第六章 膜分离1

1、第六章第六章 膜分离膜分离 近近2020年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；领域； 膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些膜分离技术是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分，从而达到分离组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。目的的技术。 膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作无化学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作

2、为一种单元操作日益受到人们极大重视。为一种单元操作日益受到人们极大重视。膜分离膜分离 (membrane separation) 6.1 概述 6.2 各种膜分离法及原理 6.3 膜材料及其特性 6.4 膜组件 6.5 膜分离实例 6.1 概述概述 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。6.1 概述概述 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

3、实现分离的一种技术。 6.1 概述概述 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分，这一薄层物质称为膜。 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜膜的概念膜的概念膜的分类膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜 按材料分：天然高分子材料膜、合成高分子材料膜、无机材料膜6.1 概述概述6.1 概述概述膜分离的特点：膜分离的特点： 操作在常温下进行；操作在常温下进行； 是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂； 不发

4、生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）； 在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位。因而在生物产品的处理中占有重要地位。切向流过滤（Cross-flow Filtration） 又称错流过滤、交叉过滤或十字流过滤。 是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液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沉积的固体移走。 当移走固体的速率与固体的沉积速率相等时，过滤速率就近似恒定。切向流过滤

5、悬浮液透过液浓差极化层膜例1：用泵循环使悬浮液流径膜滤器，产生切向流。膜悬浮液浓缩液 透过液泵浓缩液部分循环例2：在膜表面加以搅拌造成悬液流动，产生切向流。悬浮液透过液切向流过滤的缺点：（1）切向流所产生的剪切作用有可能使蛋白质产物失活，因而过滤速度受限制。（2）能耗比一般过滤高，大部分用来使流体快速流动。（3）固相液体含水量较高，实际上仍为流体，仅起浓缩作用。当浓缩相固相浓度高而使流动性下降时，过滤速率将迅速下降。（4）不能避免膜的污染和堵塞。 常见膜分离过程常见膜分离过程: :微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤（超滤（Ultrafilt

6、rationUltrafiltration，UFUF）反渗透（反渗透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）纳滤（纳滤（NanofiltrationNanofiltration）电渗析（电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）透析（透析（DialysisDialysis，DSDS）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervaporation，PVPV）6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 微滤（MF）和超滤（UF）都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力，只

7、是膜的孔径不同。 在微滤或超滤分离过程中，由于分离的对象是高分子物质，其渗透压可忽略不计，则有 ：)(21pPKPKJ6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 微过滤（Micro-filtration, MF） 亦称精密过滤，膜孔0.05-10m，可以除去所有的微生物，在生物工业中主要的应用如下： a. 无菌空气的制备 b. 液体生物产品的澄清、除浊 c. 培养液的无加热灭菌微过滤的应用:6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理6.2各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 超过滤（Ultra-filtration，UF）用的滤膜孔径大约为5-5

8、0nm，可截留分子量500(1000)以上的溶质，在生物工业中的应用有： a. 对溶液进行浓缩，提纯分级，应用的产品包括各种酶、蛋白质、激素、核酸、疫苗、 菌体病毒、抗菌素等。 b. 用作膜反应器。超过滤的应用：6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理反渗透原理示意图1. 渗透：水分子从稀盐一侧向浓盐一侧渗透。水水2. 平衡点与渗透压：水分子的渗透达动态平衡。水3. 反渗透：当外加一个大于渗透压的压力时，水分子从浓盐一侧向稀盐一侧渗透。 反渗透原理示意图6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 反渗透用的滤膜孔径为 0.1-1.0nm，可截留小分子的无机物，截留分子量为30-50。目前

9、主要用于海水淡化、水软化、制造超纯水和污水处理，在生物工业中的主要应用有： a. 生物碱、激素、疫苗、抗生素等的分离浓缩。 b. 某些发酵饮料的脱盐。 c. 白酒除浊与净化。 d. 啤酒不加热浓缩等。反渗透的应用： 6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理4. 纳滤纳滤（Nano- Filtration, NF）纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，于20世纪80年代初开发，当时称之为低压反渗透。 与反渗透比较，由于纳滤对无机盐的截留率很低，在过滤过程中，保留液（浓缩液）的渗透压不会明显提高，因而操作压力较低（大多为0.51.5MPa ）。 与超过滤比较，纳滤对低分子有机物有较高的截留率

10、，过滤过程中保留液（浓缩液）的渗透压有一定提高，因而操作压力比超滤要高。4. 纳滤纳滤（Nano- Filtration, NF）纳滤能截留分子量为2001000之间的有机物质及高价无机离子。由于许多生物产品的分子量（如抗菌素、多糖、维生素、多肽、柠檬酸等）都在此范围，因而纳滤在生物工业中比超滤（主要用于生物大分子）和反渗透（主要是脱盐）有着更广泛的用途。6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理发酵培养液主要成分尺寸与分子量成分动植物细胞微生物病毒蛋白质酶多糖抗体抗生素糖有机酸氨基酸无机盐分子量(kD) 101030.31.00.20.40.10.50.010.1尺寸(nm)1041051

11、02104303002100.61.20.81.00.40.80.20.46.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理5. 电渗析电渗析: 是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。可用于小分子电解后（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。 电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价健含有离子交换基团，如磺酸基（-SO3）等酸性阳离子交换基团和季铵基（-NR3OH）等碱性阴离子交换基团。键合阳离子交换基团的膜称为阳离子交换膜，键合阴离子交换基团的膜称为阴离子交换膜，在电场的作用下，前者选择性透过阳离子。6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理电渗析分离原理示意

12、图电渗析分离原理示意图 电渗透析分离原理6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理电渗析的应用：电渗析的应用： a.电渗析在工业上常用于海水淡化以及废水处理。 b.在生物分离方面，主要用于氨基酸和有机酸等生物小分子的分离纯化。 c.在生物反应分离耦合的应用研究是电渗析技术发展的方向之一。6. 透析透析 6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的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它小分子溶质的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与水溶液、或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶溶液与水溶液、或缓冲液分隔；由于膜两侧

13、的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）中的小分子溶质（如无机盐）透向透向右侧，右侧的右侧，右侧的水水透向透向左侧，这就是透析。左侧，这就是透析。 右侧纯水或缓冲溶液称为透析液；右侧纯水或缓冲溶液称为透析液； 所用的亲水膜称为透析膜；所用的亲水膜称为透析膜； 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。形式移动。6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 透析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜透析（Dialysis）从大分子溶液中透析除去中小分子、无

14、机盐 透析过程中，混合液中的大分子物质被截留在膜内，小分子经分子扩散作用不断透出膜 外，同时水分子（或其他溶剂）也不断扩散至膜内，直到膜内外达到平衡。6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理l透析法在临床上常用于透析法在临床上常用于肾衰竭患者肾衰竭患者的血液透析。的血液透析。l在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。l由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量由于透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，不适于大规模生物分离过程，但在实验室中应用较多。中应用较多。透析法的应用：透析法的应用：6.2 各种

15、膜分离法及原理各种膜分离法及原理7. 渗透气化渗透气化 渗透气化原理渗透气化原理: 它是利用被分离有机液体混合物中各组分的它是利用被分离有机液体混合物中各组分的溶溶解度不同解度不同（有选择性地优先吸附溶液某一组分）（有选择性地优先吸附溶液某一组分）及各组分在膜中及各组分在膜中扩散速度扩散速度不同，来达到不同，来达到分离分离的的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。渗透气化渗透气化 6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理 分离过程是用一张渗透蒸发膜分离过程是用一张渗透蒸发膜

16、, ,将进料液相和透将进料液相和透过气相分隔开过气相分隔开, ,并在气相侧抽真空或通以惰性气并在气相侧抽真空或通以惰性气流流, ,把把渗透组分的蒸气压控制到接近零渗透组分的蒸气压控制到接近零, ,膜两侧分膜两侧分压差和浓度差作为传质推动力的膜分离过程。压差和浓度差作为传质推动力的膜分离过程。渗透气化原理示意图 6.2 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理过程膜推动力透过物质 截留物质 传递机理微过滤MF对称微孔膜0.0210m 压力差0.10.5MPa大分子溶质悬浮物质0.01 m 筛分超过滤UF不对称膜120nm压力差0.11.0MPa小分子溶质大分子溶质120nm筛分反渗透RO不对称膜0.11