膜分离材料 张媛媛

1、过滤材料主讲人：张媛媛 膜分离技术是指以膜两侧的能量差为膜分离技术是指以膜两侧的能量差为推动力推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法进行分离的方法。膜分离法的核心是膜本身，膜分离法的核心是膜本身，膜必须是半透膜，即能透过一种物质膜必须是半透膜，即能透过一种物质, ,而阻而阻碍另一种物质。碍另一种物质。17481748年，年，NelktNelkt发现谁能自发的扩散到装有酒精的猪膀胱发现谁能自发的扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。内，开创了膜渗透的研究。1919世纪，人们对溶剂的渗透现象有了明确认识，发现天然世纪，人们对溶剂的渗透现象有了明确

2、认识，发现天然橡胶对某些气体的不同渗透率，提出利用多孔膜分离气体橡胶对某些气体的不同渗透率，提出利用多孔膜分离气体混合物的思路。混合物的思路。18551855年，年，FickFick用陶瓷管侵入用陶瓷管侵入硝酸纤维素硝酸纤维素乙醚溶液制备囊袋乙醚溶液制备囊袋型超滤半渗透膜，用以渗透生物学流体溶液。型超滤半渗透膜，用以渗透生物学流体溶液。19071907年，年，BechholdBechhold指出滤膜孔径可以用改变火胶棉溶液的指出滤膜孔径可以用改变火胶棉溶液的溶度来控制，从而可制出不同孔径的膜，并列出相应过滤溶度来控制，从而可制出不同孔径的膜，并列出相应过滤颗粒物质梯级表。颗粒物质梯级表。191

3、81918年，年，ZsigmondyZsigmondy等人提出了商品规模生产硝酸纤维素等人提出了商品规模生产硝酸纤维素微孔滤膜的方法，微孔滤膜的方法， 19211921年获的专利。年获的专利。 3030年代微孔过滤，分离和富集微生物和极细粒年代微孔过滤，分离和富集微生物和极细粒子。子。 4040年代出现了基于渗析原理的年代出现了基于渗析原理的人工肾人工肾。 5050年代电渗析获得工业应用。年代电渗析获得工业应用。 6060年代研制成功醋酸纤维素非对称膜和中空醋年代研制成功醋酸纤维素非对称膜和中空醋酸膜，这是在膜分离技术发展中两个重大突破，酸膜，这是在膜分离技术发展中两个重大突破，对膜分离技术起

4、了重要推动作用使反渗透，超滤对膜分离技术起了重要推动作用使反渗透，超滤和气体分离进入实用性阶段。和气体分离进入实用性阶段。7070年代超滤和液膜；年代超滤和液膜；8080年代气体分离；年代气体分离；9090年代渗透汽化年代渗透汽化 3.1 3.1 根据分离粒子大小分类根据分离粒子大小分类：渗析（渗析（DialysisDialysis，DSDS）电渗析（电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED ）反渗透（反渗透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO ）微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，

5、MFMF）超滤（超滤（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF ）纳滤（纳滤（NanofiltrationNanofiltration，NFNF ）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervaporation，PVPV）以电动势为推动力：电渗析和电渗透以电动势为推动力：电渗析和电渗透以浓度差为推动力：扩散渗析和自然渗透以浓度差为推动力：扩散渗析和自然渗透 以压力差为推动力：压渗析和反渗透、超以压力差为推动力：压渗析和反渗透、超 滤滤 其中常用的是电渗析其中常用的是电渗析、反渗透和超滤，反渗透和超滤，其次是扩散渗析和微孔过滤。其次是扩散渗析和微孔过滤。

6、分离膜的基本功能是从物质群中分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒，分如颗粒，分子，离子等。或者说物质的分离是通过膜的选子，离子等。或者说物质的分离是通过膜的选择透过性实现的。几种主要的膜分离过程及传择透过性实现的。几种主要的膜分离过程及传递机理如下：递机理如下： 5.1 渗析渗析 作用机理作用机理: :渗析以浓度差为推动力渗析以浓度差为推动力 的膜分的膜分离操作，利用膜对溶质的选择透过性离操作，利用膜对溶质的选择透过性, ,实现实现不同性质溶质的分离。即利用半透膜能透过不同性质溶质的分离。即利用半透膜能透过小分子和离子但不能透过胶体粒子

7、的性质从小分子和离子但不能透过胶体粒子的性质从溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子。渗析溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子。渗析过程中渗析膜内无流体流动，溶质以扩散的过程中渗析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。形式移动。水分子水分子大分子大分子小分子小分子渗析膜渗析膜u常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，原剂之类的小分子杂质，u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。 u由于渗析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量由于渗析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室很小，不适于大规模生

8、物分离过程、但在实验室中应用较多。中应用较多。u渗析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液渗析。渗析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液渗析。 作用机理：作用机理：电渗析是一种电化学过程，利用电渗析是一种电化学过程，利用膜和电位差从水溶液和其它带荷电的混合物中膜和电位差从水溶液和其它带荷电的混合物中分离离子物质的膜过程。利用带电离子或分子分离离子物质的膜过程。利用带电离子或分子的传导电流的能力；膜是导电的，允许带正电的传导电流的能力；膜是导电的，允许带正电荷通过的阳离子交换膜、允许带负电荷通过阴荷通过的阳离子交换膜、允许带负电荷通过阴离子交换膜。离子交换膜。u工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理工业上

9、多用于海水、苦咸水淡化、废水处理u生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱盐和分离纯化。的脱盐和分离纯化。作用机理：作用机理：利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程程反渗反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质的溶剂，称

10、为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。浓度增高，称为浓缩液。操作压差一般为操作压差一般为1.51.510.5MPa10.5MPa，截留组分为，截留组分为小分子物质。小分子物质。分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用渗透和反渗透渗透和反渗透海水和苦咸水脱盐制饮用水；海水和苦咸水脱盐制饮用水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；用于处理重金属废水用于处理重金属废水用于浓缩过程，用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改不会破坏生物活性，不会改变风味、香味变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、包括：食品工业

11、中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。奶品工业中牛奶的浓缩。嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置作用机理作用机理：微滤（微滤（MFMF）是利用微孔膜孔）是利用微孔膜孔 的的筛分作用，在静压差的推动下，将滤液中大筛分作用，在静压差的推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。微滤的孔径：微滤的孔径：0.050.051010 m m，孔隙率达到，孔隙率达到70-8070

12、-80 操作压差：操作压差：0.010.010.2MPa0.2MPa 作用机理：作用机理：超滤又称超过滤，用于去除废超滤又称超过滤，用于去除废水中大分子物质和微粒。超滤之所以能够节水中大分子物质和微粒。超滤之所以能够节流大分子物质和微粒，其机理是：膜表面孔流大分子物质和微粒，其机理是：膜表面孔径机械筛分作用，膜孔阻塞、阻滞作用和膜径机械筛分作用，膜孔阻塞、阻滞作用和膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。而一般认为表面及膜孔对杂质的吸附作用。而一般认为主要是筛分作用。主要是筛分作用。 超滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔超滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。径对液

13、体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一其截断分子量一 般为般为6000到到 50万，孔径万，孔径为几十为几十nm，操作压，操作压0.2-0.6MPa。 超滤从超滤从7070年代起步，年代起步， 9090年代获得广泛应用年代获得广泛应用, ,已成为应用领域最广的技术。已成为应用领域最广的技术。 u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/ /纯化纯化u梯度分离（相差梯度分离（相差1010倍）倍）u清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒u除病毒、热源除病毒、热源Z纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜的

14、需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。实现降低成本演变发展而来的。Z纳滤纳滤 ( NF( NF，NanofiltrationNanofiltration) )是一种介于反是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。Z纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为分子量范围约为 MWCO300MWCO3001000 1000 ，能截留透，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐过超滤膜的那部分有机小分子，透

15、过无机盐和水。和水。筛分：筛分：对对Na+Na+和和Cl- Cl- 等单价离子的截留率较低，但对等单价离子的截留率较低，但对Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、SO42-SO42-截留率高，对色素、染料、抗截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（生素、多肽和氨基酸等小分子量（00-100000-1000）物）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，子量有机物的分离，道南（道南（DonnanDonnan）效应：）效应：纳滤膜本体带有电荷性，纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。对相同电

16、荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。u低压力下仍具有较高脱盐性能；低压力下仍具有较高脱盐性能；u分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。肽、氨基酸、抗生素）。行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业制药工业母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收电镀液中铜的回收食品工业食品工业脱盐与浓缩脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备水的脱盐、高纯水、水

17、的脱盐、高纯水、地下水的净化地下水的净化染料工业染料工业活性染料的脱盐与回收活性染料的脱盐与回收废水处理废水处理印染厂废水脱色印染厂废水脱色造纸厂废水净化造纸厂废水净化渗透蒸发原理渗透蒸发原理 它是利用膜与被分离有机液体混合物中各它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的组分的亲合力不同（料液侧为疏水膜）亲合力不同（料液侧为疏水膜），而有，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中膜中扩散速度扩散速度不同，在不同，在膜两侧分压差膜两侧分压差的作用下的作用下达到达到分离分离的目的。的目的。渗透蒸发膜混合液渗透蒸发膜混合液疏水膜疏水膜抽真空抽真空有机溶

18、剂脱水、水的净化、有机混合物分离，有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离，低醇酒生产。低醇酒生产。过程过程膜结构膜结构驱动力驱动力应用对象应用对象实实 例例微滤微滤对称微孔膜对称微孔膜0.0510m压力差压力差消毒、澄清收消毒、澄清收集细胞集细胞培养悬浮液除菌，产品培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集消毒，细胞收集超滤超滤不对称微孔膜不对称微孔膜0nm压力差压力差大分子物质分大分子物质分离离蛋白质的分离蛋白质的分离/浓缩浓缩/纯化纯化/脱盐脱盐/去热源去热源纳滤纳滤复合膜复合膜1nm 压力差压力差Donna效应效应小分子物质分小分子物质分离离糖糖/二价盐二价盐/游离酸的分离游离酸的分离反渗透反渗透 致密膜、复合致密膜、复合膜膜1nm压力差