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膜分离浓缩培训教程 资源循环节能减排环保创新 2020 3 19 1 膜处理工艺原理 MF10 300kPa RO0 7 7MPa NF0 6 4MPa UF35 500kPa P 细菌 寄生虫 杂质颗粒 大分子物质 病毒 中等大小物质 多价离子 小分子物质 单价离子 2020 3 19 2 um A RELATIVE SIZEOF COMMON MATERIAL过滤对象 MOLECULAR WEIGHT分子量 0 001 10 0 01 100 0 1 1000 1 0 10 4 10 10 5 100 1000 10 6 10 7 100 200 5 000 20 000 150 000 500 000 Aqueoussalts水中盐份 Metalions金属离子 Sugars蔗糖 FILTRATION TECHNO LOGY过滤方法 Pyrogens热源 Virus病毒 Colloidalsilica胶体硅 Albuminprotein白蛋白 Bacteria细菌 Carbonblack碳黑 Paintpigment颜料色素 Yeastcells酵母 Milledflour面粉 Beachsand海滩沙砾 Pollens花粉 RO反渗透 Ultrafiltration超滤 Microfiltration微滤 Particlefiltration一般过滤 THEFILTRATIONSPECTRUM过滤谱图 NF纳滤 2020 3 19 3 微滤技术 微滤 microfiltration 在10 300kPa的静压差作用下利用对称的微孔膜来分离悬浮物的一种膜分离过程 微滤一般用于悬浮液 粒径0 02 10 m 的过滤 由于膜孔径较大 操作压力比超滤更小 一般为50 100kPa 微滤过程中膜两侧的渗透压差可以忽略不计 微滤适用于细胞 细菌和微粒子的分离 在生物分离中 广泛用于菌体的分离和浓缩 目标物质的大小范围为0 01 10 m 相近的有过滤 是利用多孔物质为筛板阻截部分物质通过 与微滤不同只是筛板不等同于微滤膜 而且阻截物质的大小要大得多 4 4 2020 3 19 4 超滤技术 5 5 超滤技术的应用 大分子物质的脱盐和浓缩 大分子溶剂系统的交换平衡 小分子物质的纯化 大分子物质的分级分离 生化制剂或其他制剂的除菌过滤和去热原处理 回收细胞和处理胶体悬浮液 在生化制药中可用来分离蛋白质 酶 核酸 多糖 多肤 抗生素 病毒等 超滤的优点 没有相的转变 无需添加任何强烈的化学物质 可以在低温下操作 过滤速度较快 便于无菌处理等 2020 3 19 5 生物大分子的分级分离可以采用不同截留相对分子质量的超滤柱 进行分级分离 目前额定截留相对分子质量的超滤柱截留值有3000 5000 10000 30000 60000等 如果超滤物质相对分子质量为5000 20000 35000 先用截留相对分子质量30000的超滤 滤出液再用截留相对分子质量10000的超滤 滤出液再用截留相对分子质量3000的超滤 6 6 2020 3 19 6 纳滤膜分离技术 纳米过滤技术纳米过滤 nanofiltration 是介于反渗透和超滤之间的一种以压力差为推动力的新型膜分离过程 纳米过滤能截留可以通过超滤膜但不能通过反渗透膜的溶液 纳米过滤的特点是 能截留小分子的有机物并可同时透析出盐 集浓缩与透析于一体 操作压力低 因为无机盐能通过纳米滤膜而透析 使得纳米过滤的渗透压远比反渗透为低 所以纳米过滤所需的外加压力比反渗透低得多 7 7 2020 3 19 7 纳滤主要用来处理一些中等分子量溶质 0 5 5nm 分子量100 1000 主要用于 生活和生产用水的纯化和软化处理 化学工业中的催化剂回收 药物的纯化与浓缩 活性多肽的回收与浓度 溶剂回收等 纳滤与反渗透没有明显的界限 纳滤膜对溶解性盐或溶质不是完美的阻挡层 这些溶质透过纳滤膜的高低取决于盐份或溶质及纳滤膜的种类 透过率越低 纳滤膜两侧的渗透压就越高 也就越接近反渗透过程 相反 如果透过率越高 纳滤膜两侧的渗透压就越低 渗透压对纳滤过程的影响就越小 2020 3 19 8 纳滤膜特性 1 对不同价态离子截留效果不同 对单价离子的截留率低 对二价和多价离子的截留率明显高于单价离子 对阴离子的截留率按下列顺序递增 NO3 Cl OH SO42 CO32 对阳离子的截留率按下列顺序递增 H Na K Mg2 Ca2 Cu2 2 对离子截留受共离子影响 在分离同种离子时 共离子价数相等 共离子半径越小 膜对该离子的截留率越小 共离子价数越大 膜对该离子的截留率越高 3 对疏水型胶体 油 蛋白质和其它有机物有较强的抗污染性 相比于RO NF具有操作压力低 水通量大的特点 相比于MF NF截留分子量界限更低 对许多中等分子量的溶质 如消毒副产物的前驱物 农药等微量有机物 致突变物等杂质能有效去除 2020 3 19 9 部分纳滤膜分离特性 2020 3 19 10 2020 3 19 11 反渗透膜分离层 反渗透膜支撑层 淡水 浓水 进水 Cavg Cconc Cperm Cfeed 高压泵 Cfeed Cperm Cconc Cavg 进水浓度 淡水浓度 浓水浓度 平均浓度 模拟反渗透机 反渗透膜分离技术 2020 3 19 12 TotalDissolvedSolid TDS 总溶解固体 指有机和无机盐溶解在水中得出的浓度 单位 ppm或mg l Feed进水 在高压泵作用下 进入反渗透系统的溶液 Permeate淡水 溶液透过反渗透膜后 收集而成的溶液 一般指净化水 Concentrate浓水 没有透过反渗透膜而离开反渗透系统的溶液 其中含有大量的无机盐和有机物 Cfeed Cconc Cperm TDS 技术术语 2020 3 19 13 Rejection脱盐率 溶液中溶质不透过反渗透膜的比例 Rejection Passage透过率 溶液中溶质透过反渗透膜的比例 PASS Recovery回收率 淡水與入水之比例 Recovery PermeateFlowRate FeedFlowRate Qperm Qfeed AverageConcentration平均浓度 反渗透膜进水侧溶液的平均浓度 Cfeed Cconc 2 Cavg Recovery 技术术语 2020 3 19 14 浓水的浓度 没有透过反渗透膜而离开反渗透系统的溶液的浓度 物量平衡原理 Qfeed Cfeed Qconc Cconc Qperm Cperm 流量 进水 浓水 淡水 浓度 假设在理想状态下 Cperm 0 Qfeed Cfeed Qconc Cconc Qperm 0 Qfeed Cfeed Qconc Cconc Cconc Cfeed Qfeed Qconc Recovery Qperm Qfeed Qfeed Qconc Qperm Cfeed 1 RECOVERY Cconc 技术术语 2020 3 19 15 提高系统回收率的方法 方法一 增加浓水回流 泵 进水 浓水 淡水 0 15m3 h 0 85m3 h 1 0m3 h 泵 进水 回流 浓水 淡水 0 15m3 h 0 15m3 h 0 3m3 h 1 0m3 h 回收率 15 回收率 50 2020 3 19 16 方法二 增加反渗透膜数量 为了增加系统回收率 可增加系统中反渗透膜的数量和段数 以增加淡水产量 备注 回收率增加 淡水水质将下降回收率减少 淡水水质将提高 反渗透膜 反渗透膜 反渗透膜 反渗透膜 反渗透膜 反渗透膜 淡水 浓水 进水 提高系统回收率的方法 2020 3 19 17 对于同一物质 进水物质浓度越高 渗透压越高 2 对于同一浓度 进水物质分子量越小 渗透压越高 MWOFSUCROSE MWOFORGANICS BOFORGANICS BOFSUCROSE B 渗透压力 进水水质与的渗透压力关系 2020 3 19 18 系统操作压力对渗透通量的影响 Peff Pop rB Peff 有效压力 Pop 操作压力 rB 渗透压 反渗透系统操作压力 10 40Bar若操作压力降低 渗透通量也将减少 若操作压力升高 渗透通量也将增加 Qperm act Qperm spec Peff Pspec 实际渗透通量 有效压力 额定渗透通量 额定压力 2020 3 19 19 系统操作温度对反渗透膜的影响 1 反渗透膜运行温度 5 40 C 若操作温度降低 渗透通量也将减少 若操作温度升高 渗透通量也将增加 2 一般可粗略认为 以25 C为基准 操作温度上升 下降1 C 相应膜元件渗透通量上升 下降3 温度 C 渗透通量GPD 2020 3 19 20 S S S S S S 100F 0 25F PureWaterLayer 10A 纯水层 Na NO3 Na Cl K Cl Ca 2Cl2 Zn 2Cl2 Ni 2SO4 2 Al2 2 SO4 2 3 Na3 SO4 3 压力 溶液流动方向 反渗透膜对无机盐的作用1 依靠荷点排斥性一般纯水膜表面都带荷电 同时不同离子带有不同电荷 反渗透膜会对各种离子产生荷电排斥性 2 依靠膜孔的筛选性 最为重要 2020 3 19 21 S S S S S 100F 0 25F 压力 溶液流动方向 最为重要 100MW 50MW 1000MW 750MW 500MW 反渗透膜对有机物的作用 1 有机物的脱除率主要决定于有机分子的大小和形状 2 携带电荷的有机物 由于荷电排斥作用相对更难透过反渗透膜 2020 3 19 22 反渗透膜对正离子的脱盐率 2020 3 19 23 反渗透膜对负离子的脱盐率 2020 3 19 24 反渗透膜对其他物质的脱除率 2020 3 19 25 外殼材料 中心管 产水 浓水 ATD 进水 进水流道 膜片 膜片 进水流道 膜外壳 纯水收集流道 卷式反渗透膜元件 2020 3 19 26 密封 密封 密封 螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 多孔透水材料 膜 上下两层 2020 3 19 27 膜叶 透水网状材料 透过水 浓水 进水 螺旋卷式膜组件组合示意图 2020 3 19 28 常用聚酰胺膜结构 FT30膜片材质 纳滤膜片材质 2020 3 19 29 交联度不同导致膜性能的区别 2020 3 19 30 聚酰胺膜剖面图 聚酯材料增强无纺布 约120 m厚聚砜材料多孔中间支撑层 约40 m厚聚酰胺材料超薄分离层 约0 2 m厚 2020 3 19 31 浓差极化 浓差极化是指当水透过膜并截留盐时 在膜表面会形成一个流速非常低的边界层 边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高 这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化 浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值 浓差极化效应如下 膜表面上的渗透压比本体溶液中高 从而降低NDP 降低水通量 Qw 增加透盐量 Qs 增加难溶盐的浓度 超过其溶度积并结垢 浓差极化因子 被定义为膜表面盐浓度 Cs 与本体溶液盐浓度 Cb 的比值 2020 3 19 32 浓差极化现象 反渗透的浓差极化现象 2020 3 19 33 影响反渗透性能的因素1 2020 3 19 34 影响反渗透性能的因素2 2020 3 19 35 原水组份对脱盐率的影响 1 水通量高的膜 盐透过量也高 盐透过量随下述因素的增加而降低 2 解离度 弱酸 如乳酸 在高PH条件下 解离程度提高 脱除率也提高 3 离子价位 离子价位越高 其脱除率越高 二价离子比一价离子脱除率高 4 分子量越高脱除率越高 5 非极性 水合程度高的离子如Cl 比水合程度低的离子如NO3 脱除率高 6 分子支链程度 异丙醇比正丙醇脱除率高 2020 3 19 36 4寸8寸膜RO系统常规设计导则 元件类型最大产水量最大给水量最小浓水量最大回收率最大压降 单支 M3 H M3 H M3 H bar BW30 40400 30 0 40 3 60 7 0 5 15 17 30 1 0BW30 3651 0 1 5 14 163 4 2 3 15 17 30 1 0 2020 3 19 37 膜的用途 浓缩 目的产物以低浓度形式存在 因此需要除去溶剂 截留物为产物 纯化 除去杂质 分离 将混合物分成两种或多种目的产物 反应促进 把化学反应或生化反应的产物连续取出 能提高反应速率或提高产品质量 2020 3 19 38 膜技术在生物与制药工业中的应用 膜分离的主要应用 发酵液澄清细胞分离与收集酶 蛋白质等大分子物质的浓缩与精制抗生素的回收及纯化氨基酸类制品的浓缩除菌 除热源反应 分离耦合过程高浓度有机废水的处理 2020 3 19 39 生化产品的特点1 目的产物在初始物料中的含量低2 初始物料成分相当复杂3 生物活性物质稳定性差 易失活 降解4 产品种类繁多5 应用面广 对纯度和含量要求高 采用膜分离的优势 1 条件温和 能保持生物活性2 选择性好 分离系数高3 活性产物的量高 具有较高的收率4 分离步骤明显减少5 分离快速 生产能力显著提高 膜技术与药品生产的契合点 2020 3 19 40 膜浓缩工艺举例 物料信息 某抗生素药品树脂解析液 内含有效成分0 5 2020 3 19 41 膜脱盐纯化工艺举例 处理工艺 此工艺采用纳滤膜进行连续恒容脱盐工艺原理 纳滤膜对有效物质的截留率高达90 对盐分的截留率在10 以下 甚至是0 工艺步骤 采用多倍水洗盐将盐分脱除至0 5 以下 再用有效成分浓缩至5 6 后冷冻结晶工艺优点 取代了原有的化学处理工艺 采用物理方法处理 简单快捷 连续操作性强 回收彻底 2020 3 19 42 膜纯化浓缩工艺举例 某抗生素类药品分子量为350Da 含量20mg ml杂质分子量为110Da 含量为80mg ml一价盐质量浓度5 左右处理工艺 选择分离度较好的纳滤膜 采用多次水洗以分开两种物料后 然后分别对两种成分进行浓缩此处理工艺可对有效成分进行有效截留 去除后的杂质分子也可做部分回收 节约资源 2020 3 19 43 膜脱色工艺举例 物料分子量180Da 原工艺采用活性炭吸附脱色目前工艺采用切割分子量1 103的超滤进行脱色 在超滤过程中加入洗滤工艺 有效成分回收率可做到95 以上物料透光率可从1 以下上升到50 以上 满足了下一步生产的要求脱色工艺处理时最佳选择 膜MWCO与物料分子量之比大于4 5 2020 3 19 44 小分子 500 2KD 生物产品的回收500 2KD分子的分离去盐 氨基酸 抗生素 有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子量在2000以下 因此选用MWCO为1 3 104的超滤膜 可以从发酵液中回收这些小分子发酵产物 然后利用纳滤 反渗透技术进行浓缩和除去相对更小的杂质 注射药物的除热源 pyrogen 热源一般由细菌细胞壁产生 主要成分为脂多糖 脂蛋白等 相对分子量较大 能直接引起恒温动物的体温升高 如产品的相对分子量在1000以下 使用MWCO为1 104的超滤膜可有效除去热源 且不影响产品的回收率 2020 3 19 45 生化制药 工艺比较 膜工艺 原有工艺 膜技术在发酵液中应用 2020 3 19 46 菌体分离 多糖 多肽提取 利用超滤或微滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜分离技术的重要应用之一 与传统滤饼过滤和硅藻土过滤相比 错流过滤具有 1 优点 A透过通量大 B滤液澄清 菌体回收率高 C不须添加助滤