1、膜分離Membrane separationChapter 9第1頁Knowledge pointsMembrane separation膜分離技術概念。The classification of membrane separation膜分離技術分類。The separation characteristic of different membranes各種膜分離特征。Membrane materials對于膜材料基本要求。The main membrane assembly主要膜組件類型。Ultrafiltration and reverse osmosis 超濾和反滲透過程中滲透壓影響Th

2、e basic equation of ultrafiltration separation 超濾等膜分離過程基本方程Affinity membrane separation了解親和膜分離技術The work mechanism ofelectroosmosis了解電滲析工作原理第2頁概述 1925年以來，差不多每十年就有一項新膜過程在工業上得到應用30年代 微孔過濾40年代 滲析50年代 電滲析60年代 反滲透70年代 超濾 80年代 氣體分離90年代 滲透汽化當代 EDI技術(electro-deionization)第3頁膜分離技術膜分離概念：利用膜選擇性（孔徑大小），以膜兩側存在能量差

3、作為推進力，因為溶液中各組分透過膜遷移率不一樣而實現分離一個技術。第4頁膜概念在一個流體相間有一層薄凝聚相物質，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質稱為膜。膜本身是均一一相或由兩相以上凝聚物組成復合體被膜分開流動相物質是液體或氣體膜厚度應在0.5mm以下，不然不能稱其為膜第5頁膜分離技術類型膜分離過程實質是物質透過或被截留于膜過程，近似于篩分過程，依據濾膜孔徑大小而到達物質分離目標，故而能夠按分離粒子大小進行分類：微濾（MF）：以多孔細小薄膜為過濾介質，壓力差為推進力，使不溶性物質得以分離操作，孔徑分布范圍在0.02514m之間；超濾（UF）：分離介質同上，但孔徑更小，為0.0010.02

4、 m，分離推進力仍為壓力差，適合于分離酶、蛋白質等生物大分子物質；第6頁反滲透（RO）：是一個以壓力差為推進力，從溶液中分離出溶劑膜分離操作，孔徑范圍在0.00010.001 m之間；（因為分離溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓作用，故而稱為反滲透）；納濾：以壓力差為推進力，從溶液中分離3001000小分子量膜分離過程，孔徑分布在平均2nm；電滲析(ED)：以電位差為推進力，利用離子交換膜選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質膜分離操作；透析(DS)：以濃度差為推進力，孔徑范圍在510 nm之間用于脫鹽、除變性劑。第7頁依據推進力類型不一樣，膜分離過程可分為 壓力差推進膜過程（如微濾、超濾、納濾、

5、反滲透、加壓透析等）、 濃度差推進膜過程（如滲透蒸發、氣體分離、透析、蒸汽滲透、擴散滲析、載體介導等) 、 電位差推進膜過程（如電滲析、電滲透、膜電解等）、 溫度差推進膜過程（如熱滲透、膜蒸餾等）。第8頁微濾超濾納濾反滲透懸浮顆粒大分子有機物糖類等小分子有機物，二價鹽或多價鹽單價鹽水各種膜分離特征第9頁膜分離法與物質大小（直徑）關系膜分離過程類型膜分離過程 (membrane separation)第10頁相關微米一組數據1 m= 10-3mm = 103nm 人發直徑 70-80 m裸眼可見最小顆粒40 m金屬顆粒 50 m酵母菌 3 m假單胞菌 0.3 m小RNA 病毒 0.03 m第11

6、頁膜分類按孔徑大小分：微濾膜、超濾膜、反滲透膜、納濾膜按膜結構分：對稱性膜、不對稱膜、復合膜按材料分：合成有機聚合物膜、無機材料膜第12頁膜材料特征物化穩定性 對于不一樣種類膜都有一個基本要求（決定膜壽命）：耐壓：膜孔徑小，要保持高通量就必須施加較高壓力，普通模操作壓力范圍在0.10.5MPa，反滲透膜壓力更高，約為110MPa耐高溫:高通量帶來溫度升高和清洗需要耐酸堿：預防分離過程中，以及清洗過程中水解；化學相容性：保持膜穩定性；生物相容性：預防生物大分子變性；成本低；第13頁分離透過特征（主要包含選擇性、滲透通量和通量衰減系數等） （1）選擇性：R=(Cf-Cp)/Cf*100% （R截留

7、率，Cf組分在原料液中濃度，Cp組分在膜透過液中濃度） （2）滲透通量：單位時間經過單位膜透過液容量或質量 J=Vp/Amt (Vp透過液容積或質量，Am膜有效面積，t運轉時間） （3）通量衰減系數：Jt=J1tmJt、J1是膜運行t小時和1小時滲透通量，t是運行時間。對于任何一個膜分離過程，總希望選擇性好、滲透通量大，但二者實際上是相互矛盾，滲透通量大膜往往選擇性低，而選擇性高往往膜滲透通量小。第14頁各種膜材料有機高分子膜：纖維素酯膜、縮合系聚合物（聚砜類）、聚烯烴及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺類聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；無機膜： 包含無機致密膜（金屬、金屬合金和

8、固體氧化物電解質等；無機多孔膜（多孔金屬、多孔陶瓷膜、多孔玻璃、分子篩膜等）第15頁各種膜組件（CP p68）平板式管式中空纖維螺旋卷繞式第16頁平板式膜組件第17頁管式膜組件第18頁中空纖維式膜組件第19頁螺旋卷式膜組件第20頁膜過濾基本概念和理論超濾和反滲透(p126)目標：將溶質經過一層含有選擇性薄膜，從溶液中分離出來。分離時推進力都是壓強，因為被分離物質分子量和直徑大小差異及膜孔結構不一樣，其采取壓強大小不一樣。反滲透膜操作壓力高達10 MPa。第21頁超濾和反滲透操作中滲透壓因為超濾和反滲透過程都是用一個半透膜把兩種不一樣濃度溶液隔開（淡水或鹽水），所以都存在滲透壓。滲透壓大小取決于

9、溶液種類、濃度和溫度；普通說來，無機小分子滲透壓要比有機大分子溶質滲透壓高得多。第22頁第23頁滲透與反滲透第24頁實現超濾和反滲透條件超濾：需要增加流體靜壓力，改變天然過程方向，才可能發生含有低分子量化合物溶劑流經過膜，此時推進力是流體靜壓力與滲透壓壓差；反滲透：過程類似于超濾，只是純溶劑經過膜，而低分子量化合物被截留。所以，操作壓力比超濾大得多。 所以，超濾和反滲透通常又被稱之為“強制膜分離過程”第25頁膜過濾基礎理論通透量理論：一個基于粒子懸濁液在毛細管內流動毛細管理論。水通量（Jw）和截留率（R）W透水量，A膜有效面積，時間c1料液中溶質濃度， c2透過液中溶質濃度第26頁超濾基本方程

10、：穿透度（單位時間、單位膜面積處理量）第27頁納濾膜過濾技術介于反滲透與超濾膜之間，能截留有機小分子而使大部分無機鹽經過；特點：在過濾分離過程中，能截留小分子有機物，并能夠同時透析除鹽，集濃縮與透析為一體；操作壓力低第28頁納濾膜性質與特點有多層聚合薄膜組成，濾膜為多孔性材料，平均孔徑為2nm，截留分子量范圍在100200道爾頓之間；一樣要求其含有良好熱穩定性、pH穩定性、有機溶劑穩定性；主要產品：Membrane products Kiryat Weizmann，MPW (以色列)Desalination System (美國)SelRO, DESAL-5, FT- 40等系列膜，Filmt

11、ech企業（美國，明尼蘇達） 第29頁納濾分離機理納濾分離機理與反滲透膜了類似，一樣遵照，基本膜傳遞方程：第30頁納濾應用行 業處理對象行 業處理對象制藥工業母液中有效成份回收抗菌素分離純化維生素分離純化氨基酸脫鹽與純化化工行業酸堿純化、回收電鍍液中銅回收食品工業乳清脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備超高純水水脫鹽地下水凈化染料工業活性染料脫鹽與回收廢水處理印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化第31頁膜親和過濾法膜親和過濾法是傳統膜分離技術與親和分離技術集成，是一個十分有效分離方法。內容：包含兩個分支親和膜分離：制備帶有親和配基分離膜，直接進行產物分離；親和-錯流膜過濾：將水溶性或非水溶性高分子親和載體與產

12、物進行特異性反應，然后進行錯流過濾第32頁親和膜分離技術分離膜改性：經過化學改性，在載體表面連接上一條“手臂鏈”（大于三個碳原子）；親和膜制備：選取適當配基(Ligand)，與手臂鏈相連，組成帶有親和配基分離介質；親和絡合：將混合物遲緩地經過膜，使要分離物質與親和配基產生特異性作用，形成配基與配位物（Ligate）復合體；洗脫：改變條件（洗脫液組成、pH、離子強度、溫度等），使復合物解離；親和膜再生：洗滌、再生、平衡，以備下次操作使用第33頁膜分離法應用親和膜作用機理膜相擔體親和膜分離過程 (membrane separation)第34頁需處理關鍵問題膜表面要有足夠多并可利用化學基團；表面積和孔徑要足夠大孔分布要窄而均勻，以取得高通透量和分離效率機械強度要高要耐酸堿和高溫第35頁親和膜分離操作方式親和超濾過程（分離目標物同時，濃縮其它成份）第36頁微孔親和過濾過程（僅分離目標物）第37頁親和膜過濾純化伴刀豆蛋白A試驗裝置第38頁電滲析技術電滲析技術是在直流電場作用下，因為離子交換膜阻隔作用，實現溶液淡化和濃縮，分離推進力是靜電引力。（SP139頁）第39頁第40頁膜分離過程在生物工程中應用過程應用對象實 例微濾消毒、澄清搜集細胞培養懸浮液除菌，產品消毒，細胞搜集超濾大分子物質分離酶及蛋白質分離、濃縮、