Knudsen）数的大小来区分，努森数Kn可用下式计算d:膜孔径;:气体分子平均自由程MD PKnd 当Kn0.01时，黏性流流动，可用Hagen-Poiseuille定律描述。在这种黏性流动范围内，气体混合物不能被膜分离。)11(K
25、PABPPDDD 当kn1.0，尤其当Kn10时，气体分子平均自由成远大于膜孔径，此类扩散现象称为努森扩散，气体以努森扩散机理通过膜。当Kn数介于以上值之间，尤其当Kn数在1附近时扩散为过渡区扩散。已知分子扩散和努森扩散系数，则过渡区的扩散系数可近似用下式计算：DAB:双分子扩散系数;:孔隙率;:膜孔曲折因子;DKp:努森扩散系数 1248.5()KPPiTDdMABABPDD1)11(KPABPPDDD4.4以电位差为推动力的膜分离过程 电渗析和膜电解是以电位差为推动力来传递带电荷组分的膜分离技术。在电场推动力作用下，溶液中带电离子可以通过阴阳离子交换膜而分离。但膜电解过程中在电极上有电极反
26、应，常伴有气体生成。4.4.1电渗析(Electrodialysis)电渗析电渗析是利用离子交换膜和直流电场的是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子组分的一种带电离子组分的一种电化学分离电化学分离过程。过程。用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐；溶解的析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐；溶解的电离物质和中性物质的分离。电离物质和中性物质的分离。三、电渗析器的构造与组装：1、构造：2、组装：4.4.1.1.电渗析过程原理 1C1C1C1C1C1CN aN a
27、N aN aN aN a12345 阳 膜阴 膜阳 膜阴 膜阴 极阳 极浓 缩 室淡 化 室浓 缩 室图 1 3 3 9 电 渗 析 过 程 原 理 示 意 图电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室淡水室，出水称为淡淡水水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室浓水室，出水称为浓水浓水。从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。海水淡化-电渗析原理1 1 离子在电场下的定向迁移离子在电
28、场下的定向迁移2 2 膜的选择性透过膜的选择性透过3 3 分离对象分离对象/产品的去向产品的去向关注+-极水极水 盐水盐水 淡水淡水 4.4.1.2.电渗析器及其脱盐流程设计（1）电渗析器及其脱盐流程(a)(b)(c)(d)图1342 液体在各种组装形式电渗析器中的流动(a)一级一段并联；(b)二级一段并联；(c)一级二段并联；(d)二级二段串联进水进水进水进水（a）（b)浓 缩 液稀 释 液原 液浓 缩 液稀 释 液原 液浓 缩 液原 液稀 释 液(c)图 13 43 电 渗 析 器 的 脱 盐 流 程（a）一 次 通 过 连 续 式；(b)部 分 循 环 式；(c)循 环 间 歇 式4.4
29、.1.3 电渗析过程中的传递现象AC阴膜阳膜2(0)HC1Na+(H20)C1（H2O）H2ONaC1+H2OOHHNa+(H2O)C1(H2O)Na+(H2O)123456+阳极阴极（a）阴极+阳极AC边界层阴离子累积区阳离子累积区阴离子耗竭区阳离子耗竭区(b)图1340 电渗析过程中的传递与浓差极化（A 阴离子交换膜；C阳离子交换膜）（a）各种迁移及传递;(b)浓差极化4.4.1.4电渗析器工艺参数计算（1）电解质传质通量电解质传质通量公式：CDsFIttNseac)1(（2）水的传递通量 Nw=Ie+KwC，Kw：水的电渗析系数和渗透系数 电解质传质通量除以水的传递通量，得 当膜的有关特
30、性数据知道后，就可以算出电流效率和浓缩也浓度CKwIeCDsFIea tc tC)1(（3）离子迁移数 在阴膜-NaCl溶液体系内，膜内离子迁移数可用同名离子迁移数和反离子迁移数表示。同名离子迁移数：反离子迁移数：ClNaNaClNaNaqqqCCCatClNaClCllClClqqqCNaCCt某些离子的膜迁移数也可以由膜电位计算020mmmMEEEt（4）选择透过度 反离子在膜内迁移数实际增值与理想增值比为膜的选择透过度：tL：反离子在溶液中的迁移数 ：反离子在膜的迁移数 ：反离子在理想膜中的迁移数为100%LLMLMLMtttttttP10Mt0Mt（5）电流效率 电流效率是电渗析器的主
31、要技术指标 实际过程中常采用单位时间内实际脱盐量与理论脱盐量之比作为电流效率Q：淡化水量 C：渗析液进出口浓度差IeFCDsttac)1(单位时间理论脱盐量单位时间实际脱盐量FICQ/（6）电流密度 极限电流密度：电渗析过程中，当在脱盐室侧膜表面的液-膜边界层内形成浓差极化时所施加的电流密度。)(limLMttZFDsCI实际应用中电渗析器的极限电流密度用Willson经验公式表示 Ilim=:膜面线速度 :渗析流进、出口对数平均浓度 在实际店渗析工艺过程中，一般先求得极限电流密度，再计算操作电流密度 fc、ft、fs为电解质组成换算系数、温度换算系数、溶液特性安全系数CabCstcDf ff
32、CICIlim4.4.1.5电渗析工艺设计基础(1)最佳操作电流密度 利用电渗析进行脱盐或浓缩,其产品成本与电流密度有关,如p93图4-32d=aIe+Ie/b+c对上式微分,即可得到既不超过极限电流密度,又使过程费用为最低的最佳操作电流密度2/1)(abIopt通过对完成一定脱盐量所需电能和膜面积 的分析可得:2/19.22(）整psmoptdRydI(2)脱盐率和浓度比 通常取一级一段膜对为基准计算脱盐率 将膜对渗析流和浓缩流进口浓度的比值定义为浓度比%100XCCCRdidodicidiCCg 根据物料平衡,渗析液浓度Cdo和浓缩液浓度Cco可分别用脱盐率表示 Cdo=Cdi(1-R)C
33、co=Cdi(1-R)对多级多段电渗析过程,其总脱盐率可用下式计算 Cdf,Cdp为进料浓度和出口产物浓度%100XCCCRdfdpdf总在极限电流密度下,流程长度与渗析六浓度分布的关系式有:F:法拉第常数 L:脱盐室流道长度 d:脱盐室膜间距)exp(limCFdLICCdico若用实际操作电流密度代替极限电流密度 则有:减小线速度可使脱盐率提高,但由于极限电流密度降低,所需膜面积也将增大)(dFLf ffaEXPCCstcbdico操作电流、极限电流、操作浓度、极限浓度有如下关系式：limlim)()(IICCCCDdodiDdodi（3）膜面积的计算 对部分循环式多级电渗析脱盐系统，有
34、QR：脱盐室循环量 n：X系统段数 QF：进料量nFRPFCCQQCC1)1(01膜面积 若所处理的进料量已知则膜面积有:DPFFIFCCQS)(VdLQSR4.4.2膜电解(自学)4.5 浓差极化对膜分离过程的影响 浓差极化：电渗析器在运转中，膜两边出现浓度差的膜界面现象称浓差极化。浓差极化和膜污染常常同时发生,不能严格区分。但浓差极化现象是可逆的，可以改变操作条件来控制，而膜污染常常是不可逆的，必须通过对膜的清洗甚至调换来克服。4.5.1超滤和反渗透中的浓差极化 在膜分离过程中，水连同小分子透过膜，而大分子溶质则被膜所阻拦并不断积累在膜表面上，使溶质在膜面处的浓度Cm高于溶质在主体溶液中的
35、浓度Cb，从而在膜附近边界层内形成浓度差Cm-Cb，并促使溶质从膜表面向着主体溶液进行反向扩散，这种现象称为浓差极化。由于进行超滤的溶液主要含有大分子，其在水中的扩散系数极小，导致超滤的浓差极化现象尤为严重。引起反渗透和超滤过程中浓差极化现象的原因是 相同的,但两者所产生的影响是非常的不同。反渗透中，积累在 膜表面上的低分子量组分，随着溶液浓度的增加，渗透压也会增加，通过膜的传递速率也会下降 超滤过程中，被膜所截留的通常为大分子，溶液浓度所引起的渗透压变化对过程影响不大，一般不考虑，但浓差极化的影响则十分明显。浓差极化的影响可以通过膜的传递模型描述。当超滤达到平衡时，浓差极化模型方程可写为：若
36、定义传质系数=D/，当xp远远小于xb和xm时上式可简化为：CDJxxxxwpbpm)ln()exp(CkJwxxbm式中，称为浓差极化比，其值越大，浓差极化现象越严重。在反渗透中，当膜的通量不太大，且溶质为小分子物质时，只要采用适当的流体分布器改善料液的流动状态，则浓差极化比可以很容易地下降到15以下。对纯水，滤速随压差的增加呈线性增加。而大分子溶液，滤速增加到一定值后则不随压差的增大而增加。溶质的浓度越高，则通量越低，温度升高，通量增加。mbxx操作压差对超滤通量的影响流速增大温度升高进料浓度降低膜阻力增加区域边界II II I IpJ纯水图1 3 2 4 超滤过程中的传质I 压力控制区；
37、I I 过渡区；I I I 传质控制区4.5.2电渗析中的浓差极化 当工作电流密度过大时时，在膜-液界面 上会形成离子耗竭层,在耗竭层中溶液的 电阻会变得很大,当恒定的工作电流通过 耗竭层时会引起非常大的电位降,并迫使 溶液中的水分子离解,产生的H+和OH-代 替离子导电，这一现象称为极化。极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。(1)降低电流功率降低电流功率 由于极化时、导致水分子大量解由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，水的解离造成离，在电场作用下，水的解离造成H和和OH离子的离子的迁移，可见其部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关迁移，可
38、见其部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关的的H和和OH离子迁移上，使电流功率下降。离子迁移上，使电流功率下降。(2)降低除盐率和产率降低除盐率和产率 极化会在浓水室阴膜表面上极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响。(3)淡水淡水pH值下降。值下降。(4)膜的使用寿命缩短。膜的使用寿命缩短。防止极化的方法：A、控制工作电流密度使之小于极限电流密度，控制i工=70-90%i极，B、定期倒换电极，减缓水垢生成。C、定期对电渗析器进行酸洗，用11.5%盐酸。D、增加水流速度，减轻极化现象。极化与沉淀：防止和消除结垢的主要措施：电渗析技术的
39、新发展：(1)频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极2-3次，对于消除和防止结垢有良好效果。次，对于消除和防止结垢有良好效果。(2)提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸的方法，使水利用率提高到的方法，使水利用率提高到7090。(3)高温电渗析：将进水加热到高温电渗析：将进水加热到7075，电渗析工效大为提，电渗析工效大为提高，电耗显著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。高，电耗显著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。(4)不解体清洗的电渗析：研制出有效的
40、化学清洗液，用以清不解体清洗的电渗析：研制出有效的化学清洗液，用以清除膜面附着物除膜面附着物(软垢软垢)，可使装置在，可使装置在23年内不必拆开清洗。年内不必拆开清洗。(5)鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效果，并能清除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，果，并能清除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，由于借空气的提升力，即可注入水，给水泵亦可省去。由于借空气的提升力，即可注入水，给水泵亦可省去。(6)与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联合组成适应范
41、围更广的电渗析离子交换除盐系统。合组成适应范围更广的电渗析离子交换除盐系统。4.5.3其他膜分离过程中的浓差极化 渗析过程中的浓差极化比较容易控制 气体分离中浓差极化可以忽略不计 微孔过滤中被阻挡的微粒一般沉积在膜结构内部,在膜表面很少有浓差极化.降低浓差极化的方法有水力法和物理、化学方法 见P1044.7膜组件 膜一般被制成膜组件,然后将膜组件组装成膜分离设备。不同的分离过程，采用的膜组件类型和结构也不同常见的膜组件膜分离设备膜分离设备:1)1)平板式膜组件平板式膜组件 平板式膜组件使用平板式膜，这类膜器件的结平板式膜组件使用平板式膜，这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由导流板、膜、构
42、与常用的板框压滤机类似，由导流板、膜、支承板交替重叠组成。支承板交替重叠组成。优点优点:组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较 大，不易堵塞，同一设备可视生产需要而组装不同数量的膜。缺点缺点:需密封的边界线长 2)2)卷式膜组件卷式膜组件 卷式膜组件也是用平板膜制成的，其结构与卷式膜组件也是用平板膜制成的，其结构与螺旋板式换热器类似。螺旋板式换热器类似。优点优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式柱比、卷式膜组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大。缺点缺点:清洗不方便，膜有损坏，不易更换，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。3)管式膜组件管式膜组件 管式膜组件由管式膜制成，它的结构原理
43、与管式管式膜组件由管式膜制成，它的结构原理与管式换热器类似，管内与管外分别走料液与透过液，换热器类似，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜分为外压和内压两种。管式膜分为外压和内压两种。缺点缺点:管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,一般仅为33330，除特殊场合外，一般不被使用。4)4)中空纤维膜组件中空纤维膜组件 中空纤维膜组件的结构与管式膜类似，即将管中空纤维膜组件的结构与管式膜类似，即将管式膜由中空纤维膜代替。式膜由中空纤维膜代替。优点优点:设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大(高达1600030000)缺点
44、缺点:中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，所以料液走管间，渗透液走管内，透过液侧流动损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。无机膜分离装置无机膜分离装置 陶瓷膜分离设备陶瓷膜分离设备膜组件特性.膜组件传质特性比较/pdcmRe610/(/)km s组件类型水力直径雷诺数传质系数中空纤维0.04100011管式1.02000014平板0.120009卷式0.150016搅拌池2.0100005转动式0.1400020六种膜组件的传质特性参数比较膜分离技术的应用:膜分离技术目前已经广泛应用于各个工业领膜分离技术目前已经广泛应用于各个工业领域，并已使海水淡化，烧碱生产，乳品加工等
45、域，并已使海水淡化，烧碱生产，乳品加工等多种传统的生产面貌发生了根本性的变化。据多种传统的生产面貌发生了根本性的变化。据统计，统计，1990年世界膜及装置的市场总销售量达年世界膜及装置的市场总销售量达72.94亿美元，是亿美元，是1980年的年的5.5倍。膜分离技术倍。膜分离技术已经形成了一个相当规模的工业技术体系。已经形成了一个相当规模的工业技术体系。以色列的海水以色列的海水淡化装置淡化装置04年年9月月14日日,国内首台百吨级低温国内首台百吨级低温多效海水淡化装置研制成功多效海水淡化装置研制成功工作人员工作人员正在品尝正在品尝淡化的海淡化的海水，他身水，他身后是纳米后是纳米多微孔陶多微孔陶
46、瓷复合膜瓷复合膜海水淡化海水淡化装置装置青岛科瑞特机海水淡化设备有限公司投资300多万、花6年时间研制的纳米多微孔陶瓷复合膜海水淡化装置采用反纳米多微孔陶瓷复合膜海水淡化装置采用反渗透法淡化海水，通过纳米技术处理的海水，各项指标完渗透法淡化海水，通过纳米技术处理的海水，各项指标完全达到或超过饮用水标准，每吨水综合成本全达到或超过饮用水标准，每吨水综合成本3.4元。比其元。比其他淡化机的他淡化机的6元成本低。元成本低。中东的海水淡化装置 反 渗 透 法 淡化所用的膜供参观的海水淡化反渗透管供参观的海水淡化反渗透管聚烯烃低压纳滤膜聚烯烃低压纳滤膜PVD系列装置系列装置 发展趋向发展趋向:1.1.膜材料膜材料2.2.膜分离用于生物技术膜分离用于生物技术3.3.渗透汽化渗透汽化4.4.新的膜过程新的膜过程5.5.集成膜过程集成膜过程
