膜分离过程及设备课件

第五节

膜分离过程及设备膜分离技术膜分离技术是20世纪60年代以后发展起来的高新技术。与传统的分离方法相比，具有设备简单、节约能源、分离效率高、容易控制等优点膜分离通常在常温下操作，不涉及相变化，这对处理热敏性物料，显得十分重要膜分离技术一般可除去1μm以下的固体粒子。膜分离技术应用1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用30年代微孔过滤40年代渗析50年代电渗析60年代反渗透70年代超滤80年代气体分离90年代渗透汽化现代EDI技术膜的应用膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2

控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧膜分离概述膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力时，原料侧组分选择性透过膜，以达到分离、提纯、富集的目的膜分离的推动力可以是多种多样的，一般有浓度差Δc，压力差Δp，电位差Δv等膜分离过程的实质是小分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子被阻挡。因此，膜必须是半透膜。基本传质形式在膜分离过程中，存在3种基本传质形式，即被动传递、促进传递和主动传递。最常见的为被动传递，即物质由高化学位相侧向低化学位相侧传递

，这一化学位差即为其推动力。被动传递组分从高化学位向低化学位的被动传递促进传递、主动传递促进传递是由于某种流动载体的存在，在高化学位一侧载体与被传递物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递物质释放，使传递过程得到强化。此种传递过程具很高选择性。主动传递主要发生在细胞膜中。膜分离过程机理模型溶解－扩散模型优先吸附－毛细管流动模型从不可逆热力学导出的模型①溶解－扩散模型：适用于液体膜、均质膜或非对称膜表皮层内的物质传递。在推动力作用下，渗透物质先溶解进入膜的上游侧，然后扩散至膜的下游侧，扩散是控制步骤。例如气体的渗透分离过程中，推动力是膜两侧渗透物质的分压差。当溶解服从亨利定律（见相平衡关联）时，组分的渗透率是组分在膜中的扩散系数和溶解度系数的乘积。混合气体的分离依赖于各组分在膜中渗透率的差异。溶解-扩散模型用于渗透蒸发（又称汽渗，上游侧为溶液，下游侧抽真空或用惰性气体携带，使透过物质汽化而分离）时，还须包括膜的汽液界面上各组分的热力学平衡关系。

②优先吸附－毛细管流动模型

由于膜表面对渗透物的优先吸附作用，在膜的上游侧表面形成一层该物质富集的吸附液体层。然后，在压力作用下通过膜的毛细管，连续进入产品溶液中。此模型能描述多孔膜的反渗透过程。③从不可逆热力学导出的模型膜分离过程通常不只依赖于单一的推动力，而且还有伴生效应（如浓差极化）。不可逆热力学唯象理论统一关联了压力差、浓度差、电位差对传质通量的关系，采用线性唯象方程描述这种具有伴生效应的过程，并以配偶唯象系数描述伴生效应的影响。膜

膜分离过程的核心是膜本身。工业应用的膜应具有较大的透过速度和较高的选择性，这是选择膜的两个最重要的技术特性。还应具备机械强度好、耐热、化学性能稳定，不被细菌污染等条件。膜的分类(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则；(2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。(3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。(4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。(5)液膜：将在有关章节中讨论。(6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。(7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。图1对称膜图2非对称膜图3对称膜图4非对称膜几种常用膜的适用范围

膜分离的特点①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂；③不发生相变化（因而能耗较低）；④在很多情况下选择性较高；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。因而在生物产品的处理中占有重要地位

膜分离也有很多缺点，比如膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限；单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。＜0.5

离子、有机物

溶解扩散

渗透蒸发＜0.5

离子、有机物

溶解扩散

反渗透＜２

离子、分子量＜100的有机物

溶解扩散

纳滤2~501000~1000,000Da的大分子

体积大小

超滤50~100000.05~10μm的固体粒子

体积大小

微滤＞10000固体粒子

体积大小

粒子过滤孔径/nm分离对象

分离机理

膜过程各种膜分离范围膜分离过程膜分离过程的类型浓度梯度电位差浓度梯度压力（1~10MPa)压力（0.2~1MPa)压力（0.05~0.5MPa)驱动力醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱水，有机液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等小分子有机物与水的分离致密膜或复合膜渗透蒸发苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工艺用水离子脱除、氨基酸分离离子交换膜电渗析除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等小分子有机物和无机离子的去除对称的或不对称的膜透析低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水淡化，超纯水制备小分子溶质脱除与浓缩带皮层的不对称膜、复合膜（＜１nm)反渗透溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌，酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印染废水处理，乳化液分离、浓缩等

细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离不对称微孔膜（１~５0nm)超滤溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除清毒、澄清、细胞收集对称微孔膜（0.05~10μm)微滤示例应用对象

膜结构名称几种主要膜分离技术特征膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型膜分离的孔径范围膜分离过程的类型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。膜分离过程的类型1.透析：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，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。透析原理图膜分离过程的类型水分子大分子小分子透析膜膜分离过程(membraneseparation)透析法的应用膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。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、但在实验室中应用较多。透析法的应用膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)蛋白质透析

透析袋透析简单装置。A:透析夹，B:透析，C:透析示意图

2.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0.025~14μm之间，截留直径为0.02μm~10μm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。

微滤(Microfiltration，MF)

一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；3.超滤（Ultrafiltration,UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02μm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可变化。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，脱盐，去热原，在生物工程中应用最广。

一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。

超滤原理的示意图

一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。

超滤原理的示意图

常规过滤(A)和超滤(B)的示意图

AB4.反渗透（Reverseosmosis,RO）:

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。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0.1~1nm之间。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截留住。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。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截留住。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。膜法海水淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10几种分离方法能耗比较嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水

微滤超滤反渗透○:微粒子●:大分子＋:小分子……..：水5.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。1-半透膜2-搅拌器3-溶液4-铂电极5,6-进出水管电渗析的应用：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6.气体渗透：气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的渗透速率，使得当压缩空