生物分离工程 第九章 膜分离

1、膜分离Membrane separationChapter 9Knowledge pointsMembrane separation膜分离技术的概念。The classification of membrane separation膜分离技术的分类。The separation characteristic of different membranes各种膜的分离特性。Membrane materials对于膜材料的基本要求。The main membrane assembly主要的膜组件类型。Ultrafiltration and reverse osmosis 超滤和反渗透过程中渗透压的影

2、响The basic equation of ultrafiltration separation 超滤等膜分离过程的基本方程Affinity membrane separation了解亲和膜分离技术The work mechanism ofelectroosmosis了解电渗析的工作原理概述 1925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30年代 微孔过滤40年代 渗析50年代 电渗析60年代 反渗透70年代 超滤 80年代 气体分离90年代 渗透汽化现代 EDI技术(electro-deionization)膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在

3、的能量差作为推动力，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。膜的概念在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体被膜分开的流动相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜膜分离技术的类型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：微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.02514m之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，

4、为0.0010.02 m，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.00010.001 m之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而称为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离3001000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析(ED)：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；透析(DS)：以浓度差为推动力，孔径范围在510 nm之间用于脱盐、除变性剂。根据推动力类型的不同，膜分离过程可分为 压力差推动膜过程（

5、如微滤、超滤、纳滤、反渗透、加压透析等）、 浓度差推动膜过程（如渗透蒸发、气体分离、透析、蒸汽渗透、扩散渗析、载体介导等) 、 电位差推动膜过程（如电渗析、电渗透、膜电解等）、 温度差推动膜过程（如热渗透、膜蒸馏等）。微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜的分离特性膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离过程的类型膜分离过程 (membrane separation)有关微米的一组数据1 m= 10-3mm = 103nm 人发直径 70-80 m裸眼可见最小颗粒40 m金属颗粒 50 m酵母菌 3 m假单胞菌 0.3 m小RNA 病毒 0.03

6、m膜的分类按孔径大小分：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构分：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜膜材料的特性物化稳定性 对于不同种类的膜都有一个基本要求（决定膜寿命）：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为110MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；分离透过特性（主要包括选择性、渗透通量和通量衰减系数等） （1）选择性：R=(Cf-Cp)/Cf*100% （R

7、截留率，Cf组分在原料液中浓度，Cp组分在膜透过液中的浓度） （2）渗透通量：单位时间通过单位膜的透过液的容量或质量 J=Vp/Amt (Vp透过液的容积或质量，Am膜的有效面积，t运转时间） （3）通量衰减系数：Jt=J1tmJt、J1是膜运行t小时和1小时的渗透通量，t是运行时间。对于任何一种膜分离过程，总希望选择性好、渗透通量大，但二者实际上是互相矛盾的，渗透通量大的膜往往选择性低，而选择性高的往往膜渗透通量小。各种膜材料有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机膜： 包括无机致密膜（金

8、属、金属合金和固体氧化物电解质等；无机多孔膜（多孔金属、多孔陶瓷膜、多孔玻璃、分子筛膜等）各种膜组件（CP p68）平板式管式中空纤维螺旋卷绕式平板式膜组件管式膜组件中空纤维式膜组件螺旋卷式膜组件膜过滤的基本概念和理论超滤和反渗透(p126)目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达10 MPa。超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说

9、来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。渗透与反渗透实现超滤和反渗透的条件超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。 因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”膜过滤的基础理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。水通量（Jw）和截留率（R）W透水量，A膜的有效面积，时间c1料液中溶质浓度， c2透过液中溶质浓度超滤的基本方程：穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）纳

10、滤膜过滤技术介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过；特点：在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；操作压力低纳滤膜的性质与特点有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为2nm，截留分子量范围在100200道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性；主要产品：Membrane products Kiryat Weizmann，MPW (以色列)Desalination System (美国)SelRO, DESAL-5, FT- 40等系列膜，Filmtech公司（美国，明尼苏达） 纳滤的分离机理纳滤分离

11、机理与反渗透膜了类似，同样遵循，基本的膜传递方程：纳滤的应用行 业处理对象行 业处理对象制药工业母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收食品工业乳清脱盐与浓缩苛性碱回收纯水制备超高纯水水的脱盐地下水的净化染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色造纸厂废水净化膜亲和过滤法膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。内容：包括两个分支亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离；亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤亲和膜分离技

12、术分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上一条“手臂链”（大于三个碳原子）；亲和膜制备：选用合适的配基(Ligand)，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质；亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（Ligate）的复合体；洗脱：改变条件（洗脱液组成、pH、离子强度、温度等），使复合物解离；亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用膜分离法的应用亲和膜的作用机理膜相担体亲和膜分离过程 (membrane separation)需解决的关键问题膜表面要有足够多的并可利用的化学基团；表面积和孔径要足够大孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和分离效率机械强度要高要耐酸碱和高温亲和膜分离操作方式亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A的实验装置电渗析技术电渗析技术是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，分离推动力是静电引力。（SP139页）膜分离过程在生物工程中的应用过程应用对象实 例微滤消毒、澄清收集细胞培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集超滤大分子物质分离酶及蛋白质的分离、浓缩、