Liquid Separations with Membranes pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Boddeker, Karl W.

出品人:

页数:146

译者:

出版时间:

价格:$ 90.34

装帧:

isbn号码:9783540474517

丛书系列:

图书标签:

Membrane separation
Liquid separation
Membrane technology
Separation processes
Chemical engineering
Materials science
Water treatment
Gas separation
Pervaporation
Dialysis

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具体描述

On the level of a textbook a self-consistent approach to liquid separations with membranes is presented, contrasting equilibrium separations with the rate-controlling effects of barrier interference on mass transfer. As a corollary objective, an effort is made to observe context, factual and historical, when introducing concepts and applications of membrane separation science. Ordering principle is the formal structure of mass transfer across permeable barriers, being construed of a driving force (allocated to the condition of the mixtures to be separated) and a barrier permeability (holding the keys to membrane selectivity). The membranes, by this approach, appear by way of the mass transport requirements which they are to meet, or else by way of the separation effects which they inspire. Exploiting barrier interference is the challenge of membrane separation science and technology. This book is about the principles behind.

膜分离技术：从基础原理到前沿应用一、绪论：分离技术的演变与膜过程的崛起自工业革命以来，分离技术一直是化学工程、环境科学乃至生命科学领域的核心挑战。从传统的蒸馏、萃取到吸附，人类不断探索更高效、更环保的分离手段。进入二十一世纪，随着对能源效率和产品纯度要求的日益提高，一种颠覆性的技术——膜分离技术——迅速崛起，成为现代分离工程中不可或缺的力量。本书旨在系统、深入地介绍膜分离技术的基础理论、关键材料科学以及在各个工业领域中的广泛应用。我们力求超越基础的教科书层面，深入探讨膜过程的驱动力、膜材料的微观结构与宏观性能之间的复杂关系，以及如何通过过程强化和系统集成来优化实际操作。二、膜分离的基础物理化学原理膜分离的本质是一种受力驱动的、基于选择性渗透的传质过程。与依靠相变的传统分离方法不同，膜分离在常温常压下即可实现高效分离，极大地节省了能源。 2.1 膜分离的驱动力与输运模型：膜过程的驱动力通常是跨膜的化学势梯度，表现为压力差（如反渗透、纳滤）、浓度差（如渗透蒸发、膜接触器）或电势差（如电渗析）。理解这些驱动力如何转化为溶质和溶剂在膜内的迁移，是膜过程设计的基础。我们将详细解析描述膜内溶质传输的经典模型，包括溶解-扩散模型（适用于致密膜）和对流-扩散模型（适用于多孔膜），并探讨斯蒂芬（Stefan）模型在解释界面效应中的作用。此外，我们还会引入膜污染（Fouling）的动力学模型，分析颗粒沉积、凝胶层形成对膜通量衰减的影响。 2.2 膜的形态与结构分类：膜根据其孔径大小和分离机制被划分为四大类：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）。每一类膜都对应着特定的孔结构和操作压力范围。孔结构分析：我们将探讨如何利用气体吸附法（BET）、孔径分布分析（汞压入法）和扫描电镜（SEM）等手段精确表征膜的孔径分布、孔隙率和比表面积，这些微观参数直接决定了膜的选择性和渗透性。膜的构造：膜的物理结构——对称膜、非对称膜、不对称复合膜（如薄膜复合膜 TFC）——在分离效率和抗污染性能上扮演着关键角色。复合膜的界面设计，特别是活性层（Thin Film Composite Layer）的厚度和选择性，是高性能膜设计的核心。三、膜材料的化学与工程膜的性能在很大程度上取决于其所选用的聚合物或无机材料的化学性质。选择合适的膜材料是实现特定分离目标的前提。 3.1 有机聚合物膜：聚合物因其易于加工、成本相对较低和结构可调性强而占据了膜分离市场的主导地位。我们将深入研究几类关键聚合物的结构-性能关系：聚砜（PSf）和聚醚砜（PES）：它们是微滤和超滤膜的主流材料，其相分离（如浊点析出法、非溶剂致相分离法 NIPS）过程的精确控制，决定了最终膜的孔径均匀性。聚酰胺（PA）：它是高性能反渗透膜（RO）和正渗透膜（FO）的核心材料。聚焦于界面聚合技术（Interfacial Polymerization），讨论反应物浓度、温度和pH值如何影响活性层厚度和交联度，进而影响脱盐率和水通量。聚偏氟乙烯（PVDF）：鉴于其优异的化学稳定性和亲疏水性可调性，PVDF膜在水处理和生物分离中应用广泛。我们将分析湿法铸膜过程中溶剂挥发速率对膜表面形貌的影响。 3.2 无机膜材料与混合基质膜（MMM）：为了克服聚合物膜在高温、强酸碱环境下的局限性，无机膜（如氧化铝、碳化硅陶瓷膜）和高性能有机-无机杂化膜（MMM）成为研究热点。陶瓷膜的制备：讨论溶胶-凝胶法在制备具有纳米级孔径的陶瓷膜中的应用，重点分析烧结温度对膜的晶相结构和孔道渗透性的影响。混合基质膜： MMM通过将无机填料（如沸石、MOFs、碳纳米管）分散到聚合物基体中，旨在结合两者的优势。我们将探讨填料的表面改性技术，以解决填料与聚合物基体间的界面缺陷（即“空泡”问题），这是提高MMM选择性的关键瓶颈。四、关键膜分离过程的工程应用膜技术已不再局限于水处理，它正在渗透到能源、化工、生物医药等高附加值领域。 4.1 水处理与海水淡化：这是膜分离技术最成熟的应用领域。反渗透（RO）与正渗透（FO）： RO在海水淡化中占据主导地位，但高能耗是其主要挑战。FO作为一种低能耗的替代方案，尤其适用于高盐度废水处理或浓缩。我们将对比分析这两种技术在浓差极化（Concentration Polarization）和溶质选择性方面的差异。膜生物反应器（MBR）： MBR将膜分离与生物降解过程结合，实现了出水水质的飞跃。讨论膜组件的选型（中空纤维或平板式）以及如何通过定期反冲洗和化学清洗来维持膜的长期稳定运行。 4.2 气体分离：气体分离膜（如氢气回收、天然气脱碳、空气分离）依赖于膜材料对不同气体分子尺寸和溶解度的差异。我们将引入“双性曲线”（Robeson Upper Bound）的概念，阐释渗透性与选择性之间的固有权衡，并介绍高性能聚合物（如聚三甲基硅烷基丙烯酸酯 PMMA）在此领域的突破。 4.3 生物医学与制药工程：在生物制药领域，膜技术是蛋白质纯化、病毒灭活和药物缓释的关键工具。蛋白质分离：分析超滤在浓缩和缓冲液置换中的作用，探讨膜材料的表面电荷与蛋白质等电点（pI）之间的相互作用，以最小化非特异性吸附。血液净化：讨论血液透析器中中空纤维膜的血液相容性设计，以及如何通过优化膜的表面改性来降低血栓形成风险。五、膜过程的挑战与未来展望尽管膜技术取得了显著成就，但其工业化推广仍面临一些核心挑战。 5.1 膜污染（Fouling）的控制与缓解：膜污染是制约膜过程长期经济运行的主要因素。除了提高膜的抗污染性（如引入亲水性涂层或电荷排斥表面），过程控制策略也至关重要，包括优化流体力学设计（如错流过滤的流速控制）以及开发原位、低化学品消耗的在线清洗技术。 5.2 过程集成与智能化：未来膜分离的发展方向在于与其他分离技术的耦合，形成“膜集成系统”（Hybrid Systems），例如膜蒸馏（MD）与太阳能热源的集成，或膜接触器与吸收塔的结合，以实现能源梯级利用和复杂体系的定制化分离。同时，结合实时传感器和数据分析的“智能膜系统”，将是实现精确过程控制和预防性维护的关键。本书力求为化学工程师、材料科学家及环境工程师提供一个全面、前沿的知识框架，驱动膜分离技术在下一代可持续发展解决方案中发挥更大的作用。