食品工程原理：第9章 膜分离

1、第第9章章 膜分离膜分离 p了解膜分离的基本原理、各自膜分离的分离机能和传递特了解膜分离的基本原理、各自膜分离的分离机能和传递特 性；性； p了解膜种类、材料及膜组件的构成；了解膜种类、材料及膜组件的构成； p掌握膜的结构特性以及膜分离过程中浓差极化与膜污染的掌握膜的结构特性以及膜分离过程中浓差极化与膜污染的 消除方法；消除方法； p重点掌握各种膜技术应用的场合与特点及影响膜透过通量重点掌握各种膜技术应用的场合与特点及影响膜透过通量 的因素。的因素。 本章重点和难点本章重点和难点 第第9章章 膜分离膜分离 第一节第一节 膜分离技术概述膜分离技术概述 膜分离法膜分离法传质推动力传质推动力分离原理

2、分离原理应用举例应用举例 微滤（微滤（MF） 压差压差 （0.050.5MPa） 筛分筛分除菌，回收菌，分离病毒除菌，回收菌，分离病毒 超滤（超滤（UF）压差压差 （0.11.0MPa） 筛分筛分蛋白质、多肽和多糖的回收和浓蛋白质、多肽和多糖的回收和浓 缩缩 反渗透（反渗透（RO）压差压差 （1.010MPa） 筛分、溶解筛分、溶解-扩散扩散盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制 造造 透析（透析（DS）浓差浓差筛分筛分脱盐、除变性剂脱盐、除变性剂 电渗析（电渗析（ED）电位差电位差荷电、筛分荷电、筛分脱盐，氨基酸和有机酸分离脱盐，氨基酸和有机酸分离 纳滤（纳滤（NF）压差（

3、压差（0.51.5MPa）溶解溶解-扩散、扩散、Donnan效效 应应 氨基酸和多价离子的回收和浓缩氨基酸和多价离子的回收和浓缩 渗透蒸发渗透蒸发 （PV） 压差、温差压差、温差溶质与膜的亲和作用溶质与膜的亲和作用有机溶剂与水的分离，乙醇分离有机溶剂与水的分离，乙醇分离 气体分离气体分离(GS)浓度差浓度差气体与膜的亲和作用气体与膜的亲和作用气调保鲜气调保鲜 一、按膜的孔径、传质动力和传递机理一、按膜的孔径、传质动力和传递机理 二、按动力本质分类二、按动力本质分类 v以静压力差为推动力的过程以静压力差为推动力的过程 微滤微滤（Microfiltration, MF) ) 超滤超滤（Ultraf

4、iltration, UF） 反渗透反渗透（Reverse osmosis, RO) ) 纳滤纳滤（Nanofiltration, NF) ) v以蒸汽分压为推动力的过程以蒸汽分压为推动力的过程 膜蒸馏膜蒸馏（Membrane distillation, MD) ) 渗透蒸发渗透蒸发（Pervaporation, PV） v以浓度差为推动力的过程以浓度差为推动力的过程 渗析渗析（Dialysis, D) ) v以电位差为推动力的过程以电位差为推动力的过程 电渗析电渗析（Electrodialysis, ED) ) 三、膜的分离范围三、膜的分离范围 四、常见物质的相对分子尺寸四、常见物质的相对分

5、子尺寸 截留相对分子质量截留相对分子质量10,000100,000的中空纤维超滤膜的微孔直径为的中空纤维超滤膜的微孔直径为1.65nm 常见物质常见物质相对尺寸相对尺寸 （nm） 常见物质常见物质相对尺寸相对尺寸 （nm） 常见物质常见物质 相对尺寸（相对尺寸（nm） 糖类糖类0.82.5血红细胞血红细胞500010,000花粉花粉10,000100,000 炭黑炭黑10100蛋白质蛋白质10300面粉面粉1000100,000 病毒病毒10100胶体硅粒子胶体硅粒子820金属离子金属离子0.20.7 细菌细菌30010,000漆颜料漆颜料1005000氯离子氯离子0.18 酵母细胞酵母细胞1

6、00050,000水溶性盐水溶性盐0.31.2 五、膜的分类示意图五、膜的分类示意图 第二节第二节 膜及其膜组件膜及其膜组件 用半透膜作为选择障碍层，利用膜用半透膜作为选择障碍层，利用膜 的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能 量差作为推动力量差作为推动力允许某些组分透过而保留混允许某些组分透过而保留混 合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。 一、膜的要求一、膜的要求 膜分离技术主要依靠推动力和分离膜，其中分离膜分离技术主要依靠推动力和分离膜，其中分离 膜更是膜分离技术的核心。衡量标准如下：膜更是膜分离技术的核

7、心。衡量标准如下： 高的高的分离系数分离系数和和渗透系数渗透系数； 足够的足够的机械强度和柔韧性机械强度和柔韧性，同时又要求，同时又要求过滤阻力小过滤阻力小； 适用的适用的pH和温度范围广和温度范围广；较强的；较强的抗物理、化学和微生物侵蚀抗物理、化学和微生物侵蚀的的 性能；性能；耐高温灭菌，耐酸碱清洗剂耐高温灭菌，耐酸碱清洗剂，稳定性高，适用寿命长；，稳定性高，适用寿命长； 通过清洗，通过清洗，恢复通过性能好恢复通过性能好； 制备方便，成本合理，便于工业化生产。制备方便，成本合理，便于工业化生产。 二、膜的材料二、膜的材料 1. 1. 膜材料的分类膜材料的分类 类 别膜材料举 例 纤维素酯类

8、 纤维素衍生物 类 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 非纤维素酯 类 聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚酰(亚)胺类 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺 等 聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 含氟(硅)类 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧 烷等 其他壳聚糖，聚电解质等 2. 2. 常用膜材料常用膜材料 天然高分子材料天然高分子材料 p种类：种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维（AC）、硝酸纤维 和再生醋酸纤维 p优点优点：醋酸纤维的阻盐能力最强醋酸纤维的阻盐能力最强，有一定的亲水性，透 过速度大。常用于反渗透膜常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜； 再生纤维素可用于

9、制造透析膜和微滤膜。 p缺点缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和最高使用温度和pH范围有限，在范围有限，在 4550 C，pH46。 p耐耐pH 范围为范围为211的芳香聚酰胺成为反渗透膜的主要材 料，几乎全部替代了醋酸纤维材料几乎全部替代了醋酸纤维材料。不过，其最大的缺 点就是耐氯离子能力差。 合成高分子材料合成高分子材料 聚砜（聚砜（PS） p优点：耐高温(70 80C， 最高可达125C)，pH113， 耐氯能力强，可调节的孔径宽(1 20nm)； 常用于超滤 膜；多用于水质较好的处理过程（如纯水制备）、血液 透析、气体分离等领域 。 p缺点：聚砜的耐压差，压力极限在0.5 1.0MPa。 聚

10、乙烯（聚乙烯（PE） p 聚乙烯是最结构简单的高分子，也是应用最广泛的 高分子材料。它是由重复的CH2单元连接而成的。 p 聚乙烯无臭，无毒，具有优良的耐低温性能聚乙烯无臭，无毒，具有优良的耐低温性能(最低最低 使用温度可达使用温度可达-70-100)，化学稳定性好，能耐，化学稳定性好，能耐 大多数酸碱（盐酸、柠檬酸等）的侵蚀。大多数酸碱（盐酸、柠檬酸等）的侵蚀。 p 耐氧化性能差，不耐氧化剂和具有氧化性质的酸。 常温下可耐受一般溶剂（醇、烃等）；耐热老化性 差。 聚丙稀（尼龙聚丙稀（尼龙PP） p 聚丙烯的分子结构为典型的主体规整结构，为结晶聚 合物，其相对分子质量为10万50万。密度：0.

11、9 0.91g/cm3；成型收缩率:1.0 % 2.5% ；成型温度： 160220 p 聚丙烯的特点：强度、刚度、硬度耐热性均优于低压强度、刚度、硬度耐热性均优于低压 聚乙烯，可在聚乙烯，可在100左右使用左右使用，具有良好的电性能和高 频绝缘性不受湿度影响，但低温时变脆、不耐磨、易低温时变脆、不耐磨、易 老化，可耐一般的酸碱和化学溶剂，耐氧化剂性能差老化，可耐一般的酸碱和化学溶剂，耐氧化剂性能差。 聚氯乙稀（聚氯乙稀（PVC） p 聚氯乙稀（PVC）是产量最大的三大合成树脂之一， 是一种非结晶态的热塑性塑料，没有明显的熔点，玻 璃化转变温度在80左右，常温条件下韧性较差。 p PVC可耐甲

12、醇、乙醇、乙二醇、醇类、醋酸等，不耐可耐甲醇、乙醇、乙二醇、醇类、醋酸等，不耐 丙酮、环己酮、硝基苯等有机溶剂丙酮、环己酮、硝基苯等有机溶剂。 p PVC耐氧化性能与聚乙烯（耐氧化性能与聚乙烯（PE）接近）接近，在氧化物存在 条件下，易发生部分分解。同时，PVC分子中含有氯分子中含有氯 元素，在长期使用过程中会发生析出，影响过滤水质元素，在长期使用过程中会发生析出，影响过滤水质。 聚醚砜聚醚砜(PES) p 聚醚砜具有出色的热性能和较强的氧化稳定性具有出色的热性能和较强的氧化稳定性。 p 聚醚砜连续使用温度为180，聚醚砜耐应力开裂，不 溶于极性溶剂如酮类和一些含卤碳氢化合物。 p 耐水解，耐

13、大多数酸、碱、脂类碳氢化合物、醇、油耐水解，耐大多数酸、碱、脂类碳氢化合物、醇、油 及脂类。及脂类。 p 可以通过对其相对分子质量的控制或添加各种增强材 料、各种纤维，以提高聚合物的性能。 p 该树脂满足美国该树脂满足美国FDA要求可使用于与食品接触的制件要求可使用于与食品接触的制件。 p 优点：优点： pH耐受范围宽，可以达到210； 易加工成型，可制成多孔径的膜，从1nm 0.2m； 耐多数化学溶剂性能较好。但不耐芳烃、酮、醚、酯等。 p 缺点：缺点： 耐压性能不好耐压性能不好，平板膜低于7bar。聚砜中空纤维膜低于 1.7bar。 疏水性疏水性，易于污堵。 耐氧化性较耐氧化性较PS强，但

14、长期或者高浓度的氧化性清洗剂会强，但长期或者高浓度的氧化性清洗剂会 对膜材料造成一定的破坏。对膜材料造成一定的破坏。 聚偏氟乙烯（聚偏氟乙烯（PVDF） p 长期使用温度范围为长期使用温度范围为40150。 p PVDF材料材料耐热性、化学稳定性、耐辐射性、物理机械耐热性、化学稳定性、耐辐射性、物理机械 性能良好。性能良好。 p 它的突出优点是它的突出优点是化学稳定性好化学稳定性好，在室温下不易被酸、碱、，在室温下不易被酸、碱、 强氧化剂和卤素所腐蚀，脂肪烃、醇、醛、酮等有机溶强氧化剂和卤素所腐蚀，脂肪烃、醇、醛、酮等有机溶 剂对它也无影响。剂对它也无影响。 p PVDF的一个重要特点是的一个

15、重要特点是韧性高韧性高，拉伸强度为，拉伸强度为500kg/cm2， 冲击强度和耐磨性冲击强度和耐磨性能也都较好。能也都较好。 p 同时它还具有极好的耐气候性，在波长为同时它还具有极好的耐气候性，在波长为200400nm的的 紫外线下照射一年，其性能基本不变。紫外线下照射一年，其性能基本不变。 PVDF分离膜，已成功地应用于化工、电子、纺织、分离膜，已成功地应用于化工、电子、纺织、 食品、生化等领域。食品、生化等领域。 p 优点：优点： pH耐受范围宽，可以达到耐受范围宽，可以达到113甚至更宽；甚至更宽； 抗氧化能力极强抗氧化能力极强，可经受苛刻的氧化清洗条件；，可经受苛刻的氧化清洗条件； 可

16、耐烃类、酯类、醇类、醚类等绝大多数化学溶剂；可耐烃类、酯类、醇类、醚类等绝大多数化学溶剂； 耐生物降解；耐生物降解； 与聚醚砜类似，与聚醚砜类似，PVDF的也是的也是疏水性疏水性，可以经过多种方，可以经过多种方 式进行亲水改性。式进行亲水改性。改性后其亲水性可以达到相当令人改性后其亲水性可以达到相当令人 满意的程度。满意的程度。 常用合成高分子膜材料比较常用合成高分子膜材料比较 超滤用于地表水、工业水处理或反渗透预处理时，超滤用于地表水、工业水处理或反渗透预处理时， 对于材质的关心主要集中在两个方面：对于材质的关心主要集中在两个方面： 首先是化学稳定性，其次是亲水性首先是化学稳定性，其次是亲水

17、性。 p化学稳定性化学稳定性决定了材料在酸碱、氧化剂、微生物等的决定了材料在酸碱、氧化剂、微生物等的 作用下的寿命，还直接关系到清洗可以采取的方法；作用下的寿命，还直接关系到清洗可以采取的方法； p亲水性亲水性则决定了膜材料对水中有机污染物的吸附程度，则决定了膜材料对水中有机污染物的吸附程度， 直接影响膜的通量。直接影响膜的通量。 膜材料特性膜材料特性 由于地表水、市政污水、各种工业污水中多含有较由于地表水、市政污水、各种工业污水中多含有较 多的藻类、细菌等微生物，必须考虑在膜系统中加入多的藻类、细菌等微生物，必须考虑在膜系统中加入次次 氯酸钠、二氧化氯、双氧水等杀菌剂，以抑制微生物生氯酸钠、

18、二氧化氯、双氧水等杀菌剂，以抑制微生物生 长繁殖；长繁殖； p微生物和有机污染微生物和有机污染往往是造成膜污染的往往是造成膜污染的主要原因主要原因，氧氧 化剂清洗化剂清洗是膜通量恢复的有效手段，是膜通量恢复的有效手段， p膜材料的耐氧化剂性能显得尤为重要。膜材料的耐氧化剂性能显得尤为重要。 p与与PE、PAN、PES等膜材料相比，等膜材料相比，PVDF膜材料具有膜材料具有 优良的耐氧化剂性能，其耐氧化剂（耐余氯可达优良的耐氧化剂性能，其耐氧化剂（耐余氯可达 4.8mg/(kgh)的能力是的能力是PES等材料的等材料的10倍以上。倍以上。 膜材料污染源膜材料污染源 p PVDF材料与材料与PES

19、等材料相比，其耐受氧化剂清洗的能等材料相比，其耐受氧化剂清洗的能 力更强。因而便于清洗，污堵后经过清洗可以能够更好的力更强。因而便于清洗，污堵后经过清洗可以能够更好的 恢复性能并长期保持通量稳定。恢复性能并长期保持通量稳定。 p 对于常见的酸碱化学试剂的耐受能力依次为对于常见的酸碱化学试剂的耐受能力依次为 PVDFPESPVCPEPPPS。 p 对于常见的氧化剂的耐受能力依次为对于常见的氧化剂的耐受能力依次为 PVDFPESPVCPEPPPS。 p 对于常见的有机溶剂的耐受能力依次为对于常见的有机溶剂的耐受能力依次为 PVDFPESPVCPEPPPS。 膜材料稳定性比较膜材料稳定性比较 化学稳

20、定性的比较化学稳定性的比较 亲水性比较亲水性比较 膜材料接触角 纤维素1245 聚醚砜4481 聚丙烯108 聚砜3881 PDVF3066 不同公司超滤膜材料的接触角数据 注：不同产品，不同人测试结果差异较大。有些膜材料可能经过亲水改性。 亲水性亲水性/非亲水性膜的比较非亲水性膜的比较 非亲水性膜非亲水性膜 胶体胶体 油油 蛋白蛋白 胶体胶体油油蛋白蛋白 杂质在膜表面状态杂质在膜表面状态: :附着附着 胶体胶体油油蛋白蛋白 过滤过滤 反洗反洗 亲水性膜亲水性膜 胶体胶体 油油 蛋白蛋白 胶体胶体油油蛋白蛋白 杂质在膜表面状态杂质在膜表面状态: :聚结成聚结成 球状球状 反洗反洗 胶体胶体油油

21、蛋白蛋白 过滤过滤 无机材料无机材料 p 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前有孔径种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前有孔径 0.1um微滤膜和截留微滤膜和截留1万相对分子质量的超滤膜，其中万相对分子质量的超滤膜，其中 以陶瓷以陶瓷 材料的微滤膜最常用。材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、 氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称 p 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。 p 缺点：不易加工，造价高。缺点：不易加工，造价高

22、。 复合材料复合材料 p种类：如将含水种类：如将含水金属氧化物金属氧化物（氧化锆）等（氧化锆）等胶体微粒胶体微粒 或聚丙烯酸或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜， 其中沉淀层起筛分作用。其中沉淀层起筛分作用。 p优点：优点：此膜的通透性大，通过改变此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和值容易形成和 去除沉淀层，清洗容易。去除沉淀层，清洗容易。 p缺点：缺点：稳定性差稳定性差。 三、膜的性能三、膜的性能 膜的分离透过性包括分离效率、渗透通量和通量分离效率、渗透通量和通量 衰减系数衰减系数三个方面： 1 . 分离效率分离效率 式中：cb、cp、cm分别

23、为料液、透过液、膜表面上溶质的浓 度，浓度单位为kg/m3。 p b 1 c R c m 0 b 1 c R c 2. 渗透通量渗透通量 用单位时间内通过单位膜面积的透过量表示。 单位为kg/m2 s 。 m JJ 0 3 .通量衰减系数通量衰减系数 由于浓差极化、膜压实及膜污染等原因，膜的渗透通量 将随时间的延长而减少。渗透通量与时间的关系可以用下式来 表示： 式中：J0为初始时刻的渗透通量；J为时间的渗透通量；m 为衰减系数。 四、膜的结构特性四、膜的结构特性 1 . 膜的孔道结构膜的孔道结构 按膜的结构分为：按膜的结构分为： 对称膜对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜

24、非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜复合膜(Composite Membrane) 均质膜非对称性膜 微孔对称性膜 常见膜结构常见膜结构 铝膜纳米管膜聚酰胺转相膜 扫描电镜图 表面表面 SEM横切面横切面 SEM 过滤器类型过滤器类型: Pall Filtron Omega 系列系列 300 K 2. 膜的孔道分布膜的孔道分布 膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤和微滤膜的孔径、膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤和微滤膜的孔径、 孔径分布和孔隙率可通过孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直径观察电子显微镜直径观察。 孔径分布 图9-20 Millipore公

25、司PTGC超滤膜的孔径分布 10 20 30 40 2468101214 相对分布/% 优质超滤膜的表征优质超滤膜的表征 孔分布窄（如图中红线），没孔分布窄（如图中红线），没 有大孔缺陷（如图中阴影部分）有大孔缺陷（如图中阴影部分） p A：为质量好的超滤膜；：为质量好的超滤膜； p B：为质量差的超滤膜实际应：为质量差的超滤膜实际应 用中的。用中的。 具体表现具体表现 p A：膜形成表面污染，透量易：膜形成表面污染，透量易 恢复；恢复； p B：膜易形成孔污染，透量不：膜易形成孔污染，透量不 易恢复。易恢复。 p A：膜透量衰减的慢；：膜透量衰减的慢； p B：膜衰减的快。：膜衰减的快。 孔

26、分布孔分布 A B 50,000150,0000.2m 孔径孔径 3. 水通量水通量 p 膜的另外一个特性是其纯水的透过通量，统称水通量。膜的另外一个特性是其纯水的透过通量，统称水通量。 水通量是在一定条件下（一般压力为水通量是在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为，温度为 20）单位时间透过膜的纯水量。）单位时间透过膜的纯水量。 p 影响膜的水通量因素有：影响膜的水通量因素有：1.膜污染膜污染2.膜孔径（膜孔径（MF膜）膜） 或截留相对分子质量（或截留相对分子质量（UF膜）膜）3.膜材料透膜压差膜材料透膜压差4.不不 同生产厂商同生产厂商 水通量：大量的实验证明，膜孔径越大，通量下降速

27、度越 快，大孔径微滤膜的稳定通量比小孔径小，有时候甚至微 滤通量比超滤膜还要小。 SDI:超滤膜也要比微滤膜要好的多，如下图所示， 随着运行时间的延长，超滤后的水质SDI（污染指数）指数 均低压微滤，这说明了超滤后的水质在运行过程中均要好于 微滤的水质。 4. 膜组件膜组件 (1) 管式膜组件管式膜组件 p 管式膜是将膜固定在管式膜是将膜固定在内径内径1025mm，长约长约3m的圆管状的圆管状 多孔支撑体（支撑体的结构一般为多孔的不锈钢、陶多孔支撑体（支撑体的结构一般为多孔的不锈钢、陶 瓷或塑料罐）上，瓷或塑料罐）上，1020根管式膜并联，管式膜直径通根管式膜并联，管式膜直径通 常为常为624

28、mm，或用管线串联，收纳在筒状容器内即构或用管线串联，收纳在筒状容器内即构 成管式膜组件。成管式膜组件。 (2 )中空纤维（毛细管）式膜组件中空纤维（毛细管）式膜组件 p 中空纤维或毛细管膜组件由数百至数中空纤维或毛细管膜组件由数百至数 万根中空纤维膜固定在圆管形容器内万根中空纤维膜固定在圆管形容器内 构成构成，其最大的特点就是有，其最大的特点就是有极高的膜极高的膜 填充密度。填充密度。 p 严格地讲，严格地讲，内径为内径为4080m的膜称为的膜称为 中空纤维膜中空纤维膜，而，而内径为内径为0.252.5mm的的 膜称为毛细管膜。膜称为毛细管膜。 p 由于两种膜组件的结构基本相同，故由于两种膜

29、组件的结构基本相同，故 一般将这两种膜装置统称为中空纤维一般将这两种膜装置统称为中空纤维 膜组件。膜组件。 p 毛细管膜的耐压能力在毛细管膜的耐压能力在1.0MPa以下以下， 主要用于超滤和微滤；主要用于超滤和微滤；中空纤维膜的中空纤维膜的 耐压能力较高，常用于反渗透耐压能力较高，常用于反渗透。 中空纤维式膜组件 (3)板框式膜组件板框式膜组件 p 平板膜组件与平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似板式换热器或加压叶滤机相似，由，由多枚多枚 圆形或长方形平板膜以圆形或长方形平板膜以1mm左右的间隔重叠加工而成，左右的间隔重叠加工而成， 膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动膜间衬设多孔薄膜，供料液

30、或滤液流动。平板膜组件。平板膜组件 比管式膜组件比管式膜组件比表面积大很多比表面积大很多。 (4) 螺旋卷绕式膜组件螺旋卷绕式膜组件 p 在卷绕式膜组件中，一个（或者多个）膜袋与由塑料在卷绕式膜组件中，一个（或者多个）膜袋与由塑料 制成的隔网配套，按制成的隔网配套，按螺旋形式围着渗透物收集管卷绕螺旋形式围着渗透物收集管卷绕。 膜袋是由两层膜构成的，膜袋是由两层膜构成的，每两层膜之间设有多孔的塑每两层膜之间设有多孔的塑 料网状织物（渗透物隔网）料网状织物（渗透物隔网）。 p 膜袋有三面是封闭的，第四面膜袋有三面是封闭的，第四面(即敞开的那一面即敞开的那一面)接到带接到带 有孔的渗透物收集管上。原

31、料溶液从端面进入，按轴有孔的渗透物收集管上。原料溶液从端面进入，按轴 向流过膜组件，而渗透物在多孔支撑层中按向流过膜组件，而渗透物在多孔支撑层中按螺旋形式螺旋形式 流进收集管流进收集管。 第三节第三节 膜分离技术膜分离技术 p 利用具有一定利用具有一定孔径大小孔径大小、高分子溶质高分子溶质 不能透过不能透过的亲水膜将含有高分子溶质的亲水膜将含有高分子溶质 和其他小分子溶质的溶液与纯水或缓和其他小分子溶质的溶液与纯水或缓 冲液分隔，由于膜两侧的溶质浓度不冲液分隔，由于膜两侧的溶质浓度不 同，同，在浓差的作用下在浓差的作用下，高分子溶液中，高分子溶液中 的小分子溶质（例如无机盐）透向纯的小分子溶质

32、（例如无机盐）透向纯 水或缓冲液的一侧，另外一侧中的水水或缓冲液的一侧，另外一侧中的水 透向高分子溶液的一侧，这就是透析。透向高分子溶液的一侧，这就是透析。 p 透析与渗透最大的不同点在于透析与渗透最大的不同点在于，透析透析 除了水分子可以通过以外，小分子物除了水分子可以通过以外，小分子物 质如无机盐等也可以通过质如无机盐等也可以通过，然而，然而渗透渗透 仅仅只有水分子能通过，小分子物质仅仅只有水分子能通过，小分子物质 如离子等都会被截留。如离子等都会被截留。 1. 透析透析 (1)透析的原理透析的原理 mol/ ( m2s) 其中，其中，k0为包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传质阻力在内为包括膜

33、内扩散和膜两侧表面液膜传质阻力在内 的总传质系数，与操作的温度、膜材料及溶质的性质有关。的总传质系数，与操作的温度、膜材料及溶质的性质有关。 c1和和c2分别为膜两侧的溶质浓度。分别为膜两侧的溶质浓度。 增加传递速率的方法：增加传递速率的方法： 适当的提高温度来增加传质系数；适当的提高温度来增加传质系数； 更换透析液，目的是降低更换透析液，目的是降低c2的浓度；的浓度； 比表面积较大的中空纤维透析装置比表面积较大的中空纤维透析装置。 )( 210 ccSkN (2)透析的传递透析的传递 (3)透析的应用透析的应用 目前透析法在临床上常用于目前透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透肾衰竭患者的血

34、液透 析析。在生物分离方面，主要用于。在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的脱生物大分子溶液的脱 盐盐。如在蛋白质的提取中，往往会用到盐析法。如在蛋白质的提取中，往往会用到盐析法 。 常用的半透膜是常用的半透膜是玻璃纸或称赛璐玢纸、火棉纸和玻璃纸或称赛璐玢纸、火棉纸和 其他改型的纤维素材料其他改型的纤维素材料。 图9-7 透析装置 52 2. 超滤、微滤超滤、微滤 PKpd J 1 2 32 这个式子最重要的特征是这个式子最重要的特征是J与与P成正比，成正比，J与与1/成正比。成正比。 其中的比例常数只由膜的特性决定，可以用水做实验测定。其中的比例常数只由膜的特性决定，可以用水做实验测定。

35、渗透通量与压差几乎渗透通量与压差几乎 成正比，与上式较吻成正比，与上式较吻 合，然而流速对通量合，然而流速对通量 几乎无影响，说明浓几乎无影响，说明浓 差极化的影响很小。差极化的影响很小。 (1)超滤、微滤的传递超滤、微滤的传递 【例例1】 对对XM100A超滤膜进行测定，测定其平均孔径为超滤膜进行测定，测定其平均孔径为 1.7510-8m，每平方厘米上有孔，每平方厘米上有孔3109个，皮层厚个，皮层厚0.2m。试估。试估 算膜的开孔率及在算膜的开孔率及在100kPa压差、压差、20下的水通量。下的水通量。 解：膜的开孔率 水通量 2982 3 4 3.14 3 10(1.75 10 ) 7.

36、21 10 44 1 10 nd S 28235 532 63 (1.75 10 )7.21 101 10 3.45 10 m /(m s) 3232 0.2 101 10 dp J (2) 超滤截留相对分子质量超滤截留相对分子质量 p通过测定相对分子质量不同的球形蛋白 质或水溶性聚合物得截留率，可获得膜的 截留率与溶质相对分子质量之间关系的曲 线，即截留曲线。 p一般将在截留曲线上截留率为一般将在截留曲线上截留率为0.90 （90%）的溶质相对分子质量定义为膜）的溶质相对分子质量定义为膜 的截留相对分子质量（的截留相对分子质量（MWCO）。）。 p在理想的情况下，超滤膜的截留曲线应为 通过横

37、坐标MWCO的一条垂直线，相对分子质量 小于MWCO的溶质截留率为0，大于MWCO 的溶质截留率为1。但实际上，膜孔径均有但实际上，膜孔径均有 一定的分布范围，孔径分布范围较小则截留一定的分布范围，孔径分布范围较小则截留 曲线较陡直，反之则斜坦。曲线较陡直，反之则斜坦。 截留率R0.9 在选择超滤膜浓缩时，最为重要的选择就是对超滤膜截留相对分子 质量（MWCO）的选择，应以下两个因素： 膜相对分子质量的选择曲线；使用一段时间后（一年左右），膜孔 开始变大，分选曲线向右漂移情况。 膜MWCO选择的常用因素如下： X=欲浓缩物质平均相对分子质量欲浓缩物质平均相对分子质量/滤膜截留相对分子质量滤膜截

38、留相对分子质量 X一般取36，当处理物流价值很高时，即希望100%回收时，应尽 量选用X=6。 【例例2】对白蛋白回收用滤膜对白蛋白回收用滤膜MWCO选择时，白蛋白平均相对分子质量为选择时，白蛋白平均相对分子质量为 67000道尔顿，取道尔顿，取X=6，则膜，则膜MWCO=67000/6=10000道尔顿，所以目前世界上道尔顿，所以目前世界上 大部分著名的白蛋白生产厂家，如大部分著名的白蛋白生产厂家，如Baxter、Armour、Miles等选用等选用Pall公司的超公司的超 滤膜，所选用的滤膜，所选用的MWCO=10000道尔顿。道尔顿。 56 蛋白酶液蛋白酶液 恒流泵恒流泵 平板式平板式

39、超滤膜超滤膜 P P出 出 背压阀背压阀 (3)(3)超滤的应用超滤的应用： P P进 进 透出液透出液 截留液截留液 当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发 生分离，溶剂（水）和其他小相对分子质量溶质透过具有不对称微生分离，溶剂（水）和其他小相对分子质量溶质透过具有不对称微 孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体 等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。 当系统压力比设定压力小时，膜

40、片在当系统压力比设定压力小时，膜片在 弹簧弹力的作用下堵塞管路；当系统弹簧弹力的作用下堵塞管路；当系统 压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧， 管路接通管路接通 外压式： 主要针对杂质较 多的流体。 内压式： 方便清洗、控制 3. 反渗透反渗透 (1)反渗透的基本原理反渗透的基本原理 渗透与反渗透 RO膜无明显的孔道结构和性质，其透过机理尚不十分清楚。目 前有优先吸附、毛细管流动理论和溶解-扩散理论，其中以溶解-扩散 模型最为简单实用。 (2)反渗透的传递反渗透的传递 www w ()() D c V JPAP RT 式中：式中： A溶剂透过系数，它只与膜的特性和

41、温度有关。溶剂透过系数，它只与膜的特性和温度有关。 这个公式中的（这个公式中的（P-）可视作为有效压差。）可视作为有效压差。 溶质的质量流量：溶质的质量流量： 式中：式中：B为溶质的扩散系数，为溶质的扩散系数，B只与溶质的性质、膜材料只与溶质的性质、膜材料 的性质和膜的结构有关，与压力的相关性不大。的性质和膜的结构有关，与压力的相关性不大。c2为为 膜两侧溶液中溶质的浓度差。膜两侧溶液中溶质的浓度差。 溶剂的质量流量：溶剂的质量流量： s2 2p w () JB c c JAP 溶质的浓度比：溶质的浓度比： 因此，提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高度浓缩因此，提高反渗透操作压力有利于实现溶质

42、的高度浓缩 s122 ()JB ccB c Js和和Jw的关系可以由稳定时溶质的物料衡算得到。由渗透过膜的关系可以由稳定时溶质的物料衡算得到。由渗透过膜 的渗透液（溶液）体积相等作为衡算的基准，即假设单位时间、单的渗透液（溶液）体积相等作为衡算的基准，即假设单位时间、单 位面积上流过的渗透体积量位面积上流过的渗透体积量(m3)相等：相等： 式中：式中：V为透过液体积，为透过液体积，Cw2 为溶剂在透过液中的浓度为溶剂在透过液中的浓度(kg/m3)。 如果透过液较稀，如果透过液较稀，Cw2 近似为溶剂的密度，特别是对于分离率近似为溶剂的密度，特别是对于分离率 较高较高(R0.9)的膜，的膜，Cw

43、2 更接近于溶剂的密度。更接近于溶剂的密度。 sw 2w2 JJ V cC 2 sw w2 c JJ c 2 12 w2 ()() c B ccAP c 22 1w21 1() ccA P cBcc )(1 )( 1 1 2 PF PF c c R 其中，F的单位为Pa-1，可由实验测定。R值越大，反渗透 对溶剂和溶质的分离效果越好。 令： w2 A F Bc 【例例9-2】反渗透实验中，原液为25的NaCl水溶液，浓度为3.5kg/m3，密度 为999.5kg/m3，渗透压为280kPa，反渗透压差为3.0MPa。所得透过液密度为 997kg/m3，渗透压为8.10kPa。渗透率常数A=3.

44、510-9kg/（Pam2s）， B=2.510-7m/s。求水和NaCl透过膜的速率，溶质分离率和透过液的浓度。 解：溶剂水的透过膜速率 )(1 )( 1 1 2 PF PF c c R A=3.510-9kg/（Pam2s）；p=3.0106Pa =0.281060.0081106=0.272106 Pa Jw=3.510-9（3.0-0.272）106=9.548 10-3kg/ (m2s) 溶质的分离率 Cw2=997kg/m3(透过液密度) w ()JAP 974. 0 )(1 )( 1 1 2 PF PF c c R 974. 01 1 2 c c R 透过液的浓度 已知： c1=

45、3.5 kg/m3 c2=0.091kg/m3 溶质的透过速率 c2=(c1-c2)=3.409 kg/m3 5-1 w2 1.4 10 Pa A F Bc 772 s2 2.5103.4098.5210kg / (ms)JBc ss2 ()JB ccB c 一是操作的一是操作的pH，所控制，所控制 的范围为的范围为3.010.0，最佳，最佳 使用的使用的pH范围为范围为6.57.0； 二是操作时自由二是操作时自由氯含量氯含量， 必须控制在必须控制在0.1mg/kg以下以下， 以延长膜的使用周期；以延长膜的使用周期； 三是进水温度，一般不三是进水温度，一般不 能超过能超过50，最佳进水，最佳进

46、水 温度为温度为2025。 (3) 反渗透的应用反渗透的应用 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较 分离技术类分离技术类 型型 反渗透反渗透超滤超滤微孔过滤微孔过滤 膜的形式膜的形式 表面致密的非对称膜、复表面致密的非对称膜、复 合膜等合膜等 非对称膜，表面有非对称膜，表面有 微孔微孔 微孔膜微孔膜 膜材料膜材料 纤维素、聚酰胺、纤维素、聚酰胺、PVDF 等等 聚丙烯腈、聚砜、聚丙烯腈、聚砜、 PVDF等等 纤维素、纤维素、PVC 等等 操作压力操作压力 /MPa 210010.2 分离的物质分离的物质 相对分子质量小于

47、相对分子质量小于500的的 小分子物质小分子物质 相对分子质量大于相对分子质量大于 500的大分子和细小的大分子和细小 胶体微粒胶体微粒 0.110m的粒的粒 子子 分离机理分离机理 非简单筛分，膜的物化性非简单筛分，膜的物化性 能对分离起主要作用能对分离起主要作用 筛分，膜的物化性筛分，膜的物化性 能对分离起一定作能对分离起一定作 用用 筛分，膜的物筛分，膜的物 理结构对分离理结构对分离 起决定作用起决定作用 水的渗透通水的渗透通 量量 /m3/(m2d) 520200 4. 电渗析电渗析 (1) 电渗析原理电渗析原理 p 电渗析是基于离子交换膜对阴阳离子的选择型，在直电渗

48、析是基于离子交换膜对阴阳离子的选择型，在直 流电场得作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到流电场得作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到 分离的目的的一种分离方法。分离的目的的一种分离方法。 p 电渗析的两个基本条件：一是直流电的电势差；二是电渗析的两个基本条件：一是直流电的电势差；二是 具有选择性透过的离子交换膜。具有选择性透过的离子交换膜。 p 电渗析装置电渗析装置 p基本结构基本结构 p 电渗析中的电化学过程电渗析中的电化学过程 v电渗析的推动力电位差 电极反应 膜电位 电阻 电流 +- 222 -1+- 2 1 HO = H+ O H ; 2 O H-2 e=O+ HO 2 1 C l

49、-e=C l ; H+ C l = H C l 2 +-+ 22 +- H +OH =H O; 2H +2e=H Na +OH =NaOH 阳极 阴极 5. 渗透汽化渗透汽化 p 渗透汽化的原理是在渗透汽化膜（疏水膜）的一侧通渗透汽化的原理是在渗透汽化膜（疏水膜）的一侧通 入料液，另外一侧（透过侧）抽真空或通入惰性气体，入料液，另外一侧（透过侧）抽真空或通入惰性气体， 使两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下，料液中使两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下，料液中 的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生汽化，的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生汽化， 汽化的溶质被膜装置内外设置的冷凝器回收。

50、汽化的溶质被膜装置内外设置的冷凝器回收。 1、控温装置（水浴循环，37）2、加料槽 3、电动搅拌器 4、发 酵罐 5、恒流泵 6、转子流量计 7、渗透汽化膜组件 8、冷凝器 9、 干燥器和缓冲罐 10、真空计 11、油泵 乙醇发酵与渗透汽化在硅橡胶膜生物反应器中的耦合强化 6. 气体分离气体分离 气体分离膜又称为气体分离膜又称为致密膜致密膜，其结构较为致密。，其结构较为致密。 其分离原理与渗透汽化原理相似，两者都是采用致密其分离原理与渗透汽化原理相似，两者都是采用致密 膜，无明显的孔隙。对组分的分离都是利用其选择透膜，无明显的孔隙。对组分的分离都是利用其选择透 过性的不同而进行分离的。过性的不

51、同而进行分离的。 气体分离的特点是分离系数较高，但渗透系数较低。气体分离的特点是分离系数较高，但渗透系数较低。 制膜的材料主要有硅橡胶膜，适用于气体分离和渗透蒸制膜的材料主要有硅橡胶膜，适用于气体分离和渗透蒸 发，目前在食品工业中，主要用于气调保鲜。发，目前在食品工业中，主要用于气调保鲜。 第四节第四节 影响膜透过通量的因素影响膜透过通量的因素 p 传统的过滤操作主要用滤布为过滤介质，采用传统的过滤操作主要用滤布为过滤介质，采用终端过滤终端过滤 (Dead-end filtration)形式回收或除去悬浮物，料液流向与形式回收或除去悬浮物，料液流向与 膜面膜面垂直垂直，膜表面的，膜表面的滤饼阻

52、力大，透过通量很低滤饼阻力大，透过通量很低。 p 目前的超滤和微滤操作主要采用图所示的目前的超滤和微滤操作主要采用图所示的错流过滤错流过滤 (Crossflow filtration，CFF)形式。错流过滤操作中，料形式。错流过滤操作中，料 液的流动方向与膜面平行，液的流动方向与膜面平行，流动的剪切作用可大大减轻浓流动的剪切作用可大大减轻浓 度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平。 1. 操作形式操作形式 2. 流速流速 p 已有很多经验关联式描述传质系数与流速的关系，传已有很多经验关联式描述传质系数与流速的关系，传 质系数随流速的增大而提高。因此，流速增