任务1膜分离技术

1、任务1 膜分离技术一、膜分离技术的基本概念 膜分离：用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。 膜分离特点：既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，因而在食品、医药和生物制品工业中备受欢迎。 膜分离技术是一种借助于膜的选择性透过作用，实现混合物分离的方法。用于气相和液相。 膜：如果在一个液体相内或两个液体相之间有一薄层凝聚相物质把液体分隔开来成为两部分，则这一薄层物质就是膜。膜是膜分离技术的核心部件。一、膜分离技术的基本概念 膜分离：用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂

2、进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。 膜分离特点：既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，因而在食品、医药和生物制品工业中备受欢迎。 膜分离技术是一种借助于膜的选择性透过作用，实现混合物分离的方法。用于气相和液相。 膜：如果在一个液体相内或两个液体相之间有一薄层凝聚相物质把液体分隔开来成为两部分，则这一薄层物质就是膜。膜是膜分离技术的核心部件。膜分离技术的类型膜分离技术的类型以推动力的过程分类以推动力的过程分类n 以浓度差为推动力的过程：以浓度差为推动力的过程： 透析技术透析技术(Dialysis, DS)(Dialysis, DS)n以电场力为推动力的过程：以电场力为推动力的过程： A A电透析

3、，电透析，B B离子交换电透析离子交换电透析n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 A微滤微滤(microfiltration)(microfiltration)，B B超滤超滤(untrafiltration)(untrafiltration)， C C反渗透反渗透(reverse osmosis)(reverse osmosis)n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 A膜蒸馏，膜蒸馏，B B渗透蒸馏渗透蒸馏膜分离法与物质大小的关系。 透析和反渗透n透析是以膜两侧的浓度差为传质推动力透析是以膜两侧的浓度差为传质推动力，从溶液中分离出小分子物质的过程。

4、，从溶液中分离出小分子物质的过程。在生物分离中主要用于蛋白质的脱盐。在生物分离中主要用于蛋白质的脱盐。n反渗透是在透析膜浓度高的一侧施加大反渗透是在透析膜浓度高的一侧施加大于渗透压的压力，利用膜的筛分性质，于渗透压的压力，利用膜的筛分性质，使浓度较高的溶液进一步浓缩。用于海使浓度较高的溶液进一步浓缩。用于海水淡化，药物浓缩，纯水制造。水淡化，药物浓缩，纯水制造。微滤和超滤 微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力，主要用于截留固体微粒和高分子为传质推动力，主要用于截留固体微粒和高分子溶质。溶质。 微滤广泛用于细胞、菌体等的分离和浓缩，微滤广泛用于

5、细胞、菌体等的分离和浓缩，操作压力通常为操作压力通常为0.05-0.5MPa0.05-0.5MPa。 超滤适用于超滤适用于1-50nm1-50nm的生物大分子的分离，如的生物大分子的分离，如蛋白质、病毒等。操作压力常为蛋白质、病毒等。操作压力常为0.1-1.0MPa0.1-1.0MPa。电渗析 电渗析是利用电渗析是利用分子的荷电性质和分子的荷电性质和分子大小的差别进分子大小的差别进行分离的膜分离法行分离的膜分离法，可用于小分子电，可用于小分子电解质的分离和溶液解质的分离和溶液的脱盐的脱盐。n早在早在1919世纪中叶，己世纪中叶，己用人工方法制得半透用人工方法制得半透膜，但由于透过速度膜，但由于

6、透过速度低、选择性差和易阻低、选择性差和易阻塞等原因，未能应用塞等原因，未能应用在工业上。在工业上。n1 1960960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan获得一种获得一种透过速度较大的膜，透过速度较大的膜，具有不对称结构具有不对称结构. .这种不对称结构是膜制造的一这种不对称结构是膜制造的一种突破，因为活性层很薄，流种突破，因为活性层很薄，流体阻力较小。且不易使孔道阻体阻力较小。且不易使孔道阻塞，颗粒被截留在膜的表面。塞，颗粒被截留在膜的表面。此后膜过滤法逐渐走向工业化此后膜过滤法逐渐走向工业化，2020世纪世纪7070年代以后发展比较年代以后发展比较迅速应用范围

7、涉及到海水淡迅速应用范围涉及到海水淡化、纯水制造、食品和乳品工化、纯水制造、食品和乳品工业、污水处理和生物工程等领业、污水处理和生物工程等领域。在此期间，世界膜销售额域。在此期间，世界膜销售额迅速增长。迅速增长。二、常用的膜分离技术微滤：过滤分离的粒子直径10-7m，净化、分离、浓缩； 应用：医药工业、食品工业、高纯水、城市污水、饮 用水、生物发酵。超滤：过滤分离的粒子直径10-910-7m，利用筛分原理分 离对有机物进行截留。 应用：食品加工、饮料工业、医药工业、中药制剂、食品工业成水处理、环境工程等。纳米过滤：纳米级粒子，较小分子的分离。反渗透：电渗析：三、膜分离技术的原理 在一个容器中,

8、用膜把它隔成两部分,膜的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的溶剂透过膜向稀溶液侧移动。 渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）三、膜分离技术的原理三、膜分离技术的原理 膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/31/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异； 膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式： 无化学变化 ：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；膜分离技术在分离工程中的重要作用选择性好 可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；

9、适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。 n膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 一.膜分离的基本原理 在一个容器中,用膜把

10、它隔成两部分,膜的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的溶剂透过膜向稀溶液侧移动. 渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）n在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）大分子的浓缩。微滤（MF）除去细菌，大分子分离。Reverse Osmosis (RO)Nanofiltration (NF)Ultrafiltration (UF)Microfiltration (MF)Membrane Filtrationhttp:/www.gea- n2、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的

11、分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式；n3、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；n4、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；5、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低易于自动化 。存在的问题：n1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;n2、从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;n3、单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。在乳品工业中

12、，膜技术主要涉及到：n反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。n毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。n超滤（UF）大分子的浓缩。n微滤（MF）除去细菌，大分子分离。n以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。一、反渗透n反渗透是一种高压、高性能的技术。适用于液体脱水、低分子量化合物浓缩、废污清洁等过程。通常应用在蒸发前乳制品的预浓缩。二、超滤n超滤是一项选择性分离步骤，可以将溶液浓缩并

13、净化为高分子量聚合物，适用于乳蛋白、碳水化合物和酶。n超滤是使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜。超滤（UF）典型地应用于牛乳蛋白的浓缩，乳清蛋白的浓缩和用于生产干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白标准化。三、电渗析n在直流电场的作用下， 溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴

14、离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用电渗析的过程 二.分离用的膜 主要是由高分子材料制成的聚合物膜99表皮层，孔径表皮层，孔径（810）1010m过渡层，孔径过渡层，孔径2001010m多孔层，孔径多孔层，孔径（10004000）1010m1%膜膜 分分 离离 法法传质推传质推动力动力分分 离离 原原 理理应应 用用 举举 例例微微 滤滤 （MFMF）压差压差0.050.5筛筛 分分除菌，回收菌，分除菌，回收菌，分离病毒离病毒超超 滤滤压差压差0.11.0筛筛 分分蛋白质、多肽和多蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩糖的回收和浓缩反反 渗渗 透透压差压差

15、1.010筛筛 分分盐、氨基酸、糖的盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造浓缩、淡水制造渗渗 析析浓浓 差差筛筛 分分脱盐，除变性剂脱盐，除变性剂电电 渗渗 析析电电 位位 差差电荷、筛分电荷、筛分脱盐，氨基酸和有脱盐，氨基酸和有机酸分离机酸分离渗透气渗透气 化化压差、压差、温差温差溶质与膜的溶质与膜的亲和作用亲和作用有机溶剂与水的分有机溶剂与水的分离，共沸物的分离离，共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范围膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤的膜分离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤超滤(Ultraf

16、iltration，UF)、反渗透反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析透析(Dialysis，DS)、电渗析电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透和渗透气化气化(Pervaporation，PV)等，各种膜分离法的原理和应等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表用范围列于上表。三.反渗透n如图所示，一个容器中间用一张可透过溶剂(水)，但不能透过溶质的半透膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低(水浓度高)的一侧(纯水)向浓度高的一侧(水溶液)透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。当B

17、侧与A侧之间的压差等于渗透压时，两侧的化学位相等达到平衡状态。四.超滤 超滤:使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜五. 电渗析（electrodialysis，简称ED ） 电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaN

18、aCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜v 电渗析过程原理图 离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上离子基团膜上离子基团的的作用。作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。 膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着

19、一些可以膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警警卫卫”，以鉴别和选择通过的离子。，以鉴别和选择通过的离子。注意：注意：离子交换膜的作用离子交换膜的作用并不是起离子交换并不是起离子交换的作用，而是起离子的作用，而是起离子选选择透过性择透过性作用。作用。离子交换膜功能示意图离子交换膜功能示意图实际应用的电实际应用的电渗析器