《生物分离与纯化技术》授课教案

1、生物分离与纯化技术授课教案第五章 过滤与膜分离技术教学目的：掌握常用的过滤介质和过滤方法，了解常用过滤装置；了解膜的种类和特性及各种膜组件相应的优缺点，掌握膜组件的种类；熟悉微滤的分离范围、分离机理和应用；了解超滤的发展、原理及超滤设备，掌握超滤膜的分类、特性及其选择方法，掌握超滤膜操作及过程中常见问题的处理；掌握透析技术的操作和影响透析的因素，了解透析技术的原理及常用的透析设备。了解反渗透的原理，熟悉反渗透膜的特性；掌握反渗透操作及其影响因素；熟悉电渗析技术的特点、操作和影响因素，熟悉离子交换膜的分类和要求；了解纳滤技术、膜蒸馏技术的原理、特点和应用。教学重点：常用的过滤介质和过滤方法，微滤

2、的分离范围、分离机理和应用，超滤膜的分类、特性及其选择方法，反渗透操作及其影响因素。教学难点：电渗析技术的特点、操作和影响因素；纳滤技术、膜蒸馏技术的原理、特点和应用。教学课时：10学时教学方法：多媒体教学教学内容：第一节 概述一、过滤的基本概念过滤是在某一支撑物上放过滤介质，注入含固体颗粒的溶液，使液体通过，固体颗粒留下，是固液分离的常用方法之一。二、过滤介质1、无定形颗粒：颗粒活性炭、沙、无烟煤2、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料3、非金属织物：尼龙、玻璃纤维4、金属织物：不锈钢丝网5、无纺品：纸、石棉三、过滤设备1、板框压滤机优点：结构简单、过滤面积大、操作压力高、适用范围广缺点：设备笨重、

3、间歇操作、劳动强度大、辅助时间长2、旋转过滤机可实现连续操作四、过滤方法根据推动力的不同可分为四类（a）重力过滤自然过滤（b）加压过滤板框过滤（c）真空过滤真空过滤器（d）离心过滤离心过滤器五、影响凝聚作用的主要因素简单电解质降低胶体间的排斥力。从而范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。1、无机盐的种类2、无机盐的化合价3、无机盐的用量第二节 膜与膜组件1、 膜分离的概念利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。2、 膜的概念（1）在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部

4、分，这一薄层物质称为膜。（2）膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体（3）被膜分开的流体相物质是液体或气体（4）膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。3、 膜组件（1）管式（2）中空纤维（3）螺旋卷绕式（4）平板式共同的特点（1）尽可能大的膜表面积（2）可靠的支撑装置（3）可引出透过液（4）膜表面浓度差极化达到最小第三节 微滤技术一、微滤 微滤又称为微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛分过程，在静压差作用下滤除0.1-10m的微粒，操作压力为0.7-7kPa, 原料液在压差作用下，其中水(溶剂)透过膜上的微孔流到膜的低压侧，为透过液，大于膜孔的微粒被截留，从而实现原料液中

5、的微粒与溶剂的分离。微滤过程对微粒的截留机理是筛分作用，决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的形状和大小。二、微滤膜过滤的原理 微滤膜属多孔类型膜，孔径范围约为0.01um10.0um，过滤原理属于筛网过滤，近似于过筛机理，能够截留所有比网孔大的颗粒、纤维和悬浮物，其原理如下图所示。三、微滤膜过滤技术特点（1）微滤膜膜内孔径是比较均匀的贯穿孔,孔隙率占总体积的7080，能将液体中大于额定孔径的微粒全部拦截，过滤速度快。（2）微滤膜是均一连续的高分子多孔体，具有良好的化学稳定性，无纤维和碎屑脱落，不会重新产生微粒影响滤出水的水质。（3）微滤膜过滤中不会因压力升高导致大于孔径的微粒穿过微滤膜。即使压

6、力波动也不会影响过滤效果。（4）使用微滤膜处理废水与其他方法相比，不需要投加特殊的水处理药剂，占地面积小，操作简便，系统运行稳定可靠，易于控制、维修，处理效率高。（5）由于微滤膜近似于多层叠置筛网，截留作用限制在膜的表面，极易被少量与膜孔径大小相仿的微粒或胶体颗粒堵塞。如采用正交流结构的膜元件，由于其具有连续自清洗的特性，可以较好地解决这一缺陷。四、微滤的应用微滤主要用于除去溶液中大于0.05 m左右的超细粒子，其应用十分广泛，在目前膜过程行业销售额中占首位。在水的精制过程中，微滤技术可以除去细菌和固体杂质，可用于医药、饮料用水的生产。 在电子工业超纯水制备中，微滤可用于超滤和反渗透过程的预处

7、理和产品的终端保安过滤。微滤技术亦可用于啤酒、黄酒等各种酒类的过滤，以除去其中的酵母、霉菌和其它微生物，使产品澄清，并延长存放期。第四节 超滤技术一、超滤 超过滤俗称超滤又称UF，是一种固液分离的技术。它的核心是一种膜俗称超滤膜。超滤膜是一种高分子聚合物它的分子量范围5,000200,000，孔隙范围0.02 0.03M。利用超滤膜能够分离固液的特性以去除液体中的固体粒子也可以利用特定孔隙的膜将液体中某些成份提炼出来。二、原理超滤利用一种压力活性膜，在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程(原理见下图)。通过膜表面的微孔筛选可截留分

8、子量为3x100001x10000的物质。当被处理水借助于外界压力的作用以一定的流速通过膜表面时，水分子和分子量小于300500的溶质透过膜，而大于膜孔的微粒、大分子等由于筛分作用被截留，从而使水得到净化。也就是说，当水通过超滤膜后，可将水中含有的大部分胶体硅除去，同时可去除大量的有机物等在超滤过程中，由于被截留的杂质在膜表面上不断积累，会产生浓差极化现象，当膜面溶质浓度达到某一极限时即生成凝胶层，使膜的透水量急剧下降，这使得超滤的应用受到一定程度的限制。为此，需通过试验进行研究，以确定最佳的工艺和运行条件，最大限度地减轻浓差极化的影响，使超滤成为一种可靠的反渗透预处理方法。 a超滤与传统的预

9、处理工艺相比，系统简单、操作方便、占地小、投资省、且水质极优，可满足各类反渗透装置的进水要求。 b合理地选择运行条件和清洗工艺，可完全控制超滤的浓差极化问题，使此预处理方法更可靠。 c超滤对水中的各类胶体均具有良好的去除特性,因而可以考虑扩大到凝结水精处理及离子交换除盐系统的预处理中。三、超滤膜性能成分去除效果微粒2m2.53.5 logSDI出水4病原体 4log *鞭毛虫 (Giardia) 4log *隐孢子 (Cryptosporidium) 4log *浊度出水 0.1NTU *TOC去除025%加入凝聚剂后TOC去除率2550%四、超滤膜的分类超滤膜主要分为卷式，板框式，管式和中空纤维式。其中，中空纤维式国内应用最为广泛的一种，其特点有:清洗性好，膜阻力小； 均匀微孔分布； 纤维内径多种规格； 无内部内阻力；又根据膜的致密层是在中空纤维的内表面或者外表面，双分为内压式和外压式。现在应用的为清一色全为外压式。主要优点为单位容积内装填的有有效膜面积大，且占地面积小。第五节 其他过滤技术反渗透：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操