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1、,10.2 膜分离10.2.1 膜的定义和分类定义：膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，通常亦简称为膜。,膜分离过程：分离膜以特定的方式限制两相间的物质传递，使不同的物质以不同的速率透过膜，实现物质的分离。,物质透过膜的主要三种方式：,被动传递,促进传递,主动传递, 被动传递： 物质由高化学位相向低化学位相传递， 这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。,压力差浓度差电位差温度差,推动力, 促进传递：膜内有载体，在高化学位一侧，载体同被传递的物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递的物质释放，这种传递过程有很高的选择性。, 主动传递：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放
2、能量，使被传递物质由低化学位一侧被传递到高化学位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度方向。,膜的分离性质,选择性：不同物质在两相中的浓度变化比,透过性：单位推动力下，物质在单位时间内,膜的分类：,透过单位面积膜的量,10.2.2 膜分离过程 在一定传质推动力下，利用膜对不同物质的透过性差异， 对混合物进行分离的过程。,机理模型：,不可逆热力学模型,传递机理模型,膜分离过程：气体膜分离、渗透蒸发、渗析、电渗析、反渗透、 纳滤、超滤、微滤、膜萃取、膜吸收、膜精馏、促进传递、液膜、气膜等过程。其中：渗析、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤技术已很成熟， 应用也广泛。,10.2.3 膜的形态结构,(1)
3、膜的形态结构：主要研究膜的断面与表面。, 均相膜和异相膜 均相膜：均匀地呈单相存在； 异相膜：不是呈单相存在。, 致密膜和多孔膜 致密膜：结构最紧密的膜； 多孔膜：结构较疏松的膜。, 对称膜和非对称膜 对称膜：膜的厚度方向结构均一、同性； 非对称膜：同种材料，沿膜的厚度方向上呈不同结构。,(2) 膜的孔,膜孔的结构,具有多样性，不同的膜具有不同的孔结构，同一张膜也会具有不同的孔结构。, 复合膜：在对称或非对称的底膜上，复合上一层很薄的、致密的、有特殊功能的另一种材料的膜层。, 膜的孔径、孔径分布、孔密度和空隙率膜的孔径: 膜内孔的直径, 有最大孔径和平均孔径之分；孔径分布: 某一孔径的孔体积占
4、整个孔体积的百分数；孔密度: 单位膜面积上孔的数目；空隙率: 所有孔体积占整个膜体积的百分数。, 膜的厚度 整个膜厚、膜的某个层次厚度之分。 均质膜 一般较厚，透量较小； 复合膜 可使致密层厚度极薄。,10.2.4 反渗透与纳滤,(1) 反渗透的基本原理,溶解-扩散理论： 溶剂和溶质被吸附溶解于膜表面； 溶剂和溶质在膜中扩散传递，最终透过膜。,（2）浓度极化,改变操作条件控制浓度极化： 增加原料液的流速； 适当提高操作温度,（3）膜的污染 操作一定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖，使膜的 性能下降。主要原因：原料液处理不当所造成的。如：悬浮颗粒；膜表面结垢；细菌污染；金属氧化物、有机物、淤泥
5、等。,（4）纳滤纳滤过程与反渗透过程极为相近，纳滤膜能够拦截纳米数量级的分子。与反渗透相比，纳滤水透量大、操作压力低、成本低纳滤可以用于脱除水溶液中的杂质和有机物，如印染水的脱色、饮用水的预处理等。,10.2.5 超过滤与微孔过滤,以压力为推动力的膜分离过程。超滤：截留大分子溶质，而允许低分子溶质和溶剂通过，从而 将大分子与小分子分开。,超滤和微滤的截留机理主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、在孔内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截留和膜内部网络截留。,10.2.6 渗析和电渗析,（1）渗析的基本原理 膜两侧溶液中的溶质或溶剂在浓度差的推动下透过膜。,典型过程：血液透析,（2）电渗
6、析的基本原理,溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而同其他不带电的组分分开。电渗析过程的基本原理：阳膜：带负电的阳离子传递膜阴膜：带正电的阴离子传递膜,电渗析广泛地应用于苦盐水脱盐，是世界上某些地区生产淡水的主要方法。,电渗吸过程原理,10.2.7 气体膜分离过程（1）气体膜分离的机理 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数： 渗透率P：描述膜的气体透过性； 渗透系数J：单位时间、单位膜面积、单位推动力作用下所 透过气体的量； 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一般将其定义为 两种气体i，j渗透系数
7、之比。,（2）气体膜分离的主要应用 氢气的回收利用； 从空气中制取富氮气体和富氧气体。,10.2.8 渗透蒸发过程 在膜的原料侧是液体混合物，膜的另一侧为气相真空或负压操作，混合物的各组分在分压差作用下，以不同速率从膜的一侧蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达到分离浓缩的目的。区别于其他膜过程的重要特点是有相变。假设过程分两步完成： 进料液体在膜进料侧蒸发形成饱和蒸汽， 饱和蒸汽透过膜到达膜的渗透侧。主要应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离。,10.2.9 其他膜过程（1）控制释放指：用分离膜控制药物的释放速度和作用时间，被应用于医疗和农业等方面。,两种不同给药方式的对比,（2）膜反应器膜反应器中，可以利用膜的选择透过性，连续脱除某些反应产物，保留反应物或中间产物，以促使反应不断向生成物方向进行，提高可逆反应的转化率，减少未反应物的循环量。分为两大类：催化膜反应器、惰性膜反应器。,部分膜过程的研究发展状况：,
