制药工程原理与设备分离工程基础与设备(膜分离)

1、一一 基本概念基本概念二二 膜过程的一些术语膜过程的一些术语三三 各种膜分离方法各种膜分离方法四四 膜材料的要求膜材料的要求五五 膜材料的种类膜材料的种类六六 膜结构特征膜结构特征七七 膜组件膜组件八八 影响膜通量的因素影响膜通量的因素九九 超滤操作方式超滤操作方式十十 膜的污染和清洗膜的污染和清洗十一十一 膜技术的应用膜技术的应用一一 基本概念基本概念1. 膜的定义膜的定义 从广义上讲膜是两相之间的一个不连续从广义上讲膜是两相之间的一个不连续区间。可以是气相、液相或固相。区间。可以是气相、液相或固相。 目前用得较多的是固膜，如聚合物膜、目前用得较多的是固膜，如聚合物膜、无机膜等。无机膜等。

2、2. 膜过程的基本特征膜过程的基本特征膜技术的主要优点：膜技术的主要优点：1 1、可实现连续分离；、可实现连续分离；2 2、膜分离一般不涉及相变，因此能耗通常较低；、膜分离一般不涉及相变，因此能耗通常较低；3 3、易与其它分离过程结合（联合过程）、易与其它分离过程结合（联合过程）4 4、分离条件温和；、分离条件温和；5 5、膜的性能可以调节；、膜的性能可以调节；6 6、膜分离不需要添加物，有利于后处理。、膜分离不需要添加物，有利于后处理。7、操作方便，结构紧凑，维修成本低，易于自动化；、操作方便，结构紧凑，维修成本低，易于自动化；8、工程化时，易于放大；、工程化时，易于放大；2. 膜过程的基本

3、特征膜过程的基本特征主要缺点：主要缺点：1 1. .膜过程产生浓差极化和凝胶极化；膜过程产生浓差极化和凝胶极化；2 2. .膜污染；膜污染；3 3. .膜寿命有限；膜寿命有限；. .部分膜选择性较低；部分膜选择性较低；. .膜的稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂膜的稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂等能力有限，故使用范围有限。等能力有限，故使用范围有限。.膜的分类膜的分类 按来源分类：按来源分类：天然膜、合成膜天然膜、合成膜； 按膜的结构分类：按膜的结构分类：多孔膜、均质膜、非对称膜、多孔膜、均质膜、非对称膜、复合膜、荷电膜、液膜复合膜、荷电膜、液膜； 按膜的用途分类：按膜的用途分类：分离膜、反应膜；

4、分离膜、反应膜； 按膜的作用机理分类：按膜的作用机理分类：吸附性膜、扩散性膜、离吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜。子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜。 按膜的形态分类按膜的形态分类：平板膜、管式膜、中空纤维膜：平板膜、管式膜、中空纤维膜.膜的分类膜的分类以推动力的过程分类以推动力的过程分类以浓度差为推动力的过程：以浓度差为推动力的过程：A、渗析技术、渗析技术(Dialysis， DS)以电场力为推动力的过程：以电场力为推动力的过程：A、电渗析，、电渗析，B、离子交换电渗析、离子交换电渗析以静压力差为推动力的过程：以静压力差为推动力的过程：A、微滤、微滤(microfiltr

5、ation)，B、超滤超滤(untrafiltration)，C、反渗透、反渗透(reverse osmosis)以蒸气压差为推动力的过程：以蒸气压差为推动力的过程：A、渗透气化、渗透气化(pervaporation， PV)以分离应用领域过程分类以分离应用领域过程分类微滤微滤(micro-filtration， MF)超滤超滤(untra-filtration， UF)反渗透反渗透(reverse osmosis， RO)透析透析(Dialysis， DS)电透析电透析(electro-dialysis， ED)纳米膜分离纳米膜分离(Selective， RO)亲和过滤亲和过滤(affini

6、ty filtration， AF)渗透气化渗透气化(pervaporation，PV).膜的用途膜的用途 浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需浓缩：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）要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质；纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物；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促进：把化学反应或生化 反应的产物连反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。续取出，能提高反应速率或提高产品质量。二二 膜过程的一些术语膜过程的一些术语 通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的通量

7、：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位体积流量。单位L/m2.h 选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。1）液体分离的选择性常用截留率表示：）液体分离的选择性常用截留率表示： R1Cp/Cf2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性： A/B(yA/yB)/(xA/xB)，其中：其中：y表示渗透侧各组分的浓度，表示渗透侧各组分的浓度，x表示原料侧的浓度。表示原料侧的浓度。当当 A/B1，表示无法实现分离目的，表示无法实现分离目的; A/B1表示表示A组分通过膜的速度

8、大于组分通过膜的速度大于B组分。组分。tSVJv膜过程的一些术语膜过程的一些术语 通量衰减系数通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化。密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化。mttJJ1tmJJtlglglg1膜过程的一些术语膜过程的一些术语 推动力：推动力： 1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。动力是膜两侧的压力差。 膜压降：膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。是由于流体流动引起的。 2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。）对致密膜而言

9、，推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3 P（P1P2）/2P3膜过程的一些术语膜过程的一些术语 传递阻力：传递阻力：1）膜阻）膜阻Rm，与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；递阻力；2）浓差极化阻力）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；引起的；3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。以及沉积等现象而引起的。膜过程的一些

10、术语膜过程的一些术语 浓差极化浓差极化：在膜分离过程中，由于推动力的作用，迫使溶液在膜分离过程中，由于推动力的作用，迫使溶液中的所有组分都趋向透过膜，其中某些组分基本上可以畅通中的所有组分都趋向透过膜，其中某些组分基本上可以畅通无阻的全部通过，但是对某些组分来说，由于膜的截留作用，无阻的全部通过，但是对某些组分来说，由于膜的截留作用，使其绝大部分无法通过而被截留，于是在膜表面及靠近膜表使其绝大部分无法通过而被截留，于是在膜表面及靠近膜表面区域中的被截留物质的浓度越来越高，造成从膜表面到主面区域中的被截留物质的浓度越来越高，造成从膜表面到主体溶液之间的浓度梯度。在浓度梯度作用下，被截留物质从体溶

11、液之间的浓度梯度。在浓度梯度作用下，被截留物质从膜表面向主体溶液扩散，从而形成边界层。当被截留物质向膜表面向主体溶液扩散，从而形成边界层。当被截留物质向膜表面的流动速度与浓度梯度使被截留物质向主体溶液扩散膜表面的流动速度与浓度梯度使被截留物质向主体溶液扩散速度达到平衡时，在膜表面附近就形成了一个稳定的浓度梯速度达到平衡时，在膜表面附近就形成了一个稳定的浓度梯度区，这一区域就称为浓度极化边界层，这一现象就被称为度区，这一区域就称为浓度极化边界层，这一现象就被称为“浓差极化浓差极化”。膜过程的一些术语膜过程的一些术语 膜污染：膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由指处理物料中的微粒、胶

12、体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表于与膜存在物理化学相互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，使膜产生面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。 物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。 化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附

13、活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。度等有关。膜过程的一些术语膜过程的一些术语 错流过滤错流过滤 FeedR etentateC rossflow m em brane m oduleR ecirculation loopP1P3P2Permeate膜过程的一些术语膜过程的一些术语操作条件操作条件 ： 温度温度 压力压力 膜面流速膜面流速 浓度浓度 膜过程的一些术语膜过程的一些术语 反冲过程：反冲过程： 是指周期性采用气体、液体等为反冲介质，使是指周期性采用气体、液体等为反冲介质，使膜管在与过滤相反的方向受到短暂的反向压力膜管在与过滤相

14、反的方向受到短暂的反向压力作用，从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截留作用，从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截留液中，并且可以破坏膜表面凝胶层和浓差极化液中，并且可以破坏膜表面凝胶层和浓差极化层，使通量明显提高层，使通量明显提高 。 膜过程的一些术语膜过程的一些术语对称膜与非对称膜对称膜与非对称膜三三 各种膜分离方法各种膜分离方法1. 膜分离类型与粒径对应关系膜分离类型与粒径对应关系膜分离法与物质大小膜分离法与物质大小(直径直径)的关系。的关系。 2 微滤（微滤（MF）原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。操作：同一般过滤。膜两侧的渗透压可忽略，操作压在操作：同一般过滤

15、。膜两侧的渗透压可忽略，操作压在0.05-0.5Mpa。用途：除去用途：除去0.1um10um的颗粒，用于细胞、细菌、细胞的颗粒，用于细胞、细菌、细胞器的分离。器的分离。透过流通量透过流通量Jv(kg m-2 s-1)计算：计算： Carman-Kozeny方程方程 ：膜的孔隙率，：膜的孔隙率， ：滤液黏度，：滤液黏度，K：为与孔道结构有关的无：为与孔道结构有关的无因次常数，因次常数，S0为孔道比表面积。为孔道比表面积。意义：意义： Jv与压力差与压力差 p成正比，与滤液的黏度成反比，这是成正比，与滤液的黏度成反比，这是分析微滤过程的理论基础。分析微滤过程的理论基础。3 超滤（超滤（UF）原理

16、：筛分原理：筛分操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压很小，操作压在透压很小，操作压在0.1-1.0MPa。应用：应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；间的分离；B、Pro浓缩，浓缩，C、病毒的分离和富积，、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。回收细胞，处理胶体悬浮液。计算：计算： Carman-Kozeny方程方程优点：优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回、超滤回收率高；收率高；C、滤液的质量好；、滤液的质

17、量好；D、减少处理步骤、减少处理步骤4 反渗透（反渗透（RO） 渗透压差渗透压差 条件：极稀溶液。条件：极稀溶液。意义意义：透过液溶质浓度透过液溶质浓度(c2p)方程：方程：v1为溶剂水的摩尔体积为溶剂水的摩尔体积(m3/mol)；aA和和aB分别为分别为A、B两两侧溶剂的活度；侧溶剂的活度；为膜两侧的渗透压差为膜两侧的渗透压差; c2为溶质在为溶质在膜膜两侧浓度差；两侧浓度差； p为膜两侧压力差；为膜两侧压力差；L solute和和Lsolvent分别为分别为溶质和溶剂在膜中的渗透系数。溶质和溶剂在膜中的渗透系数。意义：4 反渗透（反渗透（RO）意义：意义：A、膜的选择性。、膜的选择性。B、

18、压力的选择性。透过液中溶质的浓度越低需要、压力的选择性。透过液中溶质的浓度越低需要的压力越高。因此，提高反渗透的压力有利于实的压力越高。因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。 应用：应用：A、海水淡化，、海水淡化，B、超纯水制备，、超纯水制备，C、抗生素和氨基酸等浓缩，、抗生素和氨基酸等浓缩，D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。 5 透析（透析（DS）原理：浓差扩散原理：浓差扩散操作：操作：用途：用途：A、人工肾，腹膜透析；、人工肾，腹膜透析；B、样品脱电解质；、样品脱电解质；C、浓缩

19、富积；、浓缩富积；D、气体分离、气体分离(利用透析袋对不同气利用透析袋对不同气体的通透性体的通透性)优点：优点：A、方法和设备简单，价格低廉；、方法和设备简单，价格低廉；B、实验室最常用的样品脱盐方法、实验室最常用的样品脱盐方法缺点：缺点：A、透析的速度缓慢；、透析的速度缓慢；B、溶质稀释。、溶质稀释。6 电透析（电透析（ED）电透析电透析(Electro-dialysis, ED)原理：在透析的基础上加上直流电，极原理：在透析的基础上加上直流电，极大加快离子的透析速度。大加快离子的透析速度。操作：操作： 用途：样品快速脱盐。用途：样品快速脱盐。优点：优点：A、设备简单，、设备简单，B、透析速

20、度极快（提高几十倍），、透析速度极快（提高几十倍），C、电流直接指示电透析终点，、电流直接指示电透析终点，D、减轻溶质的稀释。、减轻溶质的稀释。终点判断：终点判断：A、Cl- + Ag+ = AgCl ;B、电导恒定、电导恒定.7 离子交换电渗析（离子交换电渗析（IEED）机理：透析膜经化学处理后带有正电荷机理：透析膜经化学处理后带有正电荷(如季铵基如季铵基N+R3)或或负电荷基团如负电荷基团如(磺酸基磺酸基SO-3)。操作：几百对操作：几百对用途：用途：A、海水淡化，、海水淡化，B、苦水淡化，、苦水淡化，C、血浆、血浆、IgG、其他、其他蛋白质的分离，蛋白质的分离，D、氨基酸和有机酸分离纯化

21、。、氨基酸和有机酸分离纯化。优点：可大规模生产优点：可大规模生产缺点：能耗高缺点：能耗高8 渗透气化（渗透气化（PV）原理：原理：由于膜的选择性，渗透气化法依据溶剂与溶质，或溶质由于膜的选择性，渗透气化法依据溶剂与溶质，或溶质之间透过膜的速度相互不同，使混合物得到分离。膜与之间透过膜的速度相互不同，使混合物得到分离。膜与溶质的相互作用决定着溶质的渗透速度，根据相似相溶溶质的相互作用决定着溶质的渗透速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在渗透的一侧得到浓缩。气化所需要的潜热用外度高，在渗透的一侧得到浓缩。气化所需要

22、的潜热用外部热源供给。部热源供给。渗透气化的特点渗透气化的特点优点优点:1、单级选择性好单级选择性好是渗透气化的最大特点。从理论上讲，渗透气化是渗透气化的最大特点。从理论上讲，渗透气化的分离度是无限的，适合分离沸点相近的物质，尤其是恒沸物的的分离度是无限的，适合分离沸点相近的物质，尤其是恒沸物的分离，对于回收含量低的溶剂也是一种好方法。分离，对于回收含量低的溶剂也是一种好方法。2、过程操作简单，易于掌握，只有、过程操作简单，易于掌握，只有部分相变部分相变，故，故能耗较低能耗较低。3、由于操作中进料侧原则上不须加压，所以不会导致膜的压密，、由于操作中进料侧原则上不须加压，所以不会导致膜的压密，渗

23、透率不会随时间的延长而下降渗透率不会随时间的延长而下降；并且在操作过程中形成的膜的；并且在操作过程中形成的膜的溶胀活性层将会自动转化为非对称膜，对膜的透过率和使用寿命溶胀活性层将会自动转化为非对称膜，对膜的透过率和使用寿命有益。有益。4、与反渗透相比与反渗透相比，渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以，渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此气体状态存在，因此消除了渗透压的作用消除了渗透压的作用，从而使渗透气化的操，从而使渗透气化的操作压较低，适合于高浓度混合物的分离。作压较低，适合于高浓度混合物的分离。 缺点缺点: 与反渗透等过程相比，渗透蒸发的通量要小得多，一般在与反渗

24、透等过程相比，渗透蒸发的通量要小得多，一般在200g/(m2 h)以下，而且高选择性的渗透蒸发膜，通量往往在以下，而且高选择性的渗透蒸发膜，通量往往在100g/(m2 h)左右。左右。渗透气化的应用渗透气化的应用A、有机物、有机物-有机物的分离有机物的分离a、芳烃与脂肪族化合物的分离，如、芳烃与脂肪族化合物的分离，如苯苯-环己烷的分离；环己烷的分离；b、不同脂肪族化合物的分离，如异、不同脂肪族化合物的分离，如异葵烷与环己烷的分离；葵烷与环己烷的分离；c、直链烷烃与烯烃的分离，如戊烷、直链烷烃与烯烃的分离，如戊烷与戊烯的分离；与戊烯的分离；d、从碳氢化合物中分离出含氯的碳、从碳氢化合物中分离出含

25、氯的碳氢化合物，如环己烷与氯仿的分氢化合物，如环己烷与氯仿的分离；离；e、异构化合物之间的分离，如三种、异构化合物之间的分离，如三种二甲苯之间的分离等。二甲苯之间的分离等。应用优势：应用优势： PV在分离有机物是非常有用的，在分离有机物是非常有用的，因因PV破坏了共沸混合物或挥发度破坏了共沸混合物或挥发度差异小带来的干扰，分离因素取差异小带来的干扰，分离因素取决于膜和化合物的性质。决于膜和化合物的性质。渗透气化的应用渗透气化的应用B、从水溶液中脱除有、从水溶液中脱除有机物：机物： 如从啤酒和酒中脱如从啤酒和酒中脱除乙醇，最终使乙醇除乙醇，最终使乙醇浓度降低到浓度降低到0.7%以以下，目前最低可

26、达下，目前最低可达0.1%。这种低酒精。这种低酒精的啤酒的风味及高分的啤酒的风味及高分子成分。病人司机用。子成分。病人司机用。渗透气化的应用渗透气化的应用C、从有机物中脱除水分、从有机物中脱除水分: 如水如水-乙醇体系脱水制乙醇体系脱水制无水酒精无水酒精四四 膜材料的要求膜材料的要求膜分离过程中，对膜材料有如下要求：膜分离过程中，对膜材料有如下要求：A、起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤的孔、起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤的孔隙率高，过滤阻力小；隙率高，过滤阻力小；B、不吸附被分离物质，从而膜不易污染和堵塞；、不吸附被分离物质，从而膜不易污染和堵塞；C、使用的、使用的pH和温度范围广，

27、耐高温灭菌，耐酸碱和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸碱清洗，稳定性高清洗，稳定性高D、使用寿命长：经济；、使用寿命长：经济；E、易通过清洗恢复透过性能；、易通过清洗恢复透过性能；F、适应性广：满足实现分离的各种要求，如对菌、适应性广：满足实现分离的各种要求，如对菌体细胞的截留，对生物大分子的通透性或截留体细胞的截留，对生物大分子的通透性或截留作用。作用。五五 膜材料的种类膜材料的种类1.天然高分子材料天然高分子材料种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；优点：醋酸纤维的阻

28、盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在范围有限，在45-50，pH3-8。2.合成高分子材料合成高分子材料种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超滤膜。聚砜最常用，用于制造超滤膜。优点：耐高温优点：耐高温(70-80，可达，可达125)，pH1-13，耐氯能力强，可调节的孔，耐氯能力强，可调节的孔径宽径宽(1-20nm)；聚

29、酰胺膜的耐压较高，对温度和；聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性高，寿命长，稳定性高，寿命长，常用于反渗透。常用于反渗透。 缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。五五膜材料的种类膜材料的种类3.无机材料无机材料种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径0.1um微滤膜和截留微滤膜和截留10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。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多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒

30、烧结而成，膜厚方向上不对称。成，膜厚方向上不对称。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。缺点：不易加工，造价高。缺点：不易加工，造价高。4.复合材料复合材料种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸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。陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。优点：此膜的通透性大，通过改变优点：此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉淀层，清洗值容易形成和除去沉淀层，清洗容易。容易。缺点：稳定性差。缺点：稳定性差

31、。 六六 膜结构特征膜结构特征1. 孔道结构孔道结构对称膜对称膜(symmetric membrane)膜截面的膜厚度上孔道膜截面的膜厚度上孔道结构均匀。结构均匀。早期的膜多早期的膜多为对称膜。缺点：为对称膜。缺点：传质传质阻力大，通透性低，且阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困容易污染阻塞，清洗困难。难。膜结构特征膜结构特征不对称膜不对称膜(asymmetric membrane) 膜在厚度上的孔道结构不均匀，膜在厚度上的孔道结构不均匀，不对称膜主要由起膜分离作用的表不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层面活性层(0.2-0.5um)和起支撑作和起支撑作用的惰性层用的惰性层(50-100

32、um)构成。惰构成。惰性层孔径很大，对通过流体阻力很性层孔径很大，对通过流体阻力很小。由于不对称膜起膜分离作用的小。由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此表面活性层很薄，孔径微细，因此透通量大，膜孔不易阻塞，易冲洗。透通量大，膜孔不易阻塞，易冲洗。 目前的超滤膜和反渗透膜多为目前的超滤膜和反渗透膜多为不对称膜。一般而言，超滤膜多为不对称膜。一般而言，超滤膜多为指状结构，反渗透膜多为海绵状结指状结构，反渗透膜多为海绵状结构，微滤膜以对称结构为主，新型构，微滤膜以对称结构为主，新型无机陶瓷膜多为不对称膜。无机陶瓷膜多为不对称膜。膜结构特征膜结构特征孔道特征孔道特征特征特征：膜的孔

33、道特征包括孔径、孔径分布和孔隙率。：膜的孔道特征包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤膜和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过超滤膜和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观测到。电子显微镜直接观测到。膜最大孔径膜最大孔径：可用：可用泡点法泡点法(bubble point method)测测定。在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面定。在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通入空气，当压力升高到有稳定的气泡冒出时称为通入空气，当压力升高到有稳定的气泡冒出时称为泡点，此时的压力称为泡点压力。基于空气压力克泡点，此时的压力称为泡点压力。基于空气压力克服表面张力将水从膜孔毛细管中推出的动量

34、平衡，服表面张力将水从膜孔毛细管中推出的动量平衡，得到计算最大孔径公式得到计算最大孔径公式 式中，式中， 为水的表面张力；为水的表面张力；pb为泡点压力；为泡点压力； 为水与膜为水与膜面的接着角度。因为亲水膜可被水完全湿润，故亲水膜的面的接着角度。因为亲水膜可被水完全湿润，故亲水膜的 0，cos 1，所以，所以 膜结构特征膜结构特征膜的水通量膜的水通量定义：定义：在一定条件下在一定条件下(一般为一般为0.1MPa，温度，温度20 C)，单位时间，单位时间单位膜面积的水通量单位膜面积的水通量(in: m3 m-2 h-1)。意义：意义：A、对同类膜，孔径越大，水通量越大；、对同类膜，孔径越大，水

35、通量越大；B、水通量并不能完全衡量和预测实际料液的透过流通量。、水通量并不能完全衡量和预测实际料液的透过流通量。 (原因原因?)七七 膜组件膜组件1. 管式膜组件管式膜组件操作：操作：(10-20根并联管）根并联管）应用：应用： A、UF、MF， B、适合于处理悬浮液较高的料液。、适合于处理悬浮液较高的料液。优点：优点： A、结构简单，内径较大；、结构简单，内径较大； B、操作清洗容易。、操作清洗容易。缺点：缺点： A、单位体积的过滤表面积在各种、单位体积的过滤表面积在各种膜组件中最小，膜组件中最小， B、投资大，操作费用高，保留体、投资大，操作费用高，保留体积大，积大， C、压力降大。、压力

36、降大。膜组件膜组件2. 平板膜组件平板膜组件操作：图操作：图应用：应用：A、UF、MF、PV，B、适合于处理悬浮液较高的料、适合于处理悬浮液较高的料液。液。优点：保留体积小，操作费用低，优点：保留体积小，操作费用低，压力降小，流液稳定，比较成压力降小，流液稳定，比较成熟。熟。缺点：缺点：A、投资费用高，、投资费用高，B、大的固体含量会堵塞进料液、大的固体含量会堵塞进料液流通，撤卸清洗管道费时。流通，撤卸清洗管道费时。膜组件膜组件3. 螺旋膜组件螺旋膜组件操作：图操作：图应用：应用： A、RO、UF、MF， B、适用于低固体含量的料液。、适用于低固体含量的料液。优点优点： A、结构简单，更新膜容

37、易，比、结构简单，更新膜容易，比表面积大，表面积大， B、价格低，操作费用低。、价格低，操作费用低。缺点缺点： A、料液需预处理，、料液需预处理， B、压力降大，、压力降大， C、易污染，难清洗，、易污染，难清洗， D、液流不易控制。、液流不易控制。膜组件膜组件4. 中空纤维膜组件中空纤维膜组件操作：图操作：图(数百至数百万根中空纤维管数百至数百万根中空纤维管)，中空纤维膜，中空纤维膜ID = 40-80um，毛细管膜，毛细管膜ID = 0.25-2.5mm应用：应用：A、毛细管式：、毛细管式：UF、MF、PV，B、中空纤维式、中空纤维式(能耐能耐高压高压)：RO，DS(大规模透析，人工肾大规

38、模透析，人工肾)，C、适合于处理、适合于处理低固体含量的料液。低固体含量的料液。优点：优点：A、比表面积最大，效率高，、比表面积最大，效率高，B、可以逆流操作，压、可以逆流操作，压力较小，力较小，C、设备投资低。、设备投资低。缺点：缺点：A、料液需预处理、易堵塞，、料液需预处理、易堵塞，B、单根管的损坏常使、单根管的损坏常使整个组件报废，整个组件报废，C、不够成熟。、不够成熟。膜组件膜组件5. 动态压力过滤器动态压力过滤器操作：由内筒和外筒组成，内操作：由内筒和外筒组成，内筒以筒以2000-3000 r/min旋转，旋转，造成料液的切向流动，消除造成料液的切向流动，消除浓差极差浓差极差应用：应

39、用：MF、UF、RO、酶反应、酶反应等等优点：优点：A、无浓差极差，局部、无浓差极差，局部混合十分好，混合十分好，B、高渗透流，、高渗透流，高的酶传递性。高的酶传递性。缺点：单位体积的过滤面积小，缺点：单位体积的过滤面积小，放大困难。放大困难。膜组件间的比较膜组件间的比较各种膜组件特性和应用比较各种膜组件特性和应用比较膜组件膜组件比表面积比表面积 m2/m3设备费设备费操作费操作费膜面吸附膜面吸附层控制层控制应用应用管式管式20-30极高极高高高很容易很容易UF，MF平板式平板式400-600高高低低容易容易UF，MF，PV螺旋管式螺旋管式800-1000低低低低难难RO，UF，MF毛细管式毛

40、细管式600-1200低低低低容易容易UF，MF，PV中空纤维式中空纤维式-10000很低很低低低很难很难RO，DS八八 影响膜通量的因素影响膜通量的因素1. 操作形式操作形式终端过滤终端过滤(Dean-end filtration) 错流过滤错流过滤(cross flow filtration, CFF)：2. 流速：流速：流速对透过通量的影响反应在传质系数上，传流速对透过通量的影响反应在传质系数上，传质系数质系数k, 对于圆型管路的层流液对于圆型管路的层流液(Re 4000)，可用下，可用下式计算传质系数式计算传质系数:L：膜管的长度：膜管的长度(m)，d：膜管经：膜管经(m)， l：料液

41、密度：料液密度(kg/m3)。 k：从入口到管长为：从入口到管长为L处的平均传质系数处的平均传质系数(m/s)Sh：Sherwood准数，准数，u：流速：流速(m/s), l：料液：料液黏度黏度(Pa s)膜渗透通量的影响因素膜渗透通量的影响因素意义：意义：k随流速的增大而提高；因此，流速的增大，透过通随流速的增大而提高；因此，流速的增大，透过通量增大。量增大。适合条件：对蛋白质溶液以及小分子有效，但对细胞和胶体适合条件：对蛋白质溶液以及小分子有效，但对细胞和胶体粒子的悬浮液无效。粒子的悬浮液无效。Why?无效性原因：无效性原因：A、错流过滤使凝胶层剥离和流动，从而实际的凝胶层比凝、错流过滤使

42、凝胶层剥离和流动，从而实际的凝胶层比凝胶极化模型的计算值小；胶极化模型的计算值小；B、菌体物理性质、菌体物理性质(形状，大小，硬度和填充物等形状，大小，硬度和填充物等)和生物性和生物性质质(粘性物质，膜，粘性物质，膜， 壁结构成分壁结构成分,自溶等自溶等)不同；不同；影响膜通量的因素影响膜通量的因素3. 压力压力A、当、当 p小小, 无浓度极化层无浓度极化层, Jv与与 p成正比成正比, 此时用：此时用：B、当、当 p大大,有浓差极化有浓差极化, Jv的增长速率减慢的增长速率减慢, 此时用此时用C、当、当 p继续增加时，形成凝胶层，且厚度继续增加时，形成凝胶层，且厚度随压力的增大而增大，所以随

43、压力的增大而增大，所以Jv不再随不再随 p的增加。此时的的增加。此时的Jv为此流速下的极限值为此流速下的极限值(Jlim)，用方程：，用方程：D、Jlim随料液浓度随料液浓度 而而 ，随流速，随流速(搅拌速度搅拌速度) 而而 。影响膜通量的因素影响膜通量的因素4.料液浓度料液浓度A、从方程知，、从方程知，Jv与与-ln(cb-cp)呈线性关呈线性关系，随系，随cb的增大而减小。实验证实的增大而减小。实验证实这一结论。这一结论。B 、 当、 当 cb= cg时 ，时 ， Jv= 0 ， 利 用， 利 用 和稳态操作的条件下的和稳态操作的条件下的Jv与与cb的关的关系数据，可推算溶质形成凝胶层浓系

44、数据，可推算溶质形成凝胶层浓度度cgC、当料液含有多种蛋白质时，与单组、当料液含有多种蛋白质时，与单组分相比，总蛋白质浓度升高；因此，分相比，总蛋白质浓度升高；因此，透过通量下降。从另一角度来看，透过通量下降。从另一角度来看，由于其他蛋白质的共存使蛋白质的由于其他蛋白质的共存使蛋白质的截留率上升。截留率上升。九九 超滤操作方式超滤操作方式 1. 浓缩浓缩: 开路循环、闭路循环、连续操作开路循环、闭路循环、连续操作A、开路循环、开路循环料液浓度随体积变化方程料液浓度随体积变化方程 浓缩倍数浓缩倍数CF和回收率和回收率REC分别为分别为意义：目标成分的截流率意义：目标成分的截流率R越大，产物越大，

45、产物CF和和REC越高。越高。 在开路循环中，循环液中溶质浓度不断上升，在开路循环中，循环液中溶质浓度不断上升，如流量和如流量和压差不变压差不变，透过通量将随操作时间不断降低。根据凝胶，透过通量将随操作时间不断降低。根据凝胶极化方程，达到浓缩目标所需时间为极化方程，达到浓缩目标所需时间为:B、闭路循环、闭路循环C、连续操作、连续操作超滤操作方式超滤操作方式2. 洗滤洗滤(Dia-filtration)： 目的：除去菌体和高分子溶液中的小分子溶质目的：除去菌体和高分子溶液中的小分子溶质 在洗滤过程中，向原料液罐连续加入水或缓冲液，如保在洗滤过程中，向原料液罐连续加入水或缓冲液，如保持料液量和透过

46、通量不变，则目标产物和小分子溶质的持料液量和透过通量不变，则目标产物和小分子溶质的物料衡算方程是物料衡算方程是 s0：溶质初始浓度，：溶质初始浓度， V：料液体积，：料液体积， s：洗滤后的溶质的浓度，：洗滤后的溶质的浓度， VD：加水或缓冲液的体积，：加水或缓冲液的体积， Rs：小分子溶质的截留率。：小分子溶质的截留率。超滤操作方式超滤操作方式洗滤洗滤(Dia-filtration)：意义：意义：料液体积料液体积V越小，所需越小，所需VD越小。因此，洗滤前首先浓越小。因此，洗滤前首先浓缩稀料液可减少洗滤液的用量。但浓缩后，目标产物缩稀料液可减少洗滤液的用量。但浓缩后，目标产物浓度增大透过通量

47、下降。所以，存在最佳料液浓度，浓度增大透过通量下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤时间最短。设目标产物的使洗滤时间最短。设目标产物的R=1，小分子溶质的，小分子溶质的Rs=0，浓缩后料液体积为，浓缩后料液体积为V，洗滤过程中其浓度和透，洗滤过程中其浓度和透过流量不变，目标产物浓度和洗滤时间分别为：过流量不变，目标产物浓度和洗滤时间分别为：洗滤操作所需的时间最短。此时，浓缩液浓度洗滤操作所需的时间最短。此时，浓缩液浓度c*(e为为自然对数自然对数)： 十十 膜的污染和清洗膜的污染和清洗1. 膜污染膜污染(membrane fouling)-最大问题最大问题原因：原因：A、凝胶极化引起的凝胶层，阻力为、凝胶极化引起的凝胶层，阻力为Rg；B、溶质在膜表面的吸附层，阻力为、溶质在膜表面的吸附层，阻力为Ras；C、膜孔堵塞