第4章膜分离

1、1第第4章章 膜分离膜分离4.1 概述概述4.2 纳滤纳滤4.3 超滤超滤4.4 微滤微滤2膜分离膜分离 (membrane separation)膜分离技术发展的历史膜分离技术发展的历史膜分离技术已被国际上公认为膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至世纪末至21世纪中世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究生产技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究的热点。如果将的热点。如果将20世纪世纪50年代初视为现代高分子膜年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点，截止现在，其发展致可分为分离技术研究的起

2、点，截止现在，其发展致可分为三个阶段：三个阶段：50年代为奠定基础阶段；年代为奠定基础阶段；60年代和年代和70年代为发展阶段，年代为发展阶段， 80年代至今为发展深化阶段。年代至今为发展深化阶段。3 膜分离技术的重要性评论膜分离技术的重要性评论 美国官方文件曾说美国官方文件曾说18世纪电器改变了整个工业进程，而世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌世纪膜技术将改变整个面貌”，又说，又说“目前没有一种技术，能目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用像膜技术这么广泛地被应用”。 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命第三次

3、工业革命” 日本则把膜技术作为日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。世纪的基盘技术进行研究和开发。 在在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在在21世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会会长黎念之博士在会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大年应邀访问我国化工部及所属大学时说：学时说：“要想发展化工就必须发展膜技术要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际

4、上流行的说法他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来握了化工的未来”。454.1 概述概述1.膜分离过程的概念和分类膜分离过程是用天然的或合成的、具有选择透过性的薄膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）时，原料侧液体或气体混合物中的某一或某些组分选择性地透过膜，以达到分离、分级、提纯或富集的目的。6压力压力7膜分离过程的特点：多数膜分离过程无相变发生， 能耗通常较低。膜分离过程一般无需从外界加入其他物质，从而可以节省资源和保护环境。膜分离过程可使分离与浓缩、分离与反应同时实现，从而大大提高了分离效率。膜分离过程

5、通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。8 膜分离过程不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物和无机物的分离，而且还适用于许多由理化性质相近的化合物构成的混合物如共沸物或近沸物的分离以及其他一些特殊体系的分离。 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而其效率、设备单价、运行费用等变化不大。 膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工作，易自控和维修。而且膜分离可以之间插入已有的生产工艺流程。9P144 图5-1 常用膜的应用范围P145 表5-1 常用膜分离过程的分类和基本特性102.膜分离过程的传递机理传递方式被动传递促进传递主动传递机理筛分机理

6、：依据分子大小的差异溶解-扩散机理：浓度差或压力差孔流模型：毛细管层流 Hagen-Poiseuille定律或Darcy定律超滤、微滤纳滤11组分在膜中的传递)()(推动力推动力MiMiMplpNi 主体流动：)(3202LppLD层流区层流区Hagen-Poiseuille方方程程)(128)(320402LMLMpplDnpplDNn个膜孔，孔隙个膜孔，孔隙率为率为4/2DnMVLlappN2203)1 (2)(adH4)1/( aaVMl其中：其中：223)1 (2VMap12液体扩散：)(0iliMeiicclDNriieiKDD有效扩散系数) 1/( ,14pmpmrddddK限制性

7、因子13例4-1 Beck和Schultz测量了水溶液中的脲和几种糖通过微孔膜的有效扩散系数。基于膜和两类溶质的下列数据，估计两类溶质在25下的穿膜流率。假定膜两侧的水溶液够稀，组分间的扩散可以忽略不计。膜数据如下。 材料 微孔云母 厚度/m 4.24 平均孔径/nm 8.88 曲折因子 1.1 孔隙率 0.0233143.分离膜膜定义为两相之间一个不连续区间，并以特定的形式限制和传递各种化学物质。特性：膜不管薄到什么程度，至少必须具有两个界面。膜应具有选择透过行。基本条件：分离性 必须对被分离的混合物具有选择透过的能力。 分离能力要适度。 分离能力主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构

8、。透过性物理、化学稳定性经济性15膜的分类膜合成膜生物膜（原生质、细胞膜）液膜固膜乳状液膜支撑液膜有机膜无机膜-多孔膜无孔膜-不对称膜多孔膜不对称膜对称膜不对称膜对称膜荷电膜非荷电膜复合膜转相膜复合膜转相膜16对称膜的弯曲孔道结构示意图不对称膜的截面结构示意图对称膜不对称膜荷电膜液膜非对称膜复合膜17生物分离过程常用的膜分离技术为超滤、微滤和反渗透。为生物分离过程常用的膜分离技术为超滤、微滤和反渗透。为实现高效率的膜分离操作，对膜材料有如下要求：实现高效率的膜分离操作，对膜材料有如下要求： (1)起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过

9、滤阻力小；高，过滤阻力小； (2)膜材料为惰性，不吸附溶质膜材料为惰性，不吸附溶质(蛋白质、细胞等蛋白质、细胞等)，从而使，从而使膜不易污染，膜孔不易堵塞；膜不易污染，膜孔不易堵塞； (3)适用的适用的pH和温度范围广，耐高温火茵，耐酸碱清洗剂，和温度范围广，耐高温火茵，耐酸碱清洗剂，稳定性高，使用寿命长；稳定性高，使用寿命长； (4)容易通过清洗恢复透过性能；容易通过清洗恢复透过性能； (5)满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞的截留、满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞的截留、对生物大分子的通透性或截留作用等。对生物大分子的通透性或截留作用等。膜材料选择膜材料选择18膜材料纤维素衍

10、生物聚砜类聚酰胺类及杂环含氮高聚物聚酯类聚烯烃乙烯类高聚物含氟高聚物19常用高分子膜材料类 别膜材料举 例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亚)胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他壳聚糖，聚电解质等20纤维素衍生物纤维素衍生物 纤维素是由几千个纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过椅式构型的葡萄糖基通过1, 4甙链甙链连接起来的天然线性高分子化合物，连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：其结构式为：

11、OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_2221醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层，孔径表皮层，孔径（810）10-10m过渡层，孔径过渡层，孔径20010-10m多孔层，孔径多孔层，孔径（10004000）10-10m1%22聚砜类聚砜类 聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。SOO 聚砜类树脂具

12、有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为值适应范围为113，最高使，最高使用温度达用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：23OCCH3CH3OS聚 砜聚 芳 砜聚 醚 砜聚苯醚砜OOnOnSOOSOOOnSOOOnSOOO24聚酰胺类聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为311，分离率可达99.5（对盐水

13、），透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求膜对水中的游离氯有较高要求。NHCONHNHCOnNHCONHNHCONHCOCOn25乙烯基聚合物乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。26膜科学的发展趋势继续开发功能高分子材料 合成各种分子结构的功能高分子，制备均质膜。 膜表面进行物理或化学

14、改性，改进其分离性能或改变其物理、化学性质。 发展高分子合金。开发无机膜材料加强仿生膜的应用基础研究27制备方法高分子膜无机膜相转化法（流涎、纺丝）复合膜法定向拉伸*痕迹刻蚀法*L-S型制膜*热致相分离*溶液浸涂或喷涂界面聚合原位聚合等离子聚合水面展开法固态粒子烧结法*溶胶-凝胶法*化学提取法高温分解法化学气相沉积、电化学沉积等28L-S型制膜法高分子材料溶于溶剂中，并加入添加剂，配成制膜液（铸膜液）。制膜液通过流涎法制成平板型、圆管型或用纺丝法制成中空纤维型。使膜中的溶剂部分蒸发。将膜浸渍在对高分子是非溶剂的液体中（最常用的是水），液相的膜在液体中便凝固胶化。进行热处理。膜的预压处理。29聚

15、合物聚合物溶剂溶剂添加剂添加剂均质制膜液均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂蒸出部分溶剂凝固液浸渍凝固液浸渍水洗水洗后处理后处理非对称膜非对称膜L-S法制备分离膜工艺流程框图30例：以PVC/PMMA高分子合金为膜材料，通过L-S相转化法，制备非对称型PVC/PMMA合金微滤膜 膜的制备 将PVC、PMMA溶于NMP/DMF混合溶剂中，在一定温度下溶解，不断摇动，使铸膜液中各组分混合均匀，在一定温度下静置，脱泡24 h，配成铸膜液。然后用刮刀将铸膜液在特制的玻璃板上流涎成一定厚度的液态薄膜，并于一定气氛下蒸发一段时间，再

16、浸入一定温度的凝胶介质中使其充分凝胶，即得分离膜。 31膜性能测试与表征 泡压法测定膜平均孔径 利用空气通过膜孔所需的压力与膜孔半径存在的关系，计算膜的平均孔径。膜水通量的测定 一定压力下(0.1 MPa)，测定单位面积膜片在单位时间内透过的去离子水量。 膜的孔隙率测定 利用重量法，按下式计算该膜的孔隙率： bbppd4cos4maxtSVJw3233铸膜液浓度对膜结构、膜性能的影响聚合物配比对膜结构、膜性能的影响 铸膜液温度对膜结构、膜性能的影响 添加剂PEG 600对膜结构和性能的影响34热致相分离（TIPS）高分子-稀释剂均相溶液的制备。将上述溶液制成所需要的形状，如薄膜、块状、中空纤维

17、等。冷却。脱除稀释剂。35定向拉伸晶态聚烯烃在熔融温度下纺丝成膜。无张力条件下退火。在垂直方向上对膜进行单向拉伸。热定性。痕迹刻蚀法含中子的235U核分裂带电粒子对1020m厚的均相高分子膜进行放射性辐射。将辐射后的膜放入含有氢氧化钠的刻蚀槽中进行刻蚀。36膜性能的表示法物化稳定性分离透过性强度允许使用压力温度pH值抵抗性分离效率分离效率渗透通量渗透通量通量衰减系数通量衰减系数脱除率脱除率/截留率截留率R表观分离率表观分离率RE分离系数分离系数/%1001wpccR%1001bpEccRAAAAxxyy1/1AAxytSVJwmttJJ1tmJJtlglglg1374.膜组件和膜系统对膜能提供

18、足够的机械支撑并可使高压原料液（气）和低压透过液（气）严格分开。在能耗最小的条件下，使原料液（气）在膜面上的流动状态均匀合理，以减少浓度差极化。具有尽可能高的装填密度，并使膜的安装和更换方便。装置牢固、安全可靠、价格低廉和易于维修。38（1 1）板框式反渗透膜组件）板框式反渗透膜组件39（2 2）螺旋卷式膜组件）螺旋卷式膜组件40膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图41（3）管式膜组件）管式膜组件42w中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。w中空纤维外径中空纤维外径5020050200 m m，内径，

19、内径2525 4242 m m。w将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。脂加固。w将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。耐压筒内。43中空纤维反渗透组件简图中空纤维反渗透组件简图 进水浓水浓水透过水透过水多孔进水管多孔进水管浓水出口浓水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纤维膜中空纤维膜外径外径502

20、00内径内径2542密封密封耐压容器耐压容器4445各型膜组件的比较膜组件比表面积(m2/m3)设备费 操作费膜面吸附层的控制应用管式20-30极高高很容易UF, MF平板式400-600高低容易UF, MF, PV螺旋卷式800-1000 低低难RO, UF, MF中空纤维式10000很低低很难RO, DS46各型优缺点47膜系统设计死端操作错流操作膜操作方式膜分离过程单程系统循环系统48膜分离过程中的浓差极化形成原因：形成原因：“浓差极化”：49w膜表面溶质浓度升高, 增大了膜两侧的渗透压差, 使有效压差减小, 透过通量下降。w浓差极化模型溶质的透过质量通量与滞留底层内向膜面传送溶质的通量

21、和向主体溶液反扩散通量之间达到平衡。50改善对策：改善对策：增高流速填料法装设湍流促进器脉冲法搅拌法51膜污染和劣化膜组件的性能变化渗透压污染劣化化学性劣化：水解、氧化反应物理性劣化：高压致密、干燥生物性劣化：生物降解反应附着层孔堵层滤饼层：悬浮物凝胶层：水溶性大分子结垢层：难溶性分子吸附层：水溶性大分子空间位阻：悬浮物、水溶性大分子表面吸附：水溶性大分子析出：难溶性物质52预防/减轻措施：预处理法：预处理法：热处理、调节pH值、加螯合剂、氯化、活性炭吸附、化学净化、预微滤、预超滤操作方式优化：操作方式优化：控制初始渗透通量、反向操作膜组件结构优化：膜组件结构优化：预先选择料液操作流速和膜渗透

22、通量膜组件清洗：膜组件清洗：水力清洗、机械清洗、化学清洗、电清洗抗劣化及污染膜制备：抗劣化及污染膜制备：膜表面改性、膜表面复合5354分离机理 w毛细管流动模型w 溶解扩散模型w 优先吸附模型55毛细管流动模型w Hagen-Poiseuille方程LpdJV322JV:水通量水通量:膜的孔隙度膜的孔隙度d:圆柱形孔道直径圆柱形孔道直径L:膜的有效厚度膜的有效厚度p:膜两侧压力差膜两侧压力差:水的黏度水的黏度56溶解扩散模型dxdRTDcJiiii根据不可逆过程势力学根据不可逆过程势力学,组分组分i的扩散速的扩散速度应和化学位梯度成正比度应和化学位梯度成正比:Ji:组分组分i的扩散摩尔通量的扩

23、散摩尔通量,单位时间内扩散通过单位面积单位时间内扩散通过单位面积上的物质的量上的物质的量; 为膜相中组分为膜相中组分i的化学位的化学位; ci为膜相为膜相中摩尔浓度中摩尔浓度; Di为膜相中的扩散系数为膜相中的扩散系数; x为沿膜厚为沿膜厚方向的距离方向的距离; T为势力学温度为势力学温度; R为气体常数为气体常数.57w当压力有变化时,化学位公式如下:w 为膜相中组分i的偏摩尔体积; p0为标准态压力w代入前式得: )(ln000ppvcRTii)(dxdpvdxcdcRTRTcDJiiiiii0v58w由于膜两侧溶剂(水) 的活度( 浓度) 相差很小, 上式第一项可忽略, 则:xpRTvc

24、DJ1111ALpLJJPPMV溶剂通过系数体积通量dxdpvdxdii溶剂的摩尔通量为xRTMcDApAJM1111;质量通量1) 对溶剂而言:59w2) 对溶质而言浓差是传质的主要推动力, 其摩尔通量 xKDB)cB(cxcDJ22222222cKc 2c 60优先吸附模型614.2 纳滤纳滤621.纳滤膜特点： 具有纳米级孔径。 操作压力低。 功能多样化。较好的耐压密性和较强的抗污染能力。2.制备技术： L-S相转化法 转化法 共混法 荷电化法荷电化法复合法复合法633.纳滤膜的传质机理和模型经验公式：非平衡热力学模型溶解溶解-扩散模型扩散模型荷电模型其他模型tpwRpJ)(2211cg

25、paoaimtRRRRRRR)(644.纳滤膜污染溶质浓度溶液的pH值温度流速和流型浓差极化控制方法：对已经污染了的膜进行清洗。改变进料的部分物理化学性质。改变操作方式。对膜表面进行改性。655.影响纳滤膜分离性能的因素操作压力和料液流速操作时间溶质回收率溶质的分子粒径、极性和电荷浓差极化共离子和道南离子效应离子浓度pH值初始通量和临界通量膜表面电荷膜面形状和结构666.纳滤的应用低聚糖分离精制多肽和氨基酸分离纯化抗生素分离纯化其他制药工业饮用水制备超纯水制备67w纳滤在抗生素的回收与精制上的应用抗生素粗制料液抗生素粗制料液萃取液萃取液萃余液萃余液乙酸乙酯萃取乙酸乙酯萃取纳滤纳滤( ( 耐有机

26、耐有机溶剂溶剂, , 疏水性疏水性) )( ( 传统传统) )真空蒸馏真空蒸馏或共沸蒸馏或共沸蒸馏浓缩浓缩有机溶剂可有机溶剂可继续作萃取剂继续作萃取剂高浓度的抗生素高浓度的抗生素0.1-1% 0.1-1% 抗生素回收抗生素回收纳滤纳滤有机溶剂有机溶剂68w 纳滤在各类肽的纯化与浓缩中的应用传统方法:色谱柱分离, 并浓缩洗脱液纳滤膜分离( 亲溶剂的MPF-42膜)w可以低温下操作使浓缩时间从几天缩短到几个小时w同时进行产品纯化( 小分子的有机物, 盐, 溶剂都透膜而过)69 超滤又称为超过滤，通过膜的筛分作用将溶液中大于微孔的大分子溶质截留，使这些溶质与溶剂及小分子组分分离的膜过程。膜孔的大小和

27、形状对分离起主要作用，通常认为膜的物化性质对分离影响不是很大。小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液）。 4.3 超滤超滤70711.超滤的基本原理截留率：表示膜对溶质的截留能力，可用百分数表示。mpccR10真实截留率bpccR1表观截留率)/ln()/ln(00VVccR 平板膜截留率截留分子量：一系列标准物质的缓冲溶液或水溶液对不同截留分子量膜测得的截留率与分子量的关系曲线。72显然，如果不存在浓度极化现象显然，如果不存在浓度极化现象，RR0，如果如果R1，则cp0，即溶质完全被截留，不能透过膜；如果即溶质完全被截留，不能透过膜；如果

28、R0，则cp cb ，即溶即溶质可自由透过膜，不被膜截留。质可自由透过膜，不被膜截留。裁留率与分子量之间的关系称截裁留率与分子量之间的关系称截断曲线。断曲线。通过测定相对分子质量不同通过测定相对分子质量不同的球形蛋白质或水溶性聚合的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截物的截留率，可获得膜的截留率与溶质相对分子质量之留率与溶质相对分子质量之间关系的曲线，即截留曲线，间关系的曲线，即截留曲线，如右图所示。如右图所示。一般将在截留一般将在截留曲线上截留率为曲线上截留率为0.90 (90)的溶质相对分子质量定义为的溶质相对分子质量定义为膜的截留相对分子质量膜的截留相对分子质量(relativ

29、e molecular mass cut-off，MMCO)。截留曲线与截留相对分子质量截留曲线与截留相对分子质量A AB B7374超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但在有些情况下受到粒子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从1000 到1000000 道尔顿的可溶性大分子物质，对应孔径为 20 500 埃（0.002m 到 0.05m）。采用压力为0.11MPa。 水 分 子 离 子 大 分 子 颗 粒 与 胶 体 2.超滤过程的传质机理与模型75筛子模型：基于UF过程的分离机理为筛分过程，当溶剂相膜表面传递时，溶剂通过膜，而它所带的溶质被膜表面排斥，导致溶质在膜上的积累。

30、这种积累可成一层凝胶层，或者第二层膜。因此，穿过膜的溶剂通量可以表示如下：)/()(mgwRRpJmwRpJ/)/)(1 (11wswsccJJ76)(apLJpwpL：773.洗滤超滤精制是超滤技术应用的一个重要方面，也称洗滤或渗滤，以除去菌体或高分子溶液中的小分子溶质为目的时，需采用洗滤操作。从操作方式上看，超滤精制可以分为间歇操作和连续操作。间歇操作的特点是将水先加入料液中将其稀释，然后再进行浓缩直至达到原来的体积，此时小分子与水一同透过膜，如此反复直到料液中所含小分子的浓度达到限定的数值；连续操作是边渗滤边加清水，补加的清水与滤出的速度相等，从而在整个操作过程中料液的体积保持不变。 7

31、8图示为间歇洗滤操作示意图。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，则目标产物和小分子溶质的物料衡算式为间歇洗滤操作间歇洗滤操作79积分上式两式得积分上式两式得s0 ：小分子溶质的初始浓度；：小分子溶质的初始浓度；V：料液体积；：料液体积；s ：洗滤后：洗滤后的小分子溶质浓度；的小分子溶质浓度；VD ：流加水或缓冲液的体积：流加水或缓冲液的体积( (透过液透过液体积）；体积）；Rs ：小分子溶质的截留率。：小分子溶质的截留率。c=c0e(R-1)VD/V 80从式可知，料液体积从式可知，料液体积V V越小，所需洗滤液体越小，所需洗滤液体积积VD越小。因此，洗滤前首先浓

32、缩稀料液，越小。因此，洗滤前首先浓缩稀料液，可减少洗滤液用量。但浓缩后，目标产物可减少洗滤液用量。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。设目标产佳料液浓度，使洗滤时间最短。设目标产物的截留率物的截留率R1，小分子溶质的截留率，小分子溶质的截留率Rs0 ，浓缩后料液体积为，浓缩后料液体积为V，洗滤过程中其，洗滤过程中其浓度和透过流量不变，目标产物浓度和洗浓度和透过流量不变，目标产物浓度和洗滤时间分别为滤时间分别为可得浓缩液浓度为：可得浓缩液浓度为：c*=cg/e时洗滤操作所需时间最短，其中时洗滤操作所需时间最短，其中

33、e e为自然常数。为自然常数。81例例5-4 1000dm3 浓度为浓度为2的蛋白质溶液中盐浓度为的蛋白质溶液中盐浓度为1，选用的膜组件完，选用的膜组件完全透过盐而蛋白质完全截留，透过流量全透过盐而蛋白质完全截留，透过流量Q（dm3/h）500 ln(cg/c)， cg 27。欲使蛋白质浓缩至。欲使蛋白质浓缩至20，洗滤使盐浓度降至，洗滤使盐浓度降至0.01，计算浓缩不同，计算浓缩不同程度程度（2、5、10、20）后所需的洗滤时间。后所需的洗滤时间。 解：若先浓缩至解：若先浓缩至5，则料液体积降至，则料液体积降至V400dm3， 洗滤透过流量洗滤透过流量Q500ln(27/5)843dm3。因

34、为。因为s0/s1/0.01100。所以利用公式。所以利用公式t=V/Qln(s0/s)计算的洗滤时间为产计算的洗滤时间为产2.19h，洗滤体积，洗滤体积VD Qt1846dm3。同理，可计算浓缩不同程度后所需的洗滤时间，结果列于表中。可见，同理，可计算浓缩不同程度后所需的洗滤时间，结果列于表中。可见，浓缩至浓缩至c cg/e10后的洗滤时间最短。后的洗滤时间最短。C/%V/dm3 VD/dm3Q /dm3/ht/ h21000460513013.54540018648432.19102009224971.85201004601503.07824超滤膜组件 超滤膜超滤膜一般用于制备反渗透膜的材

35、料也可用于一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：的是：醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜、聚砜膜聚砜膜。 超滤膜组件超滤膜组件：简便的微型浓缩器、磁力搅：简便的微型浓缩器、磁力搅拌式超滤器、盒式超滤器、卷式超滤器、拌式超滤器、盒式超滤器、卷式超滤器、膜堆式超滤器、中空纤维超滤器膜堆式超滤器、中空纤维超滤器83中空纤维超滤膜设备 845.超滤膜的应用浓缩小分子溶质的分离大分子溶质的分级l生物大分子的分离纯化l中药有效成分和有效部位的分离纯化l制药工业中除热原85超滤的特

36、点 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。866.超滤应用要点产率吸附消毒和保存操作温度控制样品的活性压力和透过速率技术联用中的问题874.4 微滤微滤 微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。在压差的推动下，原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，所得到的液体一般称为滤出液或透过液，而大的粒子组分被膜截留，达到溶液的净化目的。除此以外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的

37、网络中的截留。微孔滤膜因孔径固定，可保证过滤的精度和可靠性。水处理中心于20世纪80年代在国内率先掌握微滤技术。 88特点：分离效率是微孔膜最重要的特性，该特性受控于膜的孔径和孔径分布。孔隙率是微滤膜的又一重要特征。绝大多数微滤膜的厚度在90150m。高分子聚合物类微孔膜为一均匀的连续体，过滤时没有介质脱落，从而能得到高纯度纯洁的滤液。891.微滤的基本原理微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。膜的孔径大约 0.0510m,其操作压力在0.01-0.2MPa左右。90表面过滤：当料液中的微粒直径与膜孔径相近时，随着

38、微滤过程的进行，微粒会被膜截留在膜表面并堵塞膜孔。深层过滤：当过程所采用的微孔膜孔径大于被滤微粒的粒径时，在微滤进行过程中，流体中微粒能进入膜的深层并被除去。完全堵塞式逐级堵塞式滤饼过滤式中间堵塞式91 微滤过程操作分死端微滤和错流微滤两种方式。在死端过滤时，溶剂和小于膜孔的溶质粒子在压力的推动下透过膜，大于膜孔的溶质粒子被截留，通常堆积在膜面上。随着时间的增加，膜面上堆积的颗粒越来越多，膜的渗透性将下降，这时必须停下来清洗膜表面或更换膜。错流过滤是在压力推动下料液平行于膜面流动，把膜面上的滞留物带走，从而使膜污染保持一个较低的水平。9293截留机理：膜表层截留膜内部截留机械截留作用物理作用或

39、吸附截留作用架桥作用942.微滤传质机理及模型孔模型扩展的浓差极化模型覆盖层模型-Ruth方程扩展的覆盖层模型沉积模型953.微滤的应用制药工业用水和气体中药水提液精制纯水制备其他领域96微孔过滤、超滤技术的原理和操作特点比较分离技术类型分离技术类型超滤超滤微孔过滤微孔过滤膜的形式膜的形式非对称膜，表面有微孔非对称膜，表面有微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料聚丙烯腈、聚砜等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、纤维素、PVC等等操作压力操作压力 /MPa0.10.50.010.2分离的物质分离的物质分子量大于分子量大于500的大分子的大分子和细小胶体微粒和细小胶体微粒0.110m的粒子的粒子分离机理分离机理筛分，

40、膜的物化性能对分筛分，膜的物化性能对分离起一定作用离起一定作用筛分，膜的物理结构筛分，膜的物理结构对分离起决定作用对分离起决定作用水的渗透通量水的渗透通量 /(m3.m-2.d-1)0.552020097本章小结：作业：名词解释：膜分离、膜、浓差极化、纳滤、超滤、微滤问答题：1.膜的分类。2.基本的膜材料有哪些？3.常用的膜组件有哪些？4.影响纳滤膜分离性能的因素。5.超滤和微滤的基本原理、传质机理。98蛋白质的回收、浓缩与纯化蛋白质的回收、浓缩与纯化 胞外的蛋白质产物在微滤除菌的同时即可从滤液中胞外的蛋白质产物在微滤除菌的同时即可从滤液中回收，由于滤液清净，对进一步的分离纯化操作非常回收，由于滤液清净，对进一步的分离纯化操作非常有利。蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、带电有利。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、溶液的性质以及膜表面的吸附层结构、溶液的pH、离