化工单元操作任务五 膜分离技术

1、任务五 膜分离技术任课教师：苏小莉任务五 膜分离技术 膜分离的原理 膜和膜组件 膜分离技术膜分离是借助于膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。（一）膜分离原理 将含有A、B两种组分的原料液置于膜的一侧，然后对该侧施加某种作用力，若A、B两种组分的分子大小、形状或化学结构不同，其中A组分可以透过膜进入到膜的另一侧，而B组分被膜截留于原料液中，则A、B两种组分即可分离开来。 一、膜分离的原理膜分离原理 1.1.膜的分类膜的分类 1)1)按膜的孔径大小分按膜的孔径大小分 微滤膜微滤膜0.0250.02510m10m；超滤膜超滤膜0.0010.0010.0

2、2m0.02m；反渗透膜；反渗透膜0.00010.00010.001m0.001m；纳滤膜，平均直接；纳滤膜，平均直接2nm2nm。 2)2)按膜结构分按膜结构分 对称性膜、对称膜、复合膜对称性膜、对称膜、复合膜 3)3)按材料分按材料分 合成聚合物膜、无机材料膜等合成聚合物膜、无机材料膜等 4)4)按来源和形态分类分按来源和形态分类分二、膜和膜组件二、膜和膜组件膜膜合成膜合成膜生物膜生物膜液膜液膜带支撑层的液膜带支撑层的液膜乳状液膜乳状液膜固膜固膜不对称膜不对称膜不对称膜不对称膜多孔膜多孔膜无孔膜无孔膜无机膜无机膜有机膜有机膜对称膜对称膜多孔膜多孔膜不对称膜不对称膜对称膜对称膜荷电膜荷电膜不

3、荷电膜不荷电膜复合膜复合膜转相膜转相膜复合膜复合膜转相膜转相膜(原生质、细胞膜原生质、细胞膜)分类依据分类依据 分类分类来源来源天然膜、合成膜天然膜、合成膜状态状态固体膜、液膜、气膜固体膜、液膜、气膜材料材料有机膜、无机膜有机膜、无机膜结构结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜电性电性非荷电膜、荷电膜非荷电膜、荷电膜形状形状平板膜、管式膜、中空纤维膜平板膜、管式膜、中空纤维膜制备方法制备方法 烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨形成墨分离体系分离体系 气气- -气、气气、气- -液、气液、气

4、- -固、液固、液- -液、液液、液- -固分离膜固分离膜分离机理分离机理 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜非选择性膜分离过程分离过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜析膜、渗透蒸发膜膜的分类膜的分类 2. 膜材料的性能膜材料的性能 耐压耐压 耐温耐温 耐酸碱性耐酸碱性 化学相容性化学相容性 生物相容性生物相容性 低成本低成本3.3.膜组件膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)(spacer)以及收纳这些部件的容器构以及收纳这

5、些部件的容器构成的一个单元成的一个单元(unit)(unit)称为膜组件称为膜组件(membrane module)(membrane module)或膜装置或膜装置。膜组件。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商的结构根据膜的形式而异，目前市售商品品膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷式和中空纤维式和中空纤维( (毛细管毛细管) )式等四种式等四种。 （1 1）平板膜组件）平板膜组件 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜以由多枚圆形或长方形平板膜以1mm1mm左有的间左有的间隔重叠加工而成，膜间

6、衬设多孔薄膜，供料隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤波流动液或滤波流动( (图图b)b)。平板膜组件比管式膜。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。在实验室中，经常使组件比表面积大得多。在实验室中，经常使用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式过滤器。过滤器。 （2 2）管式膜组件）管式膜组件 管式膜组件是将膜固定在内径管式膜组件是将膜固定在内径101025mm25mm，长约，长约3m3m的圆管状多孔支撑体上构成的，的圆管状多孔支撑体上构成的，l0l02020根管根管式膜并联式膜并联( (图图8.10a)8.10a)，或用管线串联，收纳在，或用管线

7、串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积但是管式膜组件单位体积的过滤表面积( (即比即比表面积表面积) )在各种膜组件中最小。在各种膜组件中最小。 （3 3）螺旋卷式膜组件）螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图螺旋卷式膜组件如图c c所示。将两张平板膜固定所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上在多孔性滤液隔网上( (隔网为滤液流路隔网为滤液流路)

8、)，两端，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网( (为为料液流路料液流路) )，卷绕在空心管上，空心管用于滤液，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。的回收。 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。液时容易发生堵塞现象。（4 4）中空纤维）中空纤维( (毛细管毛细管) )式膜组件式膜组件中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成空纤维膜固定在

9、圆筒形容器内构成( (图图8.10d)8.10d)。严格地讲，内径为严格地讲，内径为404080m80m的膜称中空纤维膜，的膜称中空纤维膜，而内径为而内径为0.250.252.5mm2.5mm的膜称毛细管膜。由于两的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。装置统称为中空纤维膜组件。中空纤维超滤膜组件中空纤维超滤膜组件膜断面图膜断面图 外压式膜组件结构外压式膜组件结构内压式膜组件结构内压式膜组件结构型型 式式优优 点点缺缺 点点管式管式易清洗，无死角适于处理易清洗，无死角适于处理含固体较多的料液，单根含固体较多

10、的料液，单根管子可以调换管子可以调换保留体积大，单位保留体积大，单位体积中所含过滤面体积中所含过滤面积较小，压降大积较小，压降大中空纤维式中空纤维式 保留体积小，单位体积中保留体积小，单位体积中所含过滤面积较大，可以所含过滤面积较大，可以逆洗，操作压力较低，动逆洗，操作压力较低，动力消耗较低力消耗较低料液需预处理，单料液需预处理，单根纤维损坏时，需根纤维损坏时，需调换整个膜件调换整个膜件螺旋卷式螺旋卷式单位体积中所含过滤面积单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易大，换新膜容易料液需预处理，压料液需预处理，压降大，溶液污染降大，溶液污染平板式平板式保留体积小，能耗介于管保留体积小，能耗介于管式和螺

11、旋卷式之间式和螺旋卷式之间死体积较大死体积较大各种膜组件的优缺点各种膜组件的优缺点三、膜分离技术三、膜分离技术 微滤微滤 超滤超滤 透析透析 电渗析电渗析 反渗透反渗透（一）微（一）微 滤滤 微滤的基本概念和分离范围微滤的基本概念和分离范围 微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，利用膜的利用膜的“筛分筛分”作用进行分离的膜分离过程。作用进行分离的膜分离过程。微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜

12、孔径的小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜孔径的粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同的粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同的组分得以分离。组分得以分离。 1. 微滤的分离机理微滤的分离机理 一般认为，一般认为，MF的分离机理为筛分机理，的分离机理为筛分机理，膜的膜的物理结构物理结构起决定作用。此外，吸附起决定作用。此外，吸附和电性能等因素对截留也有影响。和电性能等因素对截留也有影响。 通过电镜观察认为，微孔滤膜截留作用通过电镜观察认为，微孔滤膜截留作用大体可分为两大类：大体可分为两大类： 1) 表面层截留表面层截留 2) 膜内部截留膜内部截留 1) 1) 表面层截留表面层截留 (1)(1)机

13、械截留作用机械截留作用 (2)(2)物理作用或吸附截留作用物理作用或吸附截留作用 (3)(3)架桥作用架桥作用 2) 2) 膜内部截留膜内部截留 是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面，是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面，对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤，对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤，容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较少，容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较少，而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多，但而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多，但不容易清洗，多属于一次性使用。不容易清洗，多属于一次性使用。 2. 2. 微滤的操作模式微滤的操作模式 1) 1) 常规过滤常

14、规过滤( (静态过滤或死端过滤静态过滤或死端过滤) ) 原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留，该压差可通过上游加压颗粒则被膜截留，该压差可通过上游加压或下游侧抽真空产生。在操作中，或下游侧抽真空产生。在操作中，随时间随时间的增长的增长，被截留颗粒会在膜表面形成污染，被截留颗粒会在膜表面形成污染层，使层，使过滤阻力增加过滤阻力增加，随着过滤过程的进，随着过滤过程的进行，污染层将不断增厚和压实。行，污染层将不断增厚和压实。常规过滤常规过滤(静态过滤静态过滤) 2) 2) 错流过

15、滤错流过滤( (动态过滤动态过滤) ) 原料液以原料液以切线方向切线方向流过膜表面。溶剂和小流过膜表面。溶剂和小于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层污染层。与常规过滤不同的是，形成一层污染层。与常规过滤不同的是，料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被，从而被带出微滤组件，使污染层不能无限增厚。带出微滤组件，使污染层不能无限增厚。错流过滤操作中，料液的流动方向与膜面平行，错流过滤操作中

16、，料液的流动方向与膜面平行，流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或凝流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平胶层厚度，使透过通量维持在较高水平错流过滤示意图错流过滤示意图错流过滤错流过滤(动态过滤动态过滤) 3 3 微滤分离方法的选择微滤分离方法的选择 起决定作用的因素是要分离的悬浮物质起决定作用的因素是要分离的悬浮物质的尺寸大小，另外还包括悬浮物的物理特性的尺寸大小，另外还包括悬浮物的物理特性和浓度、所要求的分离率、产品产率和需要和浓度、所要求的分离率、产品产率和需要保持杀菌的条件等保持杀菌的条件等 4 4 微滤的应用微滤的应用 1.1.实验室中的应用实验室

17、中的应用 (1)(1)微粒子的检测微粒子的检测 (2)(2)微生物的检测微生物的检测 2.2.工业上的应用工业上的应用 (1)(1)制药工业制药工业 (2)(2)生物领域生物领域 （二）超（二）超 滤滤 超滤首次出现在超滤首次出现在1919世纪末，世纪末，18611861年，年，SchmidtSchmidt用牛用牛心包膜截留阿拉伯胶被认为是世界上第一次心包膜截留阿拉伯胶被认为是世界上第一次UFUF实实验，验，19631963年年MichaelsMichaels开发成功了第一张不对称超开发成功了第一张不对称超滤膜。膜的截留相对分子质量为滤膜。膜的截留相对分子质量为10103 310106 6，膜

18、组件，膜组件的类型有管式、平板式、中空纤维式、毛细管式的类型有管式、平板式、中空纤维式、毛细管式及螺旋卷式。及螺旋卷式。2020世纪世纪8080年代开发成功了以陶瓷膜年代开发成功了以陶瓷膜为代表的无机膜。为代表的无机膜。 1 1 超滤的基本概念和分离范围超滤的基本概念和分离范围 超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜孔的小溶质粒子通过通过滤膜，从而实现分离孔的小溶质粒子通过通过滤膜，从而实现分离的过程，其的过程，其分离机理一般认为是机械筛分原理分离机理一般认为是机械筛分原理

19、 超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶质之间的分离。其质之间的分离。其分离范围分离范围为相对分子质量为相对分子质量5005001 110106 6的大分子物质和胶体物质，相对的大分子物质和胶体物质，相对应粒子的直径为应粒子的直径为0.0050.0050.1m0.1m。操作压力操作压力一般一般为为0.10.10.5MPa0.5MPa。2 2超滤原理超滤原理超滤过程的推动力是膜两侧的压力差。当液体在压力差的推动力下流过膜表面时，溶液叫直径比膜孔小的分子将透过膜进入低压侧，而直径比座孔大的分子则被截留下来，透过膜的液体称为透过液，剩余的液体称为浓缩液。 在

20、超滤过程中，单位时间内通过膜的溶液体积称为膜通量。由于膜不仅本身具有阻力，而且在超滤过程中还会因浓度极化、形成凝胶层、受到污染等原因而产生新的阻力。因此，随着超滤过程的进行，膜通量将逐渐下降。 超滤膜的孔径为(15)108m，膜表面有效截留层的厚度较小，一般仅为(1100)107m，操作压力差一般为0.10.5MPa，可分离分子量500以上的大分子和胶体微粒。常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。超滤可有效出去水中的微粒、胶体、细菌、热原质和各种有机物，但几乎不能截留无机离子。3 3超滤操作超滤操作在超滤过程中，料液的性质和操作条件对膜通量均有一定的影响。为提高膜通量应

21、采取适当的措施，尽可能减少浓差极化和膜污染等所产生的阻力。（1）料液流速 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，否则会产生过大的压力降，并加速膜分离性能的衰退。（2）操作压力 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。此时的膜通量称为临界膜通量。一般情况下，实际超滤操作可维持在临界膜通量附近进行。（3）操作温度 温度越高，料液粘度越小，扩散系数则越大。在膜允许的温度内，可采用相对高的操作温度，以提高膜通量。（4）进料浓度 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。因此对超滤过程中料液主体的浓度

22、应加以限制。 浓差极化浓差极化在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传在膜分离操作中，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，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象称为浓度极化或浓差极化 4 4 超滤膜与膜材料超滤膜与膜材料 (1)(1)醋酸纤维素醋酸纤维素 这是研究最早的超滤膜，这是研究最早的超滤膜，是利用纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲是利用纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲的特点，来制备反渗透和超滤膜。具

23、有亲水性的特点，来制备反渗透和超滤膜。具有亲水性好、通量大、工艺简单、成本低、无毒、操作好、通量大、工艺简单、成本低、无毒、操作范围窄、适用的范围窄、适用的pHpH范围窄范围窄(3(36)6)、容易被生物、容易被生物将解等特点。将解等特点。 (2)(2)聚砜类超滤膜聚砜类超滤膜 具有化学稳定性优异、具有化学稳定性优异、适用的适用的pHpH范围宽范围宽(1(113)13)、耐热性好、耐酸碱、耐热性好、耐酸碱性好、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制性好、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制作超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。作超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。 (3)(3)聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜

24、聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜(PAN)(PAN)是常用来是常用来制备超滤膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或制备超滤膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或甲基丙烯酸甲酯的方法来增加它的柔韧性和亲甲基丙烯酸甲酯的方法来增加它的柔韧性和亲水性。水性。 (4)(4)聚酰胺类超滤膜聚酰胺类超滤膜 具体包括聚砜酰胺超具体包括聚砜酰胺超滤膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超滤膜有滤膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超滤膜有耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特性。芳香酰耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特性。芳香酰胺膜具有高吸水性、良好的机械强度、好的热胺膜具有高吸水性、良好的机械强度、好的热稳定性、不耐氯离子和容易被污染等特点。稳定性、不耐氯

25、离子和容易被污染等特点。(5)(5)其他类聚合物膜其他类聚合物膜 具体包括聚偏氟乙烯超具体包括聚偏氟乙烯超滤膜和再生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可滤膜和再生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可高温消毒、耐一般溶剂、耐游离氯等。高温消毒、耐一般溶剂、耐游离氯等。 (6)(6)复合超滤膜复合超滤膜 分别用不同材料制成致密分别用不同材料制成致密层和多孔支撑层，从而使两者达到最优化。层和多孔支撑层，从而使两者达到最优化。 (7)(7)无机膜无机膜 通常具有非常好的化学稳定性，通常具有非常好的化学稳定性，热稳定性和机械稳定性，但使用有限。热稳定性和机械稳定性，但使用有限。 5 5 超滤分离系统超滤分离系统 1

26、.1.前处理前处理 降低供给水的混浊度降低供给水的混浊度 悬浮物和交替物质的悬浮物和交替物质的去除去除 可溶性有机物的去除可溶性有机物的去除 微生物微生物( (细菌、细菌、藻类等藻类等) )去除去除 调整进水水质调整进水水质( (供水温度、供水温度、pH)pH)。 2.2.超滤系统工艺流程超滤系统工艺流程 超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方式分为循环式、连续式和部分循环连续式。按式分为循环式、连续式和部分循环连续式。按组件组合排列形式分为一级一段、一级多段和组件组合排列形式分为一级一段、一级多段和多级等。多级等。 （1 1）间歇操作）间歇操作 闭式

27、回路间歇操作 （2 2）连续式操作）连续式操作 多级连续式操作流程 6.6.超滤的应用超滤的应用 超滤的技术应用可分为三种类型：浓缩；小分子溶质的分离；大分子溶质的分级。绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面，也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。在制药工业中，超滤常用作反渗透、电渗析、离子交换等装置的前处理设备。在制药生产中经常用于病毒及病毒蛋白的精制。 7 7 超滤膜污染的防治超滤膜污染的防治 膜的污染是指膜过滤的过程中，被处理物料膜的污染是指膜过滤的过程中，被处理物料中的颗粒、胶体离子或溶质大分子与膜发生中的颗粒、胶体离子或溶质大分子与膜发生物理化学或机械的相互作用，从而吸附、沉

28、物理化学或机械的相互作用，从而吸附、沉积在膜表面或膜孔内，使膜孔径变小或堵塞，积在膜表面或膜孔内，使膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性发生不可逆的变使膜的透过流量与分离特性发生不可逆的变化。污染使膜的渗透通量和截留率降低，影化。污染使膜的渗透通量和截留率降低，影响分离过程。响分离过程。 1.1.选择合适的膜材料选择合适的膜材料 膜的亲疏水性和荷电性会影响膜的污染程度膜的亲疏水性和荷电性会影响膜的污染程度 用表面活性剂等小分子化合物预处理膜面，用表面活性剂等小分子化合物预处理膜面，使膜覆盖一层保护膜；使膜覆盖一层保护膜；增加膜的亲水性，可增加膜的亲水性，可在膜表面改性引入亲水基团，也可用

29、复合膜手在膜表面改性引入亲水基团，也可用复合膜手段复合一层亲水性分离层。段复合一层亲水性分离层。 2.2.膜孔径或截留相对分子质量的选择膜孔径或截留相对分子质量的选择 离子或溶质尺寸与膜孔相近时容易堵塞膜孔离子或溶质尺寸与膜孔相近时容易堵塞膜孔 3.3.膜结构的选择膜结构的选择 不对称结构膜较耐污染不对称结构膜较耐污染 4.4.组件结构选择组件结构选择 毛细管式荷薄层管道式组件可减少污染毛细管式荷薄层管道式组件可减少污染 5.5.溶液中盐浓度的影响溶液中盐浓度的影响 一是盐会强烈的吸附到膜面上；二是无机盐改一是盐会强烈的吸附到膜面上；二是无机盐改变溶液的离子强度，影响溶质的溶解度、分散变溶液的

30、离子强度，影响溶质的溶解度、分散性、构型与悬浮状态，使得形成的沉积层疏密性、构型与悬浮状态，使得形成的沉积层疏密程度改变。程度改变。 6.pH6.pH pHpH的改变不仅改变蛋白质的带电状态，也改变的改变不仅改变蛋白质的带电状态，也改变膜的性质，从而影响吸附，是膜污染的主要控膜的性质，从而影响吸附，是膜污染的主要控制因素。制因素。 7.7.温度温度 温度上升，料液的粘度下降，有利于扩散，但温度上升，料液的粘度下降，有利于扩散，但温度上升会导致料液中某些组分的溶解度下降温度上升会导致料液中某些组分的溶解度下降 大多数超滤的应用温度范围大多数超滤的应用温度范围30306060。 8.8.膜面粗糙度

31、膜面粗糙度 膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。 9.9.其他影响因素其他影响因素 一般地，溶液与膜一般地，溶液与膜接触时间接触时间越长，越容易产生越长，越容易产生污染；污染；压力与流速压力与流速越大，越不容易产生污染；越大，越不容易产生污染；溶液浓度溶液浓度越大，越容易造成膜的吸附污染。越大，越容易造成膜的吸附污染。（三）（三） 透析技术透析技术 根据筛分和吸附扩散的原理，利用膜两侧的浓根据筛分和吸附扩散的原理，利用膜两侧的浓度差使小分子溶质通过膜进行交换，而大分子度差使小分子溶质通过膜进行交换，而大分子被截流的膜分离过程。被截流的膜分离过程。 透析法在临床上

32、常用于肾衰竭患者的血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多。而在实验室中应用较多。透析 透析是一个浓度平衡过程透析是一个浓度平衡过程, ,即能通过半透膜的即能通过半透膜的小分子由浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散小分子由浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散. . 用半透膜制成一个袋，用半透膜制成一个袋，往这个袋里注入淀粉往这个袋里注

33、入淀粉胶体胶体10mL10mL和食盐溶液和食盐溶液5mL5mL的混合液体，然后的混合液体，然后如右图所示用线把半如右图所示用线把半透膜袋透膜袋 的上口缚好，的上口缚好，系在玻璃棒上，并把系在玻璃棒上，并把它悬挂在盛有蒸馏水它悬挂在盛有蒸馏水的烧杯里。的烧杯里。如图所示，利用具有一定孔径大小、高分子溶质如图所示，利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液子溶质的溶液( (左侧左侧) )与纯水或缓冲液与纯水或缓冲液( (右侧右侧) )分隔，分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，由于膜两侧的溶质浓度不同，

34、在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质左侧高分子溶液中的小分子溶质( (例如无机盐例如无机盐) )透透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。图图透析原理透析原理透析原理透析原理 图所示的透析操作中，通常将右侧纯水或缓冲图所示的透析操作中，通常将右侧纯水或缓冲液称为透析液，所用亲水膜称为透析膜。透析液称为透析液，所用亲水膜称为透析膜。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动，摩尔透过通量式移动，摩尔透过通量N为为其中，其中， K0为包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传为包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传质阻力

35、在内的总传质系数，质阻力在内的总传质系数， c1和和c2分别为膜两分别为膜两侧的溶质浓度。侧的溶质浓度。N=K0(c1c2) 透析原理透析原理透析膜一般为孔径透析膜一般为孔径5 510nm10nm的亲水膜，例的亲水膜，例如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。生化实验室中生化实验室中一般使用一般使用580mm的透析袋的透析袋，将料液装入透析袋中，封口后浸入到透析将料液装入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一定时间后即可完成透析，必要时液中，一定时间后即可完成透析，必要时需更换透析液。处理量较大时，为提高透需更换透析液。处理量较大时，为提高透析速度，常使用比表面积较

36、大的析速度，常使用比表面积较大的中空纤维中空纤维膜组件。膜组件。从样品中脱盐和置换存在于渗透液中的从样品中脱盐和置换存在于渗透液中的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的浓度高，透析的结果导致水向透析袋内浓度高，透析的结果导致水向透析袋内迁移，体积增加，所以透析在除去多余迁移，体积增加，所以透析在除去多余的低相对分子质量溶质的同时，引进了的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。一个新的缓冲溶液。注意事项：注意事项： 装袋前要对袋查漏，以防样品流失。装袋前要对袋查漏，以防样品流失。 密封时透析袋内样品表面应留有一定的空间，密封时透析袋内样品表面应留有一定

37、的空间，并排除空气，保证样品在袋内能适当流动。并排除空气，保证样品在袋内能适当流动。 袋要扎紧以防流失。袋要扎紧以防流失。 热敏性物质应置热敏性物质应置4冰箱透析以防变性。冰箱透析以防变性。 应经常更换透析液应经常更换透析液(4h)，并不断搅拌。，并不断搅拌。 透析时间不能过长，以免样品漏掉，一般透析时间不能过长，以免样品漏掉，一般24h以以后即可检查透析效果。后即可检查透析效果。 要用相应的方法检查透析是否完全，如要用相应的方法检查透析是否完全，如AgNO3查查Cl-，BaCl2查查SO42-等。等。（四）（四）电渗析电渗析1电渗析原理 电渗析是一种专门用来处理溶液中的离子或带电粒子的膜分离

38、技术，其原理是在外加直流电场的作用下，以电位差为推动力，使溶液中的离子作定向迁移，并利用离子交换膜的选择透过性，使带电离子从水溶液中分离出来。电渗析所用的离子交换膜可分为阳离子交换膜(简称阳膜)和阴离子交换膜(简称阴膜)，其中阳膜只允许水中的阳离子通过而阻挡阴离子，阴膜只允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子。 电渗析原理2电渗析操作（1）在电渗析过程中，不仅存在反离子(与膜的电荷符号相反的离子)的迁移过程，而且还伴随着同名离子迁移、水的渗透和分解等次要过程，这些次要过程对反离子迁移也有一定的影响。同名离子迁移 水的渗透 水的分解 （2）在实际操作中，可采取以下措施来减少浓差极化等因素对电渗析过程的

39、影响。尽可能提高液体流速，以强化溶液主体与膜表面之间的传质，这是减少浓差极化效应的重要措施。膜的尺寸不宜过大，以使溶液在整个膜表面上能够均匀流动。一般来说，膜的尺寸越大，就越难达到均匀的流动。采取较小的膜间距，以减小电阻。采用清洗沉淀或互换电极等措施，以消除离子交换膜上的沉淀。适当提高操作温度，以提高扩散系数。严格控制操作电流，使其低于极限电流密度。3电渗析的流程 （1）电渗析器的构成： 膜堆、极区和夹紧装置（2）电渗析器的组装方式 4电渗析在工业中的应用电渗析技术目前已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途用是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐、从体系中脱除电解质，还可用于重金属污水处理，食

40、品工业牛乳的脱盐、果汁的去酸及食品添加剂的制备以及制取维生素C等。 （五）（五） 反渗透反渗透 1 1 反渗透的基本概念和分离范围反渗透的基本概念和分离范围 反渗透反渗透是以膜两侧静压差为推动力是以膜两侧静压差为推动力，克，克服溶剂的渗透压，通过反渗透膜的选择服溶剂的渗透压，通过反渗透膜的选择透过性使溶剂透过性使溶剂( (通常是水通常是水) )透过而离子物透过而离子物质被截留，从而实现对液体混合物进行质被截留，从而实现对液体混合物进行分离的膜过程。反渗透同分离的膜过程。反渗透同NFNF、UFUF、MFMF、DSDS一样，均一样，均属于压力驱动型膜分离技术属于压力驱动型膜分离技术，其操作压差一般

41、为其操作压差一般为1.01.010.0MPa10.0MPa，截留，截留组分为组分为1 110m10m小分子溶质。小分子溶质。 2 2 反渗透的基本原理反渗透的基本原理 1.1.渗透渗透 用一张只透过溶剂而不透过溶质的理想用一张只透过溶剂而不透过溶质的理想半透膜把水和盐水隔开，则出现水分子半透膜把水和盐水隔开，则出现水分子由纯水一侧通过半透膜向盐水一侧扩散由纯水一侧通过半透膜向盐水一侧扩散的现象，这就是渗透现象。随着渗透的的现象，这就是渗透现象。随着渗透的进行，盐水侧的液面不断升高，纯水侧进行，盐水侧的液面不断升高，纯水侧的液面相应的下降。的液面相应的下降。 2.2.反渗透反渗透 3.3.渗透压

42、渗透压 2.2.反渗透反渗透 当体系处在渗透平衡状态时，如果外界增加盐当体系处在渗透平衡状态时，如果外界增加盐水侧的压力，则盐水相中的化学势增大，破坏水侧的压力，则盐水相中的化学势增大，破坏了已经形成的渗透平衡，出现水分子从盐水侧了已经形成的渗透平衡，出现水分子从盐水侧通过半透膜向纯水侧扩散渗透的现象。这时水通过半透膜向纯水侧扩散渗透的现象。这时水的扩散方向恰恰与渗透现象相反，称为反渗透的扩散方向恰恰与渗透现象相反，称为反渗透 3.3.渗透压渗透压 对渗透体系的要求，不但要有高的选择性和高对渗透体系的要求，不但要有高的选择性和高透过率，还必须使操作压力高于溶液的渗透压透过率，还必须使操作压力高于溶液的渗透压反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜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。的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。显然，反渗透过程也属于压力推动过程。我国工我国工业上用的反渗透膜多为致密膜、非对称膜