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1、第六章 新型分离技术 第一节 膜分离技术,一、膜分离技术的发展 膜分离是利用固体薄膜对混合物组分选择性透过的性能使混合物分离的过程。 1748年科学家就发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，这一发现开创了膜渗透的研究。 1854年Graham发现了渗析现象。 1964年Traube成功地制成了历史上第一片人造膜-亚铁氰化铁膜。 20世纪40年代，利用渗析原理研制出人工肾。 20世纪50年代初，离子膜研制成功，电渗析技术成功地应用于工业生产中。 20世纪60年代Loeb研制成醋酸纤维素非对称性膜，这在膜分离技术的发展中是一个重要的突破，使反渗透，超滤进入了实用阶段。,膜分离技术的特点： 操
2、作温度低，能耗低，分离效率高，分离过程中不伴随相变，无二次污染。特别适合于热敏性物质、稀溶液、难分离物质的分离。,二、膜的定义和分类（1）、膜的定义 在一种流体相（液态或气态）内或两流体之间，有一个较为致密的薄层凝聚相物质把流体相分隔成两部分，这一薄层物质就是膜。 膜的组成：膜可以是均匀一相，也可以是由两相以上的凝聚态物质所构成的复合体，也可以是固态，也可以是液态。膜的特性：具有完全透过性，也可以是半透过性。膜的作用：隔离作用，阻止膜两侧的流体相直接接触。,（2）、膜的分类,2、膜分离技术的定义和分类 膜分离技术的实质是物质透过或被截留于膜一侧的过程，与筛分过程相似，根据孔径的大小达到物质分离
3、的目的。,三、膜过滤的基本概念,微滤,超滤,反渗透,膜过滤,反渗透与超滤的区别： 反渗透分离的物质是无机盐类小分子，渗透压较高，为了使溶剂透过薄膜，其操作压力要大，采用压差110Mpa；而超滤则是从小分子溶质或溶剂分子中分离出较大的溶质分子（如有机胶体、蛋白质、多糖），由于高分子溶质的存在,渗透压较低，采用较低的压力即可过滤,采用1001000kpa。,均为压力驱动型膜分离过程,反渗透的工作原理：,1)、渗透：淡水穿过半透膜进入含盐海水。2）、渗透平衡：在渗透过程中，淡水穿过半透膜进入海水后，会呈现出一种流体静压差，在此压差下，物质静传递量为零，两侧达成平衡。3）、反渗透：若在海水一侧加压，水
4、又会通过半透膜进行逆向流动。,超滤的工作原理：,在外压p作用下，当含有高、低分子化合物溶质的溶液通过膜表面时，溶剂和小分子（水、无机盐类）将通过薄膜，作为透过物被收集。膜另一侧的高分子溶液（如有机胶体）被薄膜截留作为浓溶液被收集起来。,四、膜过滤的理论基础,、渗透通量渗透通量就是单位时间、单位面积透过膜的溶液量。可以通过实验测定。,、浓差极化 在膜分离过程中，大分子溶质被截留下来，而在膜表面处积聚，形成大分子溶质浓度边界层，膜表面处的溶质浓度变得比原溶液主体浓度大，这种现象称为浓差极化。,Cm,Cb,CP,JV,、截留率,Cm,Cb,CP,JV,分析：）、超滤 超滤主要是截留大分子物质，由于浓
5、差极化的形成，阻力除了膜通透阻力外，还有膜侧面溶质附着层产生的通透阻力，所以溶剂通过超滤膜的流量与外压成正比，与膜的阻力成反比。）、反渗透 在反渗透时，由于溶剂的体积通量取决于净压差，溶质的透过率不取决于压差，因此，增加原液一侧的压力可以提高溶剂的透过量，而溶质的透过率基本不变。 对于高浓度的溶液，可以提高操作压力，防止溶剂的透过量降低，溶质的透过量升高，而溶剂的纯度会降低。,五、膜组件的结构和特点,1、平板式膜组件,特点:膜组件中原溶液流过平坦的矩形通道,充填密度可以达到100400m2/m3,能量较少,整个元件均可更换.,2、管式膜组件,结构:膜呈软管形式置于耐压管内侧,支撑管和膜之间安装
6、一个薄的多孔聚乙烯管,也取到支撑作用.特点:流动状态好,流速易控制,易清洗,无死角,适宜于含固体较多的原料液的处理,机械除杂质较容易,还可以调整流动状态,防止浓差极化现象和污染. 与平板膜比较,管膜的制备条件难以控制,单位体积中所含过滤面积较小,压降大,管口密封较困难.,3、螺旋卷式膜组件,结构:双层结构,中间为多孔支撑材料,两面均是膜,其中三边密封,卷起来形成螺旋式组件,外面为压力容器.特点:充填密度高(900m2/m3),结构简单.但无法用机械清洗,料液必须预处理,此外压降较大.,4、中空纤维式膜组件,结构:将数十万根中空纤维捆扎成纤维束弯成U型,装入圆柱型耐压容器中,纤维端部只与一个端板
7、粘合. 中空纤维是一种形状较细的高强度空心管,能够自身支撑膜.原液可以与中空纤维平行,也可以成径向流动,滤液只能从一端引出.特点:单位体积中所含过滤面积大,操作压力低,该膜不需支撑材料,使用寿命长.但制造技术较复杂,原料液需预处理,易堵塞,不易清洗.,六、超滤和反渗透的应用超滤：主要用于油水乳液的分离，电泳漆的回收，废水处理，食品加工，以及生物工程中酶和蛋白质的分离与浓缩，纯化血浆，脱盐等方面。,反渗透：主要用于纯水，超纯水和医疗卫生用水的制备，工业废水的净化，食品加工及生物工程中的单盐、非游离酸的浓缩等方面。,第二节 超临界流体萃取,超临界流体是指温度和压力处于临界温度及临界压力以上的流体。
8、这种处于临界状态下的流体具有气体和液体之间的性质，对许多物质具有较强的溶解能力，同时还具有与气体相近的扩散系数和渗透能力，其分离速率远比液体溶剂萃取快。而超临界流体萃取技术正是利用这一特性，用超临界流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出待分离的组分。 目前超临界流体萃取已形成了一门新的化工分离技术，应用领域十分广泛，特别适合于萃取某些高沸点和热敏性组分。可分离高附加值的产品，如：炼油、食品、医药、香料的方面有着广阔的应用前景。,一、超临界流体的性质,1、超临界流体的P-V-T性质 稳定的纯物质及由其组成的定组成混合物具有固有的临界点（即临界压力PC、临界温度TC、临界密度C），在纯物质中，一旦超
9、过它的临界温度，那么无论施加多大的压力也不能使其液化。下表为常见萃取剂的超临界物性：,P-V-T性质 图中分为四个区：气体区、液体区、固体区及超临界流体区。 在临界区附近，温度和压力的微小变化，都会引起流体的密度大幅度变化。难挥发性溶质在超临界流体中的溶解度大致上与流体密度成正比。 利用超临界流体的特性，在高密度（低温、高压）下萃取分离所需物质，然后稍微提高温度或降低压力，可以将萃取剂与待分离物质分离。,2、超临界流体的选择性 为了使超临界流体萃取过程能够有效地分离或除去微量杂质。必须要求萃取剂具有良好的选择性，要提高溶剂的选择性就必须满足以下两点：1）、操作温度和临界流体的临界温度接近。2）
10、、超临界流体的化学性质和待分离溶质的化学性质相近。,3、超临界流体的选择作为萃取剂的超临界流体必须具备以下条件：1）、具有化学稳定性，对设备无腐蚀。2）、临界温度要适中，最好在室温附近或操作温度附近。3）、操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度。4）、临界压力不可太高，以节省压缩动力费用5）、选择性要好，容易获得高纯度制品。6）、溶解度要高，以减少溶剂循环量。7）、来源方便、价格低廉。8）、对一些特殊场合，如医药和食品工业中使用的萃取剂还应要求无毒。,二、超临界流体萃取过程,超临界流体萃取过程由萃取阶段和分离阶段组成。其萃取过程如下：,超临界流体萃取的典型流程,1）、等温法,等温法又称绝
11、热法，它主要是依靠压力变化而进行萃取分离的方法，就是在一定的温度下，使超临界流体减压，经过膨胀、分离气体经压缩机加压后再返回萃取釜循环使用，而溶质从分离釜下部取出。,2）、等压法 等压法是利用温度的变化来实现溶质与萃取剂分离的方法。萃取了溶质的超临界流体经加热升温使萃取剂与溶质分离。萃取物由分离釜下方取出，作为萃取剂的气体经过降温压缩后送回萃取釜使用。,3）、吸附法 吸附法是采用可吸附溶质而不吸附萃取剂的吸附剂使两者分离的方法。在萃取釜中萃取出溶质，在分离釜中溶质被吸附剂吸附，气体出分离釜经循环泵送回萃取釜继续使用。,三、超临界流体的应用1、天然产物中有效成分的分离提取2、化工产品的分离精制3、超临界CO2处理食品原料4、超临界萃取在生化工程中的应用,