膜分离技术PPT课件

1、117 膜分离技术膜分离技术(membrane separation) 第一讲第一讲2本讲的主要内容p膜分离技术概述膜分离技术概述p膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造p表征膜性能的参数表征膜性能的参数p各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技术及其分离机理3用半透膜作为选择障碍层，用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物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。中其它组分，从而达到分离目的的技术。4概概 述述人类认识到膜的功能源于人类认识到膜的功能源于17481748年，然而用于为人类服年，然而用于为人类服务是近几十年的事。务是近几十年的事。 19601960年年

2、loebloeb和和sourirajansourirajan制备出制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜不对称膜，是，是膜分膜分离技术发展的一个里程碑。离技术发展的一个里程碑。5 1925年以来，差不多每十年就有一项新年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用的膜过程在工业上得到应用 30年代年代 微滤微滤 40年代年代 透析透析 50年代年代 电渗析电渗析 60年代年代 反渗透反渗透 70年代年代 超滤超滤 80年代年代 纳滤纳滤 90年代年代 渗透汽化渗透汽化概概 述述6膜分离的特点膜分离的特点 操作在常温下进行；操作在常温下进行； 是物理过

3、程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂； 不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）； 在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位概概 述述7膜分离技术的重要性膜分离技术的重要性l膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选择适当的膜分离技术，可替代过

4、滤、沉淀、萃选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。传统的分离与过滤方法。 l膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。 l膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近3030年年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。效益

5、，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。概概 述述8 多孔膜与致密膜：多孔膜与致密膜：前者前者概概 述述9常见膜分离方法常见膜分离方法按分离粒子大小分类：按分离粒子大小分类： 透析（透析（dialysisdialysis，dsds） 微滤（微滤（microfiltrationmicrofiltration，mfmf） 超滤（超滤（ultrafiltrationultrafiltration，ufuf） 纳滤（纳滤（nanofiltrationnanofiltration，nfnf） 反渗透（反渗透（reverse osmosisreverse osmosis，roro） 电渗析（电渗析（ele

6、ctrodialysiselectrodialysis，eded） 渗透气化（渗透气化（pervaporationpervaporation，pvpv）概述概述10截留分子量：截留分子量：微滤微滤 0.0210m透析透析 3000 dalton 几万几万dalton超滤超滤 5010或或500050万万dalton纳滤纳滤 2001000dalton或或1nm反渗透反渗透 200dalton11膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离法与物质大小（直径）的关系概述概述ronfufmff1217.1 膜材料与膜的制造13 耐压：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压膜孔径小，要保持高通量就

7、必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在力，一般膜操作的压力范围在0.10.5mpa，反渗透，反渗透膜的压力更高，约为膜的压力更高，约为110mpa 耐高温耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱：耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； 化学相容性：化学相容性：保持膜的稳定性；保持膜的稳定性； 生物相容性：生物相容性：防止生物大分子的变性；防止生物大分子的变性； 成本低；成本低；14（一）膜材料 天然材料天然材料：各种纤维素衍生物：各种纤维素衍生物 人造材料人造材料：各种合成高聚物：各种合成高聚物 特殊材料

8、特殊材料：复合膜，无机膜复合膜，无机膜, ,不锈钢膜，陶瓷膜不锈钢膜，陶瓷膜15醋酸纤维特点：醋酸纤维特点： 透过速度大透过速度大 截留盐的能力强截留盐的能力强 易于制备易于制备 来源丰富来源丰富 不耐温（不耐温（30） ph 范围窄，清洗困难范围窄，清洗困难 与氯作用，寿命降低与氯作用，寿命降低 微生物侵袭微生物侵袭 适合作反渗透膜适合作反渗透膜16聚砜膜的特点 （1 1）温度范围广）温度范围广 （2 2）ph ph 范围广范围广 （3 3）耐氯能力强）耐氯能力强 （4 4）孔径范围宽）孔径范围宽 （5 ) 5 ) 操作压力低操作压力低 （6 6）适合作超滤膜）适合作超滤膜17芳香聚酰胺类芳

9、香聚酰胺类u聚酰胺含有酰胺基团（聚酰胺含有酰胺基团（-co-nh-co-nh-）, ,亲水性好亲水性好, ,且其机械稳定且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好性、热稳定性及水解稳定性均很好, ,是最典型的反渗透膜材料是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯之一，但同样不耐氯u与醋酸纤维素反渗透膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比, ,它具有脱盐率高、通量大、操作它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、压力要求低、ph ph 范围广范围广4-114-1118近年来开发的新型膜材料 复合膜；复合膜； 无机多孔膜；无机多孔膜； 纳米过滤膜。纳米过滤膜。 功能高分子膜；功能高分子膜； 聚氨基葡糖聚氨基葡

10、糖 19膜材料膜材料 - - 不同的膜分离技术不同的膜分离技术 透析：透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 微滤膜：微滤膜：硝酸硝酸/ /醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， 超滤膜：超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 反渗透膜反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 纳滤膜：纳滤膜：聚电解质聚电解质+ +聚酰胺、聚醚砜聚酰胺、聚醚砜 电渗析：电渗析：离子交换树脂离子交换树脂 渗透蒸发：渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物弹性态或玻璃态聚合物; ;聚丙稀腈、聚乙聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺烯醇、聚丙稀酰胺20(

11、二）膜的制造膜的制造 要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性21相转变制膜相转变制膜 不对称膜通常用相转变法不对称膜通常用相转变法(phase inversion (phase inversion method)method)制造，其步骤如下：制造，其步骤如下： 1 1将高聚物溶于一种溶剂中；将高聚物溶于一种溶剂中； 2 2将得到溶液浇注成薄膜；将得到溶液浇注成薄膜； 3 3将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而

12、另一相为富含溶剂物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。的液相，形成膜中空隙。222317.2 表征膜性能的参数24表征膜性能的参数表征膜性能的参数 截断分子量、截断分子量、 水通量、水通量、 孔的特征、孔的特征、 phph适用范围、适用范围、 抗压能力、抗压能力、 对热和溶剂的稳定性等。对热和溶剂的稳定性等。制造商通常提供这些数据，制造商通常提供这些数据，25 1. 1. 截留率和截断分子量截留率和截断分子量 膜对溶质的截留能力以截留率膜对溶质的截留能力以截留率r r（rejectionrejection）来表示，其定义为来表示，其定义为 r r1 1 cpcpcb

13、cb 式中式中cpcp和和cbcb分别表示在某一瞬间，透过液分别表示在某一瞬间，透过液（permeatepermeate）和截留液的浓度。）和截留液的浓度。 如如r r1 1，则，则cpcp0 0，表示溶质全部被截留；，表示溶质全部被截留； 如如r r0 0，则，则cpcp cbcb，表示溶质能自由透过膜。，表示溶质能自由透过膜。26截断曲线截断曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。反之

14、，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。27水通量：水通量：纯水在一定压力，温度纯水在一定压力，温度(0.35mpa(0.35mpa，25)25)下试下试 验，透过水的速度验，透过水的速度l / hl / h m m2 2。 jw = w / a tp 同类膜，孔径同类膜，孔径 ，水通量，水通量jwjw 。p 水通量水通量j jw w不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的10%10%）p 由由jwjw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。的数值可了解膜是否污染

15、和清洗是否彻底。 2. 2. 水通量水通量283 孔道特征-孔径孔径常用泡点法（孔径常用泡点法（bubble-point methodbubble-point method）测定，对微孔膜尤）测定，对微孔膜尤为适用。为适用。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐增大空气压力，当有稳定气泡冒出时的压力，称为泡点压力增大空气压力，当有稳定气泡冒出时的压力，称为泡点压力 根据下式，即可计算出孔径：根据下式，即可计算出孔径： d d4 cos4 cosp p （17-317-3） 式中式中d d为孔径，为孔径，为液体的表面张力，为液

16、体的表面张力，为液体与膜间的接为液体与膜间的接触角，触角，p p为泡点压力。为泡点压力。 孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。29 4完整性试验完整性试验 本法用于试验膜和组件是本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏。否完整或渗漏。 将超滤器保留液出口封闭，将超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口处通滴定管。自料液进口处通入一定压力的压缩空气，入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡当达到稳态时，测定气泡逸出速

17、度，逸出速度，如大于规定值，如大于规定值，表示膜不合格。表示膜不合格。3017.3 各种膜分离技术及分离机理31微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：以膜两侧压力差为推动力；按体积大小而分离；膜的制以膜两侧压力差为推动力；按体积大小而分离；膜的制造方法、结构和操作方式都类似。造方法、结构和操作方式都类似。微滤、超滤、纳滤、反渗透区别：微滤、超滤、纳滤、反渗透区别： 膜孔径：膜孔径：微滤微滤0.1100.110 m m 超滤超滤0.010.10.010.1 纳滤纳滤0.0010.010.0010.01 m m 反渗透反渗透 小于小于0.0010.001 m m 分离粒子

18、：分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、纳滤、反渗透为分子级水平的分离；纳滤、反渗透为分子级水平的分离； 分理机理：分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗透机理是渗透现象的逆过程：透机理是渗透现象的逆过程： 压差：压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.10.6 mpa0.10.6 mpa321 透透 析析 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶

19、质的溶液与水溶液或缓冲其它小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）子溶质（如无机盐）透过膜向透过膜向水水侧侧渗透，渗透，这就是透析。这就是透析。 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。以扩散的形式移动。33透析原理图透析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜34透析法的应用蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液u常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类常用于除去蛋

20、白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，的小分子杂质，u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。 u由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。u透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。352. 2. 微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的）得以分离的操作

21、。操作压力操作。操作压力0.05-0.5mpa。36 微滤应用372. 2. 超超 滤滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一 般为6000到 50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6mpa。 38超滤应用超滤应用 超滤从超滤从7070年代起步，年代起步， 9090年代获得广泛应用年代获得广泛应用, ,已成为应用领域最广的技术。已成为应用领域最广的技术。 u蛋白、酶、蛋白、酶、dnadna的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/ /纯化纯化u梯度分离（相差梯度分离（相差1010倍）倍）u清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒u除病毒、热源除病毒、热源39微滤和

22、超滤的分离机理微滤和超滤的分离机理 一般认为是简单的筛分过程，一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则截留，相反，较小的分子则能透过膜。能透过膜。 毛细管流动模型：毛细管流动模型：膜膜是多孔性的，膜内有很多孔是多孔性的，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内道。水以滞流方式在孔道内流动，流动， 因而水通量服从因而水通量服从hagen-hagen-poiseuillepoiseuille方程式；方程式； lpdjv322jvjv水通量；水通量；膜的孔隙度；膜的孔隙度；d d 圆柱形孔道的直径；圆柱形孔道的直径；l l 膜的有效厚度；膜的有效

23、厚度；pp膜两侧压力差；膜两侧压力差；水的粘度。水的粘度。403.3.反渗透反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。操作压差一般为操作压差一般为1.510.5mpa，截留组分为小分子物质。，截留组分为小分子物质。41反渗透法反渗透法分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反

24、渗透；透；渗透和反渗透渗透和反渗透42 反渗透法反渗透法对分子量对分子量300300的电解质、非电解质都可有效的除的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量在去，其中分子量在100100300300之间的去除率为之间的去除率为9090以上。以上。反渗透工业应用包括：反渗透工业应用包括：海水和苦咸水脱盐制饮用水；海水和苦咸水脱盐制饮用水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；用于处理重金属废水用于处理重金属废水用于浓缩过程，用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染

25、工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。反渗透法反渗透法43 反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的迁移方式如何？迁移方式如何？ 溶解扩散模型溶解扩散模型 优先吸附模型优先吸附模型 溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的反渗透过程，反渗透过程， 对有机物优先吸附毛细孔流动模型比较优越。对有机物优先吸附毛细孔流动模型比较优越。反渗透的分离机理反渗透的分离机理44反渗透：优先吸附反渗透：优先吸附- -毛细孔流动模型毛细孔流动模型（有孔学说）（有孔学说） 优先被吸

26、附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。 与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。 由由sourirajansourirajan于于19631963年建立。年建立。 他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。 在膜面上始终存在着一层纯水层

27、，其厚度可为几个水在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。细孔。45图图17-9优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型(a)膜表面对水的优先吸附压力压力主体溶主体溶液液界面界面46水 在膜表面处的流动如果毛细孔直径恰等于如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。47纳滤纳滤z纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求

28、纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。展而来的。z膜组器于膜组器于8080年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。膜衍化而来。z纳滤纳滤 ( nf( nf，nanofiltration)nanofiltration)是一种介于反渗透和是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。超滤之间的压力驱动膜分离过程。z纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量纳滤分离范

29、围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为范围约为 mwco300mwco3001000 1000 ，能截留透过超滤膜的那，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。部分有机小分子，透过无机盐和水。48纳滤膜的特点u纳滤膜的纳滤膜的截留率大于截留率大于95%95%的最小分子约为的最小分子约为nm,nm,故称故称之为纳滤膜。之为纳滤膜。u从结构上看纳滤膜大多是从结构上看纳滤膜大多是复合膜复合膜，即膜的表面分离，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。聚电解质构成。u能透过一价无机盐，能透过一价无机盐，渗透压远比

30、反渗透低渗透压远比反渗透低，故操作，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用比用roro膜低膜低0.50.53 mpa3 mpa，因此纳滤又被称作，因此纳滤又被称作“低压低压反渗透反渗透”或或“疏松反渗透疏松反渗透”( loose ro )( loose ro )。491.1.筛分：筛分：对对na+na+和和cl- cl- 等单价离子的截留率较低，等单价离子的截留率较低，但对但对ca2+ca2+、mg2+mg2+、so42-so42-截留率高，对色素、染截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（料、抗生素、多肽和氨基酸等小

31、分子量（00-00-10001000）物质可进行分级分离，实现高相对分子）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，量和低相对分子量有机物的分离，2.2.道南（道南（donnandonnan）效应：）效应：纳滤膜本体带有纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。高的截留率。u低压力下仍具有较高脱盐性能；低压力下仍具有较高脱盐性能；u分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。（短肽、氨基酸、抗生素）。纳过滤膜的分离机理纳过滤膜的分离机理50纳滤膜分离机

32、理示意图纳滤膜分离机理示意图51膜分离技术第一讲的主要内容膜分离技术第一讲的主要内容u膜分离技术概述膜分离技术概述u膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造u表征膜性能的参数表征膜性能的参数u各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技术及其分离机理52(纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在在donnandonnan效应，广泛应用于制药、食品等行业中。效应，广泛应用于制药、食品等行业中。(同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在要对低浓度的二价离子和分子

33、量在500500到数千的溶质进行到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。( 应用：应用：（1 1）小分子量的有机物质的分离；）小分子量的有机物质的分离； （2 2）有机物与小分子无机物的分离；）有机物与小分子无机物的分离； （3 3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离； （4 4）盐与其对应酸的分离。）盐与其对应酸的分离。纳滤的应用纳滤的应用53行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业制药工业母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化维生素的分

34、离纯化氨基酸的脱盐与纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收电镀液中铜的回收食品工业食品工业脱盐与浓缩脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备水的脱盐、高纯水、水的脱盐、高纯水、地下水的净化地下水的净化染料工业染料工业活性染料的脱盐与回收活性染料的脱盐与回收废水处理废水处理印染厂废水脱色印染厂废水脱色造纸厂废水净化造纸厂废水净化54纳滤应用纳滤应用 螺旋霉素的提取：螺旋霉素的提取： spm发酵滤液发酵滤液微滤和超滤（去除蛋白质等大分微滤和超滤（去除蛋白质等大分子）子）纳纳 滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和水，浓

35、缩水，浓缩spm。 操作条件：进料流量操作条件：进料流量55l/h；操作压力；操作压力1.5mpa。 结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；膜的透过通量可高达膜的透过通量可高达30l/h；浓缩倍数和得率高。；浓缩倍数和得率高。55几种膜分离技术的分离范围几种膜分离技术的分离范围56 利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，以外电场电位差为推动力，利用离子交换膜的选利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；操作；电

36、渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。 6 膜分离技术膜分离技术- 电渗析电渗析57正极正极 阴离子交换膜阴离子交换膜 负极负极+固定离子固定离子cl-na+-58电渗析分离原理示意图电渗析分离原理示意图59离子交换膜和离子交换树脂的区别：离子交换膜和离子交换树脂的区别： 作用机理作用机理使用方法使用方法树脂树脂 离子间交换离子间交换 rso3h+选择互换作用选择互换作用 na+ h+解吸后须

37、再生，并恢解吸后须再生，并恢复成原来的离子型式，复成原来的离子型式，才能继续使用。才能继续使用。 膜膜选择透过作用，选择透过作用， rso3na+膜上反离子是膜上反离子是 h2o 什么，无关紧什么，无关紧 na+ na+要，主要是骨要，主要是骨 cl 架的电荷作用。架的电荷作用。可连续使用，可连续使用， 是透过，不是交换。是透过，不是交换。 60电渗析应用电渗析应用u工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理u生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱盐和分离纯化。盐和分离纯化。61过程过程膜结构膜结构驱动力驱动力应用

38、对象应用对象实实 例例微滤微滤对称微孔膜对称微孔膜0.0510m压力差压力差消毒、澄清收消毒、澄清收集细胞集细胞培养悬浮液除菌，产品培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集消毒，细胞收集超滤超滤不对称微孔膜不对称微孔膜0nm压力差压力差大分子物质分大分子物质分离离蛋白质的分离蛋白质的分离/浓缩浓缩/纯化纯化/脱盐脱盐/去热源去热源纳滤纳滤复合膜复合膜1nm 压力差压力差donna效应效应小分子物质分小分子物质分离离糖糖/二价盐二价盐/游离酸的分离游离酸的分离反渗透反渗透 致密膜、复合致密膜、复合膜膜1nm压力差压力差小分子物质浓小分子物质浓缩缩单价盐单价盐/非游离酸的分离非游离酸的分离透析透析对称的

39、或不对对称的或不对称的膜称的膜浓度差浓度差小分子有机物小分子有机物/无机离子无机离子除小分子有机物或无机除小分子有机物或无机离子离子电渗析电渗析 离子交换膜离子交换膜电位差电位差离子脱除、氨离子脱除、氨基酸分离基酸分离海水淡化，纯水制备，海水淡化，纯水制备，生产工艺用水生产工艺用水渗透蒸渗透蒸发发致密膜致密膜气压差气压差小分子有机物小分子有机物与水的分离与水的分离醇醇/乙酸与水分离，有机乙酸与水分离，有机液体混合物分离（如脂液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等烃与芳烃的分离等几种膜分离技术的适用范围几种膜分离技术的适用范围62思考题 1 1 理解概念：截留分子量，截留率，水通量。理解概念：截留

40、分子量，截留率，水通量。 2 2影响截留率的因素有哪些？影响截留率的因素有哪些？ 3 3微滤，超滤，纳滤，反渗透分离技术的特点，及微滤，超滤，纳滤，反渗透分离技术的特点，及适用范围？适用范围？ 4 4 毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模的原理，及各适用于解释哪些膜过程的原理，及各适用于解释哪些膜过程? ?6364第二讲主要内容第二讲主要内容 膜两侧溶液传递理论膜两侧溶液传递理论 影响膜过滤的因素影响膜过滤的因素 膜的污染膜的污染651 1 浓差极化浓差极化 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在

41、膜的高压侧表面上，造成膜面浓度， 于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中， 这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。 在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路虎。66浓差极化浓差极化透过快的组分透过慢的组分推动力膜浓度极化浓度极化示意图示意图67进料浓差极化浓差极化68浓差极化的表现浓差极化的表现 在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。高

42、，致使有效压力差降低，而使通量减小。 在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。增大了阻力而使通量降低。69克服浓差极化的方法浓差极化的减少浓差极化的减少降低压力降低压力降低膜表面的浓度降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜垂直于膜的混合的混合排除膜表面排除膜表面的浓集物的浓集物桨式混合器桨式混合器静态混合器静态混合器边界层减薄边界层减薄机械清洗机械清洗提高膜面粒子提高膜面粒子反向传递反向传递增加流速增加流速短的液流周期短的液流周期增加扩散

43、增加扩散细的通道细的通道7017.5 影响膜过滤的各种因影响膜过滤的各种因素素压力压力温度温度流速流速其它因素其它因素71 压力压力p1p2p在错流操作中，两种压力差。在错流操作中，两种压力差。一种为通道两端压力差一种为通道两端压力差p=p1-p2另一种为膜两侧平均压力差另一种为膜两侧平均压力差p0)以表压表示(22)()(0210201ppppppppt72虽然增大流速有明显的优点，但需考虑：u只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会使通量增加，u增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通道的压力降增大 u增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；u动力消耗增加。流速73温度 在超滤或微滤中，

44、一般说来，温度升高都会导致通量增大，因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。 所以操作温度的选择原则是：在不影响料液和膜的稳定性范围内，尽量选择较高的温度。 由于水的粘度每升高1约降低2.5，所以，一般可认为，每升高1，通量约增加3。7417.6 膜污染 膜使用中最大的问题是膜污染。 是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。 膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。 膜污染与浓差极化在概念上不同， 浓差极化加重

45、了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。 75膜的污染膜的污染 (fouling) 膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染 沉淀污染对ro和nf的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。 普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。762 吸附污染 有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。 与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团

46、和构型。一般来讲膜的亲水性越强有机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。膜的污染膜的污染 (fouling) 773 生物污染 是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。 膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境， 微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。 微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部ph或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。 细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性被降低和易清洗的聚合物为材质的分

47、离膜，会阻碍生物膜的生长。膜的污染膜的污染 (fouling) 78防止膜污染的方法 可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的危害，可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点菌体或大分子产物时，必须注意以下几点: : 进料液的预处理：预过滤、ph及金属离子控制； 选择合适的膜材料：减轻膜的吸附； 改善操作条件：加大流速。79膜污染的清洗方法化学法：选择清洗剂要注意三点： 1要尽

48、量判别是何种物质引起污染； 2清洗剂要不致于对膜或装置有损害， 3要符合产品要求。80化学法常用的清洗剂有： 1naoh：发酵工业中用得很普遍，浓度为0.11.0m。它能水解蛋白质，皂化脂肪和对某些生物高分子起溶解作用。 2酸：如hno3、h3po4 和hci。用于去除无机污染物，如钙和镁盐。对不锈钢装置不能用hci。柠檬酸对含铁污染物有效。 3表面活性剂：主要对生物高分子、 油脂等起乳化、分散、干扰细菌在膜上的粘附。常用的sds和triton？ x-100，有较好的去蛋白质和油脂等作用。膜污染的清洗方法81 4氧化剂：氯有较强的氧化能力。当naoh或表面活性剂不起作用时，可以用氯，其用量为1

49、0-6mg/l活性氯，其最适ph为1011。 5酶：酶本身是蛋白质， 能用其他清洗剂就酶。但如要去除多糖时，淀粉酶有一定作用的。 6有机溶剂：由于有机溶剂对膜和装置有不良作用，因而很少采用。20-50乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂或硅氧烷消泡剂，但使用时系统必须符合防爆要求。膜污染的清洗方法82物理法： 海绵球擦洗 热水法 反冲洗和循环清洗膜污染的清洗方法8317.5 膜过滤装置的膜过滤装置的型式及其适用范围型式及其适用范围84膜过滤装置膜过滤装置u目前生产的膜过滤装置都由膜件(module)构成，u膜组件：有膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件的容器构成的一个单元。一个良好的模件应具

50、备下列条件：1.膜面切线方向速度快，有高剪切率，以减少浓差极化膜面切线方向速度快，有高剪切率，以减少浓差极化2.膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大；膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大；3.拆洗和膜的更换比较方便，拆洗和膜的更换比较方便，4.保留体积小，且无死角。保留体积小，且无死角。5.具有可靠的膜支撑装置具有可靠的膜支撑装置 85 膜过滤装置的型式及其适用范围膜过滤装置的型式及其适用范围常见的膜过滤装置有四种类型：常见的膜过滤装置有四种类型： 管式管式 中空纤维式中空纤维式 平板式平板式 卷式（螺旋式）卷式（螺旋式）861) 平板式膜组件 这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类

51、似，由膜、支承板、这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。隔板交替重叠组成。滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。支撑板的下部孔道中汇集排出。为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液从另一孔道流出收集。从另一孔道流出收集。优点优点: 组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较 大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。大，不易堵塞，同一设备可视生产

52、需要组装不同数量的膜。缺点缺点: 需密封的边界线长需密封的边界线长 87截留液截留液透透过过液液料液料液 膜膜支撑板支撑板隔板隔板平板式膜组件平板式膜组件88平板式构造平板式构造89板式膜实验室设备图板式膜实验室设备图(millipore公司公司)：90板式反渗透板式反渗透(纳滤纳滤)膜装置膜装置(生产型生产型) 91板式膜超滤工业设备图板式膜超滤工业设备图:922) 2) 卷式膜组件卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋

53、形流向中心管。料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。优点优点: : 目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；流状况好，适用于反渗透； 缺点缺点: :清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。 932) 2) 卷式膜组件卷式膜组件94透析液透析液浓缩液浓缩液料液料液膜组件与外壳之间的密封膜组件与外壳之间的密封多孔收集管多孔收集管膜的保护层膜的保护层 隔离网隔离网透析液的收集系统透析液的收

54、集系统膜膜螺旋卷式膜的内部结构螺旋卷式膜的内部结构95卷式纳滤膜浓缩设备 (生产型) 96卷式膜反渗透工业设备图卷式膜反渗透工业设备图: :973) 3) 管式膜组件管式膜组件管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。优点：优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。缺点缺点: : 管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积管式膜组件的缺点是单

55、位体积膜组件的膜面积少少, ,一般仅为一般仅为3333330 330 ，保留体积大，压力降大，除特殊，保留体积大，压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。场合外，一般不被使用。 98内压管式：内压管式：多孔管多孔管膜膜料液料液外压管式：外压管式：料液料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件管式膜组件99组件的进出料示意图组件的进出料示意图多通道组件多通道组件组件外壳组件外壳渗透液渗透液原料液原料液渗透液渗透液渗余液渗余液渗透液渗透液垫圈垫圈100管式膜结构图管式膜结构图管式管式1

56、01管式膜工业设备图管式膜工业设备图:1024) 4) 中空纤维膜组件中空纤维膜组件 有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，内径为内径为40-80um40-80um膜称中空纤维膜，膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm0.25-2.5mm膜称毛细管膜。膜称毛细管膜。前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。优点优点: :设备紧凑

57、，单位设备体积内的膜面积大设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大( (高达高达160001600030000 ) 30000 ) 缺点缺点: :中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。因此对料液处理要求高。103中空纤维构造104中空纤维膜管中空纤维膜管中空纤维超滤膜无菌水装置中空纤维超滤膜无菌水装置( (生产型生产型) ) 105管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式型式优点缺点管式易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大

58、中空纤维式保留体积小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件螺旋卷绕式单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需预处理，压力降大,易污染,清洗困难平板式保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式死体积大106各种模件性能比较各种模件性能比较管式中空纤维式板式卷式单位膜面积的成本高低最高低更换膜费用低中等最低高通量较高中等/低最高/较高较高单位体积膜面积m2/m3差(20-30)很好 (1.6万-3万)好/一般(400-600)好(800-1000）保留体积大低中等中等能耗高低中等中等抗污染性很好差好/一般好/一般10717.8操作

59、方法操作方法 分批浓缩操作 透析过滤 连续操作1081. 分批浓缩l料液一次加入储槽中，以泵进行循环，同时有透过液料液一次加入储槽中，以泵进行循环，同时有透过液流出，浓度逐渐增加，称为浓缩模式。流出，浓度逐渐增加，称为浓缩模式。l一般循环液的体积流速应为透过液的一般循环液的体积流速应为透过液的1010倍以上，以便倍以上，以便其以高速流过膜面。其以高速流过膜面。l膜两侧的压力差由背压膜两侧的压力差由背压阀调节，应兼顾循环阀调节，应兼顾循环速度增大和通量。速度增大和通量。1092 透析过滤透析过滤模式透析过滤模式: 料液中不断加入水或缓冲液，料液中不断加入水或缓冲液，如虚线所示，即成为透析过滤模式

60、）如虚线所示，即成为透析过滤模式） 在分批操作中，小分子和溶剂透过膜，而大分子在保留液留中，浓度逐渐增大，而通量逐渐降低，最后操作无法进行。 若需进一步将小分子除去，可以补充加入水，继续进行超滤。 通常的操作方式为连续地加入水，其量与透过液相等，保留液体积始终保持不变。1103 连续操作 在连续操作中，是将浓缩液不断排除到系统之外； 可分为单级和多级操作，单级因膜组件中溶质浓度一直保持在高位，透过通量低。料液料液滤液滤液料液料液浓缩液浓缩液111三级连续操作示意图料液料液浓缩液浓缩液多级操作中，每一级各有一循环泵将液体进行循环，各级都多级操作中，每一级各有一循环泵将液体进行循环，各级都有一定量