【食品工程原理课件】第十章 膜分离过程.doc

第十章膜分离过程
总学时：2学时

【学习要求】
通过本章的学习，了解各种膜分离过程的特点和分离设备，掌握膜分离操作的基本原理和基本概念。

第一节膜分离过程概论

【考核知识点和考核要求】
了解：膜分离过程的特点；膜的结构、材料和特性；膜分离设备
理解：几种重要的膜分离过程的分类

【课时】0.5学时

【具体讲授内容】
一、膜分离的概念（了解）
膜分离过程：借助于膜而实现分离的过程。

二、膜分离过程的效率（了解）
常用来表示分离效率的指标有两种：
一是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示；
二是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，常用截留率表示。
选择性系数或截留率表示了分离的质的方面。对于分离的量的方面，一般用通量，即单位时间内单位分离面积上的流量来表示。
在大多数膜分离操作中，截留率和通量是表征过程的两个最重要指标。

三、几种重要的膜分离过程（理解）
1、反渗透
对溶液施加超过渗透压的压强，使溶剂分子通过半透膜而与溶液分离。
2、超滤
用孔径为10-2~10-3mm的膜在压差下过滤溶液，使大分子或细微粒与溶液分离。
3、微滤
与超滤相似，但孔径更大，大致为0.1~10mm。
4、电渗析
以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。
5、渗透气化
溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通过膜的同时发生气化，且各组分的透过速率不同。
6、气体渗透
利用混合气体中各组分通过膜的速率不同而使组分分离。
7、渗析
在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的溶液，从而与原溶液分离。
8、纳滤
介于超滤和反渗透之间的操作。

五、膜过程的流动特征（了解）
膜过程的流动特征：切向流动。

常规过滤切向过滤
常规过滤中的料液是在与膜垂直（与膜表面成法向）的方向流入。
切向过滤则在与膜平行的方向上流动。
常规过滤中，被截留的粒子在过滤介质上形成滤饼层。随着过滤的进行，阻力越来越大，通量越来越小。
切向过滤中，大部分粒子被料液带走，在膜表面只留下薄薄的一层粒子，过滤阻力就大为减小。切向流动的一个直接结果是分离过程实际上都是增浓过程。

第二节超滤与微滤

【考核知识点和考核要求】
了解：微滤和超滤的过程特征；微滤和超滤的操作方式
理解：微滤和超滤过程的浓差极化；过滤曲线；压差-通量曲线

【课时】0.5学时

【具体讲授内容】
一、微滤和超滤的分离范围（了解）
微滤MF：0.1~50mm
超滤UF：粒子更小，实际已是大分子，而截留分子的相对分子量NWCO来表征超滤的分离性能。一般认为超滤的截留NWCO范围为5000~100000。可分离的粒子（分子）包括病毒、蛋白质、多糖、胶粒等。
反渗透可以将所有的溶质截留，只允许水分子通过。NWCO为18。
纳滤：介于超滤和反渗透之间，NWCO值为100~5000。

二、微滤和超滤的操作特点（了解）
过滤机理：筛分
过滤方式：切向过滤
过滤压差：比常规过滤高
过滤温度：取决于膜和物料的耐热性

四、微滤和超滤的数学模型（理解）
（一）边界层和浓差极化（理解）
由于溶质分子被截留，在膜表面附近形成浓度边界层。
根据费克定律：溶质将从膜表面向主体溶液扩散，直至最终形成稳定的浓度分布，这一现象称为浓差极化。
浓差极化是不可避免的，它的直接后果是滤液通量的下降。通常，浓差极化层是传质的主要阻力。
（二）过滤曲线（理解）
固定操作条件，测定滤液的通量J，可以得到通量J随时间t变化的曲线，称为过滤曲线或动力学曲线，如图所示：

I区：通量快速下降；II区：通量显著下降；III区：稳定过滤
（三）压差—通量曲线（理解）

虚线把曲线分为：压差控制区J与成正比
扩散控制区J近似为常数

四、超滤与微滤的操作
（一）微滤和超滤的操作方式
1、单级间歇操作

2、单级连续操作

3、多级连续操作

（二）影响通量的因素和提高滤液通量的措施
1、压差的影响
提高压差并不一定总能使滤液通量显著增加。如果过滤已在传质控制区，增加压差不仅不能使滤液通量增加，反而增加了膜堵塞的机会，此时最好通过减少浓度边界层厚度来增加滤液通量，可通过提高流速、安装搅拌装置等实现。
2、进料浓度的影响
通量J随进料浓度cB的增加呈指数型降低。
3、温度的影响
提高操作温度，可使液体黏度降低，扩散系数增大，使通量增加。但不能超过膜的耐温能力。
4、湍流程度的影响
提高湍流程度可使边界层厚度减薄，使传质系数增加，可提高通量。

第三节反渗透

【考核知识点和考核要求】
了解：反渗透原理

【课时】0.5学时

【具体讲授内容】
用半透膜将纯溶剂（水）与溶液隔开，在溶液侧施加大于渗透压的压强，则溶剂分子将从溶液侧向溶剂侧渗透，这一现象就是反渗透。当两侧为不同浓度的溶液时，结论相同。RO的推动力也是压强差。

平衡时