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1、分离技术概论压差膜分离第一页，讲稿共九十页哦第第3章章反渗透、纳滤、超滤与微滤反渗透、纳滤、超滤与微滤第二页，讲稿共九十页哦反渗透、纳滤、超滤、微滤、过滤范围反渗透、纳滤、超滤、微滤、过滤范围合成色素纳滤反渗透超滤微滤过滤10.01.00.10.01操作压力MPa原子半径伤肺尘埃m(对数)(对数)常见物质的相对尺寸近似分子量第三页，讲稿共九十页哦压差推动力膜的分子渗透示意压差推动力膜的分子渗透示意该示意图表示的是：反渗透、纳滤、超滤、微滤反渗透、纳滤、超滤、微滤？小分子小分子中分子中分子大分子大分子膜膜原料原料透过侧透过侧第四页，讲稿共九十页哦(a)C1=C2,p1=p2 1=2，1=2(b)
2、C1C2,p1=p2 12,1C2,p1p2 12,1=2,p=(d)C1C2,p1p2 12,12,p 渗透与反渗透渗透与反渗透第五页，讲稿共九十页哦渗透压与最大溶质重量分数的关系渗透压与最大溶质重量分数的关系13.8MPa6.9MPa3.5MPa0.69MPa溶质重量分率溶质分子量第六页，讲稿共九十页哦几种化合物在水溶液中的浓度与渗几种化合物在水溶液中的浓度与渗透压的关系透压的关系 1、2、3、4、5、6、7、8氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖氯化锂、氯化钠、乙醇、乙二醇、硫酸镁、硫酸锌、果糖、蔗糖 各化合物在水中的浓度，%(w/w)渗透压MPa3528211470
3、第七页，讲稿共九十页哦各种渗透压计算方程各种渗透压计算方程式中，B为常数,Xs为溶质摩尔分数；第八页，讲稿共九十页哦 各种溶质各种溶质-水体系的反渗透水体系的反渗透B值值第九页，讲稿共九十页哦反渗透反渗透第十页，讲稿共九十页哦The water flux equation For RO A=310-3 610-5 m3/m2h.bar For NF A=210-2 310-3 m3/m2h.bar第十一页，讲稿共九十页哦The solute permeability coefficient is a function of the diffusivity and the distributio
4、n coefficient The solute flux equation 第十二页，讲稿共九十页哦The limiting case Rmin is reached as P tend to infinity.The constant A must be as high as possible whereas the constant B must be as low as possible to be obtain an efficient separation.That means：R tend to 1.第十三页，讲稿共九十页哦Kimura-Sourirajan优先吸附毛细优先吸附毛
5、细管流动机理模型管流动机理模型式中，A为水的渗透系数；为溶质的渗透系数,其与溶质性质、膜材料性质以及膜表面平均孔径有关。第十四页，讲稿共九十页哦反渗透过程的渗透系数反渗透过程的渗透系数若膜已确定，则在一定的压力下，若膜已确定，则在一定的压力下，与与料液的浓度和流速无关，随温度升高而增料液的浓度和流速无关，随温度升高而增加；加；当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范当膜的平均孔径很小时，在很宽的压力范围内，几乎是个常量，围内，几乎是个常量，当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于当膜的孔径较大时，则随压力增加而趋于降低。降低。第十五页，讲稿共九十页哦渗透系数的物理意义渗透系数的物理意义 是三个具有重要
6、意义的物是三个具有重要意义的物理量的组合，理量的组合，在反渗透设计中，不必知道其中每在反渗透设计中，不必知道其中每个数值，只需知道其总值即可。个数值，只需知道其总值即可。第十六页，讲稿共九十页哦 的值可通过选择适当的参考溶质来预测。如：氯化钠是醋酸纤维膜的参考溶质；甘油、葡萄糖可作为芳香聚酰胺膜的参考溶质。第十七页，讲稿共九十页哦溶质渗透系数推算式溶质渗透系数推算式式中：为把一种离子从本体溶液相迁移到膜界面所需要的自由能；为料液中各种离子的排斥自由能参数之和；为与膜有关的常数，与溶质浓度无关。第十八页，讲稿共九十页哦完全离解的无机电解质或有机溶完全离解的无机电解质或有机溶质的膜渗透系数质的膜渗
7、透系数以NaCl为参考溶质，由实验测得溶质渗透系数，再由下式经线性回归求出常数其中 nc、na 分别为从每摩尔溶质中离解出的阳离子和阴离子的摩尔数。第十九页，讲稿共九十页哦部分离解并形成离子对的无机溶质渗透部分离解并形成离子对的无机溶质渗透系数系数式中，为离解度。对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算，必须在上式对于不离解的极性有机溶质的渗透系数推算，必须在上式中引入有机溶质的极性参数和位阻参数，推算比较复杂。中引入有机溶质的极性参数和位阻参数，推算比较复杂。第二十页，讲稿共九十页哦碱金属阳离子和卤族阴离子的自由能参碱金属阳离子和卤族阴离子的自由能参数数离子种类 （G/RT）i 25芳香聚酰胺
8、芳香聚酰胺酰肼醋酸丙酸纤维素aLi+1.771.201.25Na+2.081.351.30K+2.111.281.27Rb+2.081.271.23Cs+2.041.231.18F1.031.030.42Cl1.351.351.10Br1.351.351.15I1.331.331.20第二十一页，讲稿共九十页哦有机离子在25的自由能参数 有机离子种类有机离子种类HCOO4.78mCH3C6H4COO5.67HC6H4（COO）24.63mOHC6H4COO5.64C2O4214.06pClC6H4COO5.63tC4H9COO6.90mNO2C6H4COO5.92iC3H7COO6.11pNO
9、2C6H4COO5.93环C6H11COO6.24oClC6H4COO6.41nC4H9COO6.11oNO2C6H4COO6.61nC3H7COO6.06HOOCCOO6.60C2H5COO6.14HOOC(CH2)2COOs5.65CH3COO5.95CH3CHOOHCOO6.30C6H5(CH2)3COO5.93HOOCCH2COO6.46C6H5(CH2)2COO5.86HOOCCH(OH)CH2COO5.97C6H5(CH2)COO5.69HOOCCH(OH)CH(OH)COO6.40C6H5COO5.66HOOCCH2C(OH)PCH3OC6H4COO5.74(COOH)CH2CO
10、O6.24第二十二页，讲稿共九十页哦例题例题 计算计算4种无机物的溶质渗透系数种无机物的溶质渗透系数例例3-1 利用附录A的排斥自由能参数，推测出醋酸纤维素膜分别用于分离MgSO4、MgCl2、NaCl、KNO3水溶液时的溶质渗透系数，排出溶质截留率的次序；求离解度为60%的MgSO4溶液的值，并与完全离解的MgSO4溶液的溶质渗透系数值比较。第二十三页，讲稿共九十页哦求出四种盐的自由能参数：解：第一步解：第一步第二十四页，讲稿共九十页哦获得：获得：4种水溶液的溶质渗透系数大小种水溶液的溶质渗透系数大小当所使用的膜相同，数值较小，表示溶质透过量较少，而溶质的截留率较高。该膜对KNO3截留率最低
11、，而渗透通量最高。第二十五页，讲稿共九十页哦对于离解度为60%的MgSO4溶液同一种溶液，离子对的存在会使溶质渗透系数在数值上增加，因此，降低了该膜对溶质的截留率。第二十六页，讲稿共九十页哦反渗透过程的回收率反渗透过程的回收率式中，VP、Vf分别为透过液液和原料液的浓度。第二十七页，讲稿共九十页哦原料液浓度、回收率和截留率的关系 当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不能完当反渗透过程中溶质是所需要的组分时，如果膜不能完全截留溶质，有部分溶质被损失掉。全截留溶质，有部分溶质被损失掉。第二十八页，讲稿共九十页哦反渗透过程的溶质损失率反渗透过程的溶质损失率与回收率、与回收率、截留率的截留率的关
12、系关系 第二十九页，讲稿共九十页哦反渗透膜的溶质截留率大多在反渗透膜的溶质截留率大多在0.90.95之之间；间；回收率不高；回收率不高；为提高料液的利用，必须采用多段或多级工为提高料液的利用，必须采用多段或多级工艺过程。艺过程。第三十页，讲稿共九十页哦反渗透工艺流程反渗透工艺流程 一级一段循环式反渗透流程一级一段循环式反渗透流程一级一段连续式反渗透流程一级一段连续式反渗透流程第三十一页，讲稿共九十页哦反渗透工艺流程反渗透工艺流程 一级三段连续式二级一段循环式第三十二页，讲稿共九十页哦反渗透系统的设计反渗透系统的设计第三十三页，讲稿共九十页哦反渗透系统设计的总体要求反渗透系统设计的总体要求1.达
13、到所需的产水率；达到所需的产水率；2.达到最高的脱盐率；达到最高的脱盐率；3.提高水的回收率；提高水的回收率；4.减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；减轻膜元件的污染和结垢，使系统运行稳定；5.减少膜元件和压力容器的数量，降低造价；减少膜元件和压力容器的数量，降低造价；6.降低系统运行压力，节约能量。降低系统运行压力，节约能量。第三十四页，讲稿共九十页哦膜元件的种类膜元件的种类（Filmtec/Dow公司膜元件）公司膜元件）膜元件种类：海水高脱盐 SW30HR 海 水 SW30 苦盐水 BW30 自来水 TW30膜元件的直径与长度 标准直径(in)：2.5、4.0、8.0等 标准长度(in
14、)：40、80等新产品:采用有效表面积替代直径与长度表示法。第三十五页，讲稿共九十页哦膜元件选择基本原则膜元件选择基本原则1.按脱盐率 92 TW30;98 BW30;99 SW30、SW30HR2.按进水含量TDS 1000 mg/L XLE 2000 mg/L TW/BWLE 10000 mg/L BW30 10000-15000 mg/L SW30 10000-50000 mg/L SW30HR第三十六页，讲稿共九十页哦膜元件选择基本原则3.按进水水源 一般水源 地表水，满足高脱盐率：BW30-365 地下水，满足高脱盐率：BW30-400 TDS2000，满足高通量：BW30LE-44
15、04.高污染水源 预处理采用传统过滤器：BW30-365FR 预处理采用超滤、微滤：BW30-365FR第三十七页，讲稿共九十页哦膜元件选择的基本原则5.按进水所需压力 10.5 atm:BW30LE,XLE-440(超低压膜）21.0 atm:BW30(自来水可选TB30）6.按产品水流量 0.2 m3/h:2.5in 3.0 m3/h:4in 3.0 m3/h:8in第三十八页，讲稿共九十页哦特殊工业应用膜元件的选择普通的膜元件与压力容器间存在死水区，因此部分用途的膜元件必须特别考虑：1.食品与饮料工业，宜采用HSRO类元件：为无外壳的元件结构，能经受85的热水消毒，满足FDA卫生标准。2
16、.2.半导体工业，宜采用半导体级膜元件半导体工业，宜采用半导体级膜元件第三十九页，讲稿共九十页哦反渗透系统设计的注意事项反渗透系统设计的注意事项第四十页，讲稿共九十页哦平均水通量及允许每年水通量衰减百分数平均水通量及允许每年水通量衰减百分数水源水源SDI水通量水通量（m3/m2.d）水通量衰减水通量衰减（百分数（百分数/年）年）地表水地表水350.3260.571 7.39.9井水井水30.5710.734 4.47.3反渗透产品水反渗透产品水10.8151.223 2.34.4SDI为给水的污泥密度系数，与反渗透膜上的污染物质的数量之间的相互关系相当吻合。第四十一页，讲稿共九十页哦年盐透过率
17、增加百分数膜种类膜型号盐透过率增加（百分数/年）超低压聚酰胺复合膜ESPA1、ESPA2、ESPA3317低压聚酰胺复合膜CPA2、CPA3、CPA4317低污染聚酰胺复合膜LFC1-365、LFC1 LFC2317海水淡化膜SWC1、SWC2、SWC3317节能型聚酰胺纳滤膜ESNA1、ESNA2317第四十二页，讲稿共九十页哦膜元件的最大给水流量与最小浓水流量膜元件的最大给水流量与最小浓水流量膜元件直径（英寸）最大给水流量（吨/小时）最小浓水流量（吨/小时）43.60.768.81.8817.02.78.519.33.2第四十三页，讲稿共九十页哦反渗透海水淡化降低成本的关键1.反渗透膜及其
18、组件 98 99 90Bacteria&virusses 99 100)90 50Microsolutes (Mw100)0-99 0-50 第五十四页，讲稿共九十页哦超超 滤滤第五十五页，讲稿共九十页哦超滤膜的截留分子量定义超滤膜的截留分子量定义截留分子量第五十六页，讲稿共九十页哦操作压力对溶剂通量的影响操作压力对溶剂通量的影响 操作压力P通量Jv第五十七页，讲稿共九十页哦 浓差极化和凝胶层模型浓差极化和凝胶层模型a.浓差极化浓差极化 b.凝胶层现象凝胶层现象第五十八页，讲稿共九十页哦浓差极化模型计算方程第五十九页，讲稿共九十页哦浓差极化比浓差极化比第六十页，讲稿共九十页哦相关传质系数第六十
19、一页，讲稿共九十页哦管内流动的传质系数管内流动的传质系数第六十二页，讲稿共九十页哦在湍流流动状态下的在湍流流动状态下的Sh准数方程准数方程Equations BABCaldcrbank-Touag0.0820.690.33Chilton-Colbum(1)0.0230.800.33Chilton-Colbum(2)0.0400.750.33第六十三页，讲稿共九十页哦扩散系数及斯托克斯半径与分子量的关系扩散系数及斯托克斯半径与分子量的关系 第六十四页，讲稿共九十页哦 蛋白质分子量与扩散系数的关系蛋白质分子量与扩散系数的关系1.核糖核酸酶 2.溶菌酶 3.乳清蛋白 4.糜蛋白酶 5.胃蛋白酶6.乳
20、球蛋白 7.卵清蛋白 8.血红蛋白 9.白蛋白 10.己糖激酶 11.免疫球蛋白12.过氧化氢酶 13.血纤维蛋白原 14.脱铁铁蛋白 15.肌球蛋白各种蛋白质的分子量g/mol121086420扩散系数D（m2/s1011）104105106123456789101112131415第六十五页，讲稿共九十页哦链型高分子的扩散系数计算方程链型高分子的扩散系数计算方程 D=8.7610-9（Mw）-0.43 式中，式中，MW 为分子量。为分子量。扩散系数与温度的关系可用下式计算扩散系数与温度的关系可用下式计算 D/T=常数常数 溶质的半径可用斯托克斯公式计算溶质的半径可用斯托克斯公式计算 rs=
21、kT/6D 第六十六页，讲稿共九十页哦Young-Carroad-Bell 方程方程（蛋白质分子的扩散系数估算）（蛋白质分子的扩散系数估算）式中，式中，M为蛋白质分子量；为蛋白质分子量；T为蛋白质溶液的温度。为蛋白质溶液的温度。第六十七页，讲稿共九十页哦凝胶层模型计算方程凝胶层模型计算方程第六十八页，讲稿共九十页哦蛋白质凝胶浓度蛋白质凝胶浓度透水通量l/m2h蛋白质浓度w/w%Cg=28%238204170136102683401510203050805000cm/min20001000500第六十九页，讲稿共九十页哦渗透压模型与边界层阻力模型计渗透压模型与边界层阻力模型计算方程算方程第七十页
22、，讲稿共九十页哦间隙洗滤和连续洗滤过程 (a)间隙洗滤间隙洗滤 (b)连续洗滤连续洗滤第七十一页，讲稿共九十页哦多级连续洗滤系统多级连续洗滤系统加水加水加水渗透物渗透物渗透物进料产物加水进料渗透物产物(a)并流 (b)逆流第七十二页，讲稿共九十页哦洗滤过程的浓度比与体积稀释比洗滤过程的浓度比与体积稀释比第七十三页，讲稿共九十页哦溶质浓度比与体积浓缩比的关系lg(SCR)=Rlg(VCR)体积浓缩比体积浓缩比 溶质浓度比溶质浓度比第七十四页，讲稿共九十页哦溶质浓度比与体积浓缩比之间的关系溶质浓度比与体积浓缩比之间的关系 体积浓缩比（VCR）溶质浓度比SCR第七十五页，讲稿共九十页哦 溶质截留率与
23、体积稀释倍数对溶质去除率的影响溶质截留率与体积稀释倍数对溶质去除率的影响 溶溶质质去去除除率率体积稀释倍数体积稀释倍数第七十六页，讲稿共九十页哦连续洗滤过程中体积稀释比对溶质去除率连续洗滤过程中体积稀释比对溶质去除率的影响的影响1.当截留率为零时，体积稀释比大于4时，几乎可洗去溶液中的所有小分子溶质；2.而当截留率为90%时，即使体积稀释比增加到6倍，其溶液中溶质的去除率也只有40%。第七十七页，讲稿共九十页哦各种超滤操作工艺流程各种超滤操作工艺流程回流料液槽料液泵循环泵循环回路膜组件透过液截留液料液料液槽料液泵膜组件浓缩液透过液料液料液槽料液泵膜组件浓缩液透过液料液料液槽料液泵膜组件浓缩液透
24、过液第七十八页，讲稿共九十页哦微微 滤滤第七十九页，讲稿共九十页哦两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系关系(a)终端微滤终端微滤(b)错流微滤错流微滤第八十页，讲稿共九十页哦第八十一页，讲稿共九十页哦式中：式中：np为单位面积上的孔数；为单位面积上的孔数；rp为孔半径；为孔半径；l为膜厚；为膜厚；pm为膜两侧的压差。为膜两侧的压差。Hangen-Poiseuille Equantion第八十二页，讲稿共九十页哦Kozeny-Carman Equations第八十三页，讲稿共九十页哦膜的通量衰减模型膜的通量衰减模型式中，式中，N为进入多孔内的悬浮固
25、体浓度；为进入多孔内的悬浮固体浓度；hm为流道深度；为流道深度；np为孔为孔数；数；dp为过滤前多孔外径；为过滤前多孔外径；为在孔表面沉结构的孔隙率；为在孔表面沉结构的孔隙率；PTMP为膜两侧压力差。为膜两侧压力差。式中，式中，1和和 1为常数为常数第八十四页，讲稿共九十页哦错流过滤能成功地限制滤饼层的形成，那么，当微滤形成滤饼层的速率与膜面流速使滤饼消失的速率达到平衡时，滤饼层厚度一定，这样滤饼层阻力成为常数。这时过滤物体积与通量速率呈线性关系。第八十五页，讲稿共九十页哦 压差与滤饼比阻力压差与滤饼比阻力 的关系的关系 第八十六页，讲稿共九十页哦微滤级联工艺过程微滤级联工艺过程过滤系统中，某
26、些微滤膜常被用于多级级过滤系统中，某些微滤膜常被用于多级级联微滤过程，不少场合下，多级微滤过程联微滤过程，不少场合下，多级微滤过程比单级过程能获得更高浓度或纯度的产品。比单级过程能获得更高浓度或纯度的产品。图图1，2为三级和二级级联微滤工艺，假定为三级和二级级联微滤工艺，假定工艺过程中所用膜的面积充足，产品不发工艺过程中所用膜的面积充足，产品不发生浓缩现象。请比较二工艺过程的优缺点。生浓缩现象。请比较二工艺过程的优缺点。第八十七页，讲稿共九十页哦二种微滤工艺二种微滤工艺第八十八页，讲稿共九十页哦对三级微滤级联工艺对三级微滤级联工艺每级膜单元的质量平衡为求解以上三元方程，得求解以上三元方程，得C1=0.8C0,那么，产品回收率那么，产品回收率产品的稀释因子第八十九页，讲稿共九十页哦 对二级微滤级联工艺对二级微滤级联工艺每级膜单元的质量平衡为每级膜单元的质量平衡为由以上二元方程，得由以上二元方程，得C0=C1=4C2,那么，产品回收率那么，产品回收率产品的稀释因子产品的稀释因子第九十页，讲稿共九十页哦