(生化工程课件)膜过滤法

知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，超滤速度的影响因素，超滤膜污染及再生，超滤的操作方式及设备，膜分离过程的应用实例。重点：膜分离过程的分类，概念，实质及其适用范围。超滤膜污染的常规处理方法，膜分离机理的毛细管流动模型和溶解扩散模型，传递理论中过滤模型和浓差极化问题，超滤器的型式及其方式。难点：膜分离机理和传递理论。17膜过滤法知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，超滤1以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种过程。膜分离的优点（1）操作在常温下进行（2）是物理过程，不需加入化学试剂（3）能耗低，无相变（4）选择性高（5）浓缩和纯化可在一个步骤内完成（6）设备易放大，可以分批或连续操作以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的2膜分离与物质分子大小

适用范围微滤（MF）0.02～10mm超滤（UF）

0.001～0.02mm（1000～300,000D）纳滤（NF）

１nm（200～1000D）

反渗透（RO）

350D膜分离与物质分子大小适用范围3常用膜分离技术的基本特征常用膜分离技术的基本特征4(生化工程课件)膜过滤法5

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫ROmembran6(生化工程课件)膜过滤法7(生化工程课件)膜过滤法8(生化工程课件)膜过滤法917.1膜材料和膜的制造要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性17.1膜材料和膜的制造要求：1017.1.1膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维

超滤膜：聚醚砜，再生纤维素等反渗透膜：芳香聚酰胺天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：各种合成高聚物特殊材料：复合膜，无机膜17.1.1膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维11纤维素分子纤维素分子12醋酸纤维特点：（1）透过速度大（2）截留盐的能力强（3）易于制备（4）来源丰富（5）不耐温（30C）(6)pH范围窄，清洗困难(7)与氯作用，寿命降低(8)微生物侵袭（9）适合作反渗透膜醋酸纤维特点：（1）透过速度大13聚砜构造4聚砜构造414聚砜膜的特点（1）温度范围广（2）pH范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5)操作压力低（6）适合作超滤膜聚砜膜的特点（1）温度范围广1517.1.2膜的制造不对称膜通常用相转变法制造①将高聚物溶于一种溶剂中②将得到溶液浇注成薄膜③将薄膜浸入沉淀剂中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙17.1.2膜的制造不对称膜通常用相转变法制造16膜的内部结构主要取决于产生沉淀时的动力学因素。当高聚膜溶液缓慢沉淀时，得到海绵状结构*（RQ膜）；当快速形成凝胶时，得到的是手指状结构*（ＵＦ膜）．当沉淀速度非常慢时，则可得到对称膜膜的内部结构主要取决于产生沉淀时的动力学因素。17影响膜结构和性质的因素很多

主要有：所有的高聚物及其浓度；溶剂系统；沉淀剂系统；沉淀剂的形式；前处理（如蒸发）或后处理（或退火，即浸在热水浴中）步骤等。影响膜结构和性质的因素很多18膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类聚烯烃类乙烯类聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲壳素类无机膜致密膜多孔膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化锆膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚19种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类无种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维20(生化工程课件)膜过滤法2117.2表征膜性能的参数17.2表征膜性能的参数22截流率与分子之间的关系截断分子量相当于一定截流率（通常为９０％或９５％）的分子量截流率与分子之间的关系截断分子量相当于一定截流率23(生化工程课件)膜过滤法24截流率不仅决定于溶质分子的大小，还与下列因素有关截流率不仅决定于溶质分子的大小，还与下列因素有关2517．2.3孔道特征孔径特征包括孔径、孔径分布和空隙度，是膜的重要性质17．2.3孔道特征孔径特征包括孔径、孔径分布和空隙度，是2617．2.４

完整性试验17．2.４完整性试验2717.3分离机理

毛细管流动模型溶解扩散模型优先吸附模型17.3分离机理毛细管流动模型28毛细管流动模型毛细管流动模型2917.3.2

溶解扩散模型17.3.2溶解扩散模型30溶解扩散模型

具体过程包括：①溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。②溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层。③溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。溶解扩散模型具体过程包括：3117.3.3优先吸附－毛细孔流动模型

17.3.3优先吸附－毛细孔流动模型32(生化工程课件)膜过滤法33(生化工程课件)膜过滤法34(生化工程课件)膜过滤法3517.3.4纳滤17.3.4纳滤3617.4膜两侧溶液间的传递方程17.4膜两侧溶液间的传递方程37(生化工程课件)膜过滤法38(生化工程课件)膜过滤法39(生化工程课件)膜过滤法40(生化工程课件)膜过滤法4117.4.2阻力模型17.4.2阻力模型42(生化工程课件)膜过滤法4317.4.2管状收缩效应的影响17.4.2管状收缩效应的影响44１７.５影响膜过滤的各种因素１７.５影响膜过滤的各种因素45(生化工程课件)膜过滤法46(生化工程课件)膜过滤法4717.5.2

浓度17.5.2浓度48(生化工程课件)膜过滤法49(生化工程课件)膜过滤法50(生化工程课件)膜过滤法51１７.６膜的污染１７.６膜的污染5217.6.2清洗方法17.6.2清洗方法53常用的清洗剂常用的清洗剂54污染膜是否清洗的判据①根据膜分离装置进出口压力降的变化：②根据透水量或透水质量的变化：③定时清洗：污染膜是否清洗的判据55膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气－液脉冲反冲洗涤循环洗涤酸碱液表面活性剂螯合剂氧化剂酶化学清洗液酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时,交替使用碱清洗剂和酸清洗剂。表面活性剂如SDS、吐温80、Triton、X-100(一种非离子型表面活性剂)等在许多场合有很好的清洗效果，可根据实际情况加以选择，但有些阴离子型和非离子型的表面活性剂能同膜结合造成新的污染在选用时须加以注意。除了强酸和碱外，螯合剂也用于去除污染膜的沉积物。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸(EDTA)、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螯合铁离子(Fe3+)通常是有效的。EDTA常用于溶解碱土金属硫酸盐。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯进行清洗，其用量为200～400mg/L活性氯(相当于400～800mg/LNaClO)，其最适pH为10～11。由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端pH，在膜通量难以恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗。但使用酶清洗剂不当会造成新的污染。如采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用含载体液进行清洗，效果很好。内压式中空纤维膜使用膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气－液脉冲反56浓差极化与膜污染的防治方法1、预处理法2、膜表面改性3、改善膜表面的流体力学条件4、附加场的方法5、反冲6、机械方法7、其他方法浓差极化与膜污染的防治方法1、预处理法57(生化工程课件)膜过滤法5817.7膜过滤装置的型式及其适用范围

一个良好的模件（膜）过滤装置应具备下列条件

①膜切面线方向的速度相当快，或有较高的剪切力，以减少浓差极化

②膜的装卸密度，即单位体积中所含膜面积比较大

③拆洗和膜的更换比较方便

④保留体积小，且无死角17.7膜过滤装置的型式及其适用范围一个良好的模件（膜59市售模件市售模件60(生化工程课件)膜过滤法61(生化工程课件)膜过滤法62(生化工程课件)膜过滤法63(生化工程课件)膜过滤法64(生化工程课件)膜过滤法6517.8操作方法17.8操作方法6617.8.1分批操作17.8.1分批操作6717.8.2透析过滤17.8.2透析过滤68(生化工程课件)膜过滤法69(生化工程课件)膜过滤法7017.9应用

发酵液的过滤与细胞的收集纯化浓缩去热源缓冲液变换17.9应用发酵液的过滤与细胞的收集7117.9.1发酵液的过滤与细胞的收集17.9.1发酵液的过滤与细胞的收集72(生化工程课件)膜过滤法737、膜分离技术的应用应用水的脱盐和净化食品工业医疗、卫生方面石油、化工方面环境工程其他方面海水与苦咸水淡化电厂锅炉供水脱盐超纯水制备城市家庭饮用水的净化乳品加工酒类生产果汁加工酶制剂生产医疗、卫生用水药品生产医疗应用中药提炼回收有机蒸气制取富氧空气无水乙醇生产膜与生物技术国防上的应用交通、运输方面脱气膜电泳漆废水电镀废水纤维工业废水造纸工业废水其他废水7、膜分离技术的应用应用水的脱盐和净化食品工业医疗、卫生方面74膜技术在牛乳和乳清加工中的应用膜技术在牛乳和乳清加工中的应用75膜法处理乳清膜法处理乳清76抗生素的制备抗生素的制备77纯净水处理工艺流程图纯净水处理工艺流程图78膜分离水处理设备装置膜分离水处理设备装置79果汁澄清果汁澄清80电镀废水处理电镀废水处理81思考题

1理解概念：截留分子量，截留率，体积浓缩倍数2微滤，超滤，反渗透分离技术在分子尺寸上有何区别？3影响截留率的因素有哪些？4毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模各适用于解释哪些膜过程?思考题1理解概念：截留分子量，截留率，体积浓缩倍数82知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，超滤速度的影响因素，超滤膜污染及再生，超滤的操作方式及设备，膜分离过程的应用实例。重点：膜分离过程的分类，概念，实质及其适用范围。超滤膜污染的常规处理方法，膜分离机理的毛细管流动模型和溶解扩散模型，传递理论中过滤模型和浓差极化问题，超滤器的型式及其方式。难点：膜分离机理和传递理论。17膜过滤法知识点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，超滤83以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种过程。膜分离的优点（1）操作在常温下进行（2）是物理过程，不需加入化学试剂（3）能耗低，无相变（4）选择性高（5）浓缩和纯化可在一个步骤内完成（6）设备易放大，可以分批或连续操作以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的84膜分离与物质分子大小

适用范围微滤（MF）0.02～10mm超滤（UF）

0.001～0.02mm（1000～300,000D）纳滤（NF）

１nm（200～1000D）

反渗透（RO）

350D膜分离与物质分子大小适用范围85常用膜分离技术的基本特征常用膜分离技术的基本特征86(生化工程课件)膜过滤法87

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫ROmembran88(生化工程课件)膜过滤法89(生化工程课件)膜过滤法90(生化工程课件)膜过滤法9117.1膜材料和膜的制造要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性17.1膜材料和膜的制造要求：9217.1.1膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维

超滤膜：聚醚砜，再生纤维素等反渗透膜：芳香聚酰胺天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：各种合成高聚物特殊材料：复合膜，无机膜17.1.1膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维93纤维素分子纤维素分子94醋酸纤维特点：（1）透过速度大（2）截留盐的能力强（3）易于制备（4）来源丰富（5）不耐温（30C）(6)pH范围窄，清洗困难(7)与氯作用，寿命降低(8)微生物侵袭（9）适合作反渗透膜醋酸纤维特点：（1）透过速度大95聚砜构造4聚砜构造496聚砜膜的特点（1）温度范围广（2）pH范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5)操作压力低（6）适合作超滤膜聚砜膜的特点（1）温度范围广9717.1.2膜的制造不对称膜通常用相转变法制造①将高聚物溶于一种溶剂中②将得到溶液浇注成薄膜③将薄膜浸入沉淀剂中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙17.1.2膜的制造不对称膜通常用相转变法制造98膜的内部结构主要取决于产生沉淀时的动力学因素。当高聚膜溶液缓慢沉淀时，得到海绵状结构*（RQ膜）；当快速形成凝胶时，得到的是手指状结构*（ＵＦ膜）．当沉淀速度非常慢时，则可得到对称膜膜的内部结构主要取决于产生沉淀时的动力学因素。99影响膜结构和性质的因素很多

主要有：所有的高聚物及其浓度；溶剂系统；沉淀剂系统；沉淀剂的形式；前处理（如蒸发）或后处理（或退火，即浸在热水浴中）步骤等。影响膜结构和性质的因素很多100膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类聚烯烃类乙烯类聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲壳素类无机膜致密膜多孔膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化锆膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类膜材料种类高分子分离膜材料纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚101种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类无种类具体分类纤维素衍生物类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维102(生化工程课件)膜过滤法10317.2表征膜性能的参数17.2表征膜性能的参数104截流率与分子之间的关系截断分子量相当于一定截流率（通常为９０％或９５％）的分子量截流率与分子之间的关系截断分子量相当于一定截流率105(生化工程课件)膜过滤法106截流率不仅决定于溶质分子的大小，还与下列因素有关截流率不仅决定于溶质分子的大小，还与下列因素有关10717．2.3孔道特征孔径特征包括孔径、孔径分布和空隙度，是膜的重要性质17．2.3孔道特征孔径特征包括孔径、孔径分布和空隙度，是10817．2.４

完整性试验17．2.４完整性试验10917.3分离机理

毛细管流动模型溶解扩散模型优先吸附模型17.3分离机理毛细管流动模型110毛细管流动模型毛细管流动模型11117.3.2

溶解扩散模型17.3.2溶解扩散模型112溶解扩散模型

具体过程包括：①溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。②溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层。③溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。溶解扩散模型具体过程包括：11317.3.3优先吸附－毛细孔流动模型

17.3.3优先吸附－毛细孔流动模型114(生化工程课件)膜过滤法115(生化工程课件)膜过滤法116(生化工程课件)膜过滤法11717.3.4纳滤17.3.4纳滤11817.4膜两侧溶液间的传递方程17.4膜两侧溶液间的传递方程119(生化工程课件)膜过滤法120(生化工程课件)膜过滤法121(生化工程课件)膜过滤法122(生化工程课件)膜过滤法12317.4.2阻力模型17.4.2阻力模型124(生化工程课件)膜过滤法12517.4.2管状收缩效应的影响17.4.2管状收缩效应的影响126１７.５影响膜过滤的各种因素１７.５影响膜过滤的各种因素127(生化工程课件)膜过滤法128(生化工程课件)膜过滤法12917.5.2

浓度17.5.2浓度130(生化工程课件)膜过滤法131(生化工程课件)膜过滤法132(生化工程课件)膜过滤法133１７.６膜的污染１７.６膜的污染13417.6.2清洗方法17.6.2清洗方法135常用的清洗剂常用的清洗剂136污染膜是否清洗的判据①根据膜分离装置进出口压力降的变化：②根据透水量或透水质量的变化：③定时清洗：污染膜是否清洗的判据137膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气－液脉冲反冲洗涤循环洗涤酸碱液表面活性剂螯合剂氧化剂酶化学清洗液酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时,交替使用碱清洗剂和酸清洗剂。表面活性剂如SDS、吐温80、Triton、X-100(一种非离子型表面活性剂)等在许多场合有很好的清洗效果，可根据实际情况加以选择，但有些阴离子型和非离子型的表面活性剂能同膜结合造成新的污染在选用时须加以注意。除了强酸和碱外，螯合剂也用于去除污染膜的沉积物。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸(EDTA)、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螯合铁离子(Fe3+)通常是有效的。EDTA常用于溶解碱土金属硫酸盐。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯进行清洗，其用量为200～400mg/L活性氯(相当于400～800mg/LNaClO)，其最适pH为10～11。由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端pH，在膜通量难以恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗。但使用酶清洗剂不当会造成新的污染。如采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用含载体液进行清洗，效果很好。内压式中空纤维膜使用膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气－液脉冲反138浓差极化与膜污染的防治方法1、预处理法2、膜表面改性3、改善膜表面的流体力学条件4、附加场的方法5、反冲6、机械方法7、其他方法浓差极化与膜污染的防治方法1、预处理法139(生化工程课件)膜过滤法14017.7