制药分离工程第八章-膜分离

1、第八章 膜分离,膜,料液,水,小分子,大分子,渗透液,定义：具有选择性分离的功能薄膜材料。,“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色” “谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”,膜的简介,膜的发展历史,1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象； 1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）； 1861年Schmidt提出超滤概念； 1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜） 1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集； 1950年W.

2、Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜； 1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段； 1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。,我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。 国内主要的膜研究和推广单位： 1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司） 2）液体分离

3、：杭州水处理技术中心（西斗门公司） 天津纺织工学院（膜天公司） 3）无机膜：南京工业大学（久吾高科） 中国科技大学,膜的发展历史,膜的发展历史,膜的简介,特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用 特点： 无相变、低能耗 高效率、污染小 工艺简单、操作方便 便于与其它技术集成,膜元件,膜元件,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,从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已

4、经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30的速度递增着。,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,嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置,膜法自来水厂,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,在生化与制药工业中的应用,在发酵液除菌中的应用 乳酸、核酸、青霉素G等提取 在中成药生产

5、中的应用 主要用于替代醇沉工艺，除去煎煮液中的杂质，研究处于起步阶段等。 在血浆分离中的应用 已被证实是可行的方法，但国内尚未开展研究。,膜技术用于中药精制,优势： 1、煎煮液无需冷却可直接过滤，减少生产环节； 2、膜的再生方便，除菌彻底,膜本身可直接高温灭菌； 3、无论中药水提液性质如何,对膜本身没有影响； 4、对中药有效成份基本无截留； 5、口服液生产，放置时间显著延长，无瓶底沉淀物； 6、制片剂或粉剂时，赋型剂用量比醇沉法减少1/3； 7、对水提液和醇提液均可适用； 8、对单方和复方中药均可适用。,膜技术用于中药精制,传统中药精致工艺(醇沉法)。 工艺复杂，成本高、生产周期长，水溶性有效

6、成分损失大,洗净,蒸发,煎煮,除杂,醇沉,乙醇回收,蒸发浓缩,膜过滤,膜浓缩,产品,膜技术在植物提取工艺中的应用,传统植物提取液分离工艺的三大问题： 以高原料消耗获取目标组分分离； 以高能耗获取溶剂回收和目标组分浓缩； 以环境污染代价获取经济效益,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,8.1 总论 一、膜分离过程 膜分离:以选择性透过膜为分离介质，膜两侧在一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的过程。 膜:固相、液相和气相膜。,推动力:膜两侧的压力差、浓度差、电位差、温度差等。推动力膜分离分为多种过程。 压力推动的膜过

7、程有反渗透、纳滤、超滤、微滤 。在压力的作用下，小分子通过膜，大分子和微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。 1）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为210MPa；,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,2）纳滤膜孔径为25nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0.73 MPa； 3）超滤膜孔径为220nm，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为0.11 MPa； 4）微滤膜孔径为0.0510m，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为0.050.5 MPa。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,反

8、渗透、超过滤微粒过滤的比较,膜过程的分离范围,膜过程的现状与发展趋势,D一透析； MF一微滤； UF一超滤； RO一反渗透；ED一电渗析；CR一控制释放；GS一气体分离； PV一渗透汽化；MD一膜蒸馏；LM一液膜；MR一膜反应器；NF一纳滤； GM一闸膜； AT主动传递,二、膜分离特点 （1）无需外加物质，可实现高纯度的分离； （2）过程不发生相变化，能耗较低； （3）在常温下进行，适合处理热敏性物料； （4）设备没有运动的部件，可靠性高，操作、维护方便。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,三、膜分离过程的传递机理 物质透过膜的三种传递方式：被动传递、促进传递和主动传

9、递。 被动传递：物质由高化学位相侧向低化学位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、温度差等。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,促进传递：膜内有载体，在高化学位一侧，载体同被传递的物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递的化学物质释放，这种传递过程有很高的选择性。 主动传递：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放出能量，使被传递物质由低化学位一侧被传递到高化学位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度方向。主动传递尚未用于工业过程。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,膜分离过程的机理 (1)筛分机理：

10、膜的表面具有无数微孔，膜的孔径分布比较均一，大于膜孔径的分子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过膜达到分离的目的。 分离机理依据分子大小的差异，如超滤、微滤过程。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,(2)溶解一扩散机理 假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各自在浓度差或压力差造成的化学位差推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异影响着它们的通量大小。 (3)孔流模型 流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,四、分离膜应具备四个基本条件： (1)分离性三个要点 分离膜必须对被分离的混合物

11、具有选择透过的能力(具有分离作用)。 分离能力要适度。根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定。因为膜的分离性能和渗透性能是相互关联的，分离性能提高，渗透量下降，这样就提高操作费用。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,膜分离能力主要取决于膜材料的化学特性、膜的形态结构和操作条件。 (2)透过性 能够对被分离的混合物进行有选择的透过。不需要通过的物质透过速度要低，需要通过的物质透过速率要高。 分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。工业上，透过量不能过低，否则经济上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。,第八章 膜分离

12、（Membrane Separation）,(3)物理、化学稳定性 分离膜材料：高聚物，需要定期更换。 高聚物的“老化”问题 压密现象：高聚物膜长期处于高压下会发生被压密，使膜在长期使用中渗透量慢慢减小，最终不能使用的现象。 膜污染：在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染，减少了膜的有效使用面积。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,(4)经济性 分离膜的价格要合理。价格取决于材料和制造工艺两方面。不少高聚物很具特色，但价格太贵，无法作为商品。 分离膜要求:具有分离作用的膜越薄越好，(30nm)；膜如果属于多孔性的，则膜上的孔要求越多越好，孔径相差不大，

13、只有这样，膜的透过量才能大，分离物的纯度才高。,第八章 膜分离 （Membrane Separation）,2. 膜的分类,膜的分类,3. 膜材料和制备 固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来开发了无机材料分离膜。 高聚物膜通常是用纤维素类CA、聚砜类PSF、聚酰胺类PI、聚酯类、含氟高聚物PTEF等材料制成。 无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。,膜材料,膜材料,膜的制造,膜分离 (membrane separation),微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚醚 ，聚酰胺 天然材料：各种纤维素

14、衍生物 人造材料：各种合成高聚物 特殊材料：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜,4膜的分离特性 分离效率、渗透通量和通量衰减系数。 1) 分离效率。对于溶液脱盐和某些高分子物质的脱除等可以用脱除率（截留率）R表示。,膜的分离特性,2) 渗透通量Jw：单位时间内通过单位膜面积的透过物质量。 3) 通量衰减系数。膜的渗透通量因浓度极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减。 Jt、J1为膜运转t小时和1 h后的透过速度；t为运转时间,m为衰减系数。,膜的分离特性,3.浓差极化 1)浓差极化形成的原因:在膜装置操作中，由于压力的作用，使溶质和溶剂都趋向穿过膜。溶剂基本上可以全部通过。大部分溶质无法

15、通过而被截留在膜的高压侧表面上累积，造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体流扩散，这种现象就称为“浓差极化”。 浓差极化时，膜的传递性能和分离性能均下降，从而将缩短其使用寿命。,膜组件和膜系统,2)改善浓差极化的方法 提高流速。 加填料法。如将29100m的小球放入被处理的液体中，以减小膜边界层的厚度而增大透过速度。 加填料的方法是不适宜板式和卷式组件。 装设湍流促进器。,浓差极化,增设脉冲装置。在流程中增设一脉冲发生装置。振幅越大或频率越高，透过速度也越大。虽动力增加了2550，但透过速度提高了70，有相当的经济价值。 搅拌法。在膜面附近增设搅拌器，也可以把装置放在磁力

16、搅拌器上回转使用。传质系数与搅拌器的转数成直线关系。,浓差极化,82 超滤 一. 超滤的基本原理 超滤:通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，使溶质与溶剂及小分子组分分离的膜过程。 膜孔的大小和形状对分离起主要作用。 超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常用被截留分子的分子量的大小来表征。膜的截留率与被截留组分的截留分子量有关。,超滤,超滤的基本原理,超滤的基本原理,截留分子量与膜孔径的关系,超滤常采用非对称膜，膜孔径为(15)10-8m，膜表面有效截留层的厚度为(1100)10-7m，操作压差为0.10.5MPa，可分离分子量约为5001000000的分子。,截留率的影响因素：（除相

17、对分子量） (1)分子特性： 相对分子量相同时，线状的分子截留率较低，有支链的分子截留率较高，球形分子的截留率最大。 对于带电荷分子，具有与膜相反电荷的分子截留率较低。 若膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截留率增大。,超滤的基本原理,(2)其他高分子溶质： 当两种以上的高分子溶质共存时，溶质的截留率要高于其单独存在的情况。这是由于浓度极化现象使膜表面的浓度高于主体浓度。 (3)操作条件： 温度越高，料液的粘度越小，扩散系数越大,可提高膜通量。 当料液的pH值等于某蛋白质的等电点时，溶质的截留率高于其他pH下的截留率。,截留率的影响因素,超滤中不同料液的最高允许浓度,料液预处理: 用预过滤器除去料

18、液中的悬浮物； 用絮凝法除去料液中的胶体物； 用活性炭吸附除去料液中的部分有机物等; 通过调节料液的pH值可使蛋白质、酶、微生物等对膜有污染的组分远离其等电点; 用氯气、次氯酸钠、臭氧等进行杀菌(料液中含有较多的细菌、藻类及其他微生物 ) 。,截留率的影响因素,二超滤过程的传质机理与模型 在稳态下超滤渗透通量的大小随着温度和进料速度的升高而增加，随着进料分子的浓度和尺寸的增加而下降。 浓差极化与凝胶极化模型(concentration polarization) 描述超滤过程的模型 浓度极化：在膜分离操作中，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

19、高，这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象。,超滤,凝胶极化(gel polarization):膜表面附近浓度升高，增大膜两侧的渗透压差，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，形成凝胶层的现象。 凝胶层的形成对透过产生附加传质阻力。 透过通量,传质机理与模型,传质机理与模型,浓度极化模型,凝胶层阻力,要减少浓差极化，通常采用错流操作,传递理论,进料,膜分离 (membrane separation),三超滤分离操作过程 1浓缩 操作方式:浓缩为目的的膜分离有开路循环、闭路循环和连续浓缩三种操作。,超滤分离操作过程,2洗滤(Diafiltration透

20、滤) 洗滤操作目的：除去菌体或高分子溶液中的小分子溶质。 洗滤过程中向原料罐连续加入水或缓冲液，若保持料液量和透过通量不变，料液体积V越小，所需洗滤液体积VD越小。洗滤前首先稀释浓缩液，可减少洗滤液用量。但浓缩后，目标产物浓度增大，透过通量下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤时间最短。,洗滤,洗滤,四、影响超滤速度的各种因素,影响膜过滤的各种因素,讨论各种操作条件的影响 压力 浓度 温度 流速 其它因素,压力,p1,p2,P,在错流操作中，要区别两种压力差（见上图）。一种为通道两端压力差P=P1-P2，是保留液在系统中进行循环的推动力；另一种为膜两侧平均压力差,四、影响超滤速度的各种因素,a,

21、b,C,通量,Jv,截留率,H2O,上图中还表示出当流速增大、温度升高和料液浓度降低时，极限通量增大,在超滤中，压力升高引起膜面浓度升高，则透过膜的溶质也增大，因而截留率减小,四、影响超滤速度的各种因素,在一定的范围内，膜通量随操作压力的增加而增大，但当压力增加至某一临界值时，膜通量将趋于恒定。但操作压力也不能过高，否则膜可能被压密。,浓度,CG膜面浓度,四、影响超滤速度的各种因素,随着超滤过程的进行，料液主体的浓度逐渐增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。料液主体浓度过高无论在技术上还是经济上都是不利的，因此对超滤过程中料液主体的浓度应加以限制。,温度,在超滤或微滤中，一般说来，温度升高都会导致

22、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。由于水的粘度每升高1约降低2.5，所以，一般可认为，每升高1，通量约增加3。,四、影响超滤速度的各种因素,流速,0.83,湍流,滞流,根据浓差极化一凝胶层模型， 流速增大，可使通量增大。 虽然增大流速有明显的优点，但需考虑下列各点：1只有当通量为浓差极化所控制时，增大流速才会使通量增加，2增大流速会使膜两侧平均压力差减小，因为流经通道的压力降增大 3增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；4动力消耗增加。 提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差极化。但流速也不能太快，否

23、则会产生过大的压力降，并加速膜分离性能的衰退。,四、影响超滤速度的各种因素,其它因素,在超滤中，通常当pH在蛋白质的等电点时，通量最低。当有盐类存在时，一般使通量降低。当料液中含0.1m的微细粒子时，会使通量降低，最好用预过滤除去。如果含1m的坚硬粒子，通常会使通量增大。 pH有时也会对截留率有影响。例如在极端pH下超滤蛋白质时，常使截留率增大，这是由于吸附在膜上蛋白质和溶液中蛋白质带相同电荷而互相排斥的缘故。,四、影响超滤速度的各种因素,极化边界产生,极化边界层的产生,超滤液,超滤液,截留液出口,膜,膜,四、影响超滤速度的各种因素,克服浓差极化的方法,浓差极化的减少,降低压力,降低膜表面的浓

24、度,降低溶质在料液中的浓度,垂直于膜 的混合,低浓度因子,提高固体粒子 反向质量传递,排除膜表面 的浓集物,桨式混合器,静态混合器,边界层减薄,机械清洗,高速度梯度,短的液流周期,增加扩散,细的通道,移动膜,移动液体,提高温度,四、影响超滤速度的各种因素,五、超滤应用 超滤的工业应用有三类：浓缩；小分子溶质的分离；大分子溶质的分级。 1小分子生物产物的回收 氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，可选用MMCO为11 0431 04的超滤膜，可从发酵液中回收小分子发酵产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的杂质。,五、超滤应用,2蛋白质的回收、浓缩

25、与纯化 蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液的pH、离子强度和膜的孔径、结构有关。 对特定的蛋白质，根据其分子特性，选合适的膜，并对料液进行预处理(如调节pH，离子强度等)，以提高目标产物的回收率。 选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率可达9 5以上。,五、超滤应用,3中药有效成分和有效部位的分离纯化 中药含有无机盐、生物碱、氨基酸和有机酸、酚类、酮类、皂苷、甾族和萜类化合物以及鞣质、蛋白质、淀粉、纤维素等，其分子量从几十到几百万道尔顿。药物有效成分生物碱、黄酮、苷等的分子量较小，大多数不超过1000Da；分子量高的蛋白质、淀粉

26、和纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分。,五、超滤应用,8.3 微滤、纳滤和反渗透,分离机理,膜分离 (membrane separation),一、纳滤,.纳滤膜分离技术的特点 20世纪80年代末期，随着新的制膜方法（如界面聚合法）的出现和制膜工艺的不断改进，一批新型复合膜（疏松型反渗透膜和致密型超滤膜）得以问世，并受到人们的极大关注，现在人们习惯上将该类膜称为纳滤（nanofiltration,NF）膜。,纳滤膜分离技术的特点1,分离机理,纳滤膜分离过程中无任何化学反应； 无需加热，无相变； 不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于超纯水的制备和食品、医药等行业中的

27、各种分离和浓缩过程。,一、纳滤,滤膜分离技术的特点2,分离机理,作为一种新型分离技术，纳滤在其分离应用中表现出两个显著特征： 其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为2002000； 纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。,一、纳滤,纳滤膜分离技术的特点3,分离机理,从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。 根据其第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥有nm左右的微孔结构，故称“纳滤”。 书上讲：由于其截留率大于95%的最小分子约为nm,故称之为纳滤膜。,一、纳滤,纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图,一、纳滤,典型

28、膜应用过程 微滤,微滤：当压力推动流体透过膜或其他过滤介质，从流体中分离微米大小的粒子时，这个过程为微滤。 孔径：0.0510m；渗透压可以忽略，推动力为0.15bar 表面过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸大，粒子以其几何形状被阻挡，不能进入和通过膜，这种筛滤机理称为表面过滤。 深度过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸小，粒子能进入过滤介质，并粘附在其上，被除去。,二、微滤,典型膜应用过程 微滤,错流过滤与常规微过滤 常规微滤是指渗透液受压而垂直通过过滤介质，所有大于孔径的粒子被截留。,表面过滤和深度过滤,膜,堆积层,时间,时间,常规过滤,错流过滤,滤饼厚度,通量,反渗透 一、反渗透原理 反渗透膜

29、是一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜。,三、反渗透,(a) 渗透 (b) 渗透平衡 (c) 反渗透,渗透现象:由于膜两侧水的化学位不等，水将自发地由纯水侧穿过半透膜向溶液侧流动的现象。 溶液的渗透压 :膜两侧的压力差增大至阻止水向溶液侧流动时，渗透过程达到平衡时的压力差 。 反渗透现象：若在盐溶液的液面上方施加一个大于渗透压的压力，则水将由盐溶液侧经半透膜向纯水侧流动的现象。,三、反渗透,溶液的渗透压与溶液的种类和浓度等因素有关，而与膜本身无关。 理想溶液的渗透压 溶液中溶质的摩尔浓度，molL-1 反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。,三、反

30、渗透,二、反渗透流程 反渗透装置反渗透膜组件、泵、过滤器、阀、仪表及管路等组装的装置。 反渗透装置有连续式、部分循环式和全循环式三种流程。 1.连续式 一级一段连续式流程的缺点是水的回收率不高，在实际生产中的应用较少。 一级多段连续式的优点是水的回收率及浓缩液中的溶质浓度均较高，而浓缩液的量较少。,反渗透,反渗透流程,一级一段连续式工艺流程 1-料液贮槽；2-泵；3-膜组件,反渗透流程,一级多段连续式工艺流程,2.循环式 部分循环式可提高水的回收率，但浓缩液中的溶质浓度要比原进料液中的高，因此透过水的水质有可能下降。常用于废液等的浓缩处理。 全循环式可获得高浓度的浓缩液，常用于溶质的浓缩处理。

31、,反渗透流程,反渗透流程,部分循环式工艺流程,反渗透流程,全循环式工艺流程,三、反渗透的应用 1.海水和苦咸水淡化 2.在制药工业中的应用 医药注射用水节约能耗75%以上 。 反渗透法还常用于抗生素、维生素、激素等溶液的浓缩过程。链霉素提取精制。 3.电子工业用超纯水 4电镀废水处理,反渗透的应用,四、膜组件和膜系统 目前生产的膜过滤装置都由模件(Module)构成，所以研究装置的性能只要研究模件的性能即可。一个良好的模件应具备下列条件： 1膜面切线方向的速度相当快，或有较高的剪切率，以减少浓差极化； 2膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大； 3拆洗和膜的更换比较方便， 4保留体积小，且

32、无死角。,膜组件和膜系统,膜组件和膜系统 膜分离装置的核心是膜组件，它是将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等通过组装构成的一个单元。 1.膜组件的型式： 板框式、卷式、管式、中空纤维式。 板框式和卷式膜组件使用平板膜； 管式和中空纤维膜组件使用管式膜。,膜组件和膜系统,板框式膜组件,卷绕式膜组件,卷绕式膜组件,卷绕式膜组件,中空纤维膜组件,1-环氧树脂管板； 2-纤维束； 3-纤维束端封,管式膜组件,1-多孔外衬管； 2-管式膜； 3-耐压端套； 4-玻璃钢管； 5-渗透液收集外壳,各种膜组件的优缺点比较,五. 膜污染和劣化 膜污染:由于在膜表面上形成了附着层(膜孔堵塞)因素导致了膜性能

33、变化，可采用清洗方法，使膜性能得以恢复。 膜劣化:膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能变化。 膜在使用过程中的最大问题是膜污染和劣化。在压力、流速、温度和料液浓度都一定时，膜污染使膜的渗透通量随操作时间而迅速下降，使膜过程不能继续进行。,膜组件和膜系统,膜的污染和劣化的分类及其成因,化学性劣化: 由于料液pH值超出膜的允许范围而导致膜的水解或氧化反应等化学因素造成的劣化； 物理性劣化:膜结构在很高的压力下导致致密化或在干燥状态下发生不可逆转性变形等物理因素造成的劣化。 生物性劣化:由于处理料液中的微生物的存在导致膜发生生物降解反应等生物因素造成的劣化。,膜污染和劣化,膜的清洗方法,

34、物理方法,化学方法所用的清洗剂,水力方法,气液脉冲,反冲洗涤,循环洗涤,酸碱液,表面活性剂,螯合剂,氧化剂,酶,化学清洗液,酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时,交替使用碱清洗剂和酸清洗剂。,表面活性剂如SDS、吐温80、Triton、X-100(一种非离子型表面活性剂)等在许多场合有很好的清洗效果，可根据实际情况加以选择，但有些阴离子型和非离子型的表面活性剂能同膜结合造成新的污染在选用时须加以注意。,除了强酸和碱外，螯合剂也用于去除污染膜的沉积物

35、。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸(EDTA)、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螯合铁离子(Fe3+)通常是有效的。EDTA常用于溶解碱土金属硫酸盐。,当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯进行清洗，其用量为200400mg/L活性氯(相当于400800mg/LNaClO)，其最适pH为1011。,由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端pH，在膜通量难以恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗。但使用酶清洗剂不当会造成新的污染。如采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用含载体液进行清洗，效果很好。,内压式中空纤维膜使用,降低膜的污染和劣化的方法: 1)预处理法

36、有热处理、调节pH值、加螯合剂(EDTA等)、氯化、活性炭吸附、化学净化、预微滤和预超滤等。 如通过调整料液pH值或加人抗氧剂等防止膜的化学性劣化; 对于蛋白质分离或浓缩，当pH值调节到对应于蛋白质的等电点时，污染程度较轻。,膜污染和劣化,2)操作方式优化 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，如控制初始渗透通量(低压操作，恒定通量操作模式和过滤初始通量控制在临界通量以下)，反向操作模式，高分子溶液的流变性，脉动流、鼓泡、振动膜组件，超声波照射等。,膜污染和劣化,3)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，是确定最佳操作条件的关键。 4)膜组件清洗 膜的清洗方法有水力清洗、机械清洗、化学清洗和电清洗四种。,膜污