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1、化工分离过程 Chemical Separation Processes,第七章 其它分离技术和分离过程的选择,2,7.1 膜分离技术 7.1.1 分离用膜和膜分离设备 7.1.2 反渗透 7.1.3 超滤 7.1.4 电渗析 7.1.5 气体膜分离 7.1.6 液膜分离 7.2 吸附分离 7.3 反应精馏 7.4 分离过程的选择（自学）,第七章 其它分离技术和分离过程的选择,3,化工生产的不断发展与进步，对一些分离技术的要求越来越高，分离的难度也越来越大。为了满足人们对分离问题越来越高的要求，除了对常规分离技术进行改进和强化之外。不断开发新的分离技术也是解决各种特殊分离问题的有效手段。 本章
2、我们将对一些重要的常规分离技术和新型分离方法的基本原理和特点进行描述和研究。,第七章 其它分离技术和分离过程的选择,主要内容,4,7.1 膜分离技术,膜分离一般是指利用膜（Membrane）对流体混合物中不同组分的选择性渗透的特点来分离流体混合物的操作过程。 膜分离过程利用流体混合物中组分在特定的半透膜中迁移速度的不同，经过半透膜的渗透作用，改变混合物的组成，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集，达到组分间分离的目的。,膜分离技术概论,5,7.1 膜分离技术,膜 分 离 过 程 特 点,没有相变,常温完成,特殊溶液体系的分离,产品互溶,清晰分离难,分离过程的能耗低,适合热敏物质分离
3、,溶液中大分子分离 无机盐分离 共沸物或近沸点物系分离,膜分离过程的特点,6,7.1 膜分离技术,膜分离技术发展简史,高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。,7,7.1 膜分离技术,1861年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。,8,7.1 膜分离技术,然而，真正意义上
4、的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水丙酮溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。,9,7.1 膜分离技术,50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。 1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。,10,7.1 膜分离技术,自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜
5、（UF膜）、微孔过滤膜（MF膜）和反渗透膜（RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。 在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进一步提高。,11,7.1 膜分离技术,具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初 研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的， 为支撑液膜。 60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的 水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新 型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的 液膜，使液膜分离技术
6、具有更高的选择性。,12,7.1 膜分离技术,膜分离过程的类型,分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表7-1所示。,13,7.1 膜分离技术,表7-1 几种主要的膜分离过程,14,7.1 膜分离技术,15,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的特性： 不管膜多薄, 它必须有两个界面。这两个界面分别与两 侧的流体相接触; 膜传质有选择性，它可
7、以使流体相中的一种或几种物质 透过，而不允许其它物质透过。,膜（Membrane）是什么？有何特性？,16,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,膜上游 透膜 膜下游,17,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的分类（Classification of membrane）,18,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的分类,19,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的分类,1. 按膜的材料分类,20,7.1.
8、1 分离用膜和膜分离设备,2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。 3. 按膜的形态分类 按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber)。,21,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,4. 按膜的结构分类 对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜(Composite Membrane),22,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的材质与种
9、类,23,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,聚合物膜分类,根据聚合物的结构和作用特点，聚合物膜分为：,聚合物膜,致密膜,微孔膜,复合膜,非对称膜,离子交换膜,24,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,致密膜,致密膜就是均匀的致密薄膜，物质通过这类膜是依靠分子扩散。致密膜的渗透阻力与膜的厚度成正比。因此，通常致密膜都很薄（5nm-5m)，又成为超薄膜。,25,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,微孔膜,微孔膜的孔径很小，一般在（0.02-10 m)，微孔膜有两种：多孔膜和核孔膜，前者的膜孔有一较宽的分布范围，孔径曲折，膜厚50-250m，核孔膜用10-15m的致密膜经过特殊处理制得，其特点是孔为圆柱
10、型直孔，孔径均匀，开孔率小。,26,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,非对称膜,非对称膜的特点是膜的断面不对称。有表面活性层和支撑层组成，表面活性层很薄（0.1-1.5 m)，膜的分离作用主要取决于它，表面活性层致密无孔或孔径小于1nm的用于反渗透、气体分离等。表面活性层孔径为1-20nm的膜成为超滤膜。支撑层的厚度为50-250m，主要起支撑作用，它决定膜的机械强度，为多孔状。,27,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,复合膜,复合膜是在非对称膜的表面再加上一层0.25-15m厚的致密膜形成的膜，膜的分离作用主要决定致密活性层，她的优点在于活性层可以用各种材料，因此具有较广的选择余地。它广泛用
11、于反渗透、气体膜分离和渗透汽化等过程。,28,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,离子交换膜,由离子交换树脂制成，主要用于电渗析、有阳离子交换膜和阴离子交换膜两类，工业上用的离子交换膜都是均质膜，厚度为200m左右。,29,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,无机膜,聚合物膜通常在较低的温度使用（不高于200），而且要求原料与膜不发生化学反应。当在较高的温度下或原料流体为化学活性混合物时，可以采用由无机材料制成的膜。无机膜多以金属及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃为原料，制成相应的金属膜、陶瓷膜、玻璃膜等。这类膜的特点是耐热、机械和化学稳定性好，使用寿命长，污染少且易清洗，孔径分布均匀等，缺点是易破损，成
12、型性能差，造价高。 无机膜的发展大大扩宽了膜分离的应用领域。将无机材料与聚合物材料制成性能更好的杂合膜。,30,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的性能,膜 的 性 能,物化稳定性,强度 允许使用压力 允许使用温度 允许使用pH 对有机溶剂和各种化学品的抵抗性,分离透过特性,渗透通量 分离效率 通量衰减系数,决定膜的使用寿命,31,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,渗透通量,渗透通量通常用单位时间通过单位膜面积的透过物量表示，对任何一种膜分离过程，渗透通量越大越有利。,通量衰减,通量衰减是由于过程中的浓差极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因所导致的膜的渗透通量随时间而减少。,32,7.1.1 分
13、离用膜和膜分离设备,分离效率,对于不同的膜分离过程和分离对象可以用不同 的表示方法。,对于溶液脱盐、脱微粒或脱高分子物质，用截 留率（R）表示：,对于某些混合物的分离可以用分离系数表示：,33,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,1. 分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性 能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的 是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。,膜的制备,34,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,2. 相转化制膜工艺 相转化是指将均质的制膜液通过溶剂
14、的挥发或 向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固 相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是LS 型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S. Leob）和索里 拉金（S. Sourirajan）发明的，并首先用于制造 醋酸纤维素膜。,35,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜。 其工艺框图可表示如下图7-1：,LS型制膜法,36,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,图7-1 LS法制备 分离膜工艺流程框图,37,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,3. 复合制膜工艺 由LS法制的
15、膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.251m，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用LS法制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图7-2所示。,38,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,图7-2 复合制膜工艺流程框图,39,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。 微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。 温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而
16、破坏膜的结构。,膜的保存,40,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。,膜的保存,41,膜污染(membrane fouling),凝胶极化引起的凝胶层; 溶质在膜表面的吸附层; 膜孔堵塞; 膜孔内的溶质吸附。,膜分离过程中遇到的最大问题是膜污染，造成膜污染 的主要原因来自以下几个方面:,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,42,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜污染不仅造成渗透通量的大幅度下降，而且影响目标产物的回收率。为保证膜分离操作高效稳定地进行，必须对膜进行定期清洗，除去膜表面及膜孔内的污染物，恢复膜的透过性能。,膜的清洗,43,7.1.1 分离用膜和膜分离设备,膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸
