第十一章 膜分离技术

1、第十一章 膜分离技术 第十一章第十一章 膜分离技术膜分离技术Y概述概述Y第一节第一节 膜分离技术与分离膜膜分离技术与分离膜Y第二节第二节 膜分离过程与分离机理膜分离过程与分离机理Y第三节第三节 膜分离技术的关键膜分离技术的关键Y第四节第四节 膜分离技术的应用与实例膜分离技术的应用与实例Y第五节第五节 新型膜分离技术简介新型膜分离技术简介概述概述Y膜分离现象广泛存在于自然界中。膜分离的过程在我国的利膜分离现象广泛存在于自然界中。膜分离的过程在我国的利用可追溯到用可追溯到2000多年以前，当时在酿造、烹饪、炼丹和制药多年以前，当时在酿造、烹饪、炼丹和制药等过程中就有等过程中就有“莞蒲厚洒莞蒲厚洒”

2、，“弊箪淡卤弊箪淡卤”及及“海井海井”的海的海水淡化等记载。由于受到人类认识能力和当时科技条件的限水淡化等记载。由于受到人类认识能力和当时科技条件的限制，在其后漫长历史进程中对膜技术的理论研究和技术应用制，在其后漫长历史进程中对膜技术的理论研究和技术应用并没有得到实质性的突破。并没有得到实质性的突破。Y1960年美国加利福尼亚大学的年美国加利福尼亚大学的Loeb和和Sourirajan研制出研制出第一张可实用的第一张可实用的反渗透膜反渗透膜，膜分离技术才进入了大规模工业，膜分离技术才进入了大规模工业化应用时代。化应用时代。Y目前，膜分离作为一致新型的分离技术已广泛应用于目前，膜分离作为一致新型

3、的分离技术已广泛应用于生物产生物产品、医药、食品、生物化工品、医药、食品、生物化工等领域、是药物生产过程中等领域、是药物生产过程中制水、制水、澄清、除菌、精制纯化以及浓缩澄清、除菌、精制纯化以及浓缩等加工过程的重要手段。等加工过程的重要手段。Y本章主要讨论制药工业中一些常用膜分离过程的工作原理、传质机理、本章主要讨论制药工业中一些常用膜分离过程的工作原理、传质机理、分离效果、装置及应用情况。分离效果、装置及应用情况。Y掌握内容：掌握内容：Y膜分离过程基本膜分离过程基本原理和特点原理和特点；Y膜的膜的分类分类和特点；和特点；Y几种几种膜组件膜组件的特点；的特点；Y膜膜性能性能的评价方法；的评价方

4、法；Y膜污染的膜污染的危害危害和控制方法；和控制方法；Y渗透现象渗透现象和和浓差极化浓差极化现象对膜过程的影响现象对膜过程的影响第一节第一节 膜分离技术与分离膜膜分离技术与分离膜一、膜分离的特点及分类一、膜分离的特点及分类 膜分离过程膜分离过程是指利用天然的或合的、具有选择透过性的是指利用天然的或合的、具有选择透过性的薄膜薄膜作为分作为分离介质，在离介质，在浓度差、压力差浓度差、压力差等作用下，使混合液体或气体混合物中的某一或某些等作用下，使混合液体或气体混合物中的某一或某些组分选择性地透过膜，已达到组分选择性地透过膜，已达到分离、分级、提纯或浓缩目的分离、分级、提纯或浓缩目的。 1、膜分离的

5、特点、膜分离的特点 （1）以具有选择透过性的膜分隔两相界面，被膜分隔的两相之间依靠）以具有选择透过性的膜分隔两相界面，被膜分隔的两相之间依靠不同组分透过膜得速率差来实现组分分离。不同组分透过膜得速率差来实现组分分离。 （2）膜分离过程无相变发生，能耗低，无需外加物质，对环境无二次污染之忧。）膜分离过程无相变发生，能耗低，无需外加物质，对环境无二次污染之忧。 （3）分离过程通常在温和条件下完成，适用于热敏性药物的分离、分级、浓缩。）分离过程通常在温和条件下完成，适用于热敏性药物的分离、分级、浓缩。 （4）膜组件结构紧凑，处理系统集成化、操作方便；处理过程能耗较低、单机）膜组件结构紧凑，处理系统集

6、成化、操作方便；处理过程能耗较低、单机分离效率高、无污染等优点。分离效率高、无污染等优点。 不足之处不足之处：在膜使用过程中不可避免地产生：在膜使用过程中不可避免地产生浓差极化、膜污染浓差极化、膜污染等现象，从而等现象，从而影响膜的使用寿命，增加操作费用影响膜的使用寿命，增加操作费用Y2、膜的分类、膜的分类 根据驱动力的不同，膜分离过程大致分为三类：根据驱动力的不同，膜分离过程大致分为三类： 压力压力 驱动膜过程驱动膜过程，浓度差驱动膜分离过程，浓度差驱动膜分离过程和和电力驱动膜过程电力驱动膜过程。 其中其中压力驱动膜过程压力驱动膜过程又进一步分为：微滤、超滤、纳滤和反渗透。又进一步分为：微滤

7、、超滤、纳滤和反渗透。 随着膜制备技术的不断提高，膜分离吉利的研究不断深入以及分离随着膜制备技术的不断提高，膜分离吉利的研究不断深入以及分离技术与其他技术的广泛结合，膜分离技术得到了迅速发展，逐渐成为技术与其他技术的广泛结合，膜分离技术得到了迅速发展，逐渐成为药物分离和纯化的重要方法。药物分离和纯化的重要方法。二、分离膜二、分离膜 膜是指分隔两相界面并以特定的形式限制和传递膜是指分隔两相界面并以特定的形式限制和传递各种物质的分离介质。各种物质的分离介质。（一）膜的种类和结构（一）膜的种类和结构Y1、膜的种类、膜的种类 根据来源不同可分为：天然膜和合成膜。根据来源不同可分为：天然膜和合成膜。 根

8、据相态不同合成膜可分为：固体膜、液体膜和气体膜，目前根据相态不同合成膜可分为：固体膜、液体膜和气体膜，目前大规模工业应用的是固体膜。大规模工业应用的是固体膜。 根据材质不同固体膜可分为：有机膜和无机膜；按结构又分为致根据材质不同固体膜可分为：有机膜和无机膜；按结构又分为致密膜和多孔膜。密膜和多孔膜。 根据膜的电荷情况可分为荷电膜和非荷电膜。荷电膜结构中载有根据膜的电荷情况可分为荷电膜和非荷电膜。荷电膜结构中载有固定的正电荷或负电荷。包括离子交换膜、反渗透膜和纳滤膜。离子固定的正电荷或负电荷。包括离子交换膜、反渗透膜和纳滤膜。离子交换膜又分为阴离子交换膜和阳离子交换膜。交换膜又分为阴离子交换膜和

9、阳离子交换膜。Y2、膜的结构、膜的结构根据膜的断面结构及制备过程可分为对称膜、不对称膜和复合膜根据膜的断面结构及制备过程可分为对称膜、不对称膜和复合膜。 对称膜和不对称膜示意图对称膜和不对称膜示意图 （二）膜材料二）膜材料 膜的断面结构示意图膜的断面结构示意图 目前使用的分离膜大体上分为三类：天然高分子膜、合成高分子膜和目前使用的分离膜大体上分为三类：天然高分子膜、合成高分子膜和无机膜。前两者合称为有机高分子膜无机膜。前两者合称为有机高分子膜 。分离过程中对膜的要求是：具有良。分离过程中对膜的要求是：具有良好的成膜性、热稳定性好、化学稳定性，耐酸、碱和微生物侵蚀及耐氧化好的成膜性、热稳定性好、

10、化学稳定性，耐酸、碱和微生物侵蚀及耐氧化性能。性能。Y1、有机膜材料、有机膜材料（1）天然高分子膜）天然高分子膜 天然高分子膜主要为纤维素的衍生物，是应用天然高分子膜主要为纤维素的衍生物，是应用最早，也是目前应用最多的膜材料。主要用于最早，也是目前应用最多的膜材料。主要用于、，在气，在气体分离和渗透汽化中也有应用。体分离和渗透汽化中也有应用。如乙酸纤维、硝酸纤维等，在注射针剂中如乙酸纤维、硝酸纤维等，在注射针剂中药液除菌过滤使用的大多是乙酸纤维膜。药液除菌过滤使用的大多是乙酸纤维膜。（2）合成有机高分子膜）合成有机高分子膜 合成高分子膜材料应用最多，主要有聚砜、合成高分子膜材料应用最多，主要有

11、聚砜、聚酰亚胺、芳香聚酰胺、聚丙烯晴、聚烯烃、聚乙烯醇、尼龙、聚碳酸酯聚酰亚胺、芳香聚酰胺、聚丙烯晴、聚烯烃、聚乙烯醇、尼龙、聚碳酸酯等。等。 目前，芳香聚酰胺和杂环类膜材料主要用于反渗透和纳滤。聚酰亚胺目前，芳香聚酰胺和杂环类膜材料主要用于反渗透和纳滤。聚酰亚胺已用于超滤、反渗透和气体分离膜的制备。聚砜是超滤、微滤膜的重要材已用于超滤、反渗透和气体分离膜的制备。聚砜是超滤、微滤膜的重要材料，由于抗压密性和抗氧化性强，也是良好的复合膜支撑材料，但其疏水料，由于抗压密性和抗氧化性强，也是良好的复合膜支撑材料，但其疏水性使膜的透水性差。常用的有机高分子膜材料见书性使膜的透水性差。常用的有机高分子膜

12、材料见书P245表表11-2。Y2、无机膜材料、无机膜材料 无机膜无机膜包括陶瓷膜、包括陶瓷膜、微孔玻璃膜、金属膜和碳分子筛膜。在注射针剂微孔玻璃膜、金属膜和碳分子筛膜。在注射针剂生产过程中，提高药业的澄明度多采用陶瓷膜。生产过程中，提高药业的澄明度多采用陶瓷膜。 电镜下的陶瓷膜孔第二节第二节 膜分离过程与分离机理膜分离过程与分离机理 膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质。当膜两侧存在某种推动膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质。当膜两侧存在某种推动力力（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性的透过膜，以达（如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性的透过膜，以达到分离、提纯的

13、目的。到分离、提纯的目的。 不同的膜过程使用的膜不同，推动力也不同。根据推动力不同，膜不同的膜过程使用的膜不同，推动力也不同。根据推动力不同，膜过程可分为四大类：过程可分为四大类：Y（1）以压力差为推动力（压力驱动）的过程；以压力差为推动力（压力驱动）的过程；Y（2）以电位差为推动力（电位驱动）的过程；以电位差为推动力（电位驱动）的过程；Y（3）以浓度差为推动力（浓度差驱动）的过程；以浓度差为推动力（浓度差驱动）的过程；Y（4）以蒸汽分压差为推动力（蒸汽分压驱动）的过程。）以蒸汽分压差为推动力（蒸汽分压驱动）的过程。 不同的膜分离过程往往有不同的分离机制，即使同一个分离过程也有不同的膜分离过程

14、往往有不同的分离机制，即使同一个分离过程也有不同的机理模型。不同的机理模型。一、压力驱动膜分离过程一、压力驱动膜分离过程 目前已经实现工业化的以压力差为推动力的膜过程有：微滤、超滤、目前已经实现工业化的以压力差为推动力的膜过程有：微滤、超滤、纳滤和反渗透。纳滤和反渗透。 微滤（微滤（MF）是一种与粗滤相似的膜分离过程。微孔滤膜具有比较整）是一种与粗滤相似的膜分离过程。微孔滤膜具有比较整齐的、均匀的多孔结构。又称为精过滤。齐的、均匀的多孔结构。又称为精过滤。Y微滤的分离机理微滤的分离机理 为微滤的分离机理一般认为属于机械筛分，膜的物理结构起决定性为微滤的分离机理一般认为属于机械筛分，膜的物理结构

15、起决定性作作 用。微孔滤膜截留作用大体可分为以下两类：膜的表面截留和膜内部截留用。微孔滤膜截留作用大体可分为以下两类：膜的表面截留和膜内部截留。聚四氟乙烯微滤膜电镜照片聚四氟乙烯微滤膜电镜照片Y微滤的应用微滤的应用 微滤在所有膜分离过程中应用最普遍、销售总额最大。制药行业中的微滤在所有膜分离过程中应用最普遍、销售总额最大。制药行业中的除菌过滤、中药液体制剂澄清除菌过滤、中药液体制剂澄清;中药复方提取液的除杂，在不影响药效的中药复方提取液的除杂，在不影响药效的情况下具有较好的澄清除杂效果。情况下具有较好的澄清除杂效果。（二）超滤（二）超滤 超滤（超滤（UF）膜多为不对称膜，操作静压差一般为）膜多

16、为不对称膜，操作静压差一般为0.10.5MPa，被分，被分离组分直径大约为离组分直径大约为0.010.1um，即截留组分的相对分子质量介于，即截留组分的相对分子质量介于5001000000的大分子和胶体粒子。的大分子和胶体粒子。Y超滤的分离原理超滤的分离原理与微滤分离过程相似，超滤也是通过膜孔的筛分作用将料液中大于膜孔的与微滤分离过程相似，超滤也是通过膜孔的筛分作用将料液中大于膜孔的大分子溶质进行截留，使这些溶质与溶剂及小分子组分分离的膜分离技大分子溶质进行截留，使这些溶质与溶剂及小分子组分分离的膜分离技术。术。膜孔的大小膜孔的大小和和形状形状对分离起主要作用，膜的对分离起主要作用，膜的化学性

17、质化学性质也是影响超滤也是影响超滤分离的重要因素。分离的重要因素。 超滤过程中溶质的截留有三种方式：超滤过程中溶质的截留有三种方式：膜表面的机械截留，在膜孔中滞膜表面的机械截留，在膜孔中滞留而被去除或在膜表面及微孔内的吸附。留而被去除或在膜表面及微孔内的吸附。Y超滤的应用超滤的应用 超滤主要应用于尺寸较大的分子、微粒与低分子物质或溶剂分离过程。超滤主要应用于尺寸较大的分子、微粒与低分子物质或溶剂分离过程。利用超滤膜利用超滤膜“筛分筛分”机理即膜孔径大小特征将中药体系中的有效组分或有机理即膜孔径大小特征将中药体系中的有效组分或有效部位进行分离提纯，在中药中日益受到青睐。其应用包括三个方面：分效部

18、位进行分离提纯，在中药中日益受到青睐。其应用包括三个方面：分离纯化，有效去除非药效成分；提高药效成分浓度，减少剂量；制剂生产，离纯化，有效去除非药效成分；提高药效成分浓度，减少剂量；制剂生产，包括制备注射液、口服液等。包括制备注射液、口服液等。表表11-3絮凝絮凝-超滤法和醇沉法处理刺五加提取液的比较超滤法和醇沉法处理刺五加提取液的比较样品成分样品成分总黄酮（总黄酮（mg/L）蛋白质（蛋白质（mg/L）澄清度（澄清度（OD460）初提液0.927232.11.240醇沉处理0.89338.80.796超滤透过液0.8230.0330.432（三）反渗透（三）反渗透Y1、渗透和反渗透、渗透和反渗

19、透Y渗透：将溶剂和溶液用半透膜隔开，并且这种膜只能透过渗透：将溶剂和溶液用半透膜隔开，并且这种膜只能透过溶剂分子而不能透过溶质分子。若膜两侧的静压力相等，溶剂分子而不能透过溶质分子。若膜两侧的静压力相等，将发生溶剂分子从溶剂侧透过膜到溶液侧的渗透现象。将发生溶剂分子从溶剂侧透过膜到溶液侧的渗透现象。Y反渗透：当膜两侧的静压差大于溶液的渗透压时，溶剂分反渗透：当膜两侧的静压差大于溶液的渗透压时，溶剂分子将从溶质浓度高的溶液侧透过膜流向溶质浓度低的溶剂子将从溶质浓度高的溶液侧透过膜流向溶质浓度低的溶剂侧。侧。Y反渗透过程必须满足两个条件：一是有一种选择性和高透反渗透过程必须满足两个条件：一是有一种

20、选择性和高透过率的选择透过膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。过率的选择透过膜；二是操作压力必须高于溶液的渗透压。Y实际反渗透过程中，膜两侧的静压差还必须克服透过膜的实际反渗透过程中，膜两侧的静压差还必须克服透过膜的阻力。阻力。 2. 反渗透的分离机理反渗透的分离机理Y（1）溶解）溶解-扩散理论扩散理论 Lonsdale和和riley等人将反渗透膜的表面层设想为致等人将反渗透膜的表面层设想为致密无孔，并假设溶剂和溶质均溶解于非多孔膜表面层内，溶解情况服从亨密无孔，并假设溶剂和溶质均溶解于非多孔膜表面层内，溶解情况服从亨利定律，然后各自在浓度差或压力差作用下扩散通过膜，再从膜的另一侧利定律，然

21、后各自在浓度差或压力差作用下扩散通过膜，再从膜的另一侧解吸出来。解吸出来。Y（2）优先吸附）优先吸附-毛细孔流理论毛细孔流理论 当水溶液与高分子多孔膜接触时，由于当水溶液与高分子多孔膜接触时，由于膜的化学性质对溶质排斥，对水分子优先吸附，则在膜与溶液界面上形成膜的化学性质对溶质排斥，对水分子优先吸附，则在膜与溶液界面上形成一层纯水层。一层纯水层。 在压力作用下，优先吸附的水通过膜就形成了脱盐过程。在压力作用下，优先吸附的水通过膜就形成了脱盐过程。纯水层的厚度与溶液性质和膜表面的化学性质有关。当膜表面毛细管直径纯水层的厚度与溶液性质和膜表面的化学性质有关。当膜表面毛细管直径为纯水层为纯水层2倍（

22、倍（2-4个水分子层）时，对毛细管而言，能够得到最大流量的个水分子层）时，对毛细管而言，能够得到最大流量的纯水，该孔径被称为纯水，该孔径被称为“临界孔径临界孔径”。Y3. 反渗透的应用反渗透的应用Y反渗透的应用领域已从早期的海水、苦咸水脱盐淡化发展到化工、食品、反渗透的应用领域已从早期的海水、苦咸水脱盐淡化发展到化工、食品、制药以及造纸工业中某些有机物及无机物的分离。反渗透技术在中草药制制药以及造纸工业中某些有机物及无机物的分离。反渗透技术在中草药制剂的浓缩及回收中药有效成分提取液中的溶剂等方面有很大的发展前景。剂的浓缩及回收中药有效成分提取液中的溶剂等方面有很大的发展前景。（三）纳滤三）纳滤

23、Y 纳滤（纳滤（NF）介于反渗透和超滤之间，是）介于反渗透和超滤之间，是20世纪世纪80年代初期继反渗年代初期继反渗透之后开发出来的一种新型膜分离技术。纳滤膜表面孔径处于纳米级范透之后开发出来的一种新型膜分离技术。纳滤膜表面孔径处于纳米级范围，其分离对象主要为粒径尺寸在围，其分离对象主要为粒径尺寸在1nm左右的物质，对相对分子质量介左右的物质，对相对分子质量介于于2002000的有机物具有良好的截留性能，对单价离子和小分子物质的的有机物具有良好的截留性能，对单价离子和小分子物质的截留率相对较低。操作压力一般在截留率相对较低。操作压力一般在1MPa。此外，荷电的纳滤膜能根据离子。此外，荷电的纳滤

24、膜能根据离子的大小及价态的高低对低价离子和高价离子进行分离。的大小及价态的高低对低价离子和高价离子进行分离。Y 纳滤膜的迁移机理尚未确定，目前大多数学者认为：纳滤膜的分纳滤膜的迁移机理尚未确定，目前大多数学者认为：纳滤膜的分离离作用主要是筛分效应和作用主要是筛分效应和Donnan效应两种特征。在分离浓度恒定的同电性效应两种特征。在分离浓度恒定的同电性离子时，纳滤膜对价态低的、半径小的离子有较低的截留率。而在处理离子时，纳滤膜对价态低的、半径小的离子有较低的截留率。而在处理不同自由离子时，膜对离子的截留率还与离子的浓度有关。不同自由离子时，膜对离子的截留率还与离子的浓度有关。Y 主要应用有：主要

25、应用有：纳滤精制低聚糖纳滤精制低聚糖；对青霉素等抗生素进行浓缩和纯化对青霉素等抗生素进行浓缩和纯化等等二、电力驱动膜分离过程二、电力驱动膜分离过程Y以电位差为推动力的膜分离过程典型代表为电渗析（以电位差为推动力的膜分离过程典型代表为电渗析（ED），电），电 渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。Y电渗析的结构和工作原理电渗析的结构和工作原理Y电渗析的应用电渗析的应用 电渗析是一种相当成熟的膜分离技术，主要用于海水的淡化、苦咸水除电渗析是一种相当成熟的膜分离技术，主要用于海水的淡化、苦咸水除盐、制备纯水以及从体系中

26、脱出电解质等处理。此外，电渗析还可以盐、制备纯水以及从体系中脱出电解质等处理。此外，电渗析还可以在制药行业中用于纯水的制备。在制药行业中用于纯水的制备。三、浓度差驱动膜分离过程三、浓度差驱动膜分离过程 Y以浓度差为推动力的膜分离过程主要是渗析，也叫透析。在渗析中料以浓度差为推动力的膜分离过程主要是渗析，也叫透析。在渗析中料液和渗析液分别从膜两侧通过，料液和渗析液中的小分子溶质在膜两液和渗析液分别从膜两侧通过，料液和渗析液中的小分子溶质在膜两侧浓度梯度的推动下，通过膜扩散相互交换。由于各组分的分子大小侧浓度梯度的推动下，通过膜扩散相互交换。由于各组分的分子大小和溶解度不同，使得不同溶质的扩散速率

27、也不同，通过选择适当膜孔和溶解度不同，使得不同溶质的扩散速率也不同，通过选择适当膜孔径的渗析膜可实现分子大小不同组分分离目的。在实际中常用来脱除径的渗析膜可实现分子大小不同组分分离目的。在实际中常用来脱除混合溶液中的低分子量组分，达到浓缩的目的。混合溶液中的低分子量组分，达到浓缩的目的。Y 渗析在医疗上主要用于血液透析。由于渗析过程传质推动力是膜渗析在医疗上主要用于血液透析。由于渗析过程传质推动力是膜两侧溶液中组分的浓度差，受体系条件限制，处理效率低，选择性不两侧溶液中组分的浓度差，受体系条件限制，处理效率低，选择性不高，故在工业上应用不多。仅用于从血清蛋白和疫苗中脱除盐和其他高，故在工业上应

28、用不多。仅用于从血清蛋白和疫苗中脱除盐和其他低分子溶质，降低啤酒的醇含量以及在实验室用于粗酶提纯等。低分子溶质，降低啤酒的醇含量以及在实验室用于粗酶提纯等。第三节第三节 膜分离过程中的关键技术膜分离过程中的关键技术一、膜的性能参数一、膜的性能参数 表征膜的性能参数主要有：膜的孔道特征、膜的荷电性与亲水性能、表征膜的性能参数主要有：膜的孔道特征、膜的荷电性与亲水性能、膜的截留率与截留分子量、膜的渗透通量等，同时还应有膜的使用温膜的截留率与截留分子量、膜的渗透通量等，同时还应有膜的使用温度范围、度范围、PH范围、抗压能力和对溶剂稳定性等参数。范围、抗压能力和对溶剂稳定性等参数。 膜的选择性和渗透通

29、量是以压力为驱动力膜分离过程两个非常重要的膜的选择性和渗透通量是以压力为驱动力膜分离过程两个非常重要的技术指数。技术指数。膜的选择性常用截留率膜的选择性常用截留率R0来表征，表达式为来表征，表达式为 R0=1-cp/cm由于由于cm不易测得，通常用料液浓度不易测得，通常用料液浓度cb替代，此时截留率为表观截留率替代，此时截留率为表观截留率R R=1-cp/cb膜的渗透通量膜的渗透通量J代表了膜的处理能力，即溶剂通过膜的速率水通量或膜通代表了膜的处理能力，即溶剂通过膜的速率水通量或膜通量量 J=V/St二、膜的污染与清洗二、膜的污染与清洗Y（一）膜的污染和劣化（一）膜的污染和劣化 在膜分离的过程

30、中，由于溶剂和小分子溶质大量透过膜，大分子溶在膜分离的过程中，由于溶剂和小分子溶质大量透过膜，大分子溶质被截留在膜表面积累，当浓度高于主体料液浓度时将引发这些溶质质被截留在膜表面积累，当浓度高于主体料液浓度时将引发这些溶质从膜的表面向主体料液扩散，这一现象称为浓差极化。从膜的表面向主体料液扩散，这一现象称为浓差极化。这一现象几乎这一现象几乎存在于所有的膜分离过程中，出现的时间取决于料液的性质、膜性能存在于所有的膜分离过程中，出现的时间取决于料液的性质、膜性能及操作条件。及操作条件。 膜污染就是指由于膜表面形成了吸附层或膜孔赌塞等外部因素导致膜膜污染就是指由于膜表面形成了吸附层或膜孔赌塞等外部因

31、素导致膜性能下降的现象。性能下降的现象。 不同的膜分离过程，膜的污染程度和造成原因也不同。微滤膜的膜污不同的膜分离过程，膜的污染程度和造成原因也不同。微滤膜的膜污染主要是由颗粒在膜孔径内堵塞和在膜表面形成凝胶层造成的；超滤染主要是由颗粒在膜孔径内堵塞和在膜表面形成凝胶层造成的；超滤膜所遇到的污染问题主要是由浓度极化造成的；反渗透和纳滤为无孔膜所遇到的污染问题主要是由浓度极化造成的；反渗透和纳滤为无孔膜，污染主要是溶质在膜表面吸附和沉积作用造成的。膜，污染主要是溶质在膜表面吸附和沉积作用造成的。 膜劣化是指膜材质自身发生了不可逆转的变化，从而导致膜性能改变。膜劣化是指膜材质自身发生了不可逆转的变

32、化，从而导致膜性能改变。导致膜劣化的原因可分为化学、物理及生物三个方面。导致膜劣化的原因可分为化学、物理及生物三个方面。Y（二）膜的清洗（二）膜的清洗 当膜的渗透通量降低到一定值后，生产能力下降、能耗当膜的渗透通量降低到一定值后，生产能力下降、能耗 增大，必须对膜组件的进行清洗或更换。因此膜清洗是恢复膜的分离增大，必须对膜组件的进行清洗或更换。因此膜清洗是恢复膜的分离性能、延长膜的使用寿命的重要操作。性能、延长膜的使用寿命的重要操作。常用的清洗方法有：水力清洗、机械清洗、电清洗和化学清洗四种。常用的清洗方法有：水力清洗、机械清洗、电清洗和化学清洗四种。水力清洗水力清洗 有低压高速冲洗、反冲洗、

33、低压水与空气混合冲洗等多种有低压高速冲洗、反冲洗、低压水与空气混合冲洗等多种方式。冲洗液可以是去离子水或透过液。这种冲洗方式对方式。冲洗液可以是去离子水或透过液。这种冲洗方式对膜孔堵塞和膜孔堵塞和膜表面因凝胶层压实形成的滤饼膜表面因凝胶层压实形成的滤饼等污染比较有效。等污染比较有效。机械清洗机械清洗 用海绵球清洗或刷洗，通常用于用海绵球清洗或刷洗，通常用于超滤超滤和和微滤微滤的的内压管式膜内压管式膜组件组件。该法几乎能。该法几乎能去除全部的软质垢去除全部的软质垢，对于硬质垢的清洗可能会造成，对于硬质垢的清洗可能会造成膜表面损伤。膜表面损伤。电清洗电清洗 通过对膜施加电场力，使带电粒子或分子沿电

34、场方向迁移达通过对膜施加电场力，使带电粒子或分子沿电场方向迁移达到清洗的目的。该法到清洗的目的。该法适用于荷电膜且装置上配有电极的场合适用于荷电膜且装置上配有电极的场合，如，如电渗电渗析析。化学清洗化学清洗 它是减轻膜污染的最重要的方法之一。选用一定的化学试它是减轻膜污染的最重要的方法之一。选用一定的化学试剂，对膜组件进行浸泡或采用物理清洗的方法在膜表面循环清洗。剂，对膜组件进行浸泡或采用物理清洗的方法在膜表面循环清洗。Y（三）膜的污染和劣化预防方法（三）膜的污染和劣化预防方法料液的预处理料液的预处理 预处理是预防污染的有效措施之一。对于预处理是预防污染的有效措施之一。对于 具体的膜分离过程，

35、可选用杀菌、调节具体的膜分离过程，可选用杀菌、调节PH，预先脱除粗大颗粒物等多，预先脱除粗大颗粒物等多种预处理方法种预处理方法 。操作方式的优化操作方式的优化 膜过程中膜污染的防治及渗透通量的强化可通膜过程中膜污染的防治及渗透通量的强化可通过操作方式的优化来实现。例如控制初始渗透通量；反向操作模式等。过操作方式的优化来实现。例如控制初始渗透通量；反向操作模式等。 膜组件结构优化膜组件结构优化 膜分离过程设计中，膜组件内流体力学条件的优膜分离过程设计中，膜组件内流体力学条件的优化，即预先选择料液操作流速和膜渗透通量，并考虑到所需动力等。化，即预先选择料液操作流速和膜渗透通量，并考虑到所需动力等。

36、膜组件的清洗膜组件的清洗 针对膜污染产生的原因，可以在膜分离过程完成后针对膜污染产生的原因，可以在膜分离过程完成后采用合适的清洗方式对已经污染的膜进行清洗再生，恢复膜通量。在采用合适的清洗方式对已经污染的膜进行清洗再生，恢复膜通量。在进行清洗时大多采用整体清洗的方式，即直接对膜组件进行清洗而不进行清洗时大多采用整体清洗的方式，即直接对膜组件进行清洗而不必将膜和组件分开。必将膜和组件分开。 此外，缩短膜的清洗周期、选择抗污染性能强的膜对膜污染防治也非此外，缩短膜的清洗周期、选择抗污染性能强的膜对膜污染防治也非常重要。常重要。三、膜组件三、膜组件Y任何一个膜分离过程，不仅需要具有优良分离特性的膜，

37、还需要结构任何一个膜分离过程，不仅需要具有优良分离特性的膜，还需要结构合理、性能稳定的膜分离装置。安装膜的最小单元被称为膜组件。膜合理、性能稳定的膜分离装置。安装膜的最小单元被称为膜组件。膜组件的设计遵循两种膜构型设计：平板膜和管式膜。组件的设计遵循两种膜构型设计：平板膜和管式膜。Y1.板框式膜组件板框式膜组件板框式膜组件结构类似板框式压滤机，基本部件包括：平板膜、支撑盘和板框式膜组件结构类似板框式压滤机，基本部件包括：平板膜、支撑盘和间隔盘。间隔盘。Y2.卷式膜组件卷式膜组件由于卷式膜组件结构简单、造价低、装填密度高，同时具有由于卷式膜组件结构简单、造价低、装填密度高，同时具有 一定的抗污染

38、性，尽管具有不易清洗的缺点，但还是取得了很大的成一定的抗污染性，尽管具有不易清洗的缺点，但还是取得了很大的成功。功。Y3.管式膜组件管式膜组件 有内压式和外压式两种。管式膜组件的优点是对料液预处理要求不高，有内压式和外压式两种。管式膜组件的优点是对料液预处理要求不高，可用于处理高浓度悬浮液。缺点是设备运行和投资费用较高，膜的装可用于处理高浓度悬浮液。缺点是设备运行和投资费用较高，膜的装填密度不高。填密度不高。Y4.中空纤维膜组件中空纤维膜组件 中空纤维膜组件也有外压式和内压式两种。通常内压式有利于保护具中空纤维膜组件也有外压式和内压式两种。通常内压式有利于保护具有选择性的膜表层，而外压式可以获

39、得更大的膜面积且易于清洗。有选择性的膜表层，而外压式可以获得更大的膜面积且易于清洗。四、膜分离过程中的影响因素四、膜分离过程中的影响因素 影响膜分离的因素有很多，需要从料液的性质到清洗等各影响膜分离的因素有很多，需要从料液的性质到清洗等各个方面，下面主要介绍操作参数对膜分离过程的影响：个方面，下面主要介绍操作参数对膜分离过程的影响：Y1.操作压力的影响操作压力的影响 微滤和超滤的膜通量及纳滤和反渗透的溶剂微滤和超滤的膜通量及纳滤和反渗透的溶剂通量在污染较轻的情况下都随着压力的增大而升高；随着膜表面浓差通量在污染较轻的情况下都随着压力的增大而升高；随着膜表面浓差极化的形成，渗透通量增长的速度开始变缓极化的形成，渗透通量增长的速度开始变缓Y2.料液浓度和流速的影响料液浓度和流速的影响 料液浓度增加，黏度增大，膜表面料液浓度增加，黏度增大，膜表面流动的边界层增厚。这不利于膜表面的传质过程，易导致浓差极化。流动的边界层增厚。这不利于膜表面的传质过程，易导致浓差极化。膜流速升高有利于减小浓差极化的影响，使过滤阻力下降。膜流速升高有利于减小浓差极化的影响，使过滤阻力下降。Y3.温度的影响温度的影响 一方面，温度升高料液黏度下降，扩散系数增大，一方面，温度升高料液黏度下降，扩散系数增大，降低了浓差极化的影响，使渗透通量