《膜分离技术》教学课件

6膜分离技术

(membraneseparation)

第一讲16膜分离技术

(membraneseparation)本讲的主要内容膜分离技术概述膜材料与膜的制造表征膜性能的参数各种膜分离技术及其分离机理2本讲的主要内容膜分离技术概述2膜是什么？指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，把流体相分隔为互不相通的两部分，使这两部分之间产生传质作用。可以是固态、液态或气态的。压力膜包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜。3膜是什么？指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝压什么是膜分离技术？概念：用天然或人工制备的、具有选择性透过的膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。推动力：压力差浓度差电位差4什么是膜分离技术？概念：用天然或人工制备的、具有选择性透过的概述人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是近几十年的事。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膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。5概述人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服年代科学家主要内容1748AbbeNollet水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象1827Dutrochet名词渗透作用（Osmosis）的引入1831J.V.Mitchell气体透过橡胶膜的研究1855Fick发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制备了早期的人工半渗透膜1861～1966Graham发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现渗析（Dialysis）现象1860～1977Van‘tHoff，Tranbe，Preffer渗透压定律1906Kahlenbery观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜1917Kober引入名词渗透气化（Pervaporqtion）膜科学的发展史6年代科学家主要内容1748AbbeNollet水能自发地穿1911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象1922ZsigmondyBachmanFofirol..etc微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维）1920Mangold，Michaels.Mobain..etc用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象1930Teorell，Meyer，Sievers进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础1944WilliamKolff初次成功使用了人工肾1950Juda，Mcrae合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离工程1960Loeb-Sourirajan相转化法制出了非对称反渗透膜1968N.N.Li发明了液膜1980Cadotte制出了界面反应聚合复合膜续表：71911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体分离过程年代目前主要厂商应用微滤1925MilliporeCorp，Pallcorp.，AsahiChemical微电子、医学、食品、化工等电渗析1960OonicsIns.，TokuyamaSoda，AsahiGlass苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业反渗透1965FilmTech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，DduPont海水脱盐、饮用水生产、食品工业、造纸工业等渗析1965Enka/AKZO，Gambro，AsahiChemical血液渗析、工业废液等超滤1970AmiconCorp.，KochEng.Inc.，NittlDenko制药工业、乳品工业等气体分离1980Permea/AirProd.，UbeInd.，Hoechst/Celanese医疗、燃烧过程等渗透汽化1990GFTGmbH无水乙醇生产膜工业的发展史8分离过程年代目前主要厂商应用微滤1925Millipore1950’荷兰——人工肾——血液透析人工肾91950’荷兰——人工肾——血液透析人工肾91955’美国——电渗析——海水脱盐淡化101955’美国——电渗析——海水脱盐淡化101111电渗析除盐装置12电渗析除盐装置121965’美国——反渗透——海水脱盐、饮用水生产131965’美国——反渗透——海水脱盐、饮用水生产13★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概述14★膜分离的特点概述14膜分离技术的重要性膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。

膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。

膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。概述15膜分离技术的重要性膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有膜分离技术的重要性评论：美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”。国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命”日本则把膜分离技术作为21世纪的基础技术进行研究和开发。16膜分离技术的重要性评论：16在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会会长黎念之博士在1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”17在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世6.1膜材料

与膜的制造186.1膜材料

与膜的制造18膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为0.1~10MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；19膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：19（一）膜材料天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：有机高分子材料纤维素酯类缩合系聚合物——聚砜类

聚烯烃及其共聚物脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物

全氟磺酸共聚物、全氟羧酸共聚物

聚碳酸酯

无机材料20（一）膜材料20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。21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1、纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个葡萄糖基通过1,4-β-糖苷链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：221、纤维素酯类膜材料22从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。23从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高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（30℃）⑥pH范围窄，清洗困难⑦易受微生物侵袭醋酸纤维素的特点24①透过速度大醋酸纤维素的特点242、非纤维素酯类膜材料(1)非纤维素酯类膜材料的基本特性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，

使之有高的抗压性和耐热性；③化学稳定性好；252、非纤维素酯类膜材料25pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：主要的非纤维素酯类膜材料i、聚砜类聚砜结构中的特征基团为

26pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为polyamide，缩写为PA。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。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。长期使用稳定性好。ii、聚酰胺类27聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基团（-NHCO-）脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替链接而成。mp型脂肪族聚酰胺。p型脂肪族聚酰胺28脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲基链段和极性芳香族聚酰胺

分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳香族聚酰胺。目前工业化的有两大类：聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex）聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰胺全对位聚芳酰胺29芳香族聚酰胺分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳香族聚酰聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-）,亲水性好,且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，不耐氯。与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、pH范围广（4-11）。30聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-）,亲水性好,且其机械稳定用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟乙烯等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯/乙烯醇等。iii、聚烯烃类聚乙烯醇

聚四氟乙烯

聚丙烯

31用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟磺酸：R-SO3H羧酸：RCOOH全氟：R中氢原子全被氟取代而成。共聚物：e.g.全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物iv、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物32磺酸：R-SO3Hiv、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物32分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。v、聚碳酸酯33分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪方法：烧结法、溶剂浇铸法、熔压法、径迹蚀刻法、拉伸法、相转化法等。（1）烧结法——

将一定大小颗粒的粉末进行压缩，然后在高温下烧结。烧结过程中，颗粒间的界面消失。可采用这种制备方法的材料有，聚合物粉末（聚乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯），金属（不锈钢，钨），陶瓷（氧化铝，氧化锆），石墨（碳）和玻璃（氧化硅）。（2）溶剂浇铸法——用浇铸刀或压延棒将制膜液在平整玻璃板或钢板上流延成膜，然后使溶剂蒸发，在板上即可形成均匀的聚合物薄膜。（3）

熔压法——将碾细的聚合物置于两块平板间，加热使之熔化，并在高压下保持几分钟，冷却后即可制得。（适用于聚乙烯、聚丙烯、尼龙等不溶于流延液的膜材料）（二）膜的制备34（二）膜的制备34（4）

径迹蚀刻法——膜片接受高能粒子辐射，聚合物受到损伤形成径迹，再将此膜片浸入腐蚀性溶液中，径迹处即被腐蚀而形成圆柱形的孔，且分布均匀。（孔径0.02-10μm，由浸蚀的时间决定）（5）

拉伸法——在接近熔点的温度下把膜材料压紧，冷却后进行拉伸，使聚合物的结晶结构被破坏，产生孔隙。（6）

相转化法——通过适当途径使聚合物制膜液由液态转化为固态即可。途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀等。35（4）径迹蚀刻法——膜片接受高能粒子辐射，聚合物受到损伤形相转化制膜工艺相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L-S型制膜法。加拿大人劳勃和索里拉金发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。36相转化制膜工艺36聚合物溶剂添加剂均质制膜液流延法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜L-S法相转化制膜工艺流程框图将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成由液相转化为固相的膜，工艺框图如下：37聚合物溶剂添加剂均质制膜液流延法制成平板型、圆管型；纺丝法制膜材料的改性方法接枝——具有某种性能的基团或聚合物支链接到膜材料的高分子链上。溶剂化处理——在一定时间一定温度下，用某种溶剂对聚合膜进行预处理，以提高膜的分离性能。放射刻蚀——利用放射线对膜的表面进行处理，以提高膜的分离性能。交联改性——利用交联剂使高分子链形成网状机构，提高稳定性和机械强度。38膜材料的改性方法386.2表征膜性能的参数3939

膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。膜的性能主要包括两个方面：

透过性能

分离性能

40膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影1．透过性能能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是透过速率。透过速率——指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J表示。

J——透过速率，m3/(m2·h)或kg/(m2·h)；

V——透过组分的体积或质量，m3或kg；

A——膜有效面积，m2；

t——操作时间，h。411．透过性能41水通量：纯水在一定压力、温度(0.35MPa，25℃)下透过膜的速度，L/hm2。

同类膜，孔径，水通量Jw。由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。42水通量：纯水在一定压力、温度(0.35MPa，25℃)下透过2．分离性能

不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。432．分离性能43（1）截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率反映膜对溶质的截留程度，以R表示，定义为

——原料中溶质的浓度，kg/m3；

——渗透物液中溶质的浓度，kg/m3。100％截留率表示溶质全部被膜截留；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。44（1）截留率44截断曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。45截断曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。45浓差极化：由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，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，它对水的透过起着阻碍作用。当水透过膜并截留盐时，在膜表面会形成一个流速非常低的边界层，边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。46浓差极化：由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度分子形状：线状分子易透过，R线<R球；吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔

有效直径R；浓差极化作用：溶质在膜面沉积，使膜阻力，

R

，分离性能。影响截留率的因素47分子形状：线状分子易透过，R线<R球；影响截留率的因（2）截留分子量MWCO(molecularweight

cut-off)]截留分子量是指截留率为90%时所对应的最小分子量。截留分子量的高低，在一定程度上反映了膜孔径的大小。MWCO（球状蛋白质）近似孔径（nm)1000210000510000012100000029由截断分子量可估计孔道大小48（2）截留分子量MWCO(molecularweight（3）分离因数对于气体分离过程，通常用分离因数表示各组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因数定义为

式中——原料中组分A与组分B的摩尔分率；

——透过物中组分A与组分B的摩尔分率。49（3）分离因数49通常，用组分A表示易透过的组分。分离因数的大小反映该体系分离的难易程度，αＡＢ越大，表明两组分的透过率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高；αＡＢ＝1，则表明膜没有分离能力。膜的分离性能主要取决于膜材料的化学特性和分离膜的形态结构，同时也与膜分离过程的一些操作条件有关。该性能对分离效果、操作能耗都有决定性的影响。50通常，用组分A表示易透过的组分。分离因数的大小反映该体系分离3、孔道特征-孔径51孔径常用泡点法（bubble-pointmethod）测定。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐增大空气压力，当有稳定气泡冒出时的压力，称为泡点压力。根据下式，即可计算出孔径：

d＝4γcosθ／P式中d为孔径，γ为液体的表面张力，θ为液体与膜间的接触角，P为泡点压力。513、孔道特征-孔径51孔径常用泡点法（bubble-poi4、完整性试验本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏。52将超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口处通入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡逸出速度，如大于规定值，表示膜不合格。524、完整性试验本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏。52将超6.3各种膜分离技术及分离机理536.3各种膜分离技术及分离机理53膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜54膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜54常见膜分离方法按孔径（分离粒子）大小分类：透析（Dialysis，DS）微滤（Microfiltration，MF）超滤（Ultrafiltration，UF）纳滤（Nanofiltration，NF）反渗透（Reverseosmosis，RO）电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（Pervaporation，PV）概述55常见膜分离方法按孔径（分离粒子）大小分类：概述55截留分子量：微滤0.02～10μm（细菌等微粒）透析3000Dalton～几万Dalton超滤

数千～数百万Dalton（蛋白、多糖等）纳滤200～1000Dalton或1nm（抗生素、氨基酸）反渗透

200Dalton（离子）56截留分子量：56膜分离法与物质大小（直径）的关系RONFUFMFF57膜分离法与物质大小（直径）的关系57微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜的分离特性58微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二1透析(Dialysis)膜：具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜作用方式：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；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓度差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透过膜向水溶液渗透。截留分子尺寸：工业>0.02μm

人工肾>0.005μm591透析(Dialysis)膜：具有一定孔径大小、高分子溶透析原理图水分子大分子小分子透析膜60透析原理图水分子大分子小分子透析膜60透析法的应用蛋白质、无机盐

无机盐缓冲液常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质。由于透析过程以浓度差为传质推动力，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。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。61透析法的应用常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之2.微滤以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.02-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.1MPa。622.微滤以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低（0.05-0.1MPa）MF主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、污染物等，以达到净化、分离和浓缩的目的。MF滤除微粒和微生物的效率测试微粒球形SiO2球形聚苯乙烯细菌热原直径/μm脱除率/%0.21＞99.990.038＞99.990.0851000.1~0.41000.001＞99.99763MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因而MF的特点与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比，MF膜有以下几个特点：①孔径均匀，过滤精度高②厚度薄，≤普通深层过滤介质的1/10。大多数MF膜的厚度一般为90-150μm。吸附少，过滤速率大。③通量大。由于MF膜的孔隙率高，因此在同等过滤精度下，流体的过滤速度比常规过滤介质高几十倍。④过滤时无介质脱落，不产生二次污染。⑤颗粒容纳量小，易堵塞。64MF的特点与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺MF分离机理（1）膜表面层截留：又分有①筛分截留（机械截留），指MF膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；②吸附截留，指MF膜将尺寸小于其孔径的微粒通过物理或化学作用吸附而截留；③架桥截留，指固体颗粒在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。（2）膜内部截留（也称为网络截留），这种截留发生在膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而形成。除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留。65MF分离机理（1）膜表面层截留：又分有①筛分截留（机械截留）（a）膜表面层截留（b）膜内部截留（网络中截留）66（a）膜表面层截留（b）膜内部截留66微滤与常规过滤在许多方面有相似之处。根据微粒被膜截留在表面层或膜深层的现象，将微滤分成：表面过滤：微粒直径与膜孔径相近时，微滤过程中微粒被截留在膜表面并堵塞膜孔。深层过滤：微孔膜孔径大于被滤微粒的粒径时，在微滤过程中，微粒能进入膜深层并被除去。根据微滤过程操作方式：终端过滤错流过滤67微滤与常规过滤在许多方面有相似之处。67（A）终端过滤或死端过滤（Deal-endfiltrationorIn-linefiltration）终端过滤：待澄清的流体在压差推动力下透过膜，而微粒被膜截留在膜表面并形成滤饼，随时间而增厚。68（A）终端过滤或死端过滤终端过滤：待澄清的流体在压差推动力下（B）错流过滤（Cross-flowfiltration）错流过滤：用泵将滤液打入具有多孔膜壁的管道或薄层道内，滤液沿膜表面的切线方向流动，在压差推动下，使渗透液错流通过膜。69（B）错流过滤（Cross-flowfiltration）两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系终端过滤错流过滤70两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系终错70微滤应用

1)除去水/溶液中的细菌和其它微粒；

2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；

3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。

71微滤应用

1)除去水/溶液中的细菌和其它微粒；

2)除3.超滤是以压力差为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。孔径为2-20nm，操作压0.1-1MPa。723.超滤是以压力差为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶UF的特点属于压力差驱动型膜过程；分离机理一般认为是筛分原理；UF膜的形态为不对称结构；过滤的方式一般为错流过滤；膜皮层厚度小于1μm，操作压力较低；易于工业化，应用范围广73UF的特点属于压力差驱动型膜过程；73

UF膜结构及截留方式结构特征：一般为非对称膜，由一层极薄的（0.1~1μm）具有一定孔径的表皮层和一层较厚的（125μm左右）具有海绵状或指状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。UF过程中溶质的截留包括：在膜表面上的机械截留（筛分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面及膜孔内的吸附等三种方式。74UF膜结构及截留方式结构特征：一般为非对称膜，由一层极薄MF：多数是除杂，产物是过滤液（渗透液）。UF：着重分离，产物既可以是渗透液，也可以是截留液。UF和MF的功能区别75MF：多数是除杂，产物是过滤液（渗透液）。UF和MF的功能区超滤膜中存在的问题——浓差极化

在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂通量下降。当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质向膜面流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称为浓差极化。76超滤膜中存在的问题——浓差极化在膜分离过程中，料液中的溶压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图通量随时间变化趋势77压力驱动膜过程中通量随时间变化趋势77浓差极化的危害使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力；当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉淀层或凝胶层，增加透过阻力；当有机溶质在膜表面达到一定浓度时有可能对膜发生溶胀或恶化膜的性能；概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降。78浓差极化的危害使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减克服浓差极化的方法错流过滤提高进料流速，增加湍流提高温度提高膜面粒子的反向传递，降低膜表面的浓度79克服浓差极化的方法错流过滤79超滤应用蛋白、酶、DNA的浓缩脱盐/蛋白质纯化中药生产中滤除分子量大的杂质8080超滤应用蛋白、酶、DNA的浓缩80804纳滤纳滤(NF，Nanofiltration)：介于反渗透和超滤之间压力差驱动膜分离过程纳滤截留物相对分子量范围约为200～1000，能透过无机盐和水。814纳滤纳滤(NF，Nanofiltration)：介纳滤膜的特点纳滤膜对一价离子的截留率低，对二价或高价离子截留率较高。从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。多数纳滤膜为荷电膜，截留特性——膜孔尺寸&静电作用去除直径1nm左右的溶质粒子，截留物相对分子量200-1000。82纳滤膜的特点纳滤膜对一价离子的截留率低，对二价或高价离子截留溶解-扩散模型道南（Donnan）效应纳滤膜的分离机理83溶解-扩散模型纳滤膜的分离机理831．分离非电解质溶液时的传质模型

溶解－扩散模型

溶解-扩散模型是由Lonsdale等人提出的，其过程可概括为3步：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)通过膜层；③溶质和溶剂在膜的透过侧表面解吸。

841．分离非电解质溶液时的传质模型溶解－扩散模型溶解-2．分离电解质溶液时的传质模型

Donnan平衡模型：将荷电基团的膜置于含盐溶剂中时，溶液中的反离子（所带电荷与膜内固定电荷相反的离子）在膜内浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度则低于其在主体溶液中的浓度。由此开成的Donnan位差阻止了同名离子从主体溶液向膜内的扩散，为了保持电中性，反离子也被膜截留。852．分离电解质溶液时的传质模型Donnan平衡模型：85

（1）小分子量的有机物质的分离；（2）有机物与小分子无机物的分离；（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；86纳滤的应用8686纳滤的应用86世博园直饮水确定由我国膜企业龙头——

立昇提供超滤膜和百个饮水台世博组委会与技术提供方签署了合作协议。世博园将设立100个直饮台，直饮台设计方案也已确定，所有园区直饮台于3月安装到位。世博园直饮水将采用世界领先的“活性炭＋PVC合金超滤膜＋紫外线”处理工艺，超滤膜和直饮台均由国内著名膜企——立昇企业提供。该技术细菌去除率达到99.9999%，病毒去除率达到99.99%，水资源利用率达99%，水质卫生标准优于欧盟标准。世博会期间，各国观众将高达7000万，解决园区直饮水问题，可以方便观众饮水，也可减少瓶装水供应量，与“低碳世博”的理念相符。87世博园直饮水确定由我国膜企业龙头——

立昇提供超滤膜和百个饮立昇饮水台据了解，世博园A、B、C、D四个区域，将设立100个直饮水台，每相隔100米设置一个直饮台，每个直饮台有8～12个不等出水口，可保证1000多观众同时饮水，每天可为45万人提供优质直饮水。88立昇饮水台据了解，世博园A、B、C、D四个区域，将设立105反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。

操作压差一般为0.1～10MPa895反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）的性质反渗透的概念

在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透称为反渗透

90反渗透的概念在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作用渗透和反渗透91渗透和反渗透91溶解扩散模型优先吸附－毛细孔流动模型反渗透的分离机理92反渗透的分离机理92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。（1）溶解—扩散模型（无孔理论）93具体过程包括：（1）溶解—扩散模型（无孔理论）93（2）优先吸附-毛细孔流动模型

（有孔理论）优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。由Sourirajan于1963年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。94（2）优先吸附-毛细孔流动模型

（有孔理论）优先被吸附的组分优先吸附毛细孔流动模型膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面95优先吸附毛细孔流动模型膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面9反渗透工业应用包括：海水和苦咸水脱盐制饮用水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；用于处理重金属废水96969696利用待分离分子的荷电性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，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。

976、电渗析97利用待分离分子的荷电性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推电渗析过程采用的膜材料主要为离子交换膜，其表面和孔道内键合有离子交换基团。98电渗析过程采用的膜材料主要为离子交换膜，其表面和孔道内键合有电渗析技术是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。99电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实电渗析分离原理示意图100100电渗析分离原理示意图100100电渗析应用工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理生物分离中可用于氨基酸、蛋白质、血清等生物制品的纯化。101101电渗析应用1011014膜污染膜使用中最大的问题是膜污染。是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染的表现：膜通量下降；膜对生物分子的截留性能改变。1024膜污染膜使用中最大的问题是膜污染。102膜的污染(fouling)膜的污染可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染1沉淀污染沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。103膜的污染(fouling)膜的污染可分为沉淀污染2吸附污染有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。一般来讲膜的亲水性越强有机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。膜的污染(fouling)1042吸附污染膜的污染(fouling)1043生物污染是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。膜的污染(fouling)1053生物污染膜的污染(fouling)105防止膜污染的方法原料液的预处理膜表面的改性外加场：电场、离心场、超声波场高压反冲强化传质106防止膜污染的方法原料液的预处理106膜污染的清洗方法化学法物理法107膜污染的清洗方法化学法107化学法常用的清洗剂有：1．NaOH2．酸：如H3PO4

、HCl3．表面活性剂：SDS、TritonX-1004．消毒剂5．酶6．有机溶剂膜污染的清洗方法108化学法常用的清洗剂有：膜污染的清洗方法108物理法：反冲洗和循环清洗膜污染的清洗方法109物理法：膜污染的清洗方法109超滤液保留液透过液超滤循环清洗清洗液出口清洗液入口清洗液出口逆洗清洗液入口清洗液出口膜污染的清洗方式利用膜的不对称性和膜组件的结构特点进行清洗110超滤液保留液透过液超滤循环清洗清洗液出口清洗液入口清洗液出口5、膜组件1115、膜组件111良好的膜组件应具备下列条件：①沿膜面的流动情况好，浓差极化小。②单位体积中所含的膜面积较大。③组件的价格低。④清洗和膜的更换方便。112良好的膜组件应具备下列条件：112膜过滤装置的型式及其适用范围常见的膜过滤装置有四种类型：

①管式②中空纤维式③平板式④卷式（螺旋式）113膜过滤装置的型式及其适用范围常见的膜过滤装置有四种类型：111)平板式膜组件

1141)平板式膜组件114这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液从另一孔道流出收集。115这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交截留液透过液料液

膜支撑板隔板平板式膜组件116截留液透过液料液膜隔板平板式膜组件116板式膜实验室设备图(millipore公司)：117板式膜实验室设备图(millipore公司)：117板式反渗透(纳滤)膜装置(生产型)118板式反渗透(纳滤)膜装置(生产型)118板式膜超滤工业设备图:119板式膜超滤工业设备图:1192)卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组件。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。1202)卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一2)卷式膜组件1212)卷式膜组件121122122各种规格的卷式膜元件123各种规格的123OSMONICS公司的卷式膜元件Desal公司的RO膜元件NTR70－SWC型卷式RO海水淡化膜Filmtec公司的海水淡化膜124OSMONICS公司的Desal公司的RO膜元件NTR70－125125卷式纳滤膜浓缩设备(生产型)126卷式纳滤膜浓缩设备(生产型)126卷式膜反渗透工业设备图:127卷式膜反渗透工业设备图:127优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大缺点:清洗不方便，易堵塞压降大128优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件3)管式膜组件是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜而得到的圆管形分离膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式联成一体而组成，其外形状极类似于列管式换热器。1293)管式膜组件是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透内压管式：多孔管膜料液外压管式：料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件130内压管式：多孔管膜料液外压管式：料液内压式：膜涂在管内，料液组件的进出料示意图多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗余液渗透液垫圈131组件的进出料示意图多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗余液管式膜结构图管式132管式膜结构图管式132管式膜工业设备图:133管式膜工业设备图:133优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。缺点:管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,保留体积大，压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。134优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度4)中空纤维膜组件

中空纤维膜是一种极细的空心膜管，其本身不需要支撑材料即可耐受很高的压力，它实际是一根厚壁的环柱体，纤维的外径约为50-200μm，内径为25-42μm1354)中空纤维膜组件中空纤维膜是一种极细的空心膜管，其本膜组件外壳中空纤维MF膜组件中空纤维UF膜组件136膜组件外壳中空纤维MF膜组件中空纤维UF膜组件136KOCH公司中空纤维膜设备137KOCH公司中空纤维膜设备137优点:设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大缺点:中空纤维内径小，阻力大