压力驱动膜

5.4.3 膜组件中的传质阻力
浓差极化 概念: 膜分离过程中，溶剂在 压力驱动下透过膜，溶质被截 留在膜表面积累，造成膜表面 与主体溶液间存在浓度梯度， 形成边界层，使流体阻力和局 部渗透压增加，导致溶剂通量 下降溶质的渗透量增加，这一 现象叫浓差极化。
5.4.3 Leabharlann 组件中的传质阻力稳态时，对边界层作物料平衡：
推动力： 膜过程的推动力通式为：J = A· dF/dX
其中J－通量
dF/dX－推动力
A－系数 不同的压力驱动膜过程的压力与通量范围不同
5.2.3 过程工艺参数
膜操作的压力与单位压力下通量范围比较
膜过程 MF UF 压力范围(bar) 0.1～2.0 1.0～5.0 通量范围／L· m-2· hr-1· bar-1 ＞50 10～50
5.3.4 膜组件排布与连接
膜组件基本运行方式：
–一次通过式
–部分循环式
–循环式
5.3.4 膜组件排布与连接
膜组件的基本连接方式
串联 并联
5.3.4 膜组件排布与连接
• 若干膜组件并联在一起称之为一个膜块 • 若干膜块串联连接中的级、段概念：
– 级的概念：渗透物流经的膜块数称为级数.
溶解一扩散模型的基本假设为：
（1）聚合物的致密表皮层是理想的膜。
（2）膜被当作一种液体，渗透物溶解于其中成为理想溶液，在膜的 上游或下游的界面处，（即与料液的界面或与渗透液的界面）各组分 存在化学平衡。在化学位的推动下，渗透物沿着其梯度方向扩散传递， 从膜下游解吸。物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，还取决于在膜 中的溶解度。
各行业应用发展不平衡，在冶金工业中的应用属于起步阶段
冶金溶液分离的特点：
无机离子的分离
分离程度要求高
膜分离通常仅起初分离作用
5.1 膜分离概述
冶金工业中膜分离过程主要在下述四个方面发挥作用:
稀溶液的浓缩与组分回收。
酸、碱回收及劈裂盐为相应的酸和碱返回流程使用。 实现组分之间的初步分离。
第五章
压力驱动膜过程
5.1 膜分离概述
什么是膜？
–膜是膜过程的核心，膜可以被看成是两相之间一个具有选择透 过性的屏障，具有选择性功能的一层薄膜。
不同类型膜横断面示意图
5.1 膜分离概述
膜的分类 –按膜的来源划分
• 合成膜 • 生物膜
冶金中应用的液体膜过程： – 压力驱动膜过程 – 离子交换膜过程
导致△π增加，根据Jw=A(△P-△π), 使Jw下降. 形成沉淀或凝胶层，增加透过阻力。
改变膜的分离性能，使Js增加。
有机质在膜表面浓度大会导致膜的溶胀和破坏。
严重时出现结晶，阻塞流道，无法运行。
5.4.3 膜组件中的传质阻力
减少浓差极化的措施 减少边界层厚度和提高传质系数: 改进组件 料液取横切流向 提高流速 提高料液温度，增大传质系数
5.3.2 管状类膜组件
5.3.2 管状类膜组件
图5－9 管式膜组件
5.3.2 管状类膜组件
中空纤维膜组件
中空纤维膜组件
5.3.3 板状类膜组件
1.平板式膜组件
5.3.3 板状类膜组件
平板型膜组件
5.3.3 板状类膜组件
2.垫套式膜组件
膜垫套
5.3.3 板状类膜组件
3.卷式膜组件
5.4.3 膜组件中的传质阻力
膜污染：
膜污染是指被处理的液体中的微粒，胶体粒子，有机物和微生 物等大分子溶质与膜产生物理化学作用或机械作用而引起在膜表 面或膜孔内吸附、沉淀、从而导致膜的通量与分离效果持续下降 的现象。
膜污染的形式：
表面覆盖污染 膜孔内阻塞污染
污染物的类型 ：
无机物结垢
2
L Z m
2 P JP P AP 2 2 (1 ) S(V ) 2Z m
即：多孔膜的渗透通量与膜的孔隙率、孔径（与单位体积的 比表面积相关）、膜的孔结构、厚度、溶剂的粘度、密度、 膜两侧的推动力有关。
5.4.2 膜内的传质
溶解一扩散模型---适用于无孔膜
m m
B(C F C )
B
Ds K s Ds K s X m
B — 溶质的渗透率系数 CF — 料液中溶质的浓度 CP — 渗透液中溶质浓度
Ds —盐在膜中扩散系数
Ks ——分配系数（溶解度常数）
5.4.2 膜内的传质
•水的渗透通量与压力有关. • 盐的渗透通量对于高选择性膜与压力无关，取决于盐的浓度梯度. • A、B常通过实验测定。 •速率方程中没有考虑膜溶胀等伴生效应，对此有许多人提出了一些 修正的模型。
W＿膜中水的活度
P＿膜上下游压力差
__水在膜中扩散系数 DW
CW —水在膜中的浓度
＿膜两侧溶液渗透压差
L＿膜厚
Vw＿水的摩尔体积
5.4.2 膜内的传质
盐的渗透过程：几乎完全取决于浓度梯度，可写为：
dc c Js Ds i Ds i dx x
Js D s K s CF C P X
过程易于放大.
膜的性能可以调节，膜设备可靠度很高，操作十分简便， 设备体积很小.
5.1 膜分离概述
膜分离过程的缺点：
在运行过程中可能发生浓差极化和膜污染，使分离性能 恶化。
膜的寿命有限。 选择性较低，故在高纯度分离方面的应用受到限制。
5.1 膜分离概述
膜分离的应用领域
化工、石油、生物制药、食品加工、纺织印染、水处理、环保及冶 金工业
JC S3 D
当X=0时，C=CS1 X=L时，C=CS2
dc JC dx
J
D CS 2 CS 3 ln[ ] L CS 1 CS 3
令K=D/L，当CS3非常小：
J K ln
K为传质系数
CS 2 CS 1
CS 2 CS1 —浓差极化度
5.4.3 膜组件中的传质阻力
浓差极化的危害：
毛细管膜组件 中空纤维膜组件
卷绕式膜组件 垫套式膜组件
5.3.1 概 述
5.3.2 管状类膜组件
表5-4 管状类膜的直径
组件 管式膜 毛细管 直径（mm） ＞10 0.5～10.0
中空纤维
＜0.5
表5-5 不同管径膜的单位体积的膜面积
直径（mm） 10(管式膜) 1(毛细管) 0.1(中空纤维) 装填密度(m2/m3) 360 3600 36000
NF
RO
5.0～20
10～100
1.4～12
0.05～1.4
5.2.3 过程工艺参数
分离效率，压力驱动膜的分离效率用载留率或选择性表示。
载留率：
Cp CF CP R 1 CF CF
其中:CF―原料液中溶质浓度；CP―渗透物中溶质浓度
选择性:
A/ B
A B CP / CP A B CF / CF
常用各类膜特性比较
项目 投资 污染趋势 清洗 管式 高 低 易 卷 式 毛细管 中空纤维 低 非常高 难（可反冲）
膜更换
流道 装填密度
可/不可
敞开，宽 低
不 可
狭窄，细
可
较 宽
不 可
较 细 非常高
5.3.4 膜组件排布与连接
基本过滤方式
传统的料液垂直膜的流动方式（死端过滤）
料液平行于膜面流动方式（错流过滤）
膜分离过程中的传递包括：膜内传递过程
膜外传递过程
5.4.2 膜内的传质
• 多孔膜
– 多孔模型
• 无孔膜
– 溶解-扩散模型
5.4.2 膜内的传质
多孔模型
多孔膜的分离类似于一个筛分过程。
多孔模型的三个基本假设： （ 1）假定膜上溶质沉积形成覆盖层的传质阻力可以忽略不计， 即通过多孔膜的流量等于通过覆盖层的流量。 （2）将弯弯曲曲的膜孔简单看成一个平行连接的毛细管体系， 膜的结构由下列膜参数表征。
–按膜的形态划分
• 液态膜 • 固态膜
–按膜的工作对象划分
• 液体分离膜 • 气体分离膜
– 液膜分离过程
– 热驱动膜过程
驱动力不同
5.1 膜分离概述
膜分离过程的优点：
可实现连续分离.
能耗较低. 膜过程易于相互结合使用，形成集成膜过程. 膜过程容易与其它分离过程结合形成杂化膜分离过程. 可在温和条件下实现分离.
5.2.2 压力驱动膜
固态膜
5.2.2 压力驱动膜
• 无机膜
– – – – – 陶瓷膜 玻璃膜 金属膜 沸石膜 碳膜
5.2.2 压力驱动膜
5.2.2 压力驱动膜
对称膜与非对称膜
5.2.3 过程工艺参数
5.2.3 过程工艺参数
通量J ，又称渗透速率:单位时间通过单位膜面积的量。
体积通量：L/m2· h 质量通量: kg/m2· h 摩尔通量: mol/m2 · h
5.4.4 污染控制与膜清洗
A B CP , CP ―组分A和B在渗透物中浓度 A B ―组分A和B在原料液中浓度 CF , CF
5.2.3 过程工艺参数
收率（Y）：
渗透物的体积与原料液的体积之比即为水的收率。
5.3 压力驱动膜组件（元件）
5.3.1 概 述
压力驱动膜应加工组装成一定形式和尺寸的组件 良好的膜组件应具备下列条件：
（3）忽略各渗透组分之间的相互影响
5.4.2 膜内的传质
以反渗透为例：
水或盐通过膜，可用Fick第一扩散定律进行描述。 水的渗透过程
JW= -DWdCW/dX
式中 CW —— 水在膜中的浓度 DW ——扩散系数。 JW —— 为水的渗透通量 X —— 流向坐标矢量。 若水在膜中的溶解服从Henry定律，则 dμw= -RTd1ncW = -RTdcw/cw