第十七章 膜分离法

1、第十七章第十七章 膜分离法膜分离法膜分离技术膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。移率不同而实现分离的一种技术。用半透膜作为选择障碍层，允许某些组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中其它组份，从而分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目的的技术。达到分离目的的技术。膜膜料液料液水水小分子小分子大分子大分子渗透液渗透液定义：定义：在流体相之间有一层薄的在流体相之间有一层薄

2、的凝聚相物质，把流体相分凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜薄层物质称为膜。 膜的简介膜的简介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。膜的应用膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘COCO2 2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料

3、电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧膜分离的特点：膜分离的特点：无相变、低能耗无相变、低能耗 高效率、污染小高效率、污染小工艺简单、操作方便工艺简单、操作方便浓缩与纯化同时进行浓缩与纯化同时进行浓缩液浓缩液进料液进料液渗透液渗透液(1)对称膜对称膜：结构与方向无关的膜，孔径可一致，结构可不规则；：结构与方向无关的膜，孔径可一致，结构可不规则；(2)非对称膜非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有

4、必要的机械强度。持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。(3)复合膜复合膜：选择性膜层：选择性膜层(活性膜层活性膜层)沉积于具有微孔的底膜沉积于具有微孔的底膜(支撑层支撑层)表表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。表面薄层而且受微孔支撑层的影响。(4)荷电膜荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。(5)微孔膜微孔膜：孔径为：孔径为0.0520微米的膜。微米的膜。(6)动态膜动态膜：在多孔介质：在多孔介质(如陶瓷管如陶瓷管

5、)上沉积一层颗粒物上沉积一层颗粒物(如高岭土如高岭土)作为作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。膜的分类膜的分类图1 对称膜 图2 非对称膜图3 对称膜 图4 非对称膜膜分离过程的类型膜分离过程的类型膜分离过程的实质是物质透过或被截留膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。而可以按分离粒子大小进行分类。膜分离过程的类型膜分离过程的类型1.透析：透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不

6、能用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。透析膜：孔径透析膜：孔径5-10nm，实验室中常用透析袋，实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析应用：脱盐，血液透析u特点：以浓差为推动力，膜透特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。分离过程，多在实验室中应用。蛋白质透析蛋白质透析 透析袋透析简单装置。透析袋透析简单装置。A:A:透析夹，透析夹，B:B:透析，透析，C

7、:C:透析示意图透析示意图 2.微滤微滤（Microfiltration,MF） ： 以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使使不溶性物质不溶性物质得以分离的操作。得以分离的操作。 孔径分布范围在孔径分布范围在0.02514m之间，截留之间，截留直径为直径为0.02m 0.02m 10m 10m大小的粒子。大小的粒子。 可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液基液菌体分离与浓缩菌体分离与浓缩，产品消毒，产品消毒。无流动操作渗透液原料液 微滤微滤( (MicrofiltrationMicrofiltration，M

8、F)MF) 一种静态过滤，随过滤一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全透水速率下降，直至微孔全被堵塞被堵塞3.超滤超滤（ Ultrafiltration, UF UF） ：分离介质同上，但孔径更小，为分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02 0.001-0.02 mm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可，分离推动力仍为压力差，截断分子量可变化。变化。适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热浓缩，超滤亲和

9、纯化，血浆分离，脱盐，去热原，原，在生物工程中应用最广。在生物工程中应用最广。 一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。的切向力，把膜面截流物冲掉。 超滤原理的示意图超滤原理的示意图 常规过滤常规过滤(A)(A)和超滤和超滤(B)(B)的示意图的示意图 A AB4.反渗透反渗透（Reverse osmosis,RO）: 渗透和渗透压：渗透和渗透压：渗透：膜（不能透过溶质）渗透：

10、膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。透过的现象。渗透压：渗透现象中，促使渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。水分子透过的推动力。反渗透：反渗透：定义：在溶质浓度高的定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的压力，使溶剂透过膜的操作。操作。是一种以压力差为推动是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径剂的膜分离操作，孔径范围在范围在0. 11 nm之间之间。其基本原理为溶解扩散

11、。在高于溶液渗透压其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。物全被截留住。主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。膜法海水淡化膜法海水淡化分离方法分离方法反渗透反渗透低温多效低温多效多级闪蒸多级闪蒸能耗能耗(kWh/m3)3.5710几种分离方法能耗比较几种分离方法能耗比较嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置巴黎瓦兹河

12、梅巴黎瓦兹河梅里市里市1414万立方万立方米米/ /天的纳滤天的纳滤厂，每天为巴厂，每天为巴黎附近黎附近5050万居万居民提供民提供1414万吨万吨饮用水饮用水微滤 5.电渗析电渗析：以电位差为推动力，利用离子：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或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操作。富集电解质的膜分离操作。在直流电场的作用下，由于离子交换膜在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。分离推动力是静电引力。1-半透膜半透膜 2-搅拌器搅拌器 3-溶液溶液 4-铂电极铂电极

13、 5,6-进出水管进出水管电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化6.气体渗透：气体渗透：气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。解、扩散、脱溶、逸出。应用应用: :空气中各种气体在透过膜壁

14、时具有不同的空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分离渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分离器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。气体渗透分离空气中的氮气体渗透分离空气中的氮膜分离过程的类型膜分离过程的类型膜分离过程在生物工程中的应用膜分离过程在生物工程中的应用过程过程应用对象应用对象实例实例微滤微滤消毒、澄清收集细胞消毒、澄清收集细胞培养悬浮液除菌，产品

15、消毒，培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集细胞收集超滤超滤大分子物质分离大分子物质分离酶及蛋白质的分离、浓缩、纯酶及蛋白质的分离、浓缩、纯化，血浆分离、脱盐、去热原，化，血浆分离、脱盐、去热原，膜反应器膜反应器纳滤纳滤小分子物质分离小分子物质分离糖，二价盐、游离酸的分离糖，二价盐、游离酸的分离反渗透反渗透小分子物质浓缩小分子物质浓缩单加盐、非游离酸的分离单加盐、非游离酸的分离透析透析小分子有机物和无机离子小分子有机物和无机离子脱除小分子有机物或无机离子脱除小分子有机物或无机离子膜分离技术应考虑的问题截留分子量截留分子量( (MWCO)截留曲线：测定分子量不截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水

16、溶性同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。量之间关系的曲线。 MWCO只是表征膜特性的一个参数，不能作只是表征膜特性的一个参数，不能作 为选择膜的唯一标准。应从多方面为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分如孔径分 布、耐污染能力等布、耐污染能力等)综合考虑。综合考虑。 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的溶质分子的溶质分子 量定义为膜的截留分子量。量定义为膜的截留分子量。实际膜分离过程中影响截留率的因素：实际膜分离过程中影响截留率的因素：溶质分子量溶质分子量分子特性分子特性 不

17、同分子截留率大小顺序：球形带支链线性；不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性； 对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低； 若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶质的影响其他高分子溶质的影响 其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。操作条件操作条件 膜面流速提高，截留率降低；膜面流速提高，截留率降低；浓差极化浓差极化浓差极化: :在膜分离过程中，膜表面上溶质在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。如下图：浓度高于主体溶质浓度的现象。如下图：浓差极化浓差极化:

18、:它对水的透过起着阻碍作用它对水的透过起着阻碍作用。所以浓差极化会所以浓差极化会降低膜的透水率。降低膜的透水率。结垢阻塞结垢阻塞 为了减少浓差极化，通常采用错流操作。使悬浮为了减少浓差极化，通常采用错流操作。使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面的固体移走。过滤介质表面的固体移走。39 膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出

19、，形成凝胶层。当分离含有菌体、质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化(gel (gel polarization)polarization)各种膜组件各种膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。些部件的容器构成的一个单元。目前市售商品膜组件主要有：管式目前市售商品膜组件主要有：管式、中空中空纤维纤维 、螺旋卷绕式螺旋卷绕式 、平板式平板式共同的特点共同的特点尽可能大的膜表面积尽可能大的膜

20、表面积可靠的支撑装置可靠的支撑装置可引出透过液可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小膜表面浓度差极化达到最小管式膜组件管式膜组件特点：特点：结构简单、适应性强、压力结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大、清洗安损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。较板式广泛。u结构结构：将膜固定在圆管状：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。容器内即构成管式膜组件。管式陶瓷超滤膜组件管式陶瓷超滤膜组件平板式膜组件平板式膜组件结构：结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由

21、与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。薄膜，供料液或滤液流动。特点特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。适于超滤单元操作。板式膜组件板式膜组件螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件结构：结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。卷绕在空心管上构成

22、。特点：特点： 优点：比表优点：比表 面积大，结面积大，结 构简单，价构简单，价 格较便宜；格较便宜； 缺点：处理缺点：处理 悬浮物浓度悬浮物浓度 较高的料液较高的料液 时易堵塞。时易堵塞。超滤超滤微滤卷式膜组件超滤超滤微滤卷式膜组件 特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、 浓缩倍数较低的料液处理和水处理。浓缩倍数较低的料液处理和水处理。卷式膜分离器（工业用）卷式膜分离器（工业用）中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件结构：结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080 m)或毛细管膜（内径或毛细管膜（内径0.252.5mm）固）固定在圆筒形容器内构成。定在圆筒形容器内构成。特点：特点：优点：比表面积优点：比表面积最大，可方便地进最大，可方便地进行反洗，造价低，行反洗，造价低，工业上普遍使用工业上普遍使用 。缺点：易堵塞，缺点：易堵塞，对料液要求高对料液要求高。 中空纤