膜分离过滤过程中膜相内扩散动力学研究_裴亮

过滤与分离JournalofFiltration&Separation2010Vol.20No.4膜分离过滤过程中膜相内扩散动力学研究裴亮1，莫家玉2，王理明3(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；2.宁夏农垦局良种繁育经销中心，宁夏银川750001；3.西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048)摘要:基于与传统膜分离技术对物质进行分离过滤的共性，对这种便捷的迁移过程进行了动力学方程的推导，考察了物质穿过膜相的扩散作用和膜相内的运移规律，并用菲克第一定律建立了动力学方程。在此研究中，假定整个体系是瞬时和稳态的反应。最后，对膜相过滤过程的总压力损失和各部分压力损失的关系做了简要的介绍。关键词:膜分离；过滤；扩散通量；动力学中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号：1005-8265（2010）04-0004-03收稿日期：2010-09-17基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(41001131;51009126)；中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-13)；西安理工大学优秀博士学位论文研究基金(602-210805;602-210804)作者简介：裴亮(1982-),男,博士,中科院助理研究员,主要从事水资源高效利用研究，E-mail：pellys_0311@163.com1综述水处理技术中膜分离技术由于有良好的调节水质的能力，能去除从颗粒杂质到离子、细菌和病毒的污染物，去除污染物的范围广，不需要加药剂，运转可靠，设备紧凑和容易自动化控制，而被认为是最有前途的一种水处理方法[1]。膜从广义上可定义为两相之间的选择性屏障。膜分离现象广泛存在于自然界中它的历史最早可以追溯到1748年，法国学者AbbeNollet发现水能自然地扩散到装满酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。但是由于当时条件的限制，研究工作一直徘徊不前，直到20世纪中叶，由于其它学科的深入发展，制膜材料和技术的不断开拓，各种膜分离技术才相继出现和发展。1960年Loeb和Sourirajan教授制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维素膜为反渗透和超滤奠定了基础1961年美国Hevevs公司首先提出管式膜组件的制造方法1965年美国的加利佛尼亚大学制造出用于苦咸水淡化反渗透装置生产能力为19m3/d，1964年美国通用原子公司研制出螺旋卷式反渗透组件；1967年美国的杜邦公司首先研制出以芳香聚酰胺为膜材料的中空纤维膜组件。从此，反渗透技术在美国得到了迅猛发展，随后在世界各地得到广泛应用。其间，超滤和微滤也取得了较大的发展[1~5]。我国1958年开始进行离子交换膜的研究和电渗析法海水淡化的实验研究。1966年开始反渗透和半透膜的研究，1975年，开展超滤膜的研究。其后在国家“六五”“七五”“八五”计划中，膜技术均被列为重点研究开发项目。80年代我国开始对液体膜进行了一些列研究，近几年本课题作提出了分散支撑液膜技术，也进行了详细的研究，并将此技术应用在稀有金属和稀土金属的分离方面[6~8]。近几年国产的固体膜技术，如反渗透和超滤装置，也已在苦咸水淡化、工业给水处理、纯水及高纯水制备等过程中相继得到应用。本文基于与传统膜分离技术对物质进行分离过滤的共性，对这种过程进行了动力学研究，考察了物质穿过膜相的扩散作用，以菲第一定律为基础建立了简单的动力学方程。2动力学研究2.1膜相内物质运移规律研究根据菲克第一定律,假设膜相内及膜相两边界面处为稳态且不发生任何化学反应：J=-D1CL（1）4··过滤与分离JournalofFiltration&Separation2010Vol.20No.4其中，D1—扩散系数;J—扩散通量;CL—浓度梯度;L—膜厚度在膜中任取二个与扩散方向垂直的平行平面，这两个平面间的距离为ΔL，并假定这两个平面的面积均为单位面积，对这两个平面间的微元作物料衡算，见图1所示。图1膜相中的浓度梯度在△T时间内从L平面扩散进入微元的物质量为：J·△T=-D1CL△T在△T时间内从L+△T平面扩散离开微元的物质量为：J0·△T=-D1(CL)0·△TL+△L面的D1(CL)0与x面的D1CL之差可以表示为：△(D1CL)=L(D1CL)·△L因此，在△T时间内微元中积累的净物质量为：(J-J0)·△T=L(D1CL)·△L·△T物质在厚度为△L微元内的积累，使微元内物质浓度增加△C，即：△C=L(D1CL)·△T对上式求极限，得：CT=L(D1CL)(2)下面从方程(2)出发，导出扩散系数的计算公式。假定膜相两侧与液相主体之间均不存在阻力，并假设扩散系数是一个常数，则式(2)可写成:CT=D1C2L2(3)其中，式(3)的边界条件是：L=0,C=C1,L=L0,C=C2物质通过膜从C