第4章透析、电渗析与膜电解课件.ppt
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1、第4章 透析、电渗析与膜电解,4.1 透析(Dialysis),4.2 电渗析(Electrodialysis),4.3 双极膜水解离(EDBM),4.4 膜电解(Dialysis),9/24/2022,1,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,第4章 透析、电渗析与膜电解4.1 透析(Dialysi,4.1 透析(Dialysis),人工肾,类型,荷电膜,非荷电膜,材料,疏水,亲水,聚丙烯腈,聚酰胺,聚甲基丙烯酸甲酯,纤维素,聚乙烯醇,4.1.1 膜,9/24/2022,2,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.1 透析(Dialysis)人工肾类型荷电膜非荷电膜材,均相对称,均相非对称,膜结构
2、,医用膜有关领域的关键点,聚合物科学,纤维研究,聚合物,膜技术,膜,器械工艺,透析器,性能检测,治疗方法,临床经验,患者,材料成分,处理方法,设备装置,生物监测,医护方案,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,3,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,均相对称均相非对称膜结构医用膜有关领域的关键点聚合物纤维聚合,4.1.2 透析过程机理,透析膜两侧物质的浓度平衡,透析是溶质依靠其在膜两侧液体中的浓度差与膜的孔径大小,从膜的进料侧通过透析膜流向透析液侧的过程。,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,4,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.1.2 透析过程机理透析膜两
3、侧物质的浓度平衡,4.1.3 透析过程的通量模型,溶质通量,溶剂通量,溶质直径比膜孔小得多时,,q0,K1=1,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,5,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.1.3 透析过程的通量模型溶质通量溶剂通量溶质直径比膜,铜仿渗析膜装置(PT-150)通用的常数值,溶 质,尿素肌氨酸酐尿酸稀盐酸蔗糖蜜三糖维生素B12,MW,60113168953425041355,Pm103/(m/h),3.181.31.140.9320.5260.3670.166,0.00.0-0.1570.2410.387,Rm/(min/cm),18.9(13.1)35.8(2
4、2.8)52.6(30.7)64.4(34.7)114.0164.0362.0,DW/(m/cm),(1400)(830)(630)(750),4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,6,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,铜仿渗析膜装置(PT-150)通用的常数值 溶 质 尿,典型透析膜标准扩散系数Dm/DW与溶质分子量的关系,低分子量侧,膜对溶质的扩散系数影响明显。,随分子量,膜对溶质分子阻力趋于极限。,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,7,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,典型透析膜标准扩散系数Dm/DW与溶质分子量的关系,4.1.4 透析液的种类及其组成
5、,透析液应具备的基本条件:,能充分清除体内代谢产物,能维持体内电解质和酸碱平衡,透析液与血液的渗透压基本相近,容易制备保存,对机体无害,透析液,醋酸盐型、无钾型、无糖型,高钠或低钠型、碳酸氢盐型,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,8,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.1.4 透析液的种类及其组成透析液应具备的基本条件:,透析液中有关离子的浓度范围,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,9,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,透析液中有关离子的浓度范围4.1 透析(Dialysis),4.1.5 透析过程的种类及其清除率,血液透析,血液透析(Hemodial
6、yse,HD),血液滤过(Hemofiltration,HF),血液洗滤(血液渗析过滤)(Hemodiafiltration,HFD),血液透析(HD),血液滤过(HF),4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,10,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.1.5 透析过程的种类及其清除率血液透析血液透析(He,血液洗滤(HFD),对于中空纤维膜透析器,通常血液在中空纤维内流动,而透析液同时在膜的外侧流动。,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,11,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,血液洗滤(HFD)对于中空纤维膜透析器,流动形式,并流,逆流,错流,Nichola
7、s计算表明:,浓度差或脱除率:逆流错流并流,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,12,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,流动形式并流逆流错流Nicholas计算表明:浓度差或脱除率,HF-血液滤过;HD-血液透析;HDF-血液透析过滤,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,13,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,聚合物形式聚合物材质临床应用商品化线合成聚酰胺(脂肪族-芳香,血液透析(HD),溶质清除率,相对分子质量11002000,小分子毒物,血液透析疗法是利用膜的分隔作用,借助膜两侧的溶质浓度差及渗透压差的作用,使血液中的小分子代谢废物扩散通过膜进入透析液,
8、透析液中的某些组分则通过扩散进入血液,使血液达到需要的离子平衡。,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,14,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,血液透析(HD)溶质清除率 相对分子质量1100200,血液滤过(HF),血液滤过是以液体静压差为推动力,使血液中要清除的毒素成分随水透过膜离开血液而去除。,溶质清除率,滤过滤膜孔径比透析膜大得多。,滤过膜水渗透率比透析膜大2040倍。,小分子量肌酐、中等分子量代谢废物、VB12,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,15,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,血液滤过(HF)血液滤过是以液体静压,血液洗滤(HFD),血液洗
9、滤是血液透析和血液滤过相结合的过程,采用密闭性较好的透析液作为置换液补充到血液中,以此来自动保持过滤和置换的平衡。,溶质清除率,大分子量毒物,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,16,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,血液洗滤(HFD)血液洗滤是血液透析,清除率(ml/min),大分子,三种透析过程的清除率比较,血液滤过,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,17,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,清除率(ml/min)大分子三种透析过程的清除率比较血液滤过,吸附-透析型膜组件,将过滤型或透析型膜组件分别与吸附剂相结合,可直接用于分子量稍大、且不易透析的血液内
10、代谢废物在短时间内快速除去。,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,18,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,吸附-透析型膜组件,将过滤型或透析型,不同透析液流量比对清除率的影响,相对清除率x,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,19,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,不同透析液流量比对清除率的影响相对清除率x4.1 透析(D,典型板框透析器的重复单元1,3进料框和隔板;2,4膜,4.1.6 应用,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,20,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,典型板框透析器的重复单元4.1.6 应用4.1 透析(D,血液透析(HD
11、)示意图1-压力调节;2-热交换器;3-恒量器;4-加热器;5-除泡泵;6-除气槽;7-粘液泵;8-浓度检测;9-循环泵;10-透析器;11-血泵;12-动脉夹;13-静脉夹;14-气泡检测,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,21,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,血液透析(HD)示意图4.1 透析(Dialysis)9/,各种血浆分离过程示意图1-血泵;压力调节;2-血浆滤器;3-血浆泵;4,8-血浆成分分离器;5-加湿器;6-细胞分离器;7-血液灌流器;9-血浆免疫吸附器;10-血浆吸附器,4.1 透析(Dialysis),9/24/2022,22,第2章 反渗透、纳滤
12、、超滤与微滤,各种血浆分离过程示意图4.1 透析(Dialysis)9/,4.2 电渗析(Electrodialysis),其中经历了三大革新,具有选择性离子交换膜的应用,设计出多隔室电渗析组件,采用频繁倒极的操作模式,电渗析器,工艺简单,操作方便,脱盐率高,耗电量少,制水成本低,不污染环境,设备占地面积小,9/24/2022,23,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.2 电渗析(Electrodialysis)其中经历了,离子交换膜,膜的主体,固定部分,活动部分,高分子骨架部分,离子交换基团(固定电荷基团),反离子(对立离子),唐纳渗透离子(同名离子),溶剂(如水),增强材料,4.2.1
13、电渗析膜,无机,有机,玻璃纤维布,涤纶、锦纶氯纶、丙纶,网材,衬底,聚烯烃及其衍生物,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,24,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,离子交换膜膜的主体固定部分活动部分高分子骨架部分离子交换基团,主体组分,树脂相,粘结剂、增塑剂、着色剂防老剂、抗氧化剂、脱膜剂,均相膜,异相膜,各成分以分子状态(至少在亚微观状态)均匀的分布,不存在相界面,通过粘结剂把粉状树脂制成片状膜,粉状树脂颗粒与粘结剂等其他组分之间存在相界面,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,25,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,主体组分树
14、脂相粘结剂、增塑剂、着色剂均相膜异相膜各成分以分子,离子交换膜制备,制备过程,成膜,引进交联结构,导入活性离子交换基团,制膜途径,先成膜后导入活性基团,先导入活性基团后成膜,成膜与导入活性交换基团同时进行,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,26,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,离子交换膜制备制备过程成膜引进交联结构导入活性离子交换基团制,制造工艺,热压法,涂浆法,浸渍法,流涎法,含浸法,辐照接枝法,交聚法,切削法,浇注法,直接处理法,喷涂法,离子移变凝胶法,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,27,第2章 反渗透、纳滤、超
15、滤与微滤,制造工艺热压法涂浆法浸渍法流涎法含浸法辐照接枝法交聚法切削法,异相离子交换膜,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,28,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,异相离子交换膜4.2 电渗析(Electrodialysis,型号组成中有关代号意义,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,型号组成中有关代号意义苯乙烯系骨架名称膜产品分类号产品名称0,离子交换膜的主要技术指标,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,30,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,离子交换
16、膜的主要技术指标指标名称技术指标值指标名称含水率%3,磺酸型阳膜的孔隙结构示意图,静电作用:优先吸附高电荷密度反离子,位阻作用:优先通过小体型离子,某些阳离子的选择性:,某些阴离子的选择性:,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,31,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,磺酸型阳膜的孔隙结构示意图静电作用:优先吸附高电荷密度反离子,反渗透,电渗析,电渗析:在直流电场的作用下,溶液中的荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。,4.2.2 原理,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,32,第2章 反渗透、纳滤、
17、超滤与微滤,反渗透电渗析 电渗析:在直流电场的作用下,溶液中的荷电离,直流电源,电渗析过程原理A-阴离子交换膜;p-稀薄食盐水;C-阳离子交换膜;b-浓缩食盐水;f-原液,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,33,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,直流电源电渗析过程原理4.2 电渗析(Electrodial,电渗析脱除溶液中离子的基本条件,直流电场的作用,离子交换膜的选择透过性,使溶液中的荷电离子在膜上实现反离子迁移,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,34,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,电渗析脱除溶液中离子的基本条件直流
18、电场的作用离子交换膜的选择,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,35,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.2 电渗析(Electrodialysis)9/24/,由阳离子交换膜组成的电渗析器。,硬水的软化,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,36,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,由阳离子交换膜组成的电渗析器。硬水的软,柠檬汁减酸,由阴离子交换膜组成的电渗析器。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,37,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,柠檬汁减酸 由阴离子交换膜组成的电渗析器,氨基酸电渗析
19、过程,合理调节电渗析过程各室的pH值,并维持在稳态条件下,则可将带有不同等电点的混合氨基酸分离。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,38,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,氨基酸电渗析过程 合理调节电渗析过程各,装置设计与系统应用灵活,操作维修方便,装置使用寿命长,原水回收率高,工艺过程洁净,能量消耗少,经济效益显著,特点,4.2 电渗析(Electrodialysis),与离子交换相比:,无大量废酸、废碱液的排放问题,与反渗透相比:,无高压泵的强烈噪声,9/24/2022,39,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,装置设计与系统应用灵活,操作维修方便装置使用
20、寿命长原水回收率,4.2.3 电渗析的基本理论,(1)Sollner双电层理论,膜-溶液界面离子分布及其相应化学电位与距离的关系,1949年,Sollner提出了用于解释离子交换膜 的双电层理论。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,40,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.2.3 电渗析的基本理论(1)Sollner双电层理论,电渗析的规律,异性电荷相吸。,膜中固定离子越多,吸引力越强,选择性越好。,在电场力作用下,溶液中的阳离子作定向连续迁移通过带负电的阳离子交换膜。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,41,第2章 反
21、渗透、纳滤、超滤与微滤,电渗析的规律异性电荷相吸。膜中固定离子越多,吸引力越强,选择,(2)Gibbs-Donnan膜平衡理论,起初用于膜两侧大分子渗透平衡,以及离子交换树脂与电解质溶液间的平衡。,后来也能很好地解释膜与电解质溶液间的离子平衡。,当离子交换膜浸入氯化钠水溶液时,溶液中离子和膜内离子发生交换作用,最后达到平衡,构成膜内外离子平衡体系。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,42,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,(2)Gibbs-Donnan膜平衡理论,阳离子交换膜与水溶液中氯、钠离子的Donnan平衡,可透过离子在膜两边不是平均分布。,两个假定,
22、4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,43,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,阳离子交换膜与水溶液中 可透过离子在膜两,两个假定,膜内外离子的化学位相等,膜内外各种离子总浓度满足电中性,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,44,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,两个假定膜内外离子的化学位相等膜内外各种离子总浓度满足电中,结论,膜上,膜上,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,45,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,结论膜上膜上 4.2 电渗析(Electrodialysis,电渗析过程中发生的各种
23、传递现象,NaCl水溶液,反离子迁移,同名离子迁移,电解质渗析,水的渗透,压差渗漏,水的分解,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,46,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,电渗析过程中发生的各种传递现象NaCl水溶液反离子迁移,4.2.6 电渗析器工艺计算,(1)水流线速度,淡水隔室流量,水流线速度:单位时间内通过电渗析器淡水隔室单位横截面积上水的流量。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,47,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4.2.6 电渗析器工艺计算(1)水流线速度淡水隔室,(2)水流压降,单位电渗析的水流压降即为水流阻
24、力损失,主要由脱盐流道压降、内配水管和外配水管的压力损失及各部位局部阻力损失所组成。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,48,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,(2)水流压降 单位电渗析的水流压降即为,隔板结构,经验系数,厚度/cm,隔网形式,22.22.5,鱼鳞网无网细网,A,b,0.25600.15970.6934,1.91.21.3,某些类型隔板的经验系数,DSA-11/200型电渗析器,环形配水组装,单台水流压降:,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,49,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,隔板结构经验系数厚度/cm
25、隔网形式2鱼鳞网Ab0.25601,(3)极限电流与操作电流密度,极限电流是指电渗析发生极化时的临界电流。,极限电流密度是指通过单位面积离子交换膜的电流。,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,50,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,(3)极限电流与操作电流密度 极限电流是,(4)电流效率,电流效率:为单位时间内实际脱盐率与理论脱盐率的百分比。,表示电渗析过程中电流利用程度。,苦咸水脱盐,海水脱盐,4.2 电渗析(Electrodialysis),9/24/2022,51,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,(4)电流效率 电流效率:为单位时间内实际脱盐率与理论,
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