膜分离中的传递过程

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1、膜分离中的传递过程膜传递膜内传递过程膜外传递过程溶剂,气体或离子等在膜表面的吸附、吸收和溶胀等热力学过程，主要是分离物质在主流体和膜中的不同分配系数；物质从表面进入膜内的动力学过程，是由于膜两侧浓度差、电位差造成分子扩散产生的膜内传递过程物质从表面进入膜内之前，由于流动状况不同，受膜表面边界层传递阻力或逆扩散的影响等形成的传递过程实际分离效果由膜内、膜外传递过程的综合结果决定。一、物质通过膜的传递过程(以典型的非对称膜为例)膜过程中的物质传递①主流体系区间(1)：溶质的浓度均匀，垂直于膜表面的方向无浓度梯度。②边界层区间(1)：有浓度极化现象，是造成膜

2、或膜体系效率下降的主要因素，是不希望有的现象。③表面区间(1)：溶质扩散的同时有对流现象；溶质吸附表面而溶入膜中。在膜的致密表层靠近边界的溶质浓度比在溶液中边界层的溶质浓度低得多。④表皮层区间：非对称膜皮层的特征是对溶质的脱除性。愈薄愈好，可增加膜的渗透率。溶质和渗透物质的传递是以分子扩散为主。⑤多孔支撑区间：主要对表皮层起支撑作用，而对渗透物质的流动有一定的阻力。⑥表面区间(Ⅱ)：此区间相似于③中所描述的区间，溶质在产品边膜内的浓度与离开膜流入低压边流体中的浓度几乎相等。⑦边界层区间(Ⅱ)：此区间与②中区间相似，物质扩散方向与膜垂直。但无浓差极化现象

3、，浓度随流动方向而降低。⑧主流体区间(Ⅱ)：此区间相似于①，溶质浓度稳定，垂直于膜表面的方向无浓度梯度。1.1传递机理为基础的膜传递模型-孔模型将膜看成一系列垂直于或斜交于膜表面的平行圆柱孔，每个圆柱孔的长度等于或基本上等于膜厚，并假设所有孔径相同。这样，当流体通过膜孔流动作为毛细管内的层流时，其流速可用Hagen-Poiseuille定律表示。1.1传递机理为基础的膜传递模型-孔模型对烧结膜或具有球形皮层的膜，可用Kozeny-Carman关系式表示。1.1传递机理为基础的膜传递模型-溶解-扩散模型溶解扩散理论的具体渗透过程为：透过物在膜的物料侧表面

4、吸附溶解在化学位差的作用下以分子扩散的形式从物料侧向产物侧迁移透过物在膜的另一侧表面解吸物质的渗透能力不仅取决于扩散系数，也与其在膜中的溶解度有关。被分离物在膜中溶解度的差异及在膜相中扩散性的差异影响物质透过膜的能力。物质在致密介质中的传递是通过溶解—扩散过程进行的，扩散过程基本服从Fick定律DAB：物质A通过固体B的扩散系数m2/sCA：物质A在膜内的浓度Y：膜厚DAB：与温度的关系符合阿仑尼乌斯关系式式中D0：比例常数cm2/sE：透过活化能Cal/g·atm溶解—扩散模型例：反渗透过程传递模型分离机理反渗透膜上的微孔孔径约为2nm，而无机盐离子

5、的直径仅为0.1~0.3nm，水合离子的直径为0.3~0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。溶解－扩散模型：膜是无孔的“完整的膜”S.Sourirajan提出了优先吸附－毛细管流动模型。溶解—扩散模型在均相的，高选择性的膜（如反渗透膜）中，溶质和溶剂都能溶解于均质的非多孔膜表面，然后在化学势推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶剂质量通量：Jl=Al(△p-△p渗)Al—溶液渗透系数；△p—膜上下游压力差；p渗—渗透压。溶质质量通量：J2=-B△c△c—膜厚乘两边浓度差；B—含膜厚、分配、扩散系数当压力升高对，溶剂质量通量线性增加，

6、但溶质通常与压力无关，因而透过液浓度降低。优先吸附——毛细管流动模型溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过液浓度反而升高。膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在压力下通过毛细管。例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。反渗透：优先吸附-毛细孔流动模型（有孔学说）优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。与膜表面化学性质和孔结构等多

7、种因素有关。由Sourirajan于1963年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。优先吸附毛细孔流动模型(a)膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面水在膜表面处的流动如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。1.2非平衡热力学为基础的膜传递模型（略）二、膜外传递过程1.浓差极化在膜分离过程中由于膜的选择透过性，被截留组分在膜上游侧的表

8、面累积，膜面上浓度大于主体浓度，溶质向主体反扩散。当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度达到平衡时