第5章 膜分离--22

1、Chapter 5 膜分离膜分离Membrane separation膜分离技术膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径膜分离的概念：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。移率不同而实现分离的一种技术。用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目的的技术。膜的概念与功能膜的概念与功能在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物流体相分隔开来成为两部

2、分，这一薄层物质称为膜。质称为膜。被膜分开的流体相物质是液体或气体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其以下，否则不能称其为膜。为膜。膜在分离过程中的功能：物质的识别与透膜在分离过程中的功能：物质的识别与透过，界面，反应场。过，界面，反应场。膜分离技术的类型膜分离技术的类型膜分离过程的实质是物质透过或被截留膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。而可以按分离粒子大小进行分类。膜分离技术的类型

3、膜分离技术的类型1.微滤微滤（Microfiltration,MF） ： 以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作。 孔径分布范围在0.02514m之间，截留直径为0.02 m 10 m大小的粒子。 可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。膜分离技术的类型膜分离技术的类型2.2.超滤超滤（ Ultrafiltration, UF UF） ：分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02 m，分离推动力仍为压力差，可分离分子量从500到1,000，000道尔顿的可溶性物质。适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离

4、，脱盐，去热原，在生物工程中应用最广。膜分离技术的类型膜分离技术的类型3.反渗透反渗透（Reverse osmosis,RO）: 渗透和渗透压：渗透和渗透压：渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。膜分离技术的类型膜分离技术的类型反渗透：反渗透：定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。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作，孔径范围在0. 11 nm之间。3.反渗透（反渗透（Reverse osmosis,RO）:3.反渗透反渗透（Rever

5、se osmosis,RO） ：其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被戳留住。主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。膜分离技术的类型膜分离技术的类型微滤 膜分离技术的类型膜分离技术的类型超滤和反渗透超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。构

6、不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达反渗透膜的操作压力高达10 MPa。超滤超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；的推动力是流体静压力与渗透压的压差；反渗透反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。因此，超滤和反渗透通常又被称之为因此，超滤和反渗透通常又被称之

7、为“强强制膜分离过程制膜分离过程”atmpppp0atmpppp0膜分离技术的类型膜分离技术的类型4.透析：透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。透析膜：孔径透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析应用：脱盐，血液透析u特点：以浓差为推动力，膜透特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验

8、室中应用。分离过程，多在实验室中应用。膜分离技术的类型膜分离技术的类型5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。富集电解质的膜分离操作。在直流电场的作用下，由于离子交换膜在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。分离推动力是静电引力。膜分离技术的类型膜分离技术的类型电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化氨基酸和有机酸

9、等小分子的分离纯化膜分离技术的类型膜分离技术的类型膜分离法膜分离法传质推动力传质推动力分离原理分离原理应用举例应用举例微滤微滤(MF)压差压差(0.050.5MPa)筛分筛分除菌，回收菌体，分离病毒除菌，回收菌体，分离病毒超滤超滤(UF)压差压差(0.11.0MPa)筛分筛分蛋白质等大分子的回收与浓缩蛋白质等大分子的回收与浓缩反渗透反渗透(RO)压差压差(1.010MPa)筛分筛分脱盐，淡水制造脱盐，淡水制造透析透析(DS)浓度差浓度差筛分筛分脱盐，除变性剂脱盐，除变性剂电渗析电渗析(ED)电位差电位差荷电、筛分荷电、筛分脱盐脱盐,氨基酸与有机酸的分离氨基酸与有机酸的分离渗透气化渗透气化(PV

10、)压差、温差压差、温差溶质与膜的亲和作用溶质与膜的亲和作用共沸物的分离共沸物的分离（如乙醇浓缩）（如乙醇浓缩）膜材料膜材料膜材料的膜材料的特性特性对于不同种类的膜都有一个基本要求对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高反渗透膜的压力更高，约为，约为110MPa。（2）耐高温耐高温: :高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中耐酸碱：防止分离过程中，

11、以及清洗过程中的水解；的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低。成本低。膜的分类膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜无机材料膜各种膜材料各种膜材料有机高分子膜：有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或类）、聚烯烃及其共聚

12、物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜、微孔玻璃等无机多孔膜：陶瓷膜、微孔玻璃等不同膜材料的特点与应用不同膜材料的特点与应用膜材料膜材料应用应用特点特点醋酸纤维醋酸纤维常用作反渗透膜常用作反渗透膜也可用作微滤膜和超滤膜也可用作微滤膜和超滤膜截盐能力强，使用温度截盐能力强，使用温度和和 pH 范围有限范围有限天然高分子天然高分子再生纤维再生纤维制造微滤膜和透析膜制造微滤膜和透析膜聚砜聚砜主要用于制造超滤膜主要用于制造超滤膜适用温度及适用温度及 pH 范围范围广，但耐压能力较差广

13、，但耐压能力较差合成高分子合成高分子聚酰胺聚酰胺常用于反渗透常用于反渗透耐压能力较高，稳定性耐压能力较高，稳定性好，使用寿命长。好，使用寿命长。陶瓷陶瓷制造微滤膜和超滤膜制造微滤膜和超滤膜机械强度高，耐高温及机械强度高，耐高温及化学试剂，但造价高。化学试剂，但造价高。无机材料无机材料动态膜动态膜透过通量大，清洗容透过通量大，清洗容易，但稳定性差。易，但稳定性差。各种膜组件各种膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。些部件的容器构成的一个单元。目前市售商品膜组件主要有：管式目前市售商品膜组件主要有：管式、中空中空纤维纤维 、螺旋卷

14、绕式螺旋卷绕式 、平板式平板式共同的特点共同的特点尽可能大的膜表面积尽可能大的膜表面积可靠的支撑装置可靠的支撑装置可引出透过液可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小膜表面浓度差极化达到最小管式膜组件管式膜组件特点：特点：结构简单、适应性强、结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大压力损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广受高压，用途较板式广泛。泛。u结构：结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。平板式膜组件平板式膜组件结构：结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜

15、，供料液或滤液流动。特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件结构：结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。特点：特点： 优点：比表 面积大，结 构简单，价 格较便宜； 缺点：处理 悬浮物浓度 较高的料液 时易堵塞。 特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、 浓缩倍数较低的料液处理和水处理。螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件结构：结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080m)或毛细管膜（内径0.252.5mm

16、）固定在圆筒形容器内构成。优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用 。缺点：易堵塞，对料液要求高。中空纤维超滤膜成套设备中空纤维超滤膜成套设备 采用中空纤维膜组件，具有膜堆积密度大、产水量高、操作压力低、价格低廉等特点，适合粘度较低的料液处理和水处理。 纳米膜过滤技术纳米膜过滤技术介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过。分子而使大部分无机盐通过。特点：特点：（1）在过滤分离过程中，能截留小分子有）在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透浓缩与透析析为一体；为一体

17、；（2）操作压力低）操作压力低纳滤膜的性质与特点纳滤膜的性质与特点有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为平均孔径为2nm，截留分子量范围在截留分子量范围在100200道尔顿之间；同样要求其具有良好道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性。稳定性、有机溶剂稳定性。主要产品主要产品：Membrane products Kiryat Weizmann，MPW (以色列)Desalination System (美国)SelRO, DESAL-5, FT- 40等系列膜，Filmtech公司（美国，明尼苏达） 纳滤

18、的应用行行 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乳清脱盐与浓缩乳清脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备超高纯水超高纯水水的脱盐水的脱盐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膜亲和过滤法膜亲和过滤法膜亲和过滤法是传统膜分

19、离技术与亲和分离技膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。术的集成，是一种十分有效的分离方法。内容：包括两个分支内容：包括两个分支（1）亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，）亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离；直接进行产物分离；（2）亲和）亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤进行错流过滤。亲和膜分离技术亲和膜分离技术分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上一条一条“

20、手臂链手臂链”（大于三个碳原子）；（大于三个碳原子）；亲和膜制备：选用合适的配基亲和膜制备：选用合适的配基(Ligand)，与手臂链，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质；相连，构成带有亲和配基的分离介质；亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（Ligate）的复合体；）的复合体；洗脱：改变条件洗脱：改变条件（洗脱液组成洗脱液组成、pH、离子强度、温离子强度、温度等），使复合物解离；度等），使复合物解离；亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使亲和膜

21、再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用。用。需解决的关键问题需解决的关键问题膜表面要有足够多的并可利用的化学基团膜表面要有足够多的并可利用的化学基团表面积和孔径要足够大表面积和孔径要足够大孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和分离效率分离效率机械强度要高机械强度要高要耐酸碱和高温要耐酸碱和高温亲和膜分离操作方式亲和膜分离操作方式亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）其他成分）微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）膜分离技术应考虑的问题截留分子量截留分子量( (MWCO)截留曲线：测定分子量

22、不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。 MWCO只是表征膜特性的一个参数，不能作 为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分 布、耐污染能力等)综合考虑。 一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子 量定义为膜的截留分子量。实际膜分离过程中影响截留率的因素：实际膜分离过程中影响截留率的因素：溶质分子量分子特性 不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性； 对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低； 若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶质的影响 其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。操作条件 温度升高，膜面流速提高，截留率降低； pH=pI时

23、，对蛋白质高于其他pH下的截留率。膜分离技术应考虑的问题浓差极化浓差极化: : 在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增高。在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层。膜分离操作中，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，高于料液主体浓度的现象。浓差极化浓差极化: :它对水的透过起着阻碍作用。所以浓差极化会降低膜的透水率。为了减少浓差极化，通常采用错流操作。使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面的固体移走。污染污染: :由于溶质与膜的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或因浓差极化，溶质在膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”引起膜性能变化的现象。是一个不可逆约过程。通常它受到膜的化学特征、蛋白质种类、溶液的pH值、无机盐浓度、温度等因素的影响。影响影响: :透过通量大幅度下降；降低目标产物的回收率。膜污染是膜技术应用的最大限制因素。膜污染是膜技术应用的最大限制因素。膜分离技术应考虑的问题 防止或减轻膜污染的措施：防止或减轻膜污染的措施：P187对料液进行预处理；对膜进行预处理；改变操作条件。 膜的清洗膜的清洗: : 膜污染造成膜透水量随运行时间增长而下降。清洗的方法通常可分为物理方法与化学方法。 物理方法：一般