膜分离和电泳

膜分离和电泳本章主要知识点膜分离技术的概念。膜分离技术的分类。各种膜的分离特性。对于膜材料的基本要求。主要的膜组件类型。超滤和反渗透过程中渗透压的影响第2页,共60页，2024年2月25日，星期天超滤的基本方程了解亲和膜分离技术了解电渗析的工作原理第3页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第4页,共60页，2024年2月25日，星期天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体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜第5页,共60页，2024年2月25日，星期天膜分离技术的类型和定义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0.025~14μm之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02μm，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；第6页,共60页，2024年2月25日，星期天反渗透（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0.0001~0.001μm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，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：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；第7页,共60页，2024年2月25日，星期天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第8页,共60页，2024年2月25日，星期天原理第9页,共60页，2024年2月25日，星期天

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫第10页,共60页，2024年2月25日，星期天第11页,共60页，2024年2月25日，星期天第12页,共60页，2024年2月25日，星期天2、膜的分类按形状可分为：平板膜、管式膜、中空膜等。按功能分：离子交换膜、渗析膜、超滤膜、渗透气化膜、反渗透膜等。按相态分：固体膜和液体膜。按来源分：天然膜和合成膜。现在应用的膜主要是合成膜。按膜结构、固体膜分为：致密膜和多孔膜，多孔膜又有微孔和大孔之分。第13页,共60页，2024年2月25日，星期天

膜的种类根据膜的材质固体膜液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能第14页,共60页，2024年2月25日，星期天

固体膜根据膜断面的物理形态根据固体膜的形态对称膜不对称膜复合膜平板膜管式膜中空纤维膜核径蚀刻膜第15页,共60页，2024年2月25日，星期天膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类聚烯烃类乙烯类聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲壳素类无机膜致密膜多孔膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化锆膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类第16页,共60页，2024年2月25日，星期天种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类无第17页,共60页，2024年2月25日，星期天第18页,共60页，2024年2月25日，星期天膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：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0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa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；第19页,共60页，2024年2月25日，星期天各种膜组件平板式中空纤维管式螺旋卷绕式不论何种形式其使用和设计的共同要求是：①尽可能大的有效膜面积；②为膜提供可靠的支撑装置，这是因为膜很薄，其中还台有百分之几十的水分，仅仅靠膜本身是不能承受很高压力。因此，除了增加膜本身强度外，还必须采用辅助支撑装置；③提供可引出透过液的方法；④使膜表面的浓差极化达最小值。第20页,共60页，2024年2月25日，星期天平板式(板框式)膜组件第21页,共60页，2024年2月25日，星期天管式膜组件第22页,共60页，2024年2月25日，星期天螺旋卷式膜组件第23页,共60页，2024年2月25日，星期天中空纤维式膜组件第24页,共60页，2024年2月25日，星期天各种膜组件的优缺点比较

组件优点缺点板框式保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间螺旋卷式设备投资低，操作费用也低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需经预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制管式易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制，无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒高的设备投资和操作费用，保留体积大，单位体积中所含有过滤面积较小，压力降大中空纤维式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆流操作，压力较低，设备投资低料液需要预处理，单根纤维管损坏时，需调换整个组件，不够成熟第25页,共60页，2024年2月25日，星期天膜过滤的基本概念和理论超滤和反渗透目的：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10MPa。第26页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第27页,共60页，2024年2月25日，星期天第28页,共60页，2024年2月25日，星期天渗透与反渗透第29页,共60页，2024年2月25日，星期天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”第30页,共60页，2024年2月25日，星期天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）

W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间表示超滤膜基本参数的是水通量与截留率，水通量是指一定压力下单位时间内通过单位膜面积的水量。水通量的大小取决于膜的物理特性（如厚度、化学成分、孔隙度）和系统的条件（如温度、膜两侧的压力差、接触膜的溶液的盐浓度及料液平行通过膜表面的速度）。第31页,共60页，2024年2月25日，星期天也可用Jw=*⊿P表示---穿透度：单位时间、单位膜面积的处理量⊿P---施加的外压，Pa超滤的基本方程渗透压膜对溶质的排斥系数，若膜对所有溶质都排斥，则α＝1；反之，若膜可让溶质和溶剂自由通过，则α＝0。第32页,共60页，2024年2月25日，星期天和截留率（R）把待分离物质超滤除去的百分数称作截留率，即：式C1一料液中目的溶质的浓度；C2——透过液中目的溶质的浓度一般将在截留率为90%的最小被截留溶质分子量定义为膜的截留分子量(molecularweightcutoff,MWCO)。MWCO只表征膜特征的一个参数，不能作为唯一指标。膜的优劣应从孔径分布、透过通量、耐污染能力、稳定性、温度、pH、机械强度等多方面考察。第33页,共60页，2024年2月25日，星期天纳米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；操作压力低第34页,共60页，2024年2月25日，星期天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100~200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：MembraneproductsKiryatWeizmann，MPW(以色列)DesalinationSystem(美国)SelRO,DESAL-5,FT-40等系列膜，Filmtech公司（美国，明尼苏达）第35页,共60页，2024年2月25日，星期天纳米过滤的分离机理纳滤分离机理与反渗透膜了类似，同样遵循，基本的膜传递方程：第36页,共60页，2024年2月25日，星期天纳滤膜的技术应用世界水资源专家认为：纳滤水是最佳饮用水纳滤膜最大应用领域是饮用水软化和有机物脱除。(1)较低单价盐的截留率(2)不同价态的离子的分离(3)高/低分子量有机物分离纳滤膜应用13第37页,共60页，2024年2月25日，星期天纳滤膜的技术应用饮用水软化和有机物脱除受污染的地下水处理含金属废水的处理

造纸废水处理能脱除85%~95%硬度以及70%单价离子

脱除97％有机卤,降低总有机碳（TOC）90％回用废水,浓缩回收重金属除深色木质素和氯化木质素

14第38页,共60页，2024年2月25日，星期天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第39页,共60页，2024年2月25日，星期天纳滤膜的技术应用15第40页,共60页，2024年2月25日，星期天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；第41页,共60页，2024年2月25日，星期天亲和膜分离技术分离膜的改性：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；第42页,共60页，2024年2月25日，星期天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；第43页,共60页，2024年2月25日，星期天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）第44页,共60页，2024年2月25日，星期天微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）第45页,共60页，2024年2月25日，星期天亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A的实验装置第46页,共60页，2024年2月25日，星期天亲和配基固定在膜孔表面，流体在对流透过膜的过程中目标蛋白质与配基接触而被吸附。亲和膜吸附原理示意图第47页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第48页,共60页，2024年2月25日，星期天第49页,共60页，2024年2月25日，星期天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、纯化，血浆分离、脱盐、去热源，膜反应器纳滤小分子物质分离糖，二价盐、游离酸的分离反渗透小分子物质浓缩单加盐、非游离酸的分离透析