制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件

第五章制药工程气固分离设备需要气固分离的场合：（一）、发尘量大的设备：如粉碎、过筛、混合、制粒、干燥、压片、包衣等设备。（二）、需要将固体粉末收集后再排空的气体排放过程。（三）、气体的净化处理和过滤除菌。本章内容：（一）旋风分离器（二）袋滤器第五章制药工程气固分离设备需要气固分离的场合：1制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件2结构及原理：适用场合：以切向导入式旋风分离器为例（一）捕集直径5~10μm以上粉尘，粉尘颗粒较粗，含尘浓度较大。（二）作为硫化床反应器的内分离装置，或作为预分离器使用。特点：（一）结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维护方便，价格低廉。（二）实际操作中应注意控制风速，风速大易产生涡流及返混现象，风速小分离效率低。其它形式：螺旋型、涡旋型、旁路型、扩散型、旋流型、多管式等。结构及原理：适用场合：以切向导入式旋风分离器为例3第六章制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史⊙高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。⊙

1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。⊙然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。第六章制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史⊙高分子膜的分离4⊙

50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。⊙

1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进—步提高。⊙50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的5⊙具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。⊙

60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。⊙

70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性⊙具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初6制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件7一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，通常亦简称为膜。2、型态：可以是固态的，也可以是液态的。本章主要内容为固体膜。3、结构：可能是均质的，也可能是非均质的；可以是中性的，也可以是带电的。4、传递过程：可以是主动传递过程，也可以是被动传递过程。5、推动力：压力差、浓度差、电位差等膜中间相相Ⅰ相Ⅱ原料透过物传质推动力一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物8膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜无孔膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能固体膜膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜9

固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据固体膜的形态平板膜管式膜中空纤维膜固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据10制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件11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。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12膜分离与尺寸的关系膜分离与尺寸的关系13制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件14用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子有机材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。膜材料用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合膜15膜材料种类高分子有机膜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纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类16高分子有机膜材料的具体分类高分子有机膜材料的具体分类17目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。

醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。醋酸纤维素类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯18制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件19显微镜下膜的照片显微镜下膜的照片20醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径过渡层，孔径多孔层21非纤维素酯类膜材料常见的有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。基本特性：①分子链中含有亲水性的极性基团；②主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；③化学稳定性好；④具有可溶性；非纤维素酯类膜材料22早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—623

离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子24§典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发(PV)等，下面分别介绍之。§典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤25化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用26制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件27微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城市给水系统的微生物污染。我国20世纪70年代开始研究。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。1）推动力：压力差（静压差），为0.01～0.2MPa2）膜类型特点：均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间（也有称10nm～10μm）,孔隙率70%～80%，107～108个小孔/cm2滤膜。微滤膜本身性脆、易碎，机械强度差，实际使用时必须衬贴在多孔支撑体上，如烧结的不锈钢、烧结镍等；尼龙布、丝绸（需以密孔筛板支撑）。1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城28微孔膜的主要优点为：

①孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；

②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；

③无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。微孔膜的主要优点为：29

④无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。

微孔膜的缺点：

①颗粒容量较小，易被堵塞；

②使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。④无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，微302.1微孔过滤技术3）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂、溶解物截留组分：大于膜孔的物质，如悬浮物、细菌等

1.微孔过滤和微孔膜的特点4）分离机理——根据颗粒大小、形状进行分离溶解物：＜1nm胶体物质：1nm～200nm悬浮物：＞200nm①机械截留（筛分作用）——主要机理

②物理作用：包括吸附作用、电性能影响③架桥作用④网络内部截流2.1微孔过滤技术3）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂312.微孔过滤技术应用领域

微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等，溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。2.微孔过滤技术应用领域32（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而33（4）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。（4）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是34超滤技术超滤技术始于1861年，最早使用的超滤膜是动物脏器膜。1864年Traube合成了第一张人工膜。我国于20世纪70年代末开始研究，80年代发展迅速。1）推动力：压力差，为0.1～0.5MPa2）透过组分：溶剂、离子、小分子（分子量＜1000）截留组分：生物制品、胶体、大分子（分子量1000～300000）如酶、蛋白质等3）分离机理：——根据分子特性、大小、形状进行分离与微滤相似，主要也是为筛分作用。1.超滤和超滤膜的特点超滤技术超滤技术始于1861年，最早使用35

4）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约5～10nm。

超滤膜的结构一般由三层结构组成：即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。1.超滤和超滤膜的特点4）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过36超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面：2.超滤技术应用领域（1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。（2）在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用37（3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。（4）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（5）食品工业中及造纸厂的废水处理。2.超滤技术应用领域（3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果38中空纤维超滤膜结构中空纤维超滤膜结构39超滤膜装置超滤膜装置40反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点

渗透是自然界一种常见的现象。反渗透技术20世纪60年代美国为解决宇航员太空饮水问题而研制的，现已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点41图4渗透与反渗透原理示意图渗透和反渗透的原理如下图所示。图4渗透与反渗透原理示意图渗透和反渗透421）推动力：压力差，为1～10MPa2）透过组分：水、溶剂（分子量＜200）截留组分：全部颗粒物、溶质和盐（粒径0.1～1nm）3）反渗透膜：大部分为不对称膜、复合膜。常用的主要为醋酸纤维素膜（CA膜），其致密层孔隙约0.2～1.0nm。4）反渗透膜的分离机理——根据溶剂的扩散传递进行分离

无机盐离子的直径仅为0.1~0.3nm，水合离子的直径为0.3~0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有溶解扩散理论、氢键理论、选择吸附—毛细管流动理论等。1.反渗透原理及反渗透膜的特点1）推动力：压力差，为1～10MPa1.反渗透原理及反渗透43①溶解扩散理论：1.反渗透原理及反渗透膜的特点认为反渗透膜的致密层可以是无孔的，具体过程包括：溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。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。溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。①溶解扩散理论：1.反渗透原理及反渗透膜的特点44制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件45②氢键理论:主要针对醋酸纤维素膜提出醋酸纤维素膜具有高度矩阵结构，盐水中的水分子能与膜上的极性基团（如羰基）形成氢键。在反渗透压力作用下，以氢键结合进入膜内的水分子由第一氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键；水分子通过一连串的氢键“断开—形成—断开”过程依次从一个极性基团移到另一个极性基团，直至离开表层，进入膜的多孔层。③选择吸附—毛细管流动理论膜是由含有适当亲水基团的多孔材料组成。在盐溶液中，膜表面有选择性吸附能力，即吸附水分子而排斥盐分子。因此，在膜和溶液界面形成一个纯水层，在反渗透压力推动下，此水层的纯水通过毛细作用而不断流出。1.反渗透原理及反渗透膜的特点②氢键理论:主要针对醋酸纤维素膜提出1.反渗透原理及反渗透46优先吸附--毛细孔流动模型优先吸附--毛细孔流动模型47制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件482.反渗透与超滤、微滤的比较都是以压力差为推动力的膜分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于1000的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径0.01～10μm的粒子应该选微孔膜。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。2.反渗透与超滤、微滤的比较49表反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较表反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较503.反渗透膜技术应用领域反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。3.反渗透膜技术应用领域51（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。3.反渗透膜技术应用领域（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，52工业应用的反渗透装置工业应用的反渗透装置53工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接54纳滤技术（nanofiltration,NF）纳滤膜是20世纪80年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。1）纳滤膜的特点：一般为复合膜，孔径及其被分离物的尺寸，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间，为纳米级，因此称为“纳滤”。1.纳滤及纳滤膜的特点纳滤技术（nanofiltration,NF）55纳滤技术（nanofiltration,NF）2）推动力：压力差，0.5～1MPa

（0.5～2.5MPa）3）透过组分：水、溶剂、一价盐和分子量＜200的小分子物质截留组分：多价盐，粒径在1nm左右，分子量为300～1000左右的小分子有机物，如糖、染料等。1.纳滤及纳滤膜的特点纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物,透过被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)以上。纳滤技术（nanofiltration,NF）2）推动力：564)分离机理——根据分子（离子）大小及电荷进行分离①对小分子的分离：筛分作用②对带电离子分离：唐南平衡（Donnan，或称唐南效应）内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-允许小分子、离子自由通过，但不允许大分子离子通过Na+Cl-Na+Cl-不管初始时两边的盐浓度是否相等，平衡时[Na+]Ⅰ=[Na+]Ⅱ

[Cl-]Ⅰ

=[Cl-]Ⅱ问题：如果往内相加入大量的高分子电解质，(如Na2Pr),平衡时膜两边的Na+和Cl-浓度还相等吗？4)分离机理——根据分子（离子）大小及电荷进行分离内相Ⅰ57电解质溶液平衡时，优先满足电中性条件

[Na+]Ⅰ=[Cl-]Ⅰ

+[Pr2-]Ⅰ

[Na+]Ⅱ=[Cl-]Ⅱ内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-Pr2-平衡时，膜两边的Cl-的浓度不相等唐南平衡：在半透膜两边，一边放大分子电解质，一边放纯水，大分子离子（如Pr2-）不能透过半透膜，而离解出的小离子（如Na+）及杂质电解质离子（如Cl-）可以通过。因膜两边要保持电中性，在达到渗透平衡时，使小离子在膜两边的浓度不等，这种平衡称唐南平衡。由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压，又称之为唐南效应。该效应会影响渗透压法测定大分子摩尔质量的准确性。电解质溶液平衡时，优先满足电中性条件内相Ⅰ外相ⅡH582.纳滤膜及其技术的应用领域纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节省能源；在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；在石化生产的催化剂分离回收等方面更有着不可比拟的作用。2.纳滤膜及其技术的应用领域59静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW<5001000~3000000.0025~10um>1umROUFF新型的NF正好介于UF和RO之间，截流分子量大概在300-1000。静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW<50060

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫ROmembran61制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件62umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERIAL过滤对象MOLECULARWEIGHT分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueoussalts中水盐份Metalions金属离子Sugars蔗糖FILTRATIONTECHNO-LOGY过滤方法Pyrogens热源Virus病毒Colloidalsilica胶体硅Albuminprotein白蛋白Bacteria细菌Carbonblack碳黑Paintpigment颜料色素Yeastcells酵母Milledflour面粉Beachsand海滩沙砾Pollens花粉RO反渗透Ultrafiltration超滤Microfiltration微滤Particle

filtration一般过滤THEFILTRATIONSPECTRUM过滤谱图NF纳滤umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERI63电渗析电渗析是在外加直流电场作用下，通过具有选择透过性及导电性良好的离子交换膜把电解质从溶液中分离的技术。1）推动力：电位差2）透过组分：离子截留组分：所有非解离和大分子颗粒3）膜类型：离子交换膜①阴离子交换膜:只允许阴离子通过而阻止阳离子通过。主要为季胺型，即R-N(CH3)3OH，在水中解离为R-N+(CH3)3，带正电，吸引水中负离子可与OH-交换通过。②阳离子交换膜：只允许阳离子通过而阻止阴离子通过。主要为磺酸基型，即R-SO3H，在水中解离为R-SO3-，带负电，吸引水中阳离子可与H+交换通过。1.电渗析原理及膜类型电渗析电渗析是在外加直流电场作用下，通过具有选644）分离原理——根据电解质离子选择传递进行分离在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。电渗析1.电渗析原理及膜类型4）分离原理——根据电解质离子选择传递进行分离电渗析1.电65正极

阴离子交换膜

负极+固定离子Cl-Na+-正极阴离子交换膜负极+固定离子Cl-66++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-67图6—5电渗析器示意图A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室电渗析过程原理图图6—5电渗析器示意图电渗析过程原理图68

阳极H2O←→H++OH-4OH-

-4e→2H2O+2[O]→2H2O+O2↑2Cl--2e→2[Cl]→Cl2↑H++Cl-←→HCl在阳极，由于OH-减少，极水呈酸性，并产生性质非常活泼的初生态氧和氯，会对电极造成强烈腐蚀。因此阳极附近一般不用阴膜而用阳膜，防止阴离子进入阳极室；或用一张抗氧化膜。在阴极，由于H+减少，极水呈碱性，当水中含有Ca2+、Mg2+、HCO3

-时，就会生成CaCO3、Mg(OH)2等水垢。因此极室也应通入原水，排放极水，且最好混合排放。电渗析极室反应（以NaCl水溶液为例）

阴极H2O←→H++OH-2H+

+2e→H2↑Na++OH-

←→NaOH阳极在阳极，由于OH-减少，692.电渗析技术应用领域

自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。2.电渗析技术应用领域70

中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。

中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可71实际应用的电渗析器实际应用的电渗析器72渗透蒸发技术

渗透蒸发(也叫渗透汽化)，是膜分离技术的一个分支，也是热驱动的蒸馏法和膜法相结合的一种分离方法。其不同于常规膜分离方法之处在于，渗透过程将产生由液相到气相的转变。即：渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。其实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物，其原理如下图。1.渗透蒸发原理渗透蒸发技术渗透蒸发(也叫渗透汽化)，是膜73渗透蒸发分离示意图b惰性气体吹扫a真空气化渗透蒸发分离示意图b惰性气体吹扫a真空气化74渗透蒸发技术其分离机制可分为以下三步：被分离的物质在膜表面有选择性的被吸附并被溶解；以扩散的形式在膜内渗透；在膜的另一侧变成气相脱吸附而与膜分离开。1.渗透蒸发原理渗透蒸发技术其分离机制可分为以下三步：1.渗透蒸发原752.渗透蒸发膜材料的选择对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤维素（CA）都是较好的膜材料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）则是较理想的膜材料。2.渗透蒸发膜材料的选择763.渗透蒸发技术应用领域渗透蒸发技术具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点，已经引起广泛的关注。1）可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。目前已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比，可大大降低运行费用，且不受汽—液平衡的限制。2）在其他领域的应用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分离、医疗、航空等领域将得到广泛应用。3.渗透蒸发技术应用领域77膜蒸馏技术膜蒸馏技术主要用于利用微孔高分子膜提取挥发性物质。与渗透蒸发相比：相同之处：推动力均为蒸气压差；均有液相到气相的转变不同之处：前者是先渗透后汽化，膜蒸馏是先汽化后渗透过膜1.膜蒸馏技术原理其原理如图示：疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接触(即暖侧），膜的另一侧与低温冷壁相邻（即冷侧）；借助暖侧与冷侧之间的这种相当于温度差的蒸气压差为推动力，促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔，再扩散到冷侧的冷壁表面被冷凝下来；而液相水溶液由于多孔膜的疏水作用无法透过膜被留在暖侧，从而达到与气相水分离的目的。膜蒸馏技术膜蒸馏技术主要用于利用微孔高分子膜78

注：在以水溶液进行膜蒸馏时，如果溶质的挥发性比水更大，则蒸馏液的主要成分应该是溶质。例如，当暖侧为乙醇水溶液时，由于乙醇的挥发性比水强，乙醇将不断的从暖侧进入冷侧；如果暖侧为乙酸水溶液时，由于乙酸的挥发性比水弱，水将不断的从暖侧进入冷侧。2.膜蒸馏过程的特点该过程是在常压下进行的，所用设备简单，操作简便。无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当温差，该过程即可进行。在非挥发性溶质的水溶液膜蒸馏过程中，因为只有水蒸气能透过膜孔，可成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段。该过程可以用来处理极高浓度的水溶液；如果溶质是易结晶的，可以把溶质浓缩至过饱和状态，出现“膜蒸馏-结晶”现象。可用以从天然盐水中结晶出食盐等，是其它膜过程难以达到的。注：在以水溶液进行膜蒸馏时，如果溶质的挥发性79透析透析（也有称渗析）是指在浓度差推动下，借助膜两侧的扩散和渗透作用，使两组分以上的溶质得以分离。膜类型：非对称膜，离子交换膜透过组分：离子、酸、碱、低分子量有机物被截留组分：分子量大于1000的溶解物及胶体分离机理：是根据溶质分子大小和化学性质不同，具有不同的选择透过性及透过速度。原液膜渗出液溶质扩散水渗透透析透析（也有称渗析）是指在浓度差推动下，借助膜两侧的扩散和80制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件81.血液透析机.血液透析机82膜组件是指将膜、固定膜的支撑材料、间隔物等组装成的一个基本单元。工业生产中可以将数个或数千个膜组件组成一个连续的系统，逐级浓缩，透过液可在各个单元收集，进入中心容器排出。膜组件的结构及形式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有平板式、管式、中空纤维式、螺旋卷式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。§膜分离装置

——膜组件(MembraneModule)膜组件是指将膜、固定膜的支撑材料、间隔物等组装成的一个基本单83制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件841平板式(Plate-and-Frame)膜组件

板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置,膜被放置在可垫有滤布的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。1平板式(Plate-and-Frame)膜组件852管式(Tubular)膜组件

管式膜组件有外压式和内压式，单管式和管束式几种。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。2管式(Tubular)膜组件863螺旋卷式(SpiralWound)膜组件

卷式膜组件的结构：中间为多孔支撑材料，两边是膜，其中三边被密封而粘贴成膜袋状，另一个开放边与一根多孔中心产品收集管密封连结，在膜袋的外部原料液侧再垫一层网眼型间隔材料。也就是把“膜-多孔支撑体-膜-原料液侧间隔材料”依次叠合，绕中心产品收集管紧密的卷起来形成一个膜卷，再装入圆柱型压力容器内，就成为一个卷式膜组件。3螺旋卷式(SpiralWound)膜组件874中空纤维(HollowFiber)式膜组件中空纤维式膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其它组件大,最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量（几十万根或更多）的中空纤维弯成U型或将一端密封，安装在一个管状耐压容器内,中空纤维的开口端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流入,沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维束在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。4中空纤维(HollowFiber)式膜组件88制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件89膜组件膜组件90膜组件膜组件91各种膜组件的优缺点比较

各种膜组件的优缺点比较92各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。93膜分离技术的应用回收有机蒸气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回收有机蒸气膜分离技术的应用回收有机蒸气应用水的脱盐和净化食品工业医疗、94第五章制药工程气固分离设备需要气固分离的场合：（一）、发尘量大的设备：如粉碎、过筛、混合、制粒、干燥、压片、包衣等设备。（二）、需要将固体粉末收集后再排空的气体排放过程。（三）、气体的净化处理和过滤除菌。本章内容：（一）旋风分离器（二）袋滤器第五章制药工程气固分离设备需要气固分离的场合：95制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件96结构及原理：适用场合：以切向导入式旋风分离器为例（一）捕集直径5~10μm以上粉尘，粉尘颗粒较粗，含尘浓度较大。（二）作为硫化床反应器的内分离装置，或作为预分离器使用。特点：（一）结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维护方便，价格低廉。（二）实际操作中应注意控制风速，风速大易产生涡流及返混现象，风速小分离效率低。其它形式：螺旋型、涡旋型、旁路型、扩散型、旋流型、多管式等。结构及原理：适用场合：以切向导入式旋风分离器为例97第六章制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史⊙高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。⊙

1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。⊙然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。第六章制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史⊙高分子膜的分离98⊙

50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。⊙

1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进—步提高。⊙50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的99⊙具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。⊙

60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。⊙

70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性⊙具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初100制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件101一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，通常亦简称为膜。2、型态：可以是固态的，也可以是液态的。本章主要内容为固体膜。3、结构：可能是均质的，也可能是非均质的；可以是中性的，也可以是带电的。4、传递过程：可以是主动传递过程，也可以是被动传递过程。5、推动力：压力差、浓度差、电位差等膜中间相相Ⅰ相Ⅱ原料透过物传质推动力一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物102膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜无孔膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能固体膜膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜103

固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据固体膜的形态平板膜管式膜中空纤维膜固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据104制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件105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。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106膜分离与尺寸的关系膜分离与尺寸的关系107制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件108用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子有机材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。膜材料用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合膜109膜材料种类高分子有机膜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纤维素衍生物类聚砜类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酯类110高分子有机膜材料的具体分类高分子有机膜材料的具体分类111目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。

醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。醋酸纤维素类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯112制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件113显微镜下膜的照片显微镜下膜的照片114醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径过渡层，孔径多孔层115非纤维素酯类膜材料常见的有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。基本特性：①分子链中含有亲水性的极性基团；②主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；③化学稳定性好；④具有可溶性；非纤维素酯类膜材料116早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—6117

离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子118§典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发(PV)等，下面分别介绍之。§典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤119化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用120制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件121微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城市给水系统的微生物污染。我国20世纪70年代开始研究。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。1）推动力：压力差（静压差），为0.01～0.2MPa2）膜类型特点：均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间（也有称10nm～10μm）,孔隙率70%～80%，107～108个小孔/cm2滤膜。微滤膜本身性脆、易碎，机械强度差，实际使用时必须衬贴在多孔支撑体上，如烧结的不锈钢、烧结镍等；尼龙布、丝绸（需以密孔筛板支撑）。1.微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城122微孔膜的主要优点为：

①孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；

②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；

③无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。微孔膜的主要优点为：123

④无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。

微孔膜的缺点：

①颗粒容量较小，易被堵塞；

②使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。④无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，微1242.1微孔过滤技术3）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂、溶解物截留组分：大于膜孔的物质，如悬浮物、细菌等

1.微孔过滤和微孔膜的特点4）分离机理——根据颗粒大小、形状进行分离溶解物：＜1nm胶体物质：1nm～200nm悬浮物：＞200nm①机械截留（筛分作用）——主要机理

②物理作用：包括吸附作用、电性能影响③架桥作用④网络内部截流2.1微孔过滤技术3）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂1252.微孔过滤技术应用领域

微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等，溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。2.微孔过滤技术应用领域126（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而127（4）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。（4）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采用热压法。但是128超滤技术超滤技术始于1861年，最早使用的超滤膜是动物脏器膜。1864年Traube合成了第一张人工膜。我国于20世纪70年代末开始研究，80年代发展迅速。1）推动力：压力差，为0.1～0.5MPa2）透过组分：溶剂、离子、小分子（分子量＜1000）截留组分：生物制品、胶体、大分子（分子量1000～300000）如酶、蛋白质等3）分离机理：——根据分子特性、大小、形状进行分离与微滤相似，主要也是为筛分作用。1.超滤和超滤膜的特点超滤技术超滤技术始于1861年，最早使用129

4）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约5～10nm。

超滤膜的结构一般由三层结构组成：即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。1.超滤和超滤膜的特点4）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过130超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面：2.超滤技术应用领域（1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。（2）在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用131（3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。（4）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（5）食品工业中及造纸厂的废水处理。2.超滤技术应用领域（3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果132中空纤维超滤膜结构中空纤维超滤膜结构133超滤膜装置超滤膜装置134反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点

渗透是自然界一种常见的现象。反渗透技术20世纪60年代美国为解决宇航员太空饮水问题而研制的，现已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。反渗透技术1.反渗透原理及反渗透膜的特点135图4渗透与反渗透原理示意图渗透和反渗透的原理如下图所示。图4渗透与反渗透原理示意图渗透和反渗透1361）推动力：压力差，为1～10MPa2）透过组分：水、溶剂（分子量＜200）截留组分：全部颗粒物、溶质和盐（粒径0.1～1nm）3）反渗透膜：大部分为不对称膜、复合膜。常用的主要为醋酸纤维素膜（CA膜），其致密层孔隙约0.2～1.0nm。4）反渗透膜的分离机理——根据溶剂的扩散传递进行分离

无机盐离子的直径仅为0.1~0.3nm，水合离子的直径为0.3~0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有溶解扩散理论、氢键理论、选择吸附—毛细管流动理论等。1.反渗透原理及反渗透膜的特点1）推动力：压力差，为1～10MPa1.反渗透原理及反渗透137①溶解扩散理论：1.反渗透原理及反渗透膜的特点认为反渗透膜的致密层可以是无孔的，具体过程包括：溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。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。溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。①溶解扩散理论：1.反渗透原理及反渗透膜的特点138制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件139②氢键理论:主要针对醋酸纤维素膜提出醋酸纤维素膜具有高度矩阵结构，盐水中的水分子能与膜上的极性基团（如羰基）形成氢键。在反渗透压力作用下，以氢键结合进入膜内的水分子由第一氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键；水分子通过一连串的氢键“断开—形成—断开”过程依次从一个极性基团移到另一个极性基团，直至离开表层，进入膜的多孔层。③选择吸附—毛细管流动理论膜是由含有适当亲水基团的多孔材料组成。在盐溶液中，膜表面有选择性吸附能力，即吸附水分子而排斥盐分子。因此，在膜和溶液界面形成一个纯水层，在反渗透压力推动下，此水层的纯水通过毛细作用而不断流出。1.反渗透原理及反渗透膜的特点②氢键理论:主要针对醋酸纤维素膜提出1.反渗透原理及反渗透140优先吸附--毛细孔流动模型优先吸附--毛细孔流动模型141制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件1422.反渗透与超滤、微滤的比较都是以压力差为推动力的膜分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于1000的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径0.01～10μm的粒子应该选微孔膜。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。2.反渗透与超滤、微滤的比较143表反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较表反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较1443.反渗透膜技术应用领域反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。3.反渗透膜技术应用领域145（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。3.反渗透膜技术应用领域（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，146工业应用的反渗透装置工业应用的反渗透装置147工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接工业应用的反渗透装置的膜组件之间的连接148纳滤技术（nanofiltration,NF）纳滤膜是20世纪80年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。1）纳滤膜的特点：一般为复合膜，孔径及其被分离物的尺寸，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间，为纳米级，因此称为“纳滤”。1.纳滤及纳滤膜的特点纳滤技术（nanofiltration,NF）149纳滤技术（nanofiltration,NF）2）推动力：压力差，0.5～1MPa

（0.5～2.5MPa）3）透过组分：水、溶剂、一价盐和分子量＜200的小分子物质截留组分：多价盐，粒径在1nm左右，分子量为300～1000左右的小分子有机物，如糖、染料等。1.纳滤及纳滤膜的特点纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物,透过被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)以上。纳滤技术（nanofiltration,NF）2）推动力：1504)分离机理——根据分子（离子）大小及电荷进行分离①对小分子的分离：筛分作用②对带电离子分离：唐南平衡（Donnan，或称唐南效应）内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-允许小分子、离子自由通过，但不允许大分子离子通过Na+Cl-Na+Cl-不管初始时两边的盐浓度是否相等，平衡时[Na+]Ⅰ=[Na+]Ⅱ

[Cl-]Ⅰ

=[Cl-]Ⅱ问题：如果往内相加入大量的高分子电解质，(如Na2Pr),平衡时膜两边的Na+和Cl-浓度还相等吗？4)分离机理——根据分子（离子）大小及电荷进行分离内相Ⅰ151电解质溶液平衡时，优先满足电中性条件

[Na+]Ⅰ=[Cl-]Ⅰ

+[Pr2-]Ⅰ

[Na+]Ⅱ=[Cl-]Ⅱ内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-Pr2-平衡时，膜两边的Cl-的浓度不相等唐南平衡：在半透膜两边，一边放大分子电解质，一边放纯水，大分子离子（如Pr2-）不能透过半透膜，而离解出的小离子（如Na+）及杂质电解质离子（如Cl-）可以通过。因膜两边要保持电中性，在达到渗透平衡时，使小离子在膜两边的浓度不等，这种平衡称唐南平衡。由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压，又称之为唐南效应。该效应会影响渗透压法测定大分子摩尔质量的准确性。电解质溶液平衡时，优先满足电中性条件内相Ⅰ外相ⅡH1522.纳滤膜及其技术的应用领域纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节省能源；在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；在石化生产的催化剂分离回收等方面更有着不可比拟的作用。2.纳滤膜及其技术的应用领域153静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW<5001000~3000000.0025~10um>1umROUFF新型的NF正好介于UF和RO之间，截流分子量大概在300-1000。静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW<500154

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理动漫ROmembran155制药设备第三部分-气固分离及膜分离课件156umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERIAL过滤对象MOLECULARWEIGHT分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueoussalts中水盐份Metalions金属离子Sugars蔗糖FILTRATIONTECHNO-LOGY过滤方法Pyrogens热源Virus病毒Colloidalsilica胶体硅Albuminprotein白蛋白Bac