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    常用膜分離過程

    2022.11.04

    根據被分離物(溶質)粒子的大小及所用膜的結構。可以將壓力差為推動力的膜分離過程分為四類:微濾、超濾、納濾和反滲透。它們構成了一個可分離固態微粒到離子的四級分離過程。

    (1)超濾與微濾

    超濾和微濾都是成熟的膜分離技術,已廣泛應用于化工、醫藥、輕工、機械電子和環保等領域。其中微濾是目前應最廣泛的膜分離過程。

    一般來說,超濾用于截留大分子溶質,而允許低分子溶質和溶劑通過,從而將大分子和小分子物質分開;微濾是將膠體或更大尺寸的微粒同真溶液分開。超濾和微濾過程有諸多相似之處。多數情形下兩者只有量的差別,而無質的差別。

    ①超濾膜和微濾膜

    描述超濾膜的重要參數是透過和截留性能。其中透過性能以純水的透過速度表示,而截留性能以截留相對分子質量表示。截留相對分子質量為膜對物質截留達到90%時所對應物質的相對分子質量。一般商品超濾膜的截留相對分子質量為幾百至幾百萬。

    描述微濾膜的重要參數為孔徑,常見的商品微濾膜的孔徑一般在0.02μm至幾十微米。但是,孔徑相同的膜性質也可能不同.有時還要考慮表面孔隙率、孔結構狀態、最大孔徑、孔徑分布、親(疏)水性等性質。

    ②超濾和微濾傳質機理

    超濾和微濾是簡單的篩分過程。溶質或懸浮物料按微粒或分子大小不同而分離,比膜的物質和溶劑(水)一起透過膜,而較大的物質則被截留。膜是多孔性的,膜內有很多孔道,水以滯流方式在孔道內流動,因而服從Hagen—Poiseuille方程。

    微孔濾膜的截留機理大體可分為表面截留和深層截留。表面截留可通過三種方式實現:a、機械截留,指膜可以截留比它孑L徑大或與孔徑相當的微粒等雜質,即篩分作用;b、吸附截留,包括吸附和電性質等各種因素的影響;c、架橋截留,即在孔的入口處,微粒因架橋作用被截留。深層戡留過程中微粒并非被截留在膜的表面,而是在膜的內部。

    ③超濾和微濾工藝流程

    超濾和微濾的操作方式有問歇式和連續式兩種,間歇式常用于小規模生產,濃縮速度快,所需面積小。

    超濾和微濾工藝流程多種多樣,按運行方式分為循環式、連續式和部分循環連續式,按組件組合排列形式分為一級一段、一級多段和多級等。原料液升壓后一次通過超濾組件,稱為一級一段;如果濃縮液直接進入下游組件,稱為一級二段;同理,如果第二段的濃縮液再直接進人下游組件,則稱為一級三段;其余段數以此類推。如果透過液經升壓后進入下游組件,稱為二級;其透過液如果經再次升j矗送人下游組件,稱為三級;其余級數以此類推。

    (2)反滲透和納濾

    反滲透是最早工業化和最成熟的膜分離過程之一。反滲透的工業應用是從海水、苦咸水的脫鹽開始的。現在又許多新的應用。納濾是新近發展起來的介于反滲透和超濾的壓力驅動膜分離過程,困其能夠截留納米級物質,故得名。

    圖2形象地表示出滲透與反滲透現象。開始階段,鹽水放在左側,純水放在右側。中間是致密,兩側壓力相同。致密膜只允許水通過,而不允許鹽通過。由于膜兩側的水化學勢不相等,水從右側滲透進入左側的鹽水中,引起鹽水的稀釋,達到平衡時,左側的壓力為P1,右側的壓力為P2,壓力差ΔP=P1一P2稱為滲透壓。滲透壓是反滲透過程非常重要的數據。

    圖2 滲透和反滲透現象圖2 滲透和反滲透現象

    對于分離過程來說,滲透過程似乎沒有用途,因為溶劑在朝著“錯誤”的方向傳遞,導致混合而不是分離。然而,溶劑通過膜的傳遞方向可以逆轉,如圖2(C)所示,在膜左側施加壓力P1,使P1一P2>ΔP。此時左側鹽水中的水就會通過膜傳遞到右側的純水中,鹽水中的鹽濃度增大。這種現象叫反滲透。


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