第十一章 膜分离技术2009.ppt

1、第十一章 膜分离技术 (Membrane Separation Technology ),“膜”的定义： 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体分隔开来成为两部分，则这一薄层物质就是膜。 “膜分离”的定义： 借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。,国外：膜分离技术起步于本世纪六十年代 “18世纪电器改变了整个工业过程，而20世纪膜技术改变了整个面貌”。 国内：起步于年，年代末开始步入工业化。 与国外市场的差距： 一、对膜技术这一高新技术的认识。 二、膜技术推广应用领域亟待进一步扩大，并建立相应的示范工程。 三、面临一些国外膜及膜装置，膜工程的大企业进入我国，以独资或合资

2、企业形式加大竞争。 四、国内膜技术膜产品质量、品种与国外尚存在较大差距。,国内外研究状况,海水脱盐淡化 医药工业的纯化水、注射用水 生物大分子物质的浓缩与纯化 人工肾透析 过滤除菌（溶液、空气）,应用范围,1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩。 2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变, 是一种低能耗，低成本的单元操作。 3.过程简单、容易操作和控制。 4.不污染环境。,特点（优势）,第一节 透 析,透析的材料：兽类的膀胱、硝酸纤维素膜、玻璃纸。 定义：透析是采用半透膜作为滤膜,使试

3、样中的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透过被保留在透析袋内，从而达到大小分子分离的一种膜过滤方法。 特点：半透膜两边均为液体，一边为试样溶液（保留液），另一边为纯净溶剂（水或缓冲溶液）。可不断更换外层溶剂使扩散不断进行，直至符合要求。 应用：制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。,透析示意图,用于透析的半透膜应具备的条件： （1）在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过； （2）化学惰性；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定； （3）良好的物理性能：有一定的机械强度和良好的再生性能。,预处理：用50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用

4、50%乙醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次。,使 用,透析过程注意点： （1）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏； （2）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变； （3）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。 透析袋的保存：,二、透析方法及装置 1 旋转透析器 2 平面透析器 3 连续透析器 4 浅流透析器,dialysis,旋转透析器配有一个内部的磁铁，通过使用磁铁搅拌板可以使整个透析器旋转。 这种持续的样品运动能比标准透析器少用50至100%的透析时间。,旋转透析器,第二节

5、超滤技术(Ultra filtration technology ),一、超滤的特征和用途 定义：超过滤(简称超滤)是一项分子级膜分离手段，以压力差为推动力将不同分子量的物质进行选择性分离。一般用于液相分离，也可用于气相分离。 用途： 1.大分子物质的脱盐和浓缩，以及大分子物质溶剂系统的交换平衡。 2.大分子物质的分级分离。 3.生化制剂或其它制剂的去热原处理。,二、超滤膜 （一）超滤膜的构造 各向同性膜(isotropic membrane) ：各向同性膜的化学结构、物理结构在各个方向上是一致的，在所有方向上的孔隙率都相似。 各向异性膜(anisotropic membrane) ：其孔结构

6、随深度而变化的膜。 膜质分为两层：功能层和支持层。 喇叭口滤膜：孔隙不是圆柱体，而是梯形圆台。,非对称膜,对称膜,（功能层）,（支撑层）,（二）超滤膜的制造 入水凝冻法制备各向异性膜： 1、制膜材料（二醋酸纤维素，丙酮，甲酰胺） 2、制膜液的配制：25g醋酸纤维素、100ml丙酮、80ml甲酰胺加入密封容器内，间歇搅拌使其溶解 3、制膜操作：玻璃板，刮刀，5秒钟，45的冷水中，1h后取出，贴在玻璃板上的一面为反面，孔径大；另一面为小孔径的功能面。,影响膜孔径的因素 增加添加剂与成膜材料的比例或添加剂与溶剂的比例，可使膜表面孔径增大。 降低刮膜温度，或减少刮好的膜在空气中的蒸发时间，会使膜表面孔

7、径增大。,（三）超滤膜的选用,超滤的选用应注意： 1、分子量截留值： 阻留率达90%以上的最小被截留物质的分子量。,2、流动速率：在一定压力下每分钟通过单位面积膜的液体量来表示。 3、其他 （1）操作温度 （2）化学耐受性 （3）膜的吸附性质 （4）膜的无菌处理,三、超滤过程和装置,（一）浓差极化现象 外源压力迫使分子量较小的溶质通过薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐渐形成浓度梯度，这就是浓差极化现象。 克服极化的措施：震动、搅拌、错流(cross flow) 、切流(tangent flow) 。,超滤开始时， 滤速较快，且与压力呈正比，当形成“沉积层”后，滤速不再增加，沉积层又称“边界层”，

8、其阻力大于膜阻力，各向同性膜会因之完全堵塞，丧失过滤能力。,（二）实验用超滤器,（1）无搅拌式装置 （2）搅拌或震动式装置 （3）小棒超滤器 （4）中空纤维超滤 （5）浅道系统超滤装置,无搅拌式超滤装置,搅拌式超滤装置,浅道系统超滤装置,小棒超滤器,（三）工业用超滤装置,设计要求： 有效过滤面积大 支撑装置强度大 极化现象小 典型装置： 板式、管式、螺旋卷式、中空纤维,中空纤维膜分离器（工业用）,卷式膜分离器（工业用）,（四）影响超滤流速和选择性的因素,溶质分子性质：大小、形状和带电性质。 超滤膜的性质：孔径、结构、吸附性。 超滤装置和操作：膜或组合膜的构造、超滤器的结构以及操作压力、搅拌情况

9、。 液体物料的温度、粘度、pH、离子强度。,1、溶质分子特征和浓度：包括溶质分子大小、形状和带电性质。 比重大的纤维状分子扩散性差,对流速影响大;易形成凝胶层,使流速达不到极限水平。 比重小的球形分子易扩散，不形成凝胶层，随压力增大，流速也提高。,2、超滤膜的性质： 指膜的孔径、结构及吸附性质。 在保证分辨率的情况下，使用孔径大的滤膜有利于提高过滤效率。 3、超滤装置和操作条件： 包括膜的构造和超滤器的结构及操作压力、搅拌情况、温度、pH、离子强度）。,四、超滤的操作和应用,（一）超滤膜和超滤器的处理 （二）过滤操作 （三）应用 浓缩和脱盐 分级分离和纯化 超滤分离与酶反应连用,(一) 超滤膜

10、及超滤器的处理：检查、清洗、消毒、 保存。 (二) 超滤操作： 操作压：0.05-0.5MPa 对于切流过滤的膜装置, 操作压为: P=(Pin Pout) /2=(进口压-出口压/2) 流 量：相同材料液用不同膜流量不同; 相同膜：分离要求不同，流量不同。,(三) 应用 脱盐和浓缩: 优点： （1）不消耗试剂； （2）无相的转移 （3）可在低温下进行； （4）操作简便 脱盐的方法有: 渗滤液（连续）和稀释法。 分级分离与纯化： 当溶液中不同溶质的分子量相差较大时，可采用不同分子量截留值的超滤膜进行多次渗滤。,超滤分离与酶反应器联用： 多见于酶促分解反应。 主要作用是产物与酶（酶系）分离，提高

11、酶的利用率。,采用超滤技术浓缩提纯南瓜多糖,南瓜是一种糖尿病疗效食物。从南瓜中提取的南瓜多糖，对大鼠、家兔、人等有非常显著的降血糖作用，具有治疗糖尿病的功效。但是，南瓜中的南瓜多糖含量通常都在 3%以下，要达到降血糖效果，患者必须长期的食用大量南瓜，让人难以接受。因此有必要开发一种南瓜多糖精制产品。目前国内对南瓜多糖的分离提取主要采用传统的水提醇沉法，存在生产过程中能量、乙醇等试剂消耗均较大，色素脱除不彻底，成本高，效率低等问题。,粗提：准确称取 1000g 南瓜泥分别置于不锈钢锅里，加入3000ml电热恒温水浴中加热80度,1小时进行提取，提取液采用四层纱布过滤，滤液定容 4000ml(保藏

12、于冰箱冷藏室备用。滤液中总糖含量为 15.36mg/ml), 超滤：控制超滤压力为0.1MP，温度为25度，将南瓜料液先用 100KD 超滤膜进行超滤处理。滤过液继续采用 30KD的超滤膜进行超滤处理，分别测定100KD 超滤膜的截留液、30KD 超滤膜的截留液、30KD超滤膜的滤过液中的总糖。南瓜多糖的大致分子量分布为：,第三节 微孔膜过滤技术,一、微孔膜的特点和应用范围 特点： 设备简单 操作简便、快速 分辨率高、重现性好 一些膜具有结合生物大分子的特殊能力，用于特殊测定 应用范围：,0.010.05m：噬菌体、病毒或大的胶体颗粒。 0.1m：试剂的超净、分离沉淀和胶体悬液。 0.2m：高

13、纯水的制备、制剂除菌、细菌计数、空气病毒定量测定等。 0.45m：水的超净化处理、色谱分析时流动相的处理、放射免疫测定、光测介质溶液的净化以及锅炉水中Fe(OH)3的分析等。,二、微孔滤膜,(一) 微孔滤膜的种类 再生纤维素：耐高温、但水中膨胀不宜使用。 纤维素酯膜：硝酸纤维素酯膜、醋酸纤维素酯、混合纤维素酯膜 ，使用较多，性能好、成本低，能耐高温、亲水性强、孔径均匀。 聚四氟乙烯膜：耐强酸、强碱、强氧化剂等。憎水、理化性质稳定，工作范围大。 聚氯乙烯膜：稳定性次于3，且不耐热（65会变形。 超细玻璃纤维滤膜：由玻璃纤维及玻璃粉经聚丙烯酸粘结而成，实为“深层过滤介质”，又称“空气超净滤纸”，还

14、用于测定、收集细胞、沉淀、预处理等。,（二）微孔滤膜的制备,（1）自然蒸发凝结法 （2）急速凝冻法,（三）微孔滤膜的性质与检测,1、孔径 2、孔隙率 3、厚度及重量 4、阻力和流速,1、孔径： 检测孔径大小和均一性，微孔膜的孔径相当均一为其主要特征（如0.450.01m），故称绝对过滤介质。 “最大孔径”和“平均孔径”，通常保护所有大于指定孔径的颗粒或细菌均被截留。 2、孔隙率及水萃取率： 即孔隙总体积与滤膜总体积之比。 孔隙率 =（湿重-干重）/ 膜体积,3、厚度和重量： 微孔滤膜的厚度范围为：120150um。 按面积计算为：5mg/cm2 4. 阻力和流速： 阻力小于滤纸许多倍。 5. 其他理化性质： 介电常数 ： 4.55.0； 电阻率 ：1010欧