膜分离完整版本

膜分离与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂.膜分离技术：一种分离技术，是指以外界能量或化学位差为推动力，依靠膜的选择性透过作用进行物质的分离、纯化与浓缩的一种技术。MembraneNomenclatureFeedRetentate(residue)（截留液）Permeate透过液在常温下进行

有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩。

无相态变化

保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8。

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。

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。

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，易于自动化。

膜分离优点所谓的膜，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。

膜的特性：◆不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触◆膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。一膜(Membrane)是什么？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工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2

控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧膜法海水淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10国家或地区沙特中国长海中国长岛中国沧化设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75产水成本RMB/m34.886.695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本

几种分离方法能耗比较膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游

透膜

膜下游选择性透膜膜分离技术的类型以推动力的过程分类以浓度差为推动力的过程：透析技术(Dialysis,DS)

以电场力为推动力的过程：A电透析，B离子交换电透析 以静压力差为推动力的过程：A微滤(microfiltration)，B超滤(untrafiltration)，C反渗透(reverseosmosis)

以蒸气压差为推动力的过程：A膜蒸馏，B渗透蒸馏平板膜(FlatMembrane)管式膜(TubularMembrane)中空纤维膜(HollowFiber)。按膜的形态分类

按膜的结构分类对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)复合膜(CompositeMembrane)图1对称膜图2非对称膜以膜的分离原理及适用范围分类

微滤(micro-filtration,MF)

超滤(untra-filtration,UF)纳滤(nano-filtration，NF)

反渗透(reverseosmosis,RO)

透析(Dialysis,DS)

电透析(electro-dialysis,ED)

亲和过滤(affinityfiltration,AF)

渗透气化(pervaporation,PV)膜分离法与物质大小的关系。1溶剂2小分子3大分子4微粒盐分子糖蛋白病毒胶体几种静压差膜分离法应用比较

1234MF

1234UF

1234RO三膜过滤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，τ—时间c1—料液中溶质浓度，c2—透过液中溶质浓度膜分离过程的类型

分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如下表所示。膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子胶体和超过截留分子量的分子非对称性膜纳滤压力差离子大小及电荷水、一价离子、多价离子有机物复合膜反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐非对称性膜复合膜膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型渗析浓度差溶质的扩散传递低分子量物、离子溶剂非对称性膜电渗析电位差电解质离子的选择传递电解质离子非电解质，大分子物质离子交换膜气体分离压力差气体和蒸汽的扩散渗透气体或蒸汽难渗透性气体或蒸汽均相膜、复合膜，非对称膜渗透蒸发压力差选择传递易渗溶质或溶剂难渗透性溶质或溶剂均相膜、复合膜，非对称膜液膜分离浓度差反应促进和扩散传递杂质溶剂乳状液膜、支撑液膜续上表微滤和超滤

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溶质。微滤广泛用于细胞、菌体等的分离和浓缩，操作压力通常为0.05-0.5MPa。超滤适用于1-50nm的生物大分子的分离，如蛋白质、病毒等。操作压力常为0.1-1.0MPa。透析和反渗透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。在生物分离中主要用于蛋白质的脱盐。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，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。渗透与反渗透原理示意图渗透和反渗透的原理如下图所示。电渗析

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，可用于小分子电解质的分离和溶液的脱盐。膜材料和膜的制造膜应该满足的特性膜应具有较大的透过速度和较高的选择性.机械强度好耐热、耐化学试剂、不被细菌侵袭可以高温灭菌价廉等。膜材料:膜材料的种类天然高分子材料种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在45-50

C，pH3-8。合成高分子材料种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超滤膜。优点：耐高温(70-80

C，可达125

C)，pH1-13，耐氯能力强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性高，寿命长，常用于反渗透。缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。无机材料种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径>0.1um微滤膜和截留>10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。缺点：不易加工，造价高。无机膜简介：分类与现状无机膜粗孔膜>50nm微孔膜<2nm致密膜微滤膜超滤膜纳滤膜渗透蒸发膜反渗透膜气体分离膜金属及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜2~50nm无机膜集成过程复合材料种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。优点：此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉淀层，清洗容易。缺点：稳定性差。

制造膜的高分子材料很多，其中在工业上用得最广的是醋酸纤维素和聚砜。影响膜结构和性质的因素很多，所用的高聚物及其浓度；溶剂系统；沉淀剂系统；沉淀剂的形式(气相或液相)；前处理(如蒸发)或后处理(或退火，即浸在热水浴中)步骤等。因此膜的制造多凭经验，其重复性是一个困难的问题，所以膜的生产集中于几家著名的厂商，其详细步骤很少泄露。表征膜性能的参数水通量

在一定条件下，测量单位时间内单位面积膜透过纯水的质量或体积。截留率和截断分子量截留率:膜对溶质的截留能力以截留率R来表示。截断分子量(MWCO)定义为相当于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估计孔径的大小。孔道特征包括孔径，孔径分布，空隙度。完整性试验用于试验膜和组件是否完整或渗漏。影响膜过滤的各种因素压力料液浓度温度流速温度升高，都会导致通量增大，因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。所以操作温度的选择原则是：在不影响料液和膜的稳定性范围内，尽量选择较高的温度。增大流速可使通量增大，但有时会使一些蛋白受较大剪切力影响而失活。膜的保存分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。

微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。膜组件膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件。膜组件的种类管式膜组件中空纤维式平板膜组件卷式膜组件管式膜组件特点：结构简单、适应性强、压力损失小、透过量大，清洗、安装方便、可耐高压，适宜处理高粘度及稠厚液体。但比表面积小。适于微滤和超滤。管式陶瓷超滤膜组件平板膜组件特点：较管式组件比表面积大得多，易于更换膜，适于微滤、超滤。螺旋卷式膜组件特点：膜面积大，湍流情况好，但制造装配要求高、清洗检修不方便，不能处理悬浮液浓度较高的料液。可用于微滤、超滤和反渗透。超滤超滤微滤卷式膜组件中空纤维式膜组件HollowfiberformBioseparationsDialysisVirusremovalGasseparationsWaterpurification浓差极化、污染现象和控制浓差极化凝胶极化膜污染浓差极化在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化(concentrationpolarization)。特点：浓差极化是一个可逆过程。只有在膜过程运行中产生存在，停止运行，浓差极化逐渐消失。浓差极化与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差极化程度，提高膜的透过流量。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。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，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，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化(gelpolarization)凝胶极化

膜分离过程中遇到的最大问题是膜污染(membranefouling)，膜污染不仅造成透过通量的大幅度下降，而且影响目标产物的回收率。膜污染的主要原因来自以下几个方面。凝胶极化引起的凝胶层;溶质在膜表面的吸附层;膜孔堵塞;膜孔内的溶质吸附.膜污染膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。具体用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决定，使用的清洗剂要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。如果用清水清洗就恢复膜的透过性能，则不需使用其他清洗剂。对于蛋白质的严重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶等)溶液清洗，效果较好。膜清洗A、试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。B、原则：去污能力好，对膜无损害，成本最低。C、方法：反向清洗，试剂置换，化学降解消化。E、预防：膜的预处理(用乙醇浸泡聚砜膜)，料液预处理(调pH，预过滤)，开发抗污染膜，临界压力操作等。膜分离技术的特点优点:1)能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异；2)分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要；3)操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。缺点1)膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；2)稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限；3)单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。膜技术的应用1)

细胞培养基的除菌；2)发酵液或培养液中细胞的收集和除去；3)细胞破碎后碎片的除去；4)目标产物部分纯化后的浓缩或滤除小分子溶质；5)最终产品的浓缩和洗滤除盐；6)蛋白质的回收、浓缩和纯化7)制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热源水；8)膜生物反应器。Example1:菌体分离

利用超滤或微滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜分离技术的重要应用之一。与传统滤饼过滤和硅藻土过滤相比，错流过滤具有：1）优点：

A透过通量大；

B滤液澄清，菌体回收率高；

C不须添加助滤剂或絮凝剂，回收的菌体纯净，有利于进一步分离操作（如菌体的破碎、胞内产物的回收等）。

D适合于大规模连续操作；

E易于进行无菌操作，防止杂菌污染。2）缺点： 膜分离的最大问题是膜污染引起的膜透过通量下降。Example2：小分子（500-2KD)生物产品的回收

500-2KD分子的分离去盐：AA、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子量在2000以下，因此选用MWCO（截留分子量）为1-3*104的超滤膜，可以从发酵液中回收这些小分子发酵产物，然后利用反渗透技术进行浓缩和除去相对更小的杂质。Example3:注射药物的除热源(pyrogen)：

热源一般由细菌细胞壁产生，主要成分为脂多糖、脂蛋白等，相对分子量较大，能直接引起恒温动物的体温升高。如产品的相对分子量在1000以下，使用MWCO为1*104的超滤膜可有效除去热源，且不影响产品的回收率。膜技术的工业应用工业领域应用举例金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧

纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收