膜分离过程学习笔记

膜分离过程学习笔记，包含膜分离过程的概述、膜及其组件、膜的污染、膜过滤理论、浓差极化、压力特性等，希望对你有所帮助！

膜分离过程

• 概述
  • 历史
    • 1864年第一张人造膜 亚铁氰化铜膜
    • 1950年第一张离子交换膜
    • 1960年不对称反渗透膜
    • 1970年纳米膜
    • 1980年界面聚合复合膜
    • 1990年无机膜
  • 优点
    • 对能量要求低
    • 条件温和
    • 操作方便
    • 结构紧凑
    • 维修费用低
    • 易于自动化
    • 效率较高
  • 缺点
    • 操作中膜面会发生污染
    • 耐药性.耐热性.耐溶剂能力有限
    • 单独使用膜分离技术效果有限，需与其他分离工艺结合使用
• 膜及其组件
  • 膜
    • 在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质。 把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为膜
  • 膜的类型
    • 根据形态学和化学特性以及组建的外形和种类来分类
      • 有孔膜和无孔膜.微滤膜
      • 对称膜.不对称膜.各向异性膜
  • 膜的孔道特性
    • d=4vcosθ/p
  • 膜材料
    • 有机膜
      • 均质膜
      • 非对称膜
      • 复合膜
    • 无机膜
      • 致密膜
      • 多孔膜
  • 表征膜性能的参数
    • 水通量
      • 压力0.1Mpa，温度 20℃ 透过一定量纯水所需要的时间进行测定
    • 膜截留率
      • δ=（Cb-Cf)/Cb
      • 浓差极化现象： δ=(Cm-Cf)/Cm Cm根据截留曲线可得
      • 取决于溶质分子的大小.还与分子的形状. 膜对溶质的吸附作用.其他高分子溶质的共存. 温度.pH.浓度等因素有关。
    • 截留分子质量
  • 膜组件
    • 平板式
      • 优点：保留体积小，操作费用低， 低的压力降。液流稳定， 比较成熟。
      • 缺点：投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道， 拆卸比清洁管道更费时间。
    • 螺旋卷式
      • 优点：设备投资很低，操作费用也低， 单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易。
      • 缺点：料液需经预处理，压力降大， 易污染，难清洗，液流不易控制。
    • 管式
      • 优点：易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制。 无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作， 并可用化学试剂来消毒。
      • 缺点：高的设备投资和操作费用，保留体积大。 单位体积中所含过滤面积较小，压力降大。
    • 毛细管式
      • 优点：设备投资和操作费用低， 单位体积中所含过滤面积大，易清洗， 能很好控制液流。
      • 缺点：操作压力有限，薄膜很易被堵塞。
    • 中空纤维式
      • 优点：保留体积小，单位体积中所含过滤面积大。 可以逆流操作，压力较低，设备投资低。
      • 缺点：料液需要预处理，单根纤维破坏时， 需调换整个组件，不够成熟。
    • 动态膜
      • 优点：局部混合十分好， 渗透流高，酶传递性高。
      • 缺点：单位体积中所含过滤面积小， 比较难放大。
• 分类 （根据推动力本质的不同）
  • 以静压力差为推动力的过程
    • 微滤
      • 适用于微米级范围的粒子（微孔状的膜）
    • 超滤
      • 适用于分离.纯化和浓缩大分子物质（微孔状的膜）
    • 纳滤
      • 主要用于半咸水脱盐.水软化.生物制药.微污染物脱除以及废水治理等
    • 反渗透
      • 适用于海水脱盐.超纯水制备
  • 以蒸汽分压差为推动力的过程
    • 膜蒸馏
      • 不同温度下分离两种水溶液的膜过程， 使用疏水性微孔膜
    • 渗透蒸发
      • 用来分离共沸有机混合物， 使用致密（无孔）的聚合物膜
  • 以浓度差为推动力的过程
    • 渗析
      • 血液（人工肾）的解毒 实验室规模的酶的纯化
      • 使用微孔膜如胶膜管
      • 也可用于分离气相混合物
        • 聚合物膜对不同气体表现出不同的渗透率
  • 以电位差为推动力的过程
    • 电渗析
      • 应用于海水淡化 苦咸水淡化生产饮用水
• 应用
  • 生物
  • 医药
  • 食品
  • 净水
  • 环保
  • 冶金
  • 能源
  • 电子
  • 石油
  • 仿生
• 过程讨论
  • 过程方法
    • 浓缩
      • 透过液浓度：cf=（V₀c₀-VcCc)/Vf
    • 透析过滤
      • 小分子溶质的浓度：cf=c₀exp（-1-δ/Vf/V₀）
    • 纯化
      • 总回收率：R=Vfcf/V₀c₀
  • 中空纤维膜组件的工作模式
    • 超滤
    • 再循环 （只适用于中空纤维膜）
    • 逆洗 （只适用于中空纤维膜）
  • 超-微滤系统的工厂布置
    • 开路式操作
      • 料液一次性通过组件， 导致透过液的体积非常少， 回收率低
    • 间歇式操作
      • 实验室和中试规模试验中最常用
      • 是浓缩一定量物质的最快方法 同时要求膜面积最小
    • 进料和排放式操作
      • 最终浓度在系统一开始后就能很快达到
    • 多级再循环操作
      • 客服尽量和排放是操作时通量低的缺点， 较快得到最终所需浓度
• 膜过滤理论
  • 微孔模型
    • 通量：J=1/Wm*△Ptm
  • 质量传递模型
    • Cs/Cb=exp(J/Kd)
    • 质量传递系数的估算：Sh=A(Re)ᵃ（Sc)ᵇ(Dh/L)ʷ 层流和湍流最常用
    • 径向迁移速度：Vrm=f[VsRe(rap/R)ᵃr/R] 径向迁移速度与流体速度成正比，与管径成反比。 所以窄通道超微滤器有利于悬浮液的处理
  • 阻力模型
    • 通量：J=△Pm/Wm+adMd(t)+Wb
    • 近似用式：J=A(△pm)ᵐ
  • 渗透压模型
    • cm=cbexpJ/Kd
• 膜的污染
  • 膜的劣化
    • 化学性劣化
    • 物理性劣化
    • 生物性劣化
  • 水生物（附生）污垢
    • 吸着层
      • 固结层：悬浊物质
      • 凝胶层：溶解性高分子
      • 水锈：难溶解物质
      • 吸附层：溶解性高分子
      • 立体的：悬浮物质.溶解性高分子
    • 堵塞
      • 吸附：溶解性高分子
      • 析出：难溶性物质
  • 预防和控制膜污染
    • 预处理法
    • 开发新型抗污染的膜
    • 加大供给液的流速
    • 污染膜的清洗
      • 化学洗涤
      • 物理洗涤
• 浓差极化
  • 达到一恒定速度时的管道长 Lv=BdhRe
  • 达到一恒定浓度时的管道长 Lc=0.1γmd³h/D
• 压力特性
  • △Ptm=pi-△p/2
    • 错流流动不是越大越好，而是存在有一个最佳流动。