食工原理第六章膜分离.ppt

第六章膜分离
膜分离是借助一特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在某种推动力的作用下,利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。
膜分离过程一般不发生相变,与有相变的分离方法相比能耗低。多数膜分离过程在常温下进行,特别适用于热敏性物质的分离。此外,它操作方便、设备结构紧凑、维护费用低,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段。
一、膜分离概述
1、膜(Membrane)
如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔开来成为两部分,那么这一薄层物质就是膜。
膜具备下述两个特性:第一,膜不管薄到什么程度,至少必须具有两个界面。膜正是通过这两个界面分别与被膜分开于两侧的流体物质互相接触。第二,膜应具有选择透过性。膜可以是完全透过性的,也可以是半透过性的。
膜是膜过程的核心,膜材料的化学性质和膜的结构对膜过程的性能起着决定性影响。
膜的种类及结构
根据膜的性质、来源、相态、材料、用途、形状、分离机理、结构、制备方法等的不同,膜有不同的分类方法。按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber)。按膜孔径的大小分为多孔膜和致密膜(无孔膜)。
按膜的结构分为对称膜(Symmetric Membrane)、非对称膜(Asymmetric Membrane)posite Membrane):
对称膜
膜两侧截面的结构及形态相同,且孔径与孔径分布也基本一致的膜称为对称膜。对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜,膜的厚度大致在10~200μm范围内,如图9-1(a)所示。致密的均相膜由于膜较厚而导致渗透通量低,目前已很少在工业过程中应用。
非对称膜
非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成,如图9·1(b)所示。膜上下两侧截面的结构及形态不相同,~, 支撑层厚度约为50~150μm。在膜过程中,渗透通量一般与膜厚成反比, 由于非对称膜的表皮层比致密膜的厚度(10~200μm)薄得多,故其渗透通量比致密膜大得多。
复合膜
复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称膜,如图9-1(c)所示,但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同,皮层可以多层叠合, 通常超薄的致密皮层可以用化学或物理等方法在非对称膜的支撑层上直接复合制得。
2、膜组件(Membrane Module)
将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的结构及型式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。
(1)、板框式(Plate-and-Frame)膜组件
板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置, 膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。板框式装置的结构及示意流道如图93(a)所示,料液在进料侧空间的膜表面上流动,通过膜的渗透液则经板间隙孔中流出。
(2)、管式(Tubular)膜组件
管式膜组件有外压式和内压式两种,如图93(b)所示。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。