新型分离技术重点资料

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1、第一章绪论 1 、分离技术的定义：分离技术是指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混 合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。 2、分离技术的发展需要：新型分离技术开拓与发展的必要性 （1）科技发展与探索的需求（新材料、新产品、新工艺 ）（2）资源利用与清洁生产的需求（节能、增产）（3）生态环境保护的需求(环保和资源综合利用) 3、分离过程的几个概念：（1）分离过程： 通常由原料、产物、分离剂及分离装置组成；（2）分离剂： 加到分离系统中使过程得以实现的能量或物质； （3）分离装置： 分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的 装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。

2、 4、分离过程的分类：按照分离过程原理，可分为三大类：（1）机械分离 （2）传质分离 ( 平衡分离、速率控制分离 ) （3）反应分离 5、新型分离技术 三大类（1）对传统技术或方法加以改良的分离技术：超临界 流体萃取、液膜萃取、双水相萃取以及色谱分离等 （2）基于材料科学发展形成的分离技术：反渗透、超 滤、气体渗透、渗透汽化等膜分离技术； （3）膜与传统分离相结合形成的分离技术：膜吸收、 膜萃取、亲和超滤、膜反应器等。 6、分离技术选择的基本依据 (1) 待处理物的物性 混合物至少在物理、化学、电磁、 光学、生物学等性质方面存在以下一个或多个差异： a. 物性参数：分子量、尺寸与形状、熔点、沸

3、点、密度、溶解度等； b. 力学性质：表面张力、摩擦因子； c. 电磁性质：分子电荷、电导率、介电常数、电离电位、磁化率等； d: 传递特性常数：迁移率、扩散速度、渗透系数； e ：化学特性常数：分配系数、平衡常数、离解常数、反应速率、络合常 数等。 (2) 目标产物的价值与处理规模 目标产物的价值与规模大小密切相关，常成为选择分离方法的主要因素： 目标产物的经济价值比较低，则应采用低能耗、无需分离 剂、或廉价分离剂以及大规模生产过程；而高附加值产 物则可采用中小规模生产。 (3) 目标产物的特性 包括其热敏性、吸湿性、放射性、 氧化性、光敏性、分解性、易碎性等，这些特性常是导 致目标产物变质

4、、变色、损坏等的根本原因，因此成为 分离方法选择中的一个重要因素。 (4) 产物纯度与回收率 产物的纯度与回收率对分离方法 选择具有至关重要的作用。一般状况下，纯度越高，提取成本越大，而回收率则会随之降低。因此在选择分离 方法时需综合考虑。 第3章：反渗透、纳滤、超滤与微滤1、膜分离的特点 操作在常温下进行； 是物理过程，不需加入化学试剂； 不发生相变化（因而能耗较低）； 在很多情况下选择性较高； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位 膜分离技术的重要性 （优势） 膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效

5、、节能的特点 选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。 膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为 “ 谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来 ” 。 膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。 2、微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点： 以膜两侧压力差为推动力；按体积大小而分离；膜的制造方法、结构和操作方式都类似。 3、渗透压力 定义：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。单位: Pa或kPa。 （

6、渗透现象定义。）溶剂分子通过半透膜进入到溶液中的过程, 称为渗透 。渗透现象产生的条件： 半透膜的存在 膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等 4、渗透通量：单位时间内单位膜面积上的物质透过量 渗透通量 =渗透系数推动力 5、反渗透的概念，工作原理，条件反渗透定义 不同溶液间有不同的渗透压，当在浓溶液上施加压力，且该压力大于渗透压时，浓溶液中的水就会通过半渗透膜流向稀溶液，是浓溶液浓度更大，这一过程就是渗透的相反过程，称为反渗透。 发生反渗透过程的必须满足的 2 个条件： (a) 存在选择性透过膜； (b) 操作压力必须高于渗透压 反渗透分离机理 反渗透的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关

7、，因此除了与膜孔的大小、结构有关外，还与膜的化学、物理性质有关，即与组分和膜之间的相互作用密切相关。所以反渗透分离过程中化学因素（膜及其表面特性）起主导作用。 7、常见膜组件的种类：板框式（ plate and frame) 、 管式 (tubular modules) 、 螺旋卷式 (spirals wound) 和中空纤维式 (hollow fiber) 等四种。 8、浓差极化 概念 在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化 (concentration pol

8、arization) 。 9、膜污染 概念： 膜使用中最大的问题是膜污染。 是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染与浓差极化的差别 膜污染与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截然不同。浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。 10、微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）11、第四章气体渗透、渗透汽化与膜基吸收1、气体膜分离的定义 气体膜分离过程是一种以压力差为

9、驱动力的分离过程。在膜两侧混合气体各组分分压差的驱动下，气体分子透过膜的现象。 气体膜分离机理 对不同结构的膜，气体通过膜的传递扩散方式不同，因而分离机理也各异。目前常见的气体通过膜的分离机理有两种：其一， 气体通过多孔膜的微孔扩散机理；其二， 气体通过非多孔膜的溶解 / 扩散机理。 非多孔膜分离机理 气体在致密膜中的渗透率的差异不仅取决于气体本身的扩散性质，还取决于这些气体在膜内与膜的物理化学相互作用有关。通常以聚合物的玻璃态转变温度为界将致密膜分为橡胶态和玻璃态。多孔膜分离机理 多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差进行分离的，其分离性能与气体的种类、膜孔径等有关。 由于多孔介质及内孔表面性

10、质的差异使得气体分子与多孔介质直接的相互作用程度不同，从而表现出不同的传递特征。 2、气体分离膜的主要特征参数包括溶解度系数S 、渗透系数P 、扩散系数D和分离系数。（水果保鲜） 3、渗透汽化的概念渗透汽化（或渗透蒸发） 是指液体混合物在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分较多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是由 “permeation”( 渗透 ) 和 “evaporation”( 蒸发 ) 等两个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为 “pervaporation” ，简称 PV 。 渗透汽化的分离机理 原料液进入膜组件， 流过膜面，

11、在膜后侧保持低压。由于原液侧与膜后侧组分的化学位不同， 原液侧组分的化学位高，膜后侧组分的化学位低， 所以原液中各组分将通过膜向膜后侧渗透。因为膜后侧处于低压， 组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去，使渗透过程不断进行。 渗透汽化的操作模式 渗透汽化过程的推动力： 组分在膜两侧的蒸气分压差 组分分压差越大，推动力越大，传质和分离所需的膜面积就越小。 因此，要尽可能地提高膜两侧组分的蒸气分压差。 提高膜两侧蒸气分压差方法： 提高组分在膜上游侧蒸气分压、 降低组分在膜下游侧蒸气分压。一般采取加热料液的方法来提高组分在膜上游侧的蒸气分压，由于液体压力的变化对蒸气压的影

12、响不敏感，料液通常采用常压操作方式。 实际过程中，通常采用降低膜下游侧蒸气分压的方法来提高组分在膜两侧分压差。一般可采取以下几种方法来降低组分在膜下游侧的蒸气分压：(1) 冷凝法(2) 抽真空法(3) 冷凝与抽真空的组合(4) 载气吹扫法(5) 溶剂吸收法 4、膜基吸收的概念 膜基吸收 (membrane-based absorption) 是以疏水或亲水微孔膜作为气、液两相间的介质，并利用膜的多孔性实现气、液两相接触的一种新型分离技术。膜基吸收的传质过程 与一般的气液传质过程相比，膜基吸收多了一项气体组分通过多孔膜的传质阻力项。膜基吸收过程的传质可分为以下几种情况： (1) 气体充满膜孔 (

13、2) 液体充满膜孔 (3) 同时解吸 - 吸收 (4) 具有化学吸收 膜基吸收的操作模式 膜吸收操作过程中，虽然膜对气相组分无选择性，但在传质过程中起着关键作用，因为传质除了与操作条件有关外， 与膜结构有着密切的关系。膜相阻力是影响膜通量等传质性能的一个重要因素， 膜相阻力除了取决于膜结构外，还取决于膜孔湿润状态。在膜吸收操作中，有三种操作模式，即非湿润模式（膜孔全充气） 、全湿润模式（膜孔全充液） 和部分湿润模式（膜孔部分充液） 。 其传质过程主要经历四个过程 :(1) 气相中的物质在气相边界层中的扩散过程 ;(2) 膜孔中物质的传递过程 ;(3) 气液两相界面的物质溶解一吸收过程 ;(4)

14、 液相界面的物质向液相主体扩散过程。 第五章 渗透、电渗析与膜电解1、透析定义透析（或渗析）是一种自然发生的物理现象。当将两种不同浓度的盐水用一张透析膜隔开时，浓盐水中的电解质离子，就会穿过膜扩散，进入到淡盐水中去，这就是所谓的透析过程。这里的离子迁移，是由于膜两边的浓度差造成的，所以又称为浓差透析。 目前血液透析一般可分成三种过程，即血液透析 (hemodialysis, HD)、血液滤过 (hemofiltration, HF) 和血液洗滤 (hemodiafiltration, HDF) 。 血液透析（ HD ）在血液与透析液之间藉半透膜（透析膜）进行水和溶质的交换 ( 弥散 ) ，血液

15、中水和小分子毒素如：尿毒症毒素包括肌酐、尿素、钾等进入透析液而被清除，透析液中碱基和钙等则进入血液，从而达到清除水和毒素，维持水、电解质和酸碱平衡的目的。 血液滤过（ HF ）通过机器（泵）或病人自身的血压，使血液流经体外回路中的一个滤器，在滤过压的作用下滤出大量液体和溶质，即超滤液（ ultrafiltrate ）；同时，补充与血浆液体成分相似的电解质溶液，即置换液（ substitute ），以达到血液净化的目的。 血液透析滤过 （ HDF ）通过模拟人体肾脏的溶质清除，提供最佳的肾脏替代疗法。 是 HD 与 HF 的联合应用，兼有两者的优点。是利用高通量血液滤过器进行透析的同时经机器设置的补液系统向患者体内输入大量置换液。 HDF 采用高通透性的滤膜，其特性与肾小球基底膜相似，因此可以清除体内的大、中、小分子毒素，它对中分子物体的清除优于血液透析。 腹膜透析 腹膜透析（ peritoneal dialysis, PD ）是利用腹膜作为透析膜，向腹腔注入透析液，膜一侧毛细血管内血浆和另一侧腹腔内透析液借助溶质浓