膜分离过程机理PPT课件.ppt

关于膜分离过程的机理第一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.1、基本传质形式、基本传质形式组分从高化学位向低化学位的被动传递第二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.1、基本传质形式、基本传质形式n在多组分体系中由于推动力和通量之间是互相耦合的，在多组分体系中由于推动力和通量之间是互相耦合的，不能用简单的唯象方程表示。各组分间渗透不是互相独不能用简单的唯象方程表示。各组分间渗透不是互相独立的。立的。n例如：膜两侧的压差不仅会产生溶剂通量而且会导致溶例如：膜两侧的压差不仅会产生溶剂通量而且会导致溶质传递并形成浓度梯度。另一方面浓度梯度不仅会导致质传递并形成浓度梯度。另一方面浓度梯度不仅会导致扩散传质，而且会产生流体静压。扩散传质，而且会产生流体静压。n传递过程的推动力为膜两侧位差除以膜厚度。化学位差传递过程的推动力为膜两侧位差除以膜厚度。化学位差和电位差。化学位差主要有压力、浓度、温度等。和电位差。化学位差主要有压力、浓度、温度等。第三张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.1、基本传质形式、基本传质形式n促进传递是由于某种流动载体的存在使传递过程得到强促进传递是由于某种流动载体的存在使传递过程得到强化。化。n主动传递主要发生在细胞膜中。主动传递主要发生在细胞膜中。第四张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递n多孔膜的传递发生在膜孔，与孔径、孔径多孔膜的传递发生在膜孔，与孔径、孔径分布、孔隙率及孔形状等有着重要的关系。分布、孔隙率及孔形状等有着重要的关系。n选择性主要取决于粒子与孔大小的关系。选择性主要取决于粒子与孔大小的关系。膜孔的一般形状第五张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递nHagen-Poiseuille方程：方程：假设膜孔为圆柱形，且假设膜孔为圆柱形，且所有孔径相等，每个孔所有孔径相等，每个孔的长度近似为膜厚。的长度近似为膜厚。J(r2/8 x)(P/)nJ正比于正比于膜厚上的推动力膜厚上的推动力 P，反比于液体粘度。，反比于液体粘度。n x为膜厚，为膜厚，液态粘度，液态粘度，膜膜孔的曲折因子，对圆柱垂直孔的曲折因子，对圆柱垂直孔而言孔而言 1；孔隙率孔隙率n r2/表面积表面积n该方程清楚地表明了膜结构对该方程清楚地表明了膜结构对传递的影响。实际上完全符合传递的影响。实际上完全符合该假设的膜是没有的。该假设的膜是没有的。第六张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递n对有机和无机烧结膜或具有球对有机和无机烧结膜或具有球状皮层结构的相转化膜，是状皮层结构的相转化膜，是由紧密堆积球所构成的体系。由紧密堆积球所构成的体系。可用可用Kozeny-CarmanKozeny-Carman关系式描关系式描述：述：J=(J=(3 3/(K/(K S S2 2(1-(1-)2 2)()(P/P/x)x)其中：其中：孔体积分数，孔体积分数，S S内表内表面积，面积，K K为常数，取决于孔的为常数，取决于孔的形状和弯曲因子形状和弯曲因子。1、气体通过多孔膜的扩散n用不对称膜或复合膜分离气体时，气体分子会从高压侧扩散到低压侧。可以有不同的传递机理：1.1.致密层的传递；致密层的传递；2.2.小孔努森流；小孔努森流；3.3.大孔粘性流；大孔粘性流；4.4.沿孔壁的表面扩散。沿孔壁的表面扩散。n不对称膜其速率控制步骤在致密层的传递。第七张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递不对称膜孔中几种传递不对称膜孔中几种传递1、致密层、致密层 2、努森扩散、努森扩散3、粘性流扩散、粘性流扩散复合膜中不同扩散路径示意图复合膜中不同扩散路径示意图1、致密层扩散、致密层扩散 2、孔壁表面扩散、孔壁表面扩散第八张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递n复合膜：致密层扩散、沿孔壁复合膜：致密层扩散、沿孔壁的表面扩散。的表面扩散。n平均扩散距离：平均扩散距离：leff l0（1-）（）（lAl0）/2n这意味着有效厚度比实际皮层厚度这意味着有效厚度比实际皮层厚度大得多。大得多。nKnudsen与粘性流的区分主与粘性流的区分主要取决于孔的大小。要取决于孔的大小。n对于大孔（对于大孔（r10 m）发生）发生粘性流，气体分子仅仅是彼此粘性流，气体分子仅仅是彼此互相碰撞，不同气体组分间不互相碰撞，不同气体组分间不能实现分离。气体通量正比于能实现分离。气体通量正比于r2。适用。适用Hagen-Poiseuille方程。方程。J(r2/8 x)(P/)第九张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递nKnudsen流条件：流条件：1、孔径必须小于扩散组分的分子运动、孔径必须小于扩散组分的分子运动平均自由程；平均自由程；2、温度必须足够高，以避免产生表、温度必须足够高，以避免产生表面流动；面流动；3、压力足够低，以避免平均自由、压力足够低，以避免平均自由程接近孔径，或因在一定压力程接近孔径，或因在一定压力下产生吸附现象。下产生吸附现象。n符合这些条件，分子碰撞孔壁的频率符合这些条件，分子碰撞孔壁的频率大于分子之间相互碰撞的频率，由于大于分子之间相互碰撞的频率，由于液体分子平均自由程小，只有几个埃，液体分子平均自由程小，只有几个埃，可以忽略可以忽略Knudsen流。流。n气体分子平均自由程为：气体分子平均自由程为：KT/（1.414 d2P）25度，度，1MPa下氧的平均自由程为下氧的平均自由程为7nm，10mbar下为下为70微米。微米。n膜孔径膜孔径20200nm。低压下通。低压下通量方程：量方程：J=nr2Dk P/(RT l)Dk=(8RT/(Mw)1/2n气体混合物中各组分流过膜的速度气体混合物中各组分流过膜的速度与分子量的平方根成反比，从而达与分子量的平方根成反比，从而达到分离目的。到分离目的。第十张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递n n对努森流也可以用微孔扩散对努森流也可以用微孔扩散模型加以描述：模型加以描述：J Ji i=(P(P1 1y y1i1i-P-P2 2y y2i2i)/(M)/(Mi iT)T)1/21/2 P P1 1 、P P2 2为膜两侧压力，为膜两侧压力，y y1i1i、y y2i2i 为膜两侧组分的分为膜两侧组分的分率，率，MMi i 为为 i i组分的分子量组分的分子量n n当当P P1 1 P P2 2时，分离系数时，分离系数 取取决于分离组分的不同分子量，决于分离组分的不同分子量，即：即：J Ji i/J/Jj j=(M=(Mj j/M/Mi i)1/21/22、优先吸附毛细管流动模型、优先吸附毛细管流动模型n用于不对称多孔膜，针对反渗用于不对称多孔膜，针对反渗透膜而提出的。透膜而提出的。n分离机理包括：表面现象和流动传递分离机理包括：表面现象和流动传递共同支配。即在压力作用下，优先吸共同支配。即在压力作用下，优先吸附的组分流动传递通过毛细管而促成附的组分流动传递通过毛细管而促成分离。分离。n与孔径、孔隙率、膜表面的化学性与孔径、孔隙率、膜表面的化学性质有关。质有关。n对于一个给定的膜和操作条件，有对于一个给定的膜和操作条件，有一临界孔径，方能得到最好的分离一临界孔径，方能得到最好的分离效果和高渗透流率。效果和高渗透流率。第十一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递n由优先吸附毛细管流动理论模由优先吸附毛细管流动理论模型建立的传递方程，包括水的型建立的传递方程，包括水的流动传递、溶质的扩散传递和流动传递、溶质的扩散传递和边界层的薄膜理论。边界层的薄膜理论。n在操作压力下，溶质和溶剂都在操作压力下，溶质和溶剂都有透过膜微孔的趋势，水优先有透过膜微孔的趋势，水优先吸附在孔壁上，而盐则由于物吸附在孔壁上，而盐则由于物化性能被脱除在膜面上。基本化性能被脱除在膜面上。基本方程为：方程为：溶剂的流率：溶剂的流率：Jw=A(P-)溶质的流率：溶质的流率：Js=Ds/(kl)(c2-c3)A为纯水的渗透速率，为纯水的渗透速率，c2、c3为高、为高、低压侧溶质浓度。低压侧溶质浓度。多孔膜多孔膜2twn临界孔径为吸附水层的厚度临界孔径为吸附水层的厚度tw的两的两倍，且比盐和水的分子直径大倍，且比盐和水的分子直径大好几倍，才可得到合理的分离好几倍，才可得到合理的分离效果。效果。n优先吸附的精确的物理化学标准尚未优先吸附的精确的物理化学标准尚未知，知，tw很难测定。很难测定。tw膜表面上的水层第十二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递3、摩擦模型n该模型认为通过膜的传递方式为粘该模型认为通过膜的传递方式为粘性流和扩散。这意味着孔径很小，性流和扩散。这意味着孔径很小，溶质分子不能自由通过孔，溶质与溶质分子不能自由通过孔，溶质与孔壁之间发生摩擦。同时也存在溶孔壁之间发生摩擦。同时也存在溶剂与孔壁、溶剂与溶质之间的摩擦。剂与孔壁、溶剂与溶质之间的摩擦。n引入引入:a.摩擦力与相对速度呈线性关系。摩擦力与相对速度呈线性关系。Fsm=fsm(vs-vm)b.根据不可逆热力学，等温下力可以用根据不可逆热力学，等温下力可以用化学位梯度表示：化学位梯度表示：Xi=-(i/x)+FiC.溶质扩散通量可表示为迁移度溶质扩散通量可表示为迁移度m、浓度、浓度c和推动力和推动力X的乘积。的乘积。Js=mswcsm(-(s/x)+Fsm)d.对稀理想溶液：对稀理想溶液：(s/x)T,P=RT/csme.最终可以导出：最终可以导出：cf、cp为原料中和渗透液中溶质的浓度；为原料中和渗透液中溶质的浓度；K=csm/c：分配系数，热力学平衡：分配系数，热力学平衡参数；参数；b=1+fsm/fsw：联系摩擦力系数，动：联系摩擦力系数，动力学参数。力学参数。R=1-cf/cp Rmax=1-K/b第十三张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.2、多孔膜的传递、多孔膜的传递n当溶质与膜之间的摩擦力大当溶质与膜之间的摩擦力大于溶质与溶剂之间的摩擦力于溶质与溶剂之间的摩擦力时，联系摩擦系数时，联系摩擦系数b b大；大；n膜对溶质的吸收能力小于膜对溶质的吸收能力小于溶剂对溶质的吸收能力时，溶剂对溶质的吸收能力时，溶质分配系数溶质分配系数K K小；小；nK K与与b b共同决定选择性共同决定选择性。第十四张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递（溶解扩散模型）、无孔膜的传递（溶解扩散模型）n无孔膜的概念比较模糊，一般需具有无孔膜的概念比较模糊，一般需具有分子级的孔才具有膜的传递性能。分子级的孔才具有膜的传递性能。n气相与液相在无孔膜中传递有相似之气相与液相在无孔膜中传递有相似之处，也有许多区别。处，也有许多区别。n液体与膜之间的亲和性大于气体与膜之间液体与膜之间的亲和性大于气体与膜之间的亲和性，液体在膜中的溶解度高；的亲和性，液体在膜中的溶解度高；n混合气体通过膜是彼此间基本独立，混合气体通过膜是彼此间基本独立，液体混合物则受流动耦合及热力学相液体混合物则受流动耦合及热力学相互作用的影响，这种协调效应会对最互作用的影响，这种协调效应会对最终分离产生很大影响。终分离产生很大影响。n气体、液体、蒸汽等通过气体、液体、蒸汽等通过无孔膜的传递基本上均采无孔膜的传递基本上均采用溶解扩散机理描述。用溶解扩散机理描述。即：即：渗透系数渗透系数P P溶解度溶解度SS扩散扩散系数系数D Dn溶解度为热力学参数，表溶解度为热力学参数，表示平衡条件下渗透物被膜示平衡条件下渗透物被膜吸收的量；吸收的量；第十五张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递（溶解扩散模型）n气体在膜中的溶解度小，可以用气体在膜中的溶解度小，可以用Henry定律描述。有机蒸汽和液体非理想性定律描述。有机蒸汽和液体非理想性强不可以用强不可以用Henry定律描述，定律描述，可以用自由体积模型、可以用自由体积模型、Florry-Huggins模型进行描述。模型进行描述。n扩散系数是动力学参数，表示渗透物通过膜速度的快慢程度。取决于渗透物扩散系数是动力学参数，表示渗透物通过膜速度的快慢程度。取决于渗透物的几何形状，随分子变大而减小。除了用的几何形状，随分子变大而减小。除了用Fick扩散模型加以描述，也可考虑扩散模型加以描述，也可考虑摩擦阻力等的影响。摩擦阻力等的影响。n室温下气体在气体中的扩散系数的数量级为室温下气体在气体中的扩散系数的数量级为0.051cm2s，而低分子量液体和，而低分子量液体和气体在液体中扩散系数的数量级为气体在液体中扩散系数的数量级为10-410-5cm2s。n 分子在无孔膜中渗透的扩散系数的大小取决于扩散粒子的大小及膜材料的性质，通分子在无孔膜中渗透的扩散系数的大小取决于扩散粒子的大小及膜材料的性质，通常粒子尺寸增大，扩散系数减小。常粒子尺寸增大，扩散系数减小。第十六张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递（溶解扩散模型）对于理想体系对于理想体系,溶解度与浓度无关溶解度与浓度无关,等温吸附线是线性的等温吸附线是线性的(Herry(Herry定律定律),),即聚合物中的浓度即聚合物中的浓度与压力成正比与压力成正比(a),(a),这种行为一般在气体溶解于弹性体时可观察到。这种行为一般在气体溶解于弹性体时可观察到。对于玻璃态聚合物，等温吸附线通常不是直线的而是曲线对于玻璃态聚合物，等温吸附线通常不是直线的而是曲线(b)(b)。当有机蒸气或液体与聚合物发生很强的相互作用时，则等温吸附线为高度非线性的，特别是压力较当有机蒸气或液体与聚合物发生很强的相互作用时，则等温吸附线为高度非线性的，特别是压力较高时高时(c)(c)。这种非理想吸附行为可用自由体积模型，。这种非理想吸附行为可用自由体积模型，Flory-hugginsFlory-huggins热力学模型描述。热力学模型描述。第十七张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递、无孔膜的传递1、理想体系的传递n例如气体在硅橡胶膜中的扩散，假设例如气体在硅橡胶膜中的扩散，假设吸附与扩散行为均是理想的。吸附与扩散行为均是理想的。n由亨利定律和费克定律可得：由亨利定律和费克定律可得：J=SD(p1-p2)/l 渗透系数渗透系数P=DS J=P(p1-p2)/ln可见，组分通过膜的通量正比与可见，组分通过膜的通量正比与膜两侧的压差，反比于膜厚。膜两侧的压差，反比于膜厚。nD、S、P的测定方法：的测定方法：n延迟时间法：测定渗透通量延迟时间法：测定渗透通量的变化，可得到扩散系数和的变化，可得到扩散系数和渗透系数，从而计算出溶解渗透系数，从而计算出溶解度参数；度参数；n微天平或石英弹簧的质量微天平或石英弹簧的质量法和压力下降法，得到溶法和压力下降法，得到溶解度系数；解度系数；n根据吸附等温线方程求得扩根据吸附等温线方程求得扩散系数。散系数。第十八张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递、无孔膜的传递n温度对渗透系数的影响nS=S0exp(-Hs/RT)nD=D0exp(-Ed/RT)nP=P0exp(-Ep/RT)n对气体而言，溶解热为正，但对气体而言，溶解热为正，但数值很小，温度升高，数值很小，温度升高，S略增大；略增大；D增大。增大。P的变化趋势由的变化趋势由D确定。确定。n有机蒸汽，吸附热为负，有机蒸汽，吸附热为负，S随温度随温度上升而下降。上升而下降。2、非理想体系、非理想体系n仅从分子大小来说，分子较大仅从分子大小来说，分子较大的有机蒸汽渗透系数小于简单的有机蒸汽渗透系数小于简单的气体。的气体。n溶解度参数是活度的函数；溶解度参数是活度的函数；n扩散系数与浓度有关，渗透物浓扩散系数与浓度有关，渗透物浓度越高，扩散系数越大。度越高，扩散系数越大。n与理想体系的差别：溶解度不能与理想体系的差别：溶解度不能用亨利定律描述，扩散系数不是用亨利定律描述，扩散系数不是常数。常数。n溶解度可用溶解度可用Florry-Huggins热热力学模型求得。力学模型求得。第十九张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递Ln(pi/p0)=ln i+(1-vi/vp)p+p2n 是相互作用参数。是相互作用参数。2相互作用相互作用力小，力小，0.52之间，作用力强，渗之间，作用力强，渗透性高。透性高。nD=D 0exp()nD 0是浓度为是浓度为0时的扩散系数，时的扩散系数，D与浓与浓度有关。度有关。3、自由体积理论、自由体积理论n可以得到定量化的扩散系数计算可以得到定量化的扩散系数计算式式n定义自由体积为定义自由体积为0K时紧密堆积时紧密堆积的分子受热膨胀所产生的体积：的分子受热膨胀所产生的体积：Vf=VT-V0n自由体积分数：自由体积分数：vf=Vf/VTn只有存在足够的自由体积，分只有存在足够的自由体积，分子才能从一处扩散到另一处。子才能从一处扩散到另一处。如果渗透物的分子变大则相应如果渗透物的分子变大则相应的必须增大自由体积。的必须增大自由体积。第二十张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.3、无孔膜的传递、无孔膜的传递n渗透物对自由体积的贡献可用渗透物对自由体积的贡献可用表示为：表示为：vf(,t)=vf(0,T)+(T)n将扩散系数与自由体积分数关联：将扩散系数与自由体积分数关联：ln(DT/D0)=B/vf(0,T)-B/vf(,t)n将将lnD与与 作图，得线性关系，作图，得线性关系，如果非线性则该经验式需要修如果非线性则该经验式需要修正。正。4、结晶度的影响、结晶度的影响n主要针对聚合物膜而言。大多数主要针对聚合物膜而言。大多数聚合物包括无定型部分和结晶部聚合物包括无定型部分和结晶部分。分。n结晶的存在对传递性能有很大的影结晶的存在对传递性能有很大的影响。扩散主要发生在无定型区，结响。扩散主要发生在无定型区，结晶区不能透过。晶区不能透过。n扩散系数可以描述成结晶度的函扩散系数可以描述成结晶度的函数：数：Di=Di,0(cn/B)n1，结晶度增大，扩散系数减小。，结晶度增大，扩散系数减小。第二十一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.4、膜的传递统一化方法膜的传递统一化方法n多孔膜与无孔膜的传递机理不同，多孔膜与无孔膜的传递机理不同，采用不同的模型来描述。多孔膜采用不同的模型来描述。多孔膜采用孔模型、唯象方法、非平衡采用孔模型、唯象方法、非平衡热力学模型等加以描述；无孔膜热力学模型等加以描述；无孔膜采用溶解扩散模型等加以描述，采用溶解扩散模型等加以描述，本节简单介绍如何用一个模型来本节简单介绍如何用一个模型来包括所有的膜过程。包括所有的膜过程。n为描述多孔膜和无孔膜的传递，为描述多孔膜和无孔膜的传递，必须考虑扩散流必须考虑扩散流v和对流和对流u两个作两个作用因素用因素,I组分通过膜的通量可以组分通过膜的通量可以表示为浓度和速度的乘积：表示为浓度和速度的乘积：Ji=ci(vi+u)无孔膜多孔膜Ji=u=kpJi=civi第二十二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3.4、膜的传递统一化方法膜的传递统一化方法n对无孔膜传递的不同膜过程用对无孔膜传递的不同膜过程用同一模型进行描述。同一模型进行描述。n例如例如Wijmans等人推导得到基于等人推导得到基于扩散控制的各种膜过程组分通量的公扩散控制的各种膜过程组分通量的公式，可适用于反渗透、渗析、气体分式，可适用于反渗透、渗析、气体分离、全蒸发等过程。离、全蒸发等过程。Ji=Pi/l(ci,1s-ici,2sexp(-Vi(p1-p2)/R/T)n对反渗透而言：对反渗透而言：J=Jw+Js可得：可得：Jw=Aw(p-)Js=Ps c/ln渗析：渗析：i1，(p1-p2)0 Ji=Pi c/ln气体渗透气体渗透 ci,1m=Kipi,1s Ji=Pi(pi,1s-pi,2s)/ln全蒸发：全蒸发：Ji=Pi ci,1s(pi,1s-pi,2s)/l/pi,1s 第二十三张，PPT共二十四页，创作于2022年6月感感谢谢大大家家观观看看第二十四张，PPT共二十四页，创作于2022年6月