新型分离技术讲解Word文件下载.docx

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（2）错流过滤料液以切线方向流过膜表面,料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流,从而被带出微滤组件。

多用于处理量大或固含量高的情况。

12、微滤膜的类型对称型（通孔型、网络型）、非对称型

13、微滤膜的特性①孔径较为均一，过滤精度较高，平均孔径（标称孔径）是微滤膜的一项主要性能指标,也是选膜的依据之一。

②孔隙率高③膜薄厚度一般90~150μm（无机微滤膜例外），这不仅有利于增大过滤速率,而且可减少因液体被膜吸附而造成的损失。

14、微滤分离机理

（1）膜表面截留：

①机械截留:

截留比孔径大或相当的微粒（筛分作用）②吸附截留③架桥截留表面截留易清洗,但杂质捕捉量相对较少。

（2）膜内部截留：

内部截留，杂质捕捉量较多,但不易清洗。

四、超滤超滤是以压力差为推动力的膜分离过程。

在压差作用下,料液中的溶剂及小的溶质从高压料液侧透过超滤膜,尺寸比膜孔径大的溶质被膜截留。

16、超滤膜:

非对称膜过滤方式:

错流过滤

截留机理:

①在膜表面的机械截留；

②在膜表面及微孔内吸附；

③膜孔的堵塞。

17、超滤膜性能表征①纯水渗透速率（水通量）指单位时间单位膜面积上透过的纯水的体积,一般在20～1000（L/（m2﹒h）之间.②截留（切割）分子量一般定义为膜对标准物截留率为90%时所对应的标准物的分子量，又叫标称截留分子量。

截留率：

指被截留的溶质量占进料中溶质量的百分比。

超滤膜孔径分布比较宽，实际截留能力与溶质分子大小、形状、操作条件、其它溶质的存在等多种因素有关，可能与标称截留分子量有很大差别。

一般超滤膜用于两个组分之间的分级时要求两个组分分子量相差10倍以上。

19、超滤过程中,料液中溶质受到膜的截留而在膜面上积累,使得膜表面溶质浓度高于料液主体浓度,即所谓的浓差极化。

20、超滤过程浓差极化的影响浓差极化增加了过滤阻力,减少了渗透通量,使低相对分子质量溶质的截留率升高,因而降低了选择性。

浓差极化不可避免,但可以减轻，如提高料液流速或温度（降低粘度、提高扩散系数）、增加湍动程度。

21、渗透速率及其影响因素

（1）料液浓度的影响料液浓度增加，粘度升高，浓差极化加重，渗透速率下降。

（2）温度的影响温度升高，粘度下降，扩散系数增加，浓差极化减轻，渗透速率增加。

（3）压差的影响a.过滤溶液时，在较小的压差范围内，渗透速率与压差成正比（但比纯水的低）。

b.压差较大时，由于浓差极化、膜面污染、膜孔堵塞等原因，渗透速率随压差的增加变慢。

c.压差进一步增加，膜面浓度高到足以形成凝胶层，且凝胶层厚度随压差增加而增加，使渗透速率基本不变。

22、膜的污染与劣化

（1）膜的污染指物料中的微粒或分子,由于与膜的物理,化学或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜渗透速率下降的现象。

膜污染后一般可通过清洗使其性能得到（部分）恢复。

（2）膜的劣化指膜自身发生不可逆转的变化引起膜性能变化的现象。

导致膜劣化的原因有化学、物理、生物三个方面。

化学劣化：

膜材质的水解或氧化反应等造成。

物理劣化：

膜的压密（在高压下）或干燥等造成。

生物劣化：

微生物对膜的生物降解等造成。

23.膜污染控制a膜及膜组件的合理选择。

b料液预处理：

絮凝、离心、过滤、微滤等进行预处理。

c操作条件的控制。

膜的清洗a水力学清洗：

用水或透过液冲洗。

b机械清洗：

如管式膜用海绵球等擦洗。

c化学清洗：

用酸液、碱液、氧化剂、洗涤剂、螯合剂、杀菌剂、酶等清洗。

d以上方法结合。

24、胶束强化超滤传统的超滤膜不能除去分子质量300以下的有机物及金属离子，而胶束强化超滤可以分离废水中的有机物与重金属离子。

五、渗透：

用一张只透过水而不透过盐的理想半透膜把水与盐水隔开,水分子在浓度差的推动下从纯水侧通过半透膜向盐水侧扩散,此即渗透现象。

随着渗透的进行,盐水侧液面升高,纯水侧液面下降，经过一定时间之后,两侧液面差不再变化,系统中纯水的扩散达到动态平衡,即渗透平衡。

反渗透：

对处于渗透平衡状态的体系,如果在盐水侧加一超过渗透压的压强,使盐水中水的化学位增大,破坏已形成的渗透平衡,则出现净的水分子从盐水侧通过半透膜向纯水侧扩散渗透，即所谓反渗透。

以压力差为推动力的膜分离过程,它能将溶剂（通常是水）与小分子溶质分开，其截留的溶质大小在0.1~1nm,最早用于海水、苦咸水脱盐淡化。

27、渗透压：

渗透压是溶液浓度和温度的函数渗透压与摩尔浓度或摩尔分率成正比,所以对同样质量浓度的溶液,高分子溶液的渗透压比盐溶液的渗透压低（很多），因此超滤中渗透压的影响一般较小、常忽略。

（1）溶液的渗透压不是溶液渗透能力的反映,而是溶液被纯溶剂渗透的能（潜）力的反映，也是实现反渗透需要克服的阻力。

（2）溶液渗透压越大，实现反渗透需要的外压越大。

（3）浓度越高，渗透压越大，所以反渗透浓缩的程度有限。

28、反渗透分离机理

（1）优先吸附-毛细孔流理论①水优先吸附,在膜表面形成极薄的纯水层；

②膜表面存在毛细小孔,水从中流到膜另一侧。

（2）溶解-扩散理论膜表面无孔，水通过膜分为两步：

①先溶解于膜表面；

②再扩散通过膜,且扩散是控制步骤。

反渗透膜一般为非对称膜,其表面活性层是无孔的，因而溶解-扩散理论更现实。

29、反渗透过程的浓差极化的影响:

（1）提高了渗透压,降低了水通量；

（2）增加了透盐率，降低了脱盐率；

（3）导致膜上沉淀污染、甚至出现结晶，增加了膜上阻力、进一步降低了水通量。

减轻浓差极化:

提高流速、强化湍流、提高温度（降低粘度、提高扩散系数）。

30、反渗透膜的性能①透过性能②分离性能实际应用中常用脱盐率或截留率表示分离性能③通量衰减系数（压密系数）m有机高分子膜长期处于高压下会被压密,造成透水率随时间不断下降。

m越小越好,一般要求m<

0.03（m=0.03时，一年后透水率为原来的75％左右）.

31、反渗透膜的污染与清洗

（1）膜的污染进料中存在的各种污染物在膜表面和内部沉积,造成系统性能（脱除率和产水量）下降。

料液预处理、膜的定期清洗和消毒是减少、防治膜污染的主要措施。

料液预处理方法：

a对悬浮物和胶体：

絮凝、离心、多介质过滤、微滤、超滤等；

b对微生物：

杀菌消毒（如氯化杀菌）。

（2）膜的清洗有物理法（水冲洗、机械擦洗）和化学法（清洗剂清洗）。

六、纳滤纳滤也是以压力差为推动力的膜分离过程,是上世纪90年代由反渗透发展而来，也称为低压反渗透。

它截留的溶质大小在1nm左右（1~5nm），分子量在100~1000左右，能将糖、染料、高价离子截留，而允许低价离子（部分）通过。

33、纳滤膜为非对称膜，大多带负电（如含-COOH、-SO3H基团），溶质的电荷性、溶液的pH影响膜分离性能。

与反渗透比较，纳滤的通量较大，压差较低，单位滤液的成本较低。

34、纳滤分离机理：

对不带电荷的物质（如葡萄糖），主要是筛分效应；

对离子（如Mg2＋）的分离，除筛分效应外，更重要的是电荷效应（或Donnan效应）。

35..纳滤的应用主要用于三种场合：

（1）对单价盐不要求有很高的截留率；

（2）不同价态离子的分离；

（3）高相对分子质量与低相对分子质量有机物的分离。

七、电渗析电渗析是指在直流电场的作用下（即电位差的推动下），溶液中带电离子选择性地透过离子交换膜的分离过程。

主要用于除去溶液中的电解质

37、电渗析过程当向膜间引人NaCl水溶液并通人直流电流时，在电位差的作用下Na＋和Cl－将分别向阴极和阳极移动，Na＋可以通过阳膜C但不能通过阴膜A，而Cl－则相反，这样就在膜之间形成了交替排列的淡化室和浓缩室，实现了水的脱盐淡化。

38、离子交换膜是电渗析的关键。

离子交换膜与离子交换树脂具有相同的化学结构，可以分为基膜和活性基团两大部分。

基膜是具有立体网状结构的高分子化合物（常见的是苯乙烯与二乙烯苯的共聚物），活性基团是由与基膜相连的固定离子（固定基团）和具有交换作用的解离离子（反离子）所组成。

39、电渗析中的传递过程主要过程（起分离作用的过程）：

反离子迁移

次要过程（副作用过程、有害过程）

（1）同名（性）离子迁移在电场作用下同性离子从浓缩室进入淡化室.（离子交换膜并不能完全阻止同性离子通过）。

（2）盐的浓差扩散因为浓缩室的NaCl浓度高于淡化室中的浓度。

（3）水的扩散浓缩室和淡化室之间存在浓度差,因此产生渗透压差,使水由淡化室向浓缩室扩散渗透。

（4）水的分解水分子在电势梯度作用下的电解。

40、电渗析的应用

（1）水的纯化

（2）制盐（3）医药食品（4）废水处理

八、气体膜分离气体膜分离是利用气体混合物中各组分在膜中渗透速率的不同而实现分离的过程。

分离过程的推动力是膜两侧的浓度差（分压差）。

42、气体分离膜：

一般为表层致密（无孔）或孔径很小的非对称膜。

43、分离机理：

溶解－扩散机理气体首先在高压侧膜面溶解，再通过分子扩散而传递到膜的低压侧，最后从低压侧膜面解吸。

各组分在膜中的渗透速率取决于其在膜中的溶解度及扩散系数。

44、气体膜分离的应用

（1）工业气体中H2的回收，如合成氨厂排放气和石化厂各种含氢气体中回收氢；

（2）富氧空气制备；

（3）天然气脱C02、H2S、H2O；

（4）空气及工业气体除湿。

九、渗透汽化渗透汽化（也叫渗透蒸发）是利用膜对液体混合物中组份的溶解与扩散性能的不同来实现分离的膜过程。

其推动力为浓度差（分压差）。

46、分离的机理一般认为是溶解－扩散机理，过程分三步:

（1）被分离组分在膜的液相侧表面吸附溶解；

（2）再以扩散方式从膜的液相侧传递到气相侧；

（3）最后在膜的气相侧解吸汽化。

过程的控制步骤为膜内扩散。

47、渗透汽化的特点

（1）渗透汽化膜（分离的关键）：

是表层为非多孔（致密）的非对称膜。

（2）透过组分产生由液相到气相的转变,需外界提供汽化潜热。

（3）分离系数高,特别适合于难于分离的近沸点混合物、恒沸物以及混合物中少量杂质的分离。

（4）通量较小

48、渗透汽化的应用

（1）无水乙醇生产

（2）近沸点混合物如苯－环己烷、苯乙烯－乙苯、对二甲苯－邻二甲苯等分离。

（3）混合物中少量水或有机物的脱除。

十.膜蒸馏原理:

热的非挥发性溶质水溶液（如盐水）在疏水微孔膜的左侧流过,膜的右侧靠近低温冷壁,冷壁右侧通冷却水。

因为膜的疏水性,水溶液不能进入膜孔内,水蒸汽则在分压差（因有温度差）的推动下透过膜，并在冷壁上冷凝成透过液，从而实现水与非挥发性溶质的分离（称为间接接触式膜蒸馏）。

51、膜蒸馏特点：

（1）基本是常压进行。

（2）无需把溶液加热到沸点，可以利用工厂余热及太阳能等进行。

（3）可以处理高浓度的水溶液。

（4）通量不高。

52、膜蒸馏应用：

盐水淡化、盐溶液浓缩、果汁浓缩等。

十一.膜萃取（萃取）膜萃取是用微孔膜将原料液与萃取剂隔开、萃取发生在膜表面的分离过程。

膜有疏水性膜和亲水性膜之分。

（1）.普通液－液萃取：

利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异进行分离的过程。

（2）疏水膜萃取：

用有机萃取剂萃取水相中物质的过程：

疏水膜的膜孔内充满有机相，水相侧的压力要略高于有机相的压力以防止有机相被水相夹带走，但压差也不能过大（必须小于所谓的穿透压）。

（3）亲水膜萃取：

亲水膜膜孔内充满水相，有机相侧的压力要略高于水相的压力。

57、膜萃取特点：

（1）萃取在膜面进行；

（2）没有相的分散和聚结，减少了萃取剂的夹带损失，减少了二次污染；

（3）两相流动独立，不产生“返混”，也易控制；

（4）一般在比表面积很大的中空纤维膜设备中进行。

十二.膜吸收膜吸收有膜孔内充满气体（吸收剂为水溶液时即为疏水膜）和充满吸收剂（吸收剂为水溶液时即为亲水膜）两种操作方式。

59、膜吸收特点：

（1）吸收在膜面进行；

（2）两相流动独立，易控制；

（3）没有相的分散和聚结，吸收剂的损失小。

十三.膜反应器膜反应器是膜过程和化学反应相结合的设备。

通过在反应系统中引人膜技术,以实现强化反应过程、提高反应效率的目标。

a膜反应器用于可逆反应b膜反应器用于串联反应c膜反应器用于产物抑制体系d膜反应器用于反应物控制输入

61、催化膜反应器是催化反应与膜分离的结合，由于催化反应常在高温高压下进行，所以一般用无机膜。

a催化膜反应器结构之一：

膜只起分离作用b催化膜反应器结构之二：

膜表层起催化作用c催化膜反应器结构之三：

整个膜起催化作用

62、膜生物反应器：

膜分离与生物反应的结合a外置式（分置式）MBR用于活性污泥法污水处理b浸没式（一体式）MBR用于污水处理

十四.膜的其它应用膜用于燃料电池:

直接将化学能转变为电能，可用于驱动汽车等。

a质子交换膜燃料电池:

氢燃料电池b膜用于控制释放（CR）c膜用于血液透析、人工肾、人工肝,膜用于人工肺：

血液通过膜吸收补充O2、排出CO2.

第二章 

液膜分离过程

一、概述液膜分离是利用液膜把两个互溶的组成不同的液相（一个是料液，另一个是接收相或反萃剂）隔开，溶质（被分离物质）在化学位差的推动下选择性地透过液膜，转入接收相或反萃剂（即溶质先被液膜萃取，再被反萃剂反萃取）,液膜分离也称为液膜萃取。

油性液膜：

用于水性料液和接收相水性液膜：

用于油性料液和接收相

液膜（膜相）的组成：

（1）溶剂：

水（水性膜）或有机溶剂（油性膜）,占90％以上。

（2）表面活性剂：

乳化剂,如Span80，占1-5％。

（3）添加剂：

稳定剂、流动载体等，占1-5％。

液膜有乳状液膜和支撑液膜两种。

1.乳状液膜乳状液膜分离体系包括三个部分（三相）：

（1）外相（连续相、料液）

（2）膜相（液膜）（3）内相（内包相、反萃液）

被分离的溶质由外相经液膜进入内相。

乳状液膜分离体系可看成“水一油一水”或“油一水一油”型双重乳状液高分散体系。

乳状液膜应用举例：

用NaOH水溶液萃取废水中的苯酚

乳状液膜分离体系制备①将互不相溶的膜相（设为油性）和内相（设为水性）通过高速搅拌或超声波处理制成乳状液（设为油包水）②然后将其分散到外相（设为水性）中，就形成了乳状液膜分离体系（设为水－油－水型）。

2.支撑液膜支撑液膜是将膜相溶液牢固地吸附在多孔支撑体的微孔中，形成微孔固膜支撑的液膜（制备：

将微孔固膜浸泡在膜液中,靠毛细作用或在加压下使微孔充满膜液）。

膜两侧是与液膜互不相溶的料液和反萃液,待分离的溶质自料液经支撑液膜向反萃液传递。

注：

液膜萃取时液膜两边同为水性或油性液体；

固膜萃取时一边为水性液体、另一边为油性

二、乳状液膜分离流程一般分制乳、提取、澄清、破乳四步，其中制乳、破乳是关键。

⑴乳状液膜制备:

将含有膜溶剂、表面活性剂、添加剂的液膜溶液同内相试剂混合，高速搅拌或超声波作用下制得水包油（O／W）或油包水（W／O）型乳状液。

⑵混合提取:

乳状液与料液混合接触，实现传质分离。

⑶澄清:

富集了溶质的乳状液与残液因密度不同而分层。

⑷破乳:

使用过的乳状液要回收再利用，富集了溶质的内相亦需汇集，这就需要破乳。

破乳后膜相与内相分层后分离。

破乳有高压静电法、加热法、离心法、化学法等。

三、液膜分离传质机理液膜传质的推动力是基于被分离溶质在液膜两侧界面化学位之差异。

液膜传质机理可分为两大类:

（1）被动传递:

基于纯粹的物理溶解，由浓度差所推动的传递。

也叫选择性渗透。

（2）促进传递：

接收相或膜相中加入某种试剂，使其与被分离溶质发生化学反应，进而促进溶质的传递。

促进传递又分为无载体促进传递（I型，反应发生在接收相即内相）和有载体促进传递（II型，反应发生在膜相）两种。

1.被动传递（选择性渗透）被动传递是一种单纯的溶解-扩散过程,其推动力为溶质A在膜两侧的浓度差。

一旦膜两侧溶质浓度相等,液膜传递随即终止。

分离选择性主要取决于各溶质在膜内溶解度的差异。

2.无载体促进传递（I型促进传递，接收相化学反应）溶质A因选择性溶解而从料液相进入液膜相,并在膜中扩散.A在抵达膜相与接收相的界面时,与接收相中的试剂R发生化学反应,生成的产物AR不溶于液膜。

即：

接收相中的试剂R促进了A的传递。

3.有载体促进传递（II型促进传递，膜相化学反应）这类传递方式是在膜相中引人称为载体的化合物（通常是络合剂）,载体选择性地与溶质发生可逆化学反应，就象“渡船”一样将溶质从膜的一侧载到另一侧。

类似于生物细胞膜的传递过程。

除载体外，有载体促进传递还需所谓供能溶质（典型的是H＋离子，即酸），供能溶质参与可逆反应，本身在浓度差的驱动下从膜的一侧传到另一侧，供能溶质的传递给待提取溶质的传递提供“能量”，可使待提取溶质逆其浓度差而传递。

根据待提取溶质与供能溶质的传递方向,有载体促进传递又分为逆向传递与同向传递两种。

（1）逆向传递待提取溶质A与供能溶质B的传递方向相反。

在膜左侧界面发生正反应：

A+BC→B+AC即B脱离载体C进入料液相,料液中A与载体C结合生成的络合物AC在膜内向右扩散。

在膜右侧界面发生逆反应：

B+AC→A+BC即B与C络合,并将A释放至接收相,BC在膜内向左扩散。

如此循环…净的结果：

A由左到右，B相反，C在膜内循环，起“渡船”作用。

A能够从浓度低的左侧传到浓度高的右侧，是因为B（B本身由浓度差驱动）对其“供能”或“做功”。

A逆其浓度差传递，供能溶质B顺其浓度差传递。

（2）同向传递待提取溶质A和供能溶质B的传递方向相同。

在膜左侧界面发生络合反应：

A+B＋C→ABC络合物ACB在膜内向右扩散，

在膜右侧界面发生解络反应：

ABC→A+B＋C释放出的载体C在膜内向左扩散。

供能溶质B顺其浓度差传递,而A逆其浓度差传递。

例：

利用液膜提取硫酸铀酰（硫酸浸取铀矿所得）载体为络合剂叔胺

促进传递都有化学反应。

无载体促进传递：

接收相（反萃相、内相）中加入某种试剂，其与被分离溶质发生化学反应，促进溶质的传递。

反应发生在接收相。

有载体促进传递：

液膜中加入载体（络合剂），其与被分离溶质在膜一边发生络合（正）反应，而在另一边发生解络（逆）反应。

同时需要供能溶质，根据被分离溶质与供能溶质的传递方向,分为逆向传递和同向传递两种。

反应发生在膜相。

液膜分离的优缺点优点：

选择性、渗透性（传质速率）高。

缺点：

稳定性较差（膜液因蒸发、溶解、夹带等造成损失）、过程较复杂。

四．液膜分离应用

（1）废水处理稀土矿浸出液的浓缩

（2）烃类混合物分离:

（3）气体分离：

如SO2、H2S、CO2的分离，一般使用支撑液膜。

液膜对有些气体的透过性和选择性比固膜好，还可添加载体促进传递。

（4）生化方面:

酶的包封,氨基酸、抗生素的提取分离。

第三章 

超临界流体萃取

一、超临界流体指处于临界温度Tc和临界压力Pc之上的流体（它不是气体也不是液体）。

超临界C02:

临界压力（7.39MPa）适中；

临界温度（31.1℃）接近室温；

便宜易得；

无毒、惰性，是理想的绿色溶剂；

极易从萃取产物中分离出来。

典型应用：

从固体物料中萃取某种可溶性的物质，如咖啡中咖啡因、烟叶中尼古丁、动植物油脂、、天然香料与色素的萃取等。

超临界流体的特性

（1）密度、粘度和扩散系数的特点:

a密度比气体大得多,与液体接近，使其对溶质有较大的溶解度。

b粘度接近气体,比液体小得多。

c扩散系数介于气体和液体之间，是气体的几百分之一,是液体的几百倍。

与液体相比，超临界流体粘度小、扩散系数大使其传质速率大大高于液体。

（2）溶解特性在临界点附近,压力和温度的变化可引起超临界流体密度急剧变化,相应使溶质在超临界流体中的溶解度发生急剧变化，因而可利用压力与温度的改变来实现萃取和分离。

有机物在超临界流体中溶解度的变化：

低于临界压力时，几乎不溶解；

高于临界压力时，溶解度随压力急剧增加。

二、超临界流体萃取原理利用流体在超临界状态下对被萃取物质有高的溶解度,而在低于临界状态下对被萃取物质基本不溶解的特性，实现萃取与分离。

超临界流体萃取过程一般分两步（以超临界C02为例）

（1）萃取原料装入萃取釜，超临界C02从釜底进入,与被萃取物料充分接触,选择性溶解出被萃取物。

（2）分离含被萃取物的C02经减压阀降到临界压力以下进入分离釜，被萃取物在C02中的溶解度随着压力的下降而急剧下降,因而在分离釜中析出，定期从底部放出，C02加压后循环使用。

超临界流体萃取特点

（1）高压下进行，设备及工艺技术要求高,投资比较大。

（2）可以在接近室温下完成,特别适用热敏性天然产物的萃取。

（3）分离工艺流程简单，主要由萃取器和分离器二部分组成，而且萃取和分离通过改变温度和压力即可实现。

（4）超临界流体循环使用，无需溶剂回收设备，不产生二次污染。

（5）被萃取物中基本无萃取剂残留

有机物在超临界C02中的溶解规律分子量增加，溶解度降低;

芳香族比脂肪族难溶解;

双键提高溶解度;

支链比直链易溶解;

带极性官能团的难溶解;

氟化的化合物易溶解;

烃：

12个碳以下的正构烃类能互溶，超过12个碳,溶解度锐减。

醇：

6个碳以下的正构醇能互溶。

酚：

苯酚溶解度为3%（质量）,邻、间和对甲苯酚的溶解度分别为30%、20%和30%。

醚化的酚羟基能提高溶解度。

羧酸：

C9以下的脂肪族羧酸能互溶,卤素、羟基和芳香基的存在降低溶解度。

酯：

酯化明显增加溶解度。

醛：

简单的脂肪族醛能互溶。

萜：

萜类化合物是各种天然香料的关键成分。

溶解度随分子