PPT《固膜分离》

固膜分离 概述膜分离技术是指在某种驱动力的作用下,利用膜对混合物中各组分的选择透过性能的差异,实现物质分离的技术.

1.膜的渗透通量 膜分离方法的驱动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差 .而膜的选择透过性和膜的渗透通量是衡量膜效率的两项重要指标. 一个理想膜的分离特性,表现在它对混合物的各种组分的选择透过性上,它允许部分组分透过膜,而对另一些组分表现出强烈的截留.膜的选择性不仅取决于渗透分子的大小与形状,而且更重要的取决于膜材料的组成和结构. 1.2 膜材料 膜分离过程要求膜具有良好的选择透过性、足够高的传递速率外,它还必需具有良好的机械强度和化学稳定性.目前大部分膜材料是有机高分子物质. 1.3 各种渗透膜的截留范围 各种渗透膜对最小粒子(分子)的截 留范围见-图1.0 1.4 膜分离过程及应用 膜分离可在室温,无相变条件下进行,分离效率高,具有广泛的应用性.尤其适合于化学或物理性质相似物质、同分异构体、热敏性物质、大分子物质等的分离.由于渗析和电渗析,超滤和微滤在基本原理上有相同之处,以下主要介绍反渗透、超滤、电渗析和气体分离四种固膜分离方法. 几种主要的膜分离方法见表1: 2.反渗透 反渗透是借助半透膜能透过溶剂而截留溶质的作用,在高于溶液渗透压的压力推动下,使溶剂透过膜,使溶质保留于溶液中,从而达到溶剂与溶质分离的过程. 2.1 渗透压与反渗透 当溶液与溶剂之间,被一个能让溶剂(水)分子通过,而不允许溶质通过的半透膜隔开时,由于在恒温、恒压条件下纯水的化学位活度高于溶液中水的化学位,于是水分子从溶剂一侧通过膜向溶液一侧渗透.当渗透达到平衡时,膜两侧存在着一定的压力差,通常称为溶液的渗透压.此时,由于渗透压的存在,使纯溶剂不再向溶液一侧渗透. 溶液的渗透压随着溶液的浓度增加而增高.对溶液一侧施加压力P,使P大于溶液的渗透压π时,溶液相中水的化学位将高于溶剂相中水的化学位.此时,水分子会从溶液一侧反向地通过膜渗透到溶剂一侧,此即反渗透过程 . 2.2溶剂与溶质的渗透通量 实际上一般所用的半透膜并不是只透过溶剂而完全不透过溶质的,在反渗透过程中,不单会发生溶剂(水)通过膜的迁移,而且还会发生由于浓度差引起的溶质扩散迁移.透过膜的溶剂通量与压力差成正比.另一方面,在操作压力ΔP不变时,由于料液侧溶质浓度增加,引起渗透压增高,使净压力减少,也会引起溶剂通量降低. 溶质渗透通量由两部分组成, 一项为因体积流而透过的溶质量,第二项称为扩散项,表示溶质以扩散方式透过膜的部分,它与膜两侧溶液浓度差成正比.在反渗透过程中, 由于在膜表面附近的溶质浓度大于本体溶液的浓度,从膜表面到本体溶液间形成了一个有浓度差的边界层.由于浓度梯度,促使溶质又反向扩散回到本体溶液中,这种现象称为浓差极化,导致溶剂的渗透通量降低. 2.3 反渗透膜 目前,用于反渗透的膜,多为非对称膜和复合膜.有三种基本类型的膜:醋酸纤维素膜(CA膜)、聚酰胺膜(PA膜)和聚酰胺聚砜复合膜(TFC)反渗透膜多为亲水极性膜.溶液的pH值、使用温度对膜的性能都有一定的影响. 此外,要求膜具有一定的机械强度具有高选择性、高渗透通量. 2.4 应用(1) 水处理 :海水、苦咸水淡化,超 纯水制备,电厂锅炉用水净化,废水 处理;

(2) 食品和生化工业:从酸性干酪乳清 中分离回收乳糖、脂肪和蛋白质;

(3) 药工业:抗生素、维生素、激素、 氨基酸等溶液的浓缩,针剂用高纯 水的制备;

(4) 重金属、贵重金属的回收. 3.超滤 超滤是利用膜的微孔,将溶液中的胶体微粒、大分子截留,而使水和小分子物质透过膜的一种分离方法.与反渗透一样,超滤的驱动力也是压力差. 在超滤中,超滤溶液的溶质多为大分子,大分子溶质易被膜截留,而分子量小于300~500的溶质容易透过膜. 3.1 浓差极化与凝胶层阻力浓差极化:膜表面上溶质的浓度超过本 体溶液中溶质的浓度,形成了由膜 表面到本体溶液间的浓度梯度,它 会促使溶质反向扩散回到本体溶液 中(由于浓度梯度推动力).凝胶层阻力:当膜表面上大分子溶质的 浓度增加到饱和浓度时,膜表面上 的溶质会形成凝胶层 . 3.2 溶质的截留 当含有一定分子量分布的大分子溶液通过不同的超滤膜时,溶剂分子可以自由的扩散通过,而溶质分子按其分子量的大小被不同程度截留,见图4. 3.3 膜材料与膜组件 超滤膜的结构多为非对称膜或复合膜.根据膜对溶剂的亲合性,有亲水膜和疏水膜两种类型.最常用的亲水膜有三醋酸纤维素、聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯晴、尼龙、硝酸纤维素以及带有磺酸基的聚合物膜等.目前,国内外采用的超滤膜组件有管式、板框式、螺旋卷式和中空纤维式四种. 3.4 应用(1)电泳涂料回收 :从洗涤水中除去 铬酸盐、磷酸盐后回收底漆 ;

(2)废水处理 :从胶乳废水中回收 胶乳 ,从废水中回收纸浆、聚乙 烯醇等 ;

(3)生物产品的分离、纯化和浓缩 ;

(4)胶束增效超过滤 . 4. 电渗析 电渗析是使用带电荷膜在电位差驱动下,从水溶液中对不同离子进行分离、浓缩的一种方法.目前,在食品、制药、冶金、化学工业和工业废水处理、回收有用物质等方面得到了广泛应用,.目前,在食品、制药、冶金、化学工业和工业废水处理、回收有用物质等方面得到了广泛应用, 4.1 离子交换膜 离子交换膜是一带电荷的高分子聚合物,它的选择透过性是由于键合在聚合物链上的荷电离子对进入膜内的相同电荷离子的静电排斥(Don-nan排斥)引起的.所以阳离子交换膜不许阴离子透过,阴离子交换膜不许阳离子透过. 理想的离子交换膜应具有以下性质: (1)具有良好的化学稳定性,能耐 酸、碱、抗氧、抗氯;

(2)膜电阻小,离子选择透过性高;

(3)渗水性低;

(4)机械强度好,不易变形 . 4.2 电渗析中的物质传递过程 (1)反离子迁移:指与聚合物链上固定离 子的电荷相反的离子的迁移,这是电 渗析的主要迁移过程. (2)同离子迁移:指与聚合物链上固定 离子的电荷相同的离子的迁移 ;

(3)水的渗透:随着电渗析的进行 ,淡水 室的水向浓水室渗透;

(4)电解质的渗析:由于浓水室中电解 质的浓度大于淡水室的浓度,促使 电解质由浓水室向淡水室渗透;

(5)水的解离:由于浓差极化,淡水室 的水解离成H+和OH-,向两侧浓 水室渗透.(6)水的电渗析:由于离子的水和作用, 离子迁移时,会携带一定的水分子 透过膜.其中(1)是最希望发生的,(2)和(4)是不希望发生的,(3)、(5)和(6)是不可避免的.(见图5) 4.3 电渗析中的浓差极化 4.4 电极反应 电渗析的推动力是电位梯度.在外加直流电场作用下,阴极发生还原反应,阳极发生氧化反应. 4.4 应用电渗析主要用于:1)浓缩海水制盐;

2)制造饮料用水或作为制造纯水 的预处理过程;

3)牛奶脱盐和处理乳清;

4)处理电镀废水、放射性废水;

5)稀有金属分离;

6)抗菌素提纯. 5.气体分离 气体(包括蒸汽)分离是一种以浓度差为推动力的膜分离过程.与低温分馏、固体吸附、分子筛分离等方法相比,用膜分离气体混合物是一种设备简单、操作方便和成本较低的方法. 5.1 原理 用于气体混合物分离的膜有多孔膜和非多孔膜两类.非多孔膜的选择性较多孔膜好,目前用于气体分离的膜主要是非多孔膜,而多孔膜多作为透气膜使用.气体组分通过膜的机理比较复杂,对于多孔膜常用气体渗透分离机理;

而非多孔膜常用简单的溶解扩散模型处理. 由于气体分子在气相中的扩散系数很大,这里主要考虑气体在膜内的扩散迁移过程.以下主要介绍溶解扩散模型.气体透过非多孔膜的过程分三步进行:(1)处于膜高压侧气体混合物中的渗透 组分溶解在膜的表面上;

(2)溶解在膜表面上的组分从膜高压侧 通过膜内分子扩散传递到膜低压侧;

(3)处于膜低压侧的气体组分解吸下来. 5.2 影响渗透系数的因素5.2.1 温度的影响 对临界点以上的气体,S随温度升高而稍有增加;

对于易凝结的气体或蒸汽,S随温度升高而减小,因此,Q值常出现最小值.5.2.2 压力的影响 对大多数合成膜来说,压力差的改变对渗透系数影响不大.但是,当膜处于玻璃态有微孔时,气体压力增大会使渗透系数减小. 5.3 应用(1) 制富氧、富氮空气 富氧空气(OEA)在冶金、医疗卫生、化工、纺织、国防工业等领域都有广泛应用.用固膜分离技术制取的富氧空气,氧浓度可达40%~60%,甚至高达90%.富氮空气(NEA)在食品防腐、保鲜、防氧化等方面也有广泛用途,其氮浓度可以高达99%以上,见图7. (2)从天然气中分离回收氦、从油田 气中分离二氧化碳;

(3)从合成气中分离回收氢和一氧化碳;

(4)回收有机物蒸气;

(5)用气体分离膜研制人工肺和人工 皮肤. 谢谢! ........