《环境工程原理》课程授课教案（讲稿）第10章 其它分离过程

课程名称：《环境工程原理》摘要第一节离子交换一、离子交换剂概述二、离子交换基本原理三、离子交换速率第二节萃取一、萃取分离的特点第十章其它分离过程二、萃取过程的热力学基础三、萃取剂的选择四、萃取过程的流程和计算第三节膜分离一、膜分离概述二、膜分离过程中的传递过程本讲的要求及重点难点：【目的要求】要求学生了解离子交换树脂的结构及其物理化学性质，了解离子交换速度的步骤及控制步骤和交换速度的影响因素，了解离子交换树脂的特征参数，能够利用选择性系数计算交换平衡时的离子浓度。要求能够利用三角相图确定三元混合物的组成，理解分配曲线和分配系数的意义，掌握萃取剂和稀释剂不互溶体系的单级萃取和多级错流、逆流萃取的最小萃取剂用量、理论级数等的相关计算。了解膜分离过程的分类、特点及种类，理解膜分离过程的表征参数：渗透性和选择性，理解膜传递过程的理论模型：多孔模型、溶解扩散。【重点】离子交换树脂的结构及其物理化学性质，离子交换速度的控制与影响因素；萃取的机理，单级萃取、多级错流、逆流萃取的相关计算。膜分离过程的表征参数和推动力，膜传递过程的机理。【难点】萃取的机理，单级萃取、多级错流、逆流萃取的相关计算。膜传递过程的机理，内容【本讲课程的引入】分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离是针对非均相混合体系，比如沉降、过滤，分别为第六、七章内容；传质分离是针对均相混合体系，包括平衡分离过程（如第八章吸收，第九章吸附，第十章中的萃取）和速率分离过程（膜分离）。所以第二篇内容如下：第六章沉降；第七章过滤；第八章吸收；第九章吸附；第十章其他分离过程。【本讲课程的内容】第十章其它分离过程s10-1离子交换离子交换剂是一种带有可交换离子的不溶性固体。通过固体离子交换剂中的离子与溶液中的离子进行等当量的交换来去除溶液中某些离子的操作为离子交换。在环境工程领域，离子交换主要用于水处理中的除盐软化及去除重金属离子等。一、离子交换剂概述（一）离子交换剂的分类一般将具有离子交换功能的物质称为离子交换剂。离子交换剂可以是任何物质，包括有机离子交换剂（天然的和合成的）和无机离子交换剂（如沸石等）。离子交换树脂分类方法多种1

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（1）按物理结构：可分为凝胶型、大孔型和等孔型。（2）按合成单体：可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯系等。固定高子（3）按活性基团性质：阳离子交换树脂、阴离子交换树脂等。交高（二）离子交换树脂的结构乙期交联份离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间网40状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。（三）离子交换树脂的物理化学性质10-1-1（1）交联度：离子交换树脂是一种具有立体交联结构的高分子化合物。交联结构有树脂合成时加入的交联剂来实现。交联度是指交联剂的用量（用质量分数表示）。交联度越大，树脂结构越密集，溶胀越小，选择性越高和稳定性越好。（2）粒度：离子交换树脂通常为球形，粒径为0.2~1.2mm。（3）密度：密度分真密度和视密度。真密度指树脂溶胀后的质量与其本身所占体积之比；视密度指树脂溶胀后的质量与其堆积体积之比。阳离子树脂的真密度一般为1300k/m3左右，视密度为700~850kg/m；阴离子树脂的真密度一般为1100kg/m3，视密度为600~750kg/m3。（4）溶胀性：离子交换树脂浸泡于水中时，由于溶剂化作用会发生体积增大，即为溶胀。树脂的溶胀程度与交联度、交联结构、基团与反离子的种类有关。（5）交换容量：离子交换树脂的交换容量是树脂最重要的性能，它定量地表示树脂交换能力的大小。交换容量又可区分为全交换容量和工作交换容量。全交换容量指单位质量（或体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数，亦称理论交换容量。工作交换容量指树脂在给定工作条件下实际可利用的交换能力，与运行条件，如再生方式和程度、原水离子成分、树脂层高度、操作流速和温度等有关。（6）选择性：树脂选择性是指离子交换树脂对不同离子亲和力强弱的反应。影响离子交换树脂选择性的因素包括：离子的水化半径：离子在水溶液中通常发生水化作用，离子在水溶液中的实际大小以水化半径来表征。水化半径越小的离子越易被交换。离子的化合价：离子的化合价越高，其与树脂的亲和力越强，越易被树脂交换。在水处理的软化工艺中，水中的钙、镁离子容易被离子交换树脂置换，从而达到去除水中硬度的目的。二、离子交换基本原理（一）离子交换反应1.可逆反应离子交换反应是可逆的，这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态树脂和溶液接触的界面发生可逆离子交换。例如，含Ca2+的硬水通过RNa型树脂：2RNa+Ca2+→R,Ca+2Na食盐水使树脂再生：R,Ca+2Nal*→2RNa+Ca2+反应式可写为：2RNa+Ca—R,Ca+2Na*高生2.强型树脂的交换反应强型树脂是指强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。（1）中性盐分解反应RSO,H+NaC/=RSO,Na+HCIR=NOH+NaCIR=NCI+NaOH（2）中和反应RSO,H+NaOHRSO,Na+H,OR=NOH+HCIR=NCI+H,O（3）复分解反应R(SO,Na)+CaCl,RSO,Ca+2NaCIR(=NCI)+Na,SO,R(=N),SO,+2NaC3.弱型树脂的交换反应弱型树脂是指弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。这类树脂不能进行中性盐分解2

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反应，这是由于弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂分别在pH>4和pH1，则B+优先交换到树脂相，并且随K的增加，2050.80.6ys增加显著。反之，如果K<l，则A+优先交换到树脂相。1.00.50.42.二价离子对一价离子的交换0.2二价离子对一价离子的交换反应通式：0.20.12R-A++B*R-B2++2A+0.40.60.81.00.2其离子交换的选择性系数为B[R,-B2+[A+7_ys(1-xB)"co10-1-2KB:[R"A*]'[B?+]s(1-ys)"qoK lo=a(1-x)"coX(1-y)"qoCo3

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KB*o表观选择性系数，无量纲。coKRc可以看出，该系数随K和qo值的增大或co值的减小而增大，-10001.050该系数大于1时，有利于B+优先交换到树脂相：反之，则有利于0.8再生反应。典0.6三、离子交换速度0.4离子交换树脂是指某种具体条件下离子交换能力达到的极限状态，通常需要很长时间才能达到。在实际的离子交换水处理中，0.2由于反应时间有限，不可能达到平衡状态。因此，研究离子交换速0.20.40.60.81.0率及其影响因素具有重要的实用意义。XB（一）离子交换速度的控制步骤10-1-3离子交换过程是溶液中的离子与离子交换树脂中可交换基团之间进行的交换反应。一般认为，该过程涉及有关离子的扩散和交换，其动力学过程包括5个步骤。以H型强酸性阳离子交换树脂对水中Na+的交换为例：树脂中可交换离子①边界水膜内的迁移：溶液中的Na+向树脂颗粒表H面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂一树脂颗粒表面。边界水膜②交联网孔内的扩散：Na+进入树脂颗粒内部的交2?H联网孔，并扩散到达交换点。3Na （水中离子)?③离子交换：Na+与树脂交换基团上可交换的H+H(交换下来的离子)进行交换反应。交联网内的扩散：被交换下来的H+在树脂内部10-1-4交联网中向树脂表面扩散。③边界水膜内的迁移：被交换下来的H+通过树脂表面的边界水膜层，扩散进入溶液中。其中①③称为液膜扩散步骤，或称为外扩散；②和树脂颗粒内扩散，或称为孔道扩散步骤；③称为交换反应步骤。与液膜扩散步骤和孔道扩散步骤的速率相比，交换反应步骤的速率通常很快，可瞬间完成。因此离子交换速度实际上是由液膜扩散或者孔道扩散步骤控制。（二）离子交换速度的影响因素（1）离子性质：化合价越高，其孔道扩散速度越慢：水合半径越大，扩散速度越慢。（2）树脂的交联度：交联度大，离子在树脂网孔内的扩散慢。（3）树脂的粒径：粒径小整体交换速度快，但颗粒太小，会增加树脂层阻力，且反洗树脂容易流失。（4）水中离子浓度：浓度高，其在水膜中的扩散很快，离子交换速度受孔道扩散控制。反之，为液膜扩散控制。（5）溶液温度：温度升高有利于提高离子交换速度。（6）流速或搅拌速度：增加树脂表面水流流速或增加搅拌速度，在一定程度上可提高液膜扩散速度，但增加到一定程度以后，其影响变小。【本节小结】要求学生了解离子交换树脂的结构及其物理化学性质，了解离子交换速度的步骤及控制步骤和交换速度的影响因素，了解离子交换树脂的特征参数，能够利用选择性系数计算交换平衡时的离子浓度。A

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S10-2萃取一、萃取分离的特点萃取是分离液体混合物的一种重要操作单元。利萃取剂S一萃取相E用混合液中被分离组分A在两相中分配差异的性质，原料液使该组分从混合液中分离。该过程称为液-液萃取，A+B-2或溶剂萃取，或液体萃取。一萃余相R萃取过程是物质由一相转到另一相的传质过程。萃取分离的特点：可在常温下操作，无相变；萃10-2-1取剂选择适当可以获得较高分离效率；对于沸点非常相近的物质可以进行有效分离；利用萃取的方法分离混合液时，混合液中的溶质既可是挥发性物质，也可以是非挥发性物质，如无机盐类等。在环境领域，萃取法主要用于水处理，通常用于萃取工业废水中有回收价值的溶解性物质；从染料废水中提取有用染料：从洗毛废水中提取羊毛脂：含酚废水的萃取处理等，二、萃取过程的热力学基础由于这部分内容在《物理化学》中学过，因此自学萃取平衡问题，同时思考以下问题。【思考题】（1)说明三角形相图中各区域点（三角形顶点、三条边上的点以及三角形内的点）的物理意义。(2)说明三角形相图中溶解性曲线和联结线是如何得到的。哪些区域是均相，哪些是多相，相的组成如何计算（稀释剂和萃取剂完全不互溶）。(3)说明单级萃取过程在三角形相图上如何表示。（4)说明如何从三角形相图的溶解度曲线得到分配曲线，分配系数的物理意义。三、萃取剂的选择（一）萃取剂的选择性系数萃取剂的选择性是指萃取剂对原料混合液中两个组分的溶解能力的大小，可以用选择性系数来表示：α=m/×m=ym，ym——分别为组分A和B在萃取相中的质量分数XmA，XmB一一分别为组分A和B在萃余相中的质量分数YmB/XmBkg若α>1，表示溶质A在萃取相中的相对含量比萃余相中高。α愈大，组分A与B的分离愈容易。若α=1，则组分A与B在两相中的组成比例相同，该溶液不能用萃取方法分离。（二）萃取剂的选择1.萃取剂的选择性萃取剂的选择性，指萃取剂S对被萃取组分A与对其它组分的溶解能力之间的差异。若选用选择性系数大的萃取剂，其用量可以减小，所得的产品质量也较高。萃取剂S与稀释剂B的互溶度越小，越有利于萃取。2.萃取剂的物理性质（1）密度：萃取剂和萃余相之间应有一定的密度差，以利于两液相在充分接触后能较快地分层，从而提高设备的处理能力。（2）界面张力：萃取物系的界面张力较大时，细小的液滴比较容易聚结，有利于两相的分层，但界面张力过大，液体不易分散。界面张力小，易产生乳化现象，使两相较难分离。因此，界面张力应适中。一般不宜选用界面张力过小的萃取剂。（3）黏度：溶剂的黏度低，有利于两相的混合与分层，也有利于流动与传质，因而黏度小对萃取有利。3.萃取剂的化学性质萃取剂应具有良好的化学稳定性、热稳定性以及抗氧化稳定性，对设备的腐蚀性也应较小。4.萃取剂回收的难易：一般常用的回收方法是蒸馏，如果不宜用蒸馏，可以考虑采用其它方法，如反萃取、结晶分离5

5 §10-2 㧗প ϔǃ㧗পߚ行ⱘ⡍⚍ 㧗পᰃߚ⏋ԧ⎆行ড়⠽ⱘϔ⾡䞡㽕᪡԰ऩܗDŽ߽ ⫼⏋ড়⎆Ё㹿ߚ行㒘ߚ A ೼ϸⳌЁߚ䜡Ꮒᓖⱘᗻ䋼ˈ Փ䆹㒘ߚҢ⏋ড়⎆Ёߚ行DŽ䆹䖛⿟⿄Ў⎆-⎆㧗পˈ ៪⒊ࠖ㧗পˈ៪⎆ԧ㧗পDŽ 㧗প䖛⿟ᰃ⠽䋼⬅ϔⳌ䕀ࠄ঺ϔⳌⱘӴ䋼䖛⿟DŽ 㧗পߚ行ⱘ⡍⚍˖ৃ೼ᐌ⏽ϟ᪡԰ˈ᮴Ⳍব˗㧗 পࠖ䗝ᢽ䗖ᔧৃҹ㦋ᕫ䕗催ߚ行ᬜ⥛˗ᇍѢ⊌⚍䴲ᐌⳌ䖥ⱘ⠽䋼ৃҹ䖯㸠᳝ᬜߚ˗行߽⫼㧗পⱘᮍ ⊩ߚ⏋行ড়⎆ᯊˈ⏋ড়⎆Ёⱘ⒊䋼᮶ৃᰃ᣹থᗻ⠽䋼ˈгৃҹᰃ䴲᣹থᗻ⠽䋼ˈབ᮴ᴎⲤ㉏ㄝDŽ ೼⦃๗乚ඳˈ㧗প⊩Џ㽕⫼Ѣ∈໘⧚ˈ䗮ᐌ⫼Ѣ㧗পᎹϮᑳ∈Ё᳝ಲᬊӋؐⱘ⒊㾷ᗻ⠽䋼˗Ң ᶧ᭭ᑳ∈Ёᦤপ᳝⫼ᶧ᭭˗Ң⋫↯ᑳ∈Ёᦤপ㕞↯㛖˗৿䜮ᑳ∈ⱘ㧗প໘⧚ㄝDŽ Ѡǃ㧗প䖛⿟ⱘ⛁࡯ᄺ෎⸔ ⬅Ѣ䖭䚼ݙߚᆍ೼lj⠽⧚࣪ᄺNJЁᄺ䖛ˈ಴ℸ㞾ᄺ㧗পᑇ㸵䯂乬ˈৠᯊᗱ㗗ҹϟ䯂乬DŽ Ǐᗱ㗗乬ǐ (1)䇈ᯢϝ㾦ᔶⳌ೒Ё৘ऎඳ⚍˄ϝ㾦ᔶ乊⚍ǃϝᴵ䖍Ϟⱘ⚍ҹঞϝ㾦ᔶݙⱘ⚍˅ⱘ⠽⧚ᛣНDŽ (2)䇈ᯢϝ㾦ᔶⳌ೒Ё⒊㾷ᗻ᳆㒓੠㘨㒧㒓ᰃབԩᕫࠄⱘDŽાѯऎඳᰃഛⳌˈાѯᰃ໮ⳌˈⳌⱘ 㒘៤བԩ䅵ㅫ˄⿔䞞ࠖ੠㧗পࠖᅠܼϡѦ⒊˅DŽ (3)䇈ᯢऩ㑻㧗প䖛⿟೼ϝ㾦ᔶⳌ೒Ϟབԩ㸼⼎DŽ (4)䇈ᯢབԩҢϝ㾦ᔶⳌ೒ⱘ⒊㾷ᑺ᳆㒓ᕫߚࠄ䜡᳆㒓ˈߚ䜡㋏᭄ⱘ⠽⧚ᛣНDŽ ϝǃ㧗পࠖⱘ䗝ᢽ ˄ϔ˅㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻ㋏᭄ 㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻᰃᣛ㧗পࠖᇍॳ᭭⏋ড়⎆ЁϸϾ㒘ߚⱘ⒊㾷㛑࡯ⱘ໻ᇣˈৃҹ⫼䗝ᢽᗻ㋏᭄ ᴹ㸼⼎˖ ymAˈymB——߿ߚЎ㒘ߚ A ੠ B ೼㧗পⳌЁⱘ䋼䞣ߚ᭄ xmAˈxmB——߿ߚЎ㒘ߚ A ੠ B ೼㧗ԭⳌЁⱘ䋼䞣ߚ᭄ 㢹Į>1, 㸼⼎⒊䋼 A ೼㧗পⳌЁⱘⳌᇍ৿䞣↨㧗ԭⳌЁ催DŽĮᛜ໻ˈ㒘ߚ A Ϣ B ⱘߚ行ᛜᆍᯧDŽ 㢹Į˙1ˈ߭㒘ߚ A Ϣ B ೼ϸⳌЁⱘ㒘៤↨՟Ⳍৠˈ䆹⒊⎆ϡ㛑⫼㧗পᮍ⊩ߚ行DŽ ˄Ѡ˅㧗পࠖⱘ䗝ᢽ 1.㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻ 㧗পࠖⱘ䗝ᢽᗻˈᣛ㧗পࠖ S ᇍ㹿㧗প㒘ߚ A Ϣᇍ݊ᅗ㒘ߚⱘ⒊㾷㛑࡯П䯈ⱘᏂᓖDŽ㢹䗝⫼ 䗝ᢽᗻ㋏᭄໻ⱘ㧗পࠖˈ݊⫼䞣ৃҹޣᇣˈ᠔ᕫⱘѻક䋼䞣г䕗催DŽ 㧗পࠖ S Ϣ⿔䞞ࠖ B ⱘѦ⒊ᑺ䍞ᇣˈ䍞᳝߽Ѣ㧗পDŽ 2.㧗পࠖⱘ⠽⧚ᗻ䋼˖ ˄1˅ᆚᑺ˖㧗পࠖ੠㧗ԭⳌП䯈ᑨ᳝ϔᅮⱘᆚᑺᏂˈҹ߽Ѣϸ⎆Ⳍ೼ߚܙ᥹㾺ৢ㛑䕗ᖿഄߚ ሖˈҢ㗠ᦤ催䆒໛ⱘ໘⧚㛑࡯DŽ ˄2˅⬠䴶ᓴ࡯˖㧗প⠽㋏ⱘ⬠䴶ᓴ࡯䕗໻ᯊˈ㒚ᇣⱘ⎆Ⓢ↨䕗ᆍᯧ㘮㒧ˈ᳝߽ѢϸⳌⱘߚሖˈ Ԛ⬠䴶ᓴ࡯䖛໻ˈ⎆ԧϡᯧߚᬷDŽ⬠䴶ᓴ࡯ᇣˈᯧѻ⫳ч࣪⦃䈵ˈՓϸⳌ䕗䲒ߚ行DŽ಴ℸˈ⬠䴶ᓴ ࡯ᑨ䗖ЁDŽϔ㠀ϡᅰ䗝⫼⬠䴶ᓴ࡯䖛ᇣⱘ㧗পࠖDŽ ˄3˅咣ᑺ˖⒊ࠖⱘ咣ᑺԢˈ᳝߽ѢϸⳌⱘ⏋ড়Ϣߚሖˈг᳝߽Ѣ⌕ࡼϢӴ䋼ˈ಴㗠咣ᑺᇣᇍ 㧗প᳝߽DŽ 3.㧗পࠖⱘ࣪ᄺᗻ䋼 㧗পࠖᑨ݋᳝㡃དⱘ࣪ᄺ〇ᅮᗻǃ⛁〇ᅮᗻҹঞᡫ⇻࣪〇ᅮᗻˈᇍ䆒໛ⱘ㜤㱔ᗻгᑨ䕗ᇣDŽ 4.㧗পࠖಲᬊⱘ䲒ᯧ˖ ϔ㠀ᐌ⫼ⱘಲᬊᮍ⊩ᰃ㪌佣ˈབᵰϡᅰ⫼㪌佣ˈৃҹ㗗㰥䞛⫼݊ᅗᮍ⊩ˈབড㧗পǃ㒧᱊ߚ行 / / mA mA A mB mB B y x k yx k D

等。5.废水常用的萃取剂：苯及焦油类、酯类（醋酸丁酯、三甲酚磷酸酯等）、醇类四、萃取过程的流程和计算sIS（一）单级萃取萃取相分离设备单级萃取是液-液萃取中最简单、也是最基本的苯取液E操作方式。3M单级萃取可以间隙操作，也可以连续操作。萃取合S萃余相分离设备相和萃余相之间达到平衡，这个过程为一个理论级。R单级萃取过程的计算通常是已知待处理的原料萃余液R液量和组成、萃取剂组成、萃余相组成、相平衡数据，10-2-7计算所需的萃取剂量、萃取相和萃余相量和组成。重点学习萃取剂与稀释剂不互溶的体系。以溶质A为对象建立物料平衡关系式：bB.XmF=S·Ym+B.XmR或Ym=(XmR-X.E)式中，B、S—一萃取剂用量、原料液中稀释剂量；kg或kg/sXmF一一原料液溶质A质量比=A/BYmE一溶质A在萃取相中的质量比=A/S一溶质A在萃余相中的质量比=A/BXmR-溶质在两液相间的分配曲线如下，如果分配系数不随溶液组成而变，则有：Ym连线Y.=kx.Y-(X.)YmE联立分配曲线方程和物料平衡方程，即可得到萃取剂用量和溶质在萃取相中的组成。（二）多级错流萃取FStIS,SsS.SRXXmRXmFR,-RaXR.R.3XeFXm10-2-8R5NEr-Ym(s-1)E,.YmEz,Ym2EYE..Y..E'NIs10-2-10原料液从第1级加入，每一级均加入新鲜的萃取剂。在第1级中，原料液与萃取剂充分接触，两相达到平衡后分相。所得的萃余相作为第2级的原料液送到第2级中，与加入的新鲜萃取剂进行再次萃取，分相后，其萃余相送入第3级。如此萃余相被多层萃取，直到第n级。下面讨论萃取剂和稀释剂之间不互溶体系。对于第1级，对溶质A进行物料衡算：B(XmF-Xm)=S(Yml-Ymo)式中，B、S-萃取剂用量、原料液中稀释剂量：XmF>Xm1-第1级萃取原料液进口、出口溶质的摩尔比Ymo、Yml第1级萃取萃取剂进口、出口溶质的摩尔比B由上式得：一第1级萃取的操作线方程(Xm-XmF)Yml-YmoSB.X= X m(n=1)Ym-Ymo=任意一个萃取级n的操作线方程：S.已知原料液组成XmF、萃取剂量S、萃取剂组成YmO，理论级数如何求？图解法求理论级数的步骤6

6 ㄝDŽ 5.ᑳ∈ᐌ⫼ⱘ㧗পࠖ˖ 㣃ঞ⛺⊍㉏ǃ䝃㉏˄䝟䝌ϕ䝃ǃϝ⬆䜮⻋䝌䝃ㄝ˅ǃ䝛㉏ ಯǃ㧗প䖛⿟ⱘ⌕⿟੠䅵ㅫ ˄ϔ˅ऩ㑻㧗প ऩ㑻㧗পᰃ⎆-⎆㧗পЁ᳔ㅔऩǃгᰃ᳔෎ᴀⱘ ᪡԰ᮍᓣDŽ ऩ㑻㧗পৃҹ䯈䱭᪡԰ˈгৃҹ䖲㓁᪡԰DŽ㧗প Ⳍ੠㧗ԭⳌП䯈䖒ࠄᑇ㸵ˈ䖭Ͼ䖛⿟ЎϔϾ⧚䆎㑻DŽ ऩ㑻㧗প䖛⿟ⱘ䅵ㅫ䗮ᐌᰃᏆⶹᕙ໘⧚ⱘॳ᭭ ⎆䞣੠㒘៤ǃ㧗পࠖ㒘៤ǃ㧗ԭⳌ㒘៤ǃⳌᑇ㸵᭄᥂ˈ 䅵ㅫ᠔䳔ⱘ㧗পࠖ䞣ǃ㧗পⳌ੠㧗ԭⳌ䞣੠㒘៤DŽ 䞡⚍ᄺд㧗পࠖϢ⿔䞞ࠖϡѦ⒊ⱘԧ㋏DŽ ҹ⒊䋼 A Ўᇍ䈵ᓎゟ⠽᭭ᑇ㸵݇㋏ᓣ˖ ៪ ᓣЁˈBǃS——㧗পࠖ⫼䞣ǃॳ᭭⎆Ё⿔䞞ࠖ䞣˗kg ៪ kg/s XmF——ॳ᭭⎆⒊䋼 A 䋼䞣↨˙A/B YmE——⒊䋼 A ೼㧗পⳌЁⱘ䋼䞣↨=A/S XmR——⒊䋼 A ೼㧗ԭⳌЁⱘ䋼䞣↨=A/B ⒊䋼೼ϸ⎆Ⳍ䯈ⱘߚ䜡᳆㒓བϟˈབᵰߚ䜡㋏᭄ϡ䱣⒊⎆㒘៤㗠বˈ᳝߭˖ m m Y kX 㘨ゟߚ䜡᳆㒓ᮍ⿟੠⠽᭭ᑇ㸵ᮍ⿟ˈेৃᕫࠄ㧗পࠖ⫼䞣੠ ⒊䋼೼㧗পⳌЁⱘ㒘៤DŽ ˄Ѡ˅໮㑻䫭⌕㧗প ॳ᭭⎆Ң㄀ 1 㑻ࡴ↣ˈܹϔ㑻ഛࡴܹᮄ剰ⱘ㧗পࠖDŽ೼㄀ 1 㑻Ёˈॳ᭭⎆Ϣ㧗পࠖߚܙ᥹㾺ˈ ϸⳌ䖒ࠄᑇ㸵ৢߚⳌDŽ᠔ᕫⱘ㧗ԭⳌ԰Ў㄀ 2 㑻ⱘॳ᭭⎆䗕ࠄ ㄀2 㑻ЁˈϢࡴܹⱘᮄ剰㧗পࠖ䖯㸠 ݡ⃵㧗পˈߚⳌৢˈ݊㧗ԭⳌ䗕ܹ㄀ 3 㑻DŽབℸ㧗ԭⳌ㹿໮ሖ㧗পˈⳈࠄ ㄀n 㑻DŽ ϟ䴶䅼䆎㧗পࠖ੠⿔䞞ࠖП䯈ϡѦ⒊ԧ㋏DŽ ᇍѢ㄀ 1 㑻ˈᇍ⒊䋼 A 䖯㸠⠽᭭㸵ㅫ˖ ᓣЁˈBǃS——㧗পࠖ⫼䞣ǃॳ᭭⎆Ё⿔䞞ࠖ䞣˗ XmFǃXm1——㄀ 1 㑻㧗পॳ᭭⎆䖯ষǃߎষ⒊䋼ⱘᨽᇨ↨ Ym0ǃYm1——㄀ 1 㑻㧗প㧗পࠖ䖯ষǃߎষ⒊䋼ⱘᨽᇨ↨ ⬅Ϟᓣᕫ˖ ——㄀ 1 㑻㧗পⱘ᪡԰㒓ᮍ⿟ ӏᛣϔϾ㧗প㑻 n ⱘ᪡԰㒓ᮍ⿟˖ Ꮖⶹॳ᭭⎆㒘៤ XmFǃ㧗পࠖ䞣 Sǃ㧗পࠖ㒘៤ Ym0ˈ⧚䆎㑻᭄བԩ∖˛ ೒㾷⊩∖⧚䆎㑻᭄ⱘℹ偸˖ ( ) mE mR mF B Y XX S   BX SY BX mF mE mR  ( ) ( ) B X mF  X m1 S Ym1 Ym0 10 1 1 ( ) m m m mF B YY X X S    0 ( 1) ( ) mn m mn m n n B YY X X S    

（1）在直角坐标上画册分配曲线；Y.分配曲线（2）过点L（XmF，Ymo），以-B/S，为斜率，作操作线与E分配曲线交于点E1。该点的横、纵坐标分别为离开第一级萃YmTE,取后萃余相组成Xml和萃取相组成Ym1。BYm2-斜率二（3）过点V（Xml，Ymo），以-B/S2为斜率，作操作线与Y.分配曲线交于点E2。该点的横、纵坐标分别为离开第一级萃取后萃余相组成Xm2和萃取相组成Ym2。（4）以此类推，直到萃余相组成Xm等于或小于所要求Xm3Xm2XmlXmFX.的X为止。重复操作线的次数即为理论级数。10-2-11三）多级逆流萃取1PXm(-1)XmXmFXmlXaLER-1)F!R,aR,R.DFE.EtE.E2E3EmsYm2YmoYm3YmY+1)Y..IsTn10-2-12原料液从第1级进入，逐级流过系统，最终萃余相从第n级流出：而新鲜萃取剂从第n级进入，与原料液逆流接触。两液相在每一级充分接触，进行传质，最终的萃取相从第1级流出。第1级中，萃取相中溶质含量高，接近与原料液相平衡的程度：最后1级中，萃余相中溶质含量低，接近与新Ym鲜萃取剂相平衡的程度。E分配曲线1.理论级数的计算第1级至i级的物料衡算方程为：B(X.E-X..)= S(Y.,-Y..)式中，B、S一一萃取剂用量、原料液中稀释剂量；XmF、Xmn一一整个萃取过程原料液进口、出口溶质的摩尔比操作线一整个萃取过程萃取剂进口、出口溶质的摩尔比Ymo、Yml—斜率-号BY..Yml-Y.-(X.-X..)一逆流萃取的操作线方程店Xm0XmXmF0S10-2-13图解法求多级逆流萃取所需理论级数：从操作线的一端点JJminYm开始，在操作线与分配曲线之间画阶梯，阶梯数即为所需的理论级数。Jo.2.最小萃取剂用量的计算J.萃取剂用量的确定影响萃取效果和设备费用。萃取剂用量少，0所需理论级数多，设备费用大：反之，萃取剂用量大，所需的理XXmF论级数少，萃取设备费用低，但萃取剂回收设备大，相应的回收10-2-14萃取剂的费用高。在多级逆流操作中对于一定的萃取要求存在着一个最小萃取剂4轻液（萃取相ym）比和最小萃取剂用量Smin。当萃取剂用量减少到Smin时，所需的理论级数为无穷大。重液萃取剂用量S值越小，理论级数越多。（原料液xmP)萃取剂的最小用量：BSmm=Smax（四）连续逆流萃取轻液连续萃取多用塔式装置，种类很多，包括：填料塔、筛板塔、(萃取剂ymo)往复振动筛板塔、离心萃取机等。重液(萃余相xm)在连续逆流萃取计算中，主要是要确定塔径和塔高。塔径取决10-2-18于两液相的流量与塔中两相适宜的流速。1

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塔高的计算有两种方法：1.理论级当量高度法理论级当量高度He：指相当于一个理论级萃取效果的塔段高度。由实验研究或根据实际装置的数据求得。E+dE理论级数为Nr，因此，塔高H=NrHe。Ym+dym2.传质单元法将萃取塔分隔成无数个微元段，对微元段中溶质从料液到萃取相中的传质过程进行分析。当萃取相中溶质浓度较低，且萃取相和稀释剂不互溶时，E可认为不变，Ky也可以取平均值作为常数。YmE["=HoNoeh=10-2-19K,a,Qyoym-ymHoe——稀溶液时萃取相总传质单元高度，m;NoE一一稀溶液时萃取相总传质单元数；ymo——原始萃取剂中溶质组成的质量分数；YmE——最终萃取剂中溶质组成的质量分数。【本节小结】要求学生掌握萃取剂和稀释剂不互溶体系的单级萃取和多级错流、逆流萃取的最小萃取剂用量、理论级数等的相关计算。【思考题】（1）萃取分离的原理和特点是代么。(2)萃取分离在环境工程领域有哪些应用。(3)萃取剂的选择原则是什么。（4)画图说明单级萃取、多级错流萃取和多级逆流萃取分配曲线和操作线的不同关系。(5)多级逆流萃取的理论级数如何确定。(6)萃取剂用量的确定有哪些考虑。【作业】P392，5、8

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渗透物膜间隔器$10-3膜分离截留物截留物一、膜分离概述原料（一）膜分离过程的分类原料滚透物渗透物膜分离是以具有选择透过功能的薄膜(b)(a)为分离介质，通过在膜两侧施加一种或多原料种推动力，使原料中的某组分选择性地优质膜原料测间隔器中央渗透物管先透过膜，从而达到混合物分离和产物的多孔渗透物侧间隔器提取、浓缩、纯化等目的。膜器外壳口渗透物根据推动力的不同，膜分离过程也不同。渗透物淘透物推动力为压力差的有：微滤、超滤、裁留物截留物渗透物膜反渗透、气体分离、渗透蒸发c推动力为浓度差：渗析原料推动力为电位差：电渗析、膜电解儿推动力为温度差：膜蒸馏厂J元裁留物泰透物（二）膜分离特点HA1.膜分离过程不发生相变，能耗较低，裁宝物渗透物从内向外流动式从外向内流动式能量转化效率高。(d)2.可在常温下进行，特别适于对热敏10-3-3感物质的处理。3.不需要投加其他物质，可节省化学药剂，并有利于不改变分离物质原有的属性。4.在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的物质。5.膜分离装置简单，可实现连续分离，适应性强，操作容易且易于实现自动控制。因此，膜分离技术在化学工业、食品工业、医药工业、生物工程、石油、环境领域等得到广泛应用。（三）膜种类膜是膜分离过程的核心。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：1.按分离机理：有反应膜、离子交换膜、渗透膜等2.按膜的性质：有天然膜（生物膜）和合成膜（有机膜和无机膜）3.按膜的形状：有平板膜Flatmembrane）、管式膜（Tubularmembrane）、中空纤维膜（Hollowfiber membrane)。4.按膜的结构：有对称膜（Symmetricmembrane）、非对称膜（Asymmetricmembrane）和复合膜（Compositemembrane）二、膜分离过程中的传递过程（一）膜分离的表征参数膜分离的特征通常用两个参数来表征：渗透性和选择性。1.渗透性渗透性也称为通量和渗透速率，表示单位时间通过单位面积膜的渗透物的通量。2.选择性膜分离的选择性指膜将混合物中的组分分离开来的能力。（二）膜传递过程模型膜分离过程的类型不同，其作用的机理也不同。目前在膜的传递过程中，普遍认为，主要有两种不同的机理支配着膜中的质量传递和渗透过程。通过微孔的传递：在最简单的情况下是单纯的对流传递。9

9 §10-3 㝰ߚ行 ϔǃ㝰ߚ行ὖ䗄 ˄ϔ˅㝰ߚ行䖛⿟ⱘߚ㉏ 㝰ߚ行ᰃҹ݋᳝䗝ᢽ䗣䖛ࡳ㛑ⱘ㭘㝰 Ўߚ行ҟ䋼ˈ䗮䖛೼㝰ϸջᮑࡴϔ⾡៪໮ ⾡᥼࡯ࡼˈՓॳ᭭Ёⱘᶤ㒘ߚ䗝ᢽᗻഄӬ ܜ䗣䖛㝰ˈҢ㗠䖒ࠄ⏋ড়⠽ߚ੠行ѻ⠽ⱘ ᦤপǃ⌧㓽ǃ㒃࣪ㄝⳂⱘDŽ ḍ᥂᥼࡯ࡼⱘϡৠˈ㝰ߚ行䖛⿟гϡৠDŽ ᥼࡯ࡼЎय़࡯Ꮒⱘ᳝˖ᖂⒸǃ䍙Ⓒǃ ড⏫䗣ǃ⇨ԧߚ行ǃ⏫䗣㪌থ ᥼࡯ࡼЎ⌧ᑺᏂ˖⏫ᵤ ᥼࡯ࡼЎ⬉ԡᏂ˖⬉⏫ᵤǃ㝰⬉㾷 ᥼࡯ࡼЎ⏽ᑺᏂ˖㝰㪌佣 ˄Ѡ˅㝰ߚ行⡍⚍ 1.㝰ߚ行䖛⿟ϡথ⫳Ⳍবˈ㛑㗫䕗Ԣˈ 㛑䞣䕀࣪ᬜ⥛催DŽ 2.ৃ೼ᐌ⏽ϟ䖯㸠ˈ⡍߿䗖Ѣᇍ⛁ᬣ ᛳ⠽䋼ⱘ໘⧚DŽ 3.ϡ䳔㽕ᡩࡴ݊Ҫ⠽䋼ˈৃ㡖ⳕ࣪ᄺ㥃ࠖˈᑊ᳝߽Ѣϡᬍবߚ行⠽䋼ॳ᳝ⱘሲᗻDŽ 4.೼㝰ߚ行䖛⿟Ёˈߚ⌧੠行㓽ৠᯊ䖯㸠ˈ㛑ಲᬊ᳝Ӌؐⱘ⠽䋼DŽ 5.㝰ߚ行㺙㕂ㅔऩˈৃᅲ⦄䖲㓁ߚˈ行䗖ᑨᗻᔎˈ᪡԰ᆍᯧϨᯧѢᅲ⦄㞾ࡼ᥻ࠊDŽ ಴ℸˈ㝰ߚ行ᡔᴃ೼࣪ᄺᎹϮǃ亳કᎹϮǃए㥃ᎹϮǃ⫳⠽Ꮉ⿟ǃ⷇⊍ǃ⦃๗乚ඳㄝᕫࠄᑓ⊯ ᑨ⫼DŽ ˄ϝ˅㝰⾡㉏ 㝰ᰃ㝰ߚ行䖛⿟ⱘḌᖗDŽḍ᥂㝰ⱘᗻ䋼ǃᴹ⑤ǃⳌᗕǃᴤ᭭ǃ⫼䗨ǃᔶ⢊ǃߚ行ᴎ⧚ǃ㒧ᵘǃ ࠊ໛ᮍ⊩ㄝⱘϡৠˈ㝰᳝ϡৠⱘߚ㉏ᮍ⊩˖ 1.ᣝߚ行ᴎ⧚˖ ᳝ডᑨ㝰ǃ⾏ᄤѸᤶ㝰ǃ⏫䗣㝰ㄝ 2.ᣝ㝰ⱘᗻ䋼˖ ᳝໽✊㝰˄⫳⠽㝰˅੠ড়៤㝰˄᳝ᴎ㝰੠᮴ᴎ㝰˅ 3.ᣝ㝰ⱘᔶ⢊˖ ᳝ᑇᵓ㝰˄Flat membrane˅ǃㅵᓣ㝰˄Tubular membrane˅ǃЁぎ㑸㓈㝰˄Hollow fiber membrane˅DŽ 4.ᣝ㝰ⱘ㒧ᵘ˖ ᳝ᇍ⿄㝰˄Symmetric membrane˅ǃ䴲ᇍ⿄㝰˄Asymmetric membrane˅੠໡ ড়㝰˄Composite membrane˅ Ѡǃ㝰ߚ行䖛⿟ЁⱘӴ䗦䖛⿟ ˄ϔ˅㝰ߚ行ⱘ㸼ᕕখ᭄ 㝰ߚ行ⱘ⡍ᕕ䗮ᐌ⫼ϸϾখ᭄ᴹ㸼ᕕ˖⏫䗣ᗻ੠䗝ᢽᗻDŽ 1.⏫䗣ᗻ ⏫䗣ᗻг⿄Ў䗮䞣੠⏫䗣䗳⥛ˈ㸼⼎ऩԡᯊ䯈䗮䖛ऩԡ䴶⿃㝰ⱘ⏫䗣⠽ⱘ䗮䞣DŽ 2.䗝ᢽᗻ 㝰ߚ行ⱘ䗝ᢽᗻᣛ㝰ᇚ⏋ড়⠽Ёⱘ㒘ߚߚ行ᓔᴹⱘ㛑࡯DŽ ˄Ѡ˅㝰Ӵ䗦䖛⿟῵ൟ 㝰ߚ行䖛⿟ⱘ㉏ൟϡৠˈ݊԰⫼ⱘᴎ⧚гϡৠDŽⳂࠡ೼㝰ⱘӴ䗦䖛⿟Ёˈ᱂䘡䅸ЎˈЏ㽕᳝ϸ ⾡ϡৠⱘᴎ⧚ᬃ䜡ⴔ㝰Ёⱘ䋼䞣Ӵ䗦੠⏫䗣䖛⿟DŽ 䗮䖛ᖂᄨⱘӴ䗦˖೼᳔ㅔऩⱘᚙމϟᰃऩ㒃ⱘᇍ⌕Ӵ䗦DŽ

基于扩散的传递：要传递的组分首先必须被溶解在膜相中。因此，膜分离过程的机理，可以分别用多孔模型和溶解-扩散模型来描述。N1.多孔模型5多孔模型是借助Kozeny-Carman方程来描述流体透过渗膜的过程。该模型可以用于描述多孔膜中的传递过程。多料透液孔膜一般用于微滤和超滤过程。原理同深层过滤。酒2.溶解一扩散模型主要用于描述致密膜（无孔膜）的传递过程（渗透蒸od发、气体分离）。溶剂和溶质透过膜的过程分为3步：①溶剂和溶质在膜上游侧吸附溶解；10-3-5②溶剂和溶质在化学位梯度下，以分子扩散形式透过膜：③透过物在膜下游侧表面解吸。溶剂和溶质的渗透能力取决于物质在膜中的溶解度和扩散系数。假设渗透物的溶解度与浓度无关，渗透物在膜中的溶解服从Henry定律。【本节小结】要求学生了解膜分离过程的分类、特点及种类，理解膜分离过程的表征参数：渗透性和选择性，理解膜传递过程的理论模型：多孔模型、溶解扩散。10

10 ෎ѢᠽᬷⱘӴ䗦˖㽕Ӵ䗦ⱘ㒘ߚ佪ܜᖙ乏㹿⒊㾷೼㝰ⳌЁDŽ ಴ℸˈ㝰ߚ行䖛⿟ⱘᴎ⧚ˈৃҹ߿ߚ໮⫼ᄨ῵ൟ੠⒊㾷ᠽᬷ῵ൟᴹᦣ䗄DŽ 1.໮ᄨ῵ൟ ໮ᄨ῵ൟᰃࡽ׳ Kozeny-Carman ᮍ⿟ᴹᦣ䗄⌕ԧ䗣䖛 㝰ⱘ䖛⿟DŽ䆹῵ൟৃҹ⫼Ѣᦣ䗄໮ᄨ㝰ЁⱘӴ䗦䖛⿟DŽ໮ ᄨ㝰ϔ㠀⫼ѢᖂⒸ੠䍙Ⓒ䖛⿟DŽॳ⧚ৠ⏅ሖ䖛ⒸDŽ 2.⒊㾷ˉᠽᬷ῵ൟ Џ㽕⫼Ѣᦣ䗄㟈ᆚ㝰˄᮴ᄨ㝰˅ⱘӴ䗦䖛⿟˄⏫䗣㪌 থǃ⇨ԧߚ˅行DŽ ⒊ࠖ੠⒊䋼䗣䖛㝰ⱘ䖛⿟ߚЎ  ℹ˖ ķ⒊ࠖ੠⒊䋼೼㝰Ϟ␌ջ਌䰘⒊㾷˗ ĸ⒊ࠖ੠⒊䋼೼࣪ᄺԡẃᑺϟˈҹߚᄤᠽᬷᔶᓣ䗣䖛㝰˗ Ĺ䗣䖛⠽೼㝰ϟ␌ջ㸼䴶㾷਌DŽ ⒊ࠖ੠⒊䋼ⱘ⏫䗣㛑࡯পއѢ⠽䋼೼㝰Ёⱘ⒊㾷ᑺ੠ᠽᬷ㋏᭄DŽ؛䆒⏫䗣⠽ⱘ⒊㾷ᑺϢ⌧ᑺ᮴ ݇ˈ⏫䗣⠽೼㝰Ёⱘ⒊㾷᳡Ң Henry ᅮᕟDŽ Ǐᴀ㡖ᇣ㒧ǐ ྑௐ༰ಓॴࠓ੧דशڶёԅדफcඋԤރᄵफēसࠓ੧דशڶёԅζჸϵ೴ġ಑෉໿ۤ༪ ႔໿ēसࠓ੧ҎԞڶёԅसৢ੦໸ġտࣄ੦໸cగࣴࠓ఻d