分离科学-第五章-膜分离(之3) b

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1、纯化与分离科学纯化与分离科学纯化与分离科学纯化与分离科学Science of Separation and PurificationScience of Separation and Purification-课程总计60学时3学分-课程总计60学时3学分-研究生院教学课件梁泽斌第五章第五章膜分离（膜分离（3 3）第五章第五章第五章第五章膜分离方法膜分离方法膜分离方法膜分离方法概论概论膜过程膜过程 膜材料膜材料极化现象和膜污染极化现象和膜污染 膜表征膜表征膜过程工艺设计膜过程工艺设计 膜传递膜传递膜器设计膜器设计课程公用信箱：续前第五章第五章第五章第五章膜分离方法（膜分离方法（膜分离方法（膜分

2、离方法（3 3）（6 6- -5 5）电推动膜过程）电推动膜过程）电推动膜过程）电推动膜过程（6 6- -5 5- -1 1）电渗析）电渗析（1 1）电渗过程（）电渗过程（2 2）电渗析膜（）电渗析膜（3 3）电渗析中的浓差极化（）电渗析中的浓差极化（4 4）电渗析应用）电渗析应用（6 6- -5 5- -2 2）膜电解）膜电解（1 1）氯碱过程（）氯碱过程（2 2）双极性膜（）双极性膜（3 3）燃料电池）燃料电池（6 6- -6 6）热推动膜过程）热推动膜过程（6 6- -6 6- -1 1）膜蒸馏（）膜蒸馏（1 1）过程（）过程（2 2）膜蒸馏应用）膜蒸馏应用（6 6- -7 7）膜接触器

3、）膜接触器）膜接触器）膜接触器（6 6- -7 7- -1 1）膜接触器操作）膜接触器操作（1 1）气液接触器（）气液接触器（2 2）液液接触器（）液液接触器（3 3）无孔膜接触器）无孔膜接触器(4)(4)无孔膜接触器应用无孔膜接触器应用（6 6- -8 8）膜反应器和生物膜反应器）膜反应器和生物膜反应器）膜反应器和生物膜反应器）膜反应器和生物膜反应器（6-5）电推动膜过程（6-5）电推动膜过程 以电位差为推动力的膜过程采用荷电膜来控制离子的迁移，有允许正离子通过的阳离子交换膜和有允许负离子通过的阴离子交换膜。这种离子的传递的机理是Donnan排斥理论。电势与荷电膜以不同的结合方式有以下膜过程

4、：电渗析、膜电解、双极性膜、燃料电池。以电位差为推动力的膜过程采用荷电膜来控制离子的迁移，有允许正离子通过的阳离子交换膜和有允许负离子通过的阴离子交换膜。这种离子的传递的机理是Donnan排斥理论。电势与荷电膜以不同的结合方式有以下膜过程：电渗析、膜电解、双极性膜、燃料电池。 （6-5-1）电渗析（6-5-1）电渗析 电渗析过程如图所示。电渗析过程如图所示。过程安排交替排列的阳、阴离子交换膜、整个装置就是这些膜叠堆组成过程安排交替排列的阳、阴离子交换膜、整个装置就是这些膜叠堆组成。阴阳离子膜之间组成一个腔室。当两边加有电势时，正离子向阴极移动、负离子向阳极移动；阴阳离子膜之间组成一个腔室。当两

5、边加有电势时，正离子向阴极移动、负离子向阳极移动；正离子不能通过带正电的膜、负离子不能通过带负电的膜；正离子不能通过带正电的膜、负离子不能通过带负电的膜；这样造成一个腔室（截留腔室）中的离子浓度提高，相邻腔室（稀液腔室）的离子浓度下降。两个腔室组成一个腔室对。这样造成一个腔室（截留腔室）中的离子浓度提高，相邻腔室（稀液腔室）的离子浓度下降。两个腔室组成一个腔室对。电透析原理电透析原理阳极阳极阴极阴极阴离子交换膜阴离子交换膜阳离子交换膜阳离子交换膜原料溶液原料溶液浓溶液浓溶液稀溶液稀溶液（1）电渗过程（1）电渗过程 离子通过膜传递的量与加到膜上的电流强度离子通过膜传递的量与加到膜上的电流强度I或

6、电流密度或电流密度i(A/cm(A/cm2 2) )成正比,若电流效率为成正比,若电流效率为，原料与渗透物之间的浓度差为，原料与渗透物之间的浓度差为Ci，：，： 若每个腔室（单位面积）的电阻为若每个腔室（单位面积）的电阻为Rcp，阴离子交换膜电阻为，阴离子交换膜电阻为Ram，渗透物腔室电阻为，渗透物腔室电阻为Rpc，阳离子交换膜电阻为，阳离子交换膜电阻为Rcm，原料腔室电阻为，原料腔室电阻为Rfc，则由N个腔室对组成的膜叠堆的总电阻为，则由N个腔室对组成的膜叠堆的总电阻为R:(6-121)1206(/iiCqFzI)1216 ( NcRRRRNRRfcmpcamcp腔室对电阻腔室对电阻阴离子交

7、换膜阴离子交换膜阴离子交换膜阴离子交换膜膜对稀液腔室稀液腔室浓液腔室浓液腔室不同离子浓度下，离子交换膜的伏安曲线:不同离子浓度下，离子交换膜的伏安曲线:C pI氨基酸分离氨基酸分离RCCOOH-NH3+HRCCOOHNH3+HRCCOO-HNH2（4）（4）电渗析应用电渗析应用电渗析 膜型阴、阳离子交换膜主要应用 厚度100500m孔尺寸无孔 推动力电位差 分离原理Donnan 排斥 膜材料二乙烯苯、聚苯乙烯、聚乙 烯吡啶交联聚合物；聚四氟 乙烯聚磺酰氟化乙基醚共聚 物。水脱盐 食品和制药工业脱盐 分离氨基酸 生产盐（6-5-2）膜电解（6-5-2）膜电解 膜电解是将电解和膜分离过程结合起来的

8、方法。典型的例子是将氯化钠转化成苛性钠的氯碱过程。 （1）氯碱过程（1）氯碱过程 过程只使用阳离子交换膜过程只使用阳离子交换膜（不需要阴离子交换膜）。在膜电解池中，用（带负电）的阳离子交换膜把两个腔室隔开。氯化钠溶液被泵入左腔室，在阳极处氯离子电解成氯气、钠离子迁移向阴极；在右侧腔室，水被电解在阴极产生氢气和氢氧根，带负电的氢氧根向阳极迁移，但不能通过阳离子交换膜。因而在左腔室得到氯气，在右腔室得到氢气和氢氧化钠溶液。如图所示。膜电解过程与氯碱过程膜电解过程与氯碱过程阳极阳极阴极阴极阳离子交换膜阳离子交换膜NaCl原料溶液NaCl原料溶液Cl2 2Cl- -Na+OH- -OH- -水Cl2

9、2H H2 2NaClNaOH 氯碱过程示意图氯碱过程示意图阳离子交换膜阳离子交换膜阳极阳极阴极阴极膜电解过程示意图膜电解过程示意图（2）双极性膜（2）双极性膜 双极性膜应用的一个例子就是利用硫酸钠生产硫酸和氢氧化钠的膜过程，如图所示。双极性膜原理示意双极性膜原理示意OH- -H+ +H2O阴极阴极阳极阳极（2）双极性膜-2（2）双极性膜-2 双极性膜生产氢氧化钠和硫酸双极性膜生产氢氧化钠和硫酸H+ +OH- -NaNa+ +NaNa+ +SO4 2-2-SO4 2-2-阴极阴极阳极阳极Na2 SO4Na2 SO4H2 SO4NaOH（3）燃料电池（3）燃料电池 假如用Nafion膜进行离子传

10、递称为固体聚合物燃料电池（SPFC），只 能 在 100 以 下 工作。使用熔融盐进行离子传递如熔融盐固体电池（MFC）和固体氧燃料电池（SOFC）则可以在1000下工作。也可以用其它燃料代替氢，例如丙烷、甲醇等，用过氧化氢代替氧。H2OO2H2e- -阴极阴极阳极阳极膜膜H+ +燃料电池示意图阳极反应2H2 -4 e =4 H+ + 阴极反应4 H+ O2 + 4 e =2 H2O 总反应总反应2H2 + O2 =2 H2O（6-6）热推动膜过程（6-6）热推动膜过程 当被分割的两相处于不同的温度下时，热量将从高温侧传向低温侧，热量通过均质膜的传导可表达为： 除了热量传递外，也发生物质的传递

11、，这种过程称为热渗透或热扩散，过程不会发生相转变。另一类热推动膜过程是膜蒸馏。用膜经两种不浸润膜的液体分开。如液体的温度不同，则蒸汽压差会使分子从高温侧（蒸汽压高）向低温侧（蒸汽压低）传递。)1406()(0lhTTlxddTJ稳态（6-6-1）膜蒸馏（6-6-1）膜蒸馏 用膜经两种不浸润 膜 的 液 体 分开。如液体的温度不同，则蒸汽压差会使分子从高温侧（蒸汽压高 ） 向 低 温 侧（蒸汽压低）传递。H2OH2O透析物透析物空气空气/蒸汽蒸汽液相水液相水液相水液相水原料原料T1 T2T1T2膜蒸馏示意图膜蒸馏示意图（6-6-1）膜蒸馏-2（6-6-1）膜蒸馏-2 膜蒸馏过程的传递过程包括三个

12、步骤：膜蒸馏过程的传递过程包括三个步骤： 高温侧蒸发、 蒸汽分子通过疏水膜孔进行传递 低温侧冷凝 （1）过程（1）过程 膜蒸馏是一种膜不直接参与分离作用的膜过程。膜的作用仅仅是两相的屏障，分离的选择性完全取决于汽液平衡相图，蒸汽压高的组分渗透速率也快。挥发性组分的传递通量)1416( iipBJ（6-6-1）膜蒸馏-3（6-6-1）膜蒸馏-3 传递通量正比于推动力传递通量正比于推动力（温差、以及有温差引起的蒸汽压差）。（温差、以及有温差引起的蒸汽压差）。 常数B和膜的材料、孔结构、孔隙率、膜厚度有关常数B和膜的材料、孔结构、孔隙率、膜厚度有关。 对膜蒸馏所用的膜的要求是：对膜蒸馏所用的膜的要求

13、是：避免备料液润湿，避免备料液润湿，因此因此膜材料的表面能应尽可能低膜材料的表面能应尽可能低：如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等。：如聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等。膜应有高孔隙率膜应有高孔隙率（希望孔隙率在70（希望孔隙率在7080%，孔径为0.280%，孔径为0.20.3m。）以及大孔（孔径太大有利于润湿）、0.3m。）以及大孔（孔径太大有利于润湿）、膜应该薄一些。被处理的液体应有高的表面张力膜应该薄一些。被处理的液体应有高的表面张力。（2）膜蒸馏应用（2）膜蒸馏应用 a)以取得渗透物为目的：a)以取得渗透物为目的： 纯水生产：（半导体工业用水、电厂锅炉用水、海水脱盐

14、） 当原料中盐的浓度高，并不影响膜的性能。但溶液盐的浓度高除了渗透物的蒸汽压降低是通量下降外，产生的渗透压影响渗透物的通量（渗透速率） b)以取得截留物为目的b)以取得截留物为目的 废水处理，盐、酸等的浓缩 挥发性生物产品的脱除（例如通过发酵制取乙醇、丁醇、丙酮或芳香化合物等生物产品，可通过膜蒸馏脱除） 水溶液中脱除挥发性有机化合物（VOC）,如氯代烃或芳香化合物等（2）膜蒸馏应用-2（2）膜蒸馏应用-2膜蒸馏 膜型对称或不对称多孔膜主要应用 厚度20100m孔尺寸0.21.0m 推动力蒸汽压差 分离原理汽液平衡 膜材料疏水聚合物。纯水生产（实验室、半导体工业、 海水脱盐、锅炉用水） 水溶液浓

15、缩 挥发性有机化合物脱除（地表水 苯等） 发酵产品或芳香族化合物生产（6-7）膜接触器（6-7）膜接触器 膜接触器是用于萃取过程的膜分离。也称为渗透萃取、渗透抽提、气体吸收、膜基溶剂萃取、膜基气体吸收和气提等。膜体系的优点是单位体积的传质面积很大，可达1600膜接触器是用于萃取过程的膜分离。也称为渗透萃取、渗透抽提、气体吸收、膜基溶剂萃取、膜基气体吸收和气提等。膜体系的优点是单位体积的传质面积很大，可达16006600m2/m3；膜体系消除了液泛和雾沫；6600m2/m3；膜体系消除了液泛和雾沫； 对于汽液体系，如气相压力较低，则液相会蒸发引起不稳定。对于液液体系，膜可能由于缓慢溶解或乳浊液的形成不稳定甚至被破坏对于汽液体系，如气相压力较低，则液相会蒸发引起不稳定。对于液液体系，膜可能由于缓慢溶解或乳浊液的形成不稳定甚至被破坏。（6-7）膜接触器-2（6-7）膜接触器-2几种典型的膜接触器几种典型的膜接触器液体液体汽体汽体液体液体汽体汽体汽液接触器汽液接触器液汽接触器液汽接触器液体液体液体液体液液接触器液液接触器（6-7-1）膜接触器操作（6-7-1）膜接触器操作 有汽液接触器、液汽接触器、液液接触器三种不同形式。组分组分i从原料相传至渗透物相通常包含以下三个步骤：从原料相传到膜、扩散通过膜、从膜传到渗透物相。