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常用膜分离过程

2022.11.04

根据被分离物(溶质)粒子的大小及所用膜的结构。可以将压力差为推动力的膜分离过程分为四类:微滤、超滤、纳滤和反渗透。它们构成了一个可分离固态微粒到离子的四级分离过程。

(1)超滤与微滤

超滤和微滤都是成熟的膜分离技术,已广泛应用于化工、医药、轻工、机械电子和环保等领域。其中微滤是目前应最广泛的膜分离过程。

一般来说,超滤用于截留大分子溶质,而允许低分子溶质和溶剂通过,从而将大分子和小分子物质分开;微滤是将胶体或更大尺寸的微粒同真溶液分开。超滤和微滤过程有诸多相似之处。多数情形下两者只有量的差别,而无质的差别。

①超滤膜和微滤膜

描述超滤膜的重要参数是透过和截留性能。其中透过性能以纯水的透过速度表示,而截留性能以截留相对分子质量表示。截留相对分子质量为膜对物质截留达到90%时所对应物质的相对分子质量。一般商品超滤膜的截留相对分子质量为几百至几百万。

描述微滤膜的重要参数为孔径,常见的商品微滤膜的孔径一般在0.02μm至几十微米。但是,孔径相同的膜性质也可能不同.有时还要考虑表面孔隙率、孔结构状态、最大孔径、孔径分布、亲(疏)水性等性质。

②超滤和微滤传质机理

超滤和微滤是简单的筛分过程。溶质或悬浮物料按微粒或分子大小不同而分离,比膜的物质和溶剂(水)一起透过膜,而较大的物质则被截留。膜是多孔性的,膜内有很多孔道,水以滞流方式在孔道内流动,因而服从Hagen—Poiseuille方程。

微孔滤膜的截留机理大体可分为表面截留和深层截留。表面截留可通过三种方式实现:a、机械截留,指膜可以截留比它孑L径大或与孔径相当的微粒等杂质,即筛分作用;b、吸附截留,包括吸附和电性质等各种因素的影响;c、架桥截留,即在孔的入口处,微粒因架桥作用被截留。深层戡留过程中微粒并非被截留在膜的表面,而是在膜的内部。

③超滤和微滤工艺流程

超滤和微滤的操作方式有问歇式和连续式两种,间歇式常用于小规模生产,浓缩速度快,所需面积小。

超滤和微滤工艺流程多种多样,按运行方式分为循环式、连续式和部分循环连续式,按组件组合排列形式分为一级一段、一级多段和多级等。原料液升压后一次通过超滤组件,称为一级一段;如果浓缩液直接进入下游组件,称为一级二段;同理,如果第二段的浓缩液再直接进人下游组件,则称为一级三段;其余段数以此类推。如果透过液经升压后进入下游组件,称为二级;其透过液如果经再次升j矗送人下游组件,称为三级;其余级数以此类推。

(2)反渗透和纳滤

反渗透是最早工业化和最成熟的膜分离过程之一。反渗透的工业应用是从海水、苦咸水的脱盐开始的。现在又许多新的应用。纳滤是新近发展起来的介于反渗透和超滤的压力驱动膜分离过程,困其能够截留纳米级物质,故得名。

图2形象地表示出渗透与反渗透现象。开始阶段,盐水放在左侧,纯水放在右侧。中间是致密,两侧压力相同。致密膜只允许水通过,而不允许盐通过。由于膜两侧的水化学势不相等,水从右侧渗透进入左侧的盐水中,引起盐水的稀释,达到平衡时,左侧的压力为P1,右侧的压力为P2,压力差ΔP=P1一P2称为渗透压。渗透压是反渗透过程非常重要的数据。

图2 渗透和反渗透现象图2 渗透和反渗透现象

对于分离过程来说,渗透过程似乎没有用途,因为溶剂在朝着“错误”的方向传递,导致混合而不是分离。然而,溶剂通过膜的传递方向可以逆转,如图2(C)所示,在膜左侧施加压力P1,使P1一P2>ΔP。此时左侧盐水中的水就会通过膜传递到右侧的纯水中,盐水中的盐浓度增大。这种现象叫反渗透。


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