第九章膜分离过程

1、膜分离过程 (membrane separation),2,一 膜技术概况和类型 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，从而达到分离目的的技术。 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，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。,膜分离过程,3,一 膜技术概况和类型,20世纪50年代 起步阶段 (基础理论和膜分离技术的初期开发) 20世纪60-70年代 发展阶段 (许多分离技术实现了工业化) 然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。,4,一 膜技术概况和类型,50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反

2、渗透膜的研究。 1960年Loeb等制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的膜： 该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。,不对称反渗透膜,5,一 膜技术概况和类型,60年代初马丁在研究反渗透时发现具有分离选择性的人造液膜，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。 1961年，米切利斯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。,6,一 膜技术概况和类型,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

3、了不带有固体膜支撑的新型液膜。 1967年，研制了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司成功研制平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。 70年代初，卡斯勒（Cussler）又成功研制含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。,7,膜分离的特点,常温操作,物理过程，不需加入化学试剂,不发生相变化（因而能耗较低）,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,设备易放大，可以分批或连续操作,8,功能膜的分类,1.按膜的材料分类,9,功能膜的分类,2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透

4、膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。 3. 按膜断面的物理形态分类 可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。,10,膜材料特征,1. 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：,11,膜材料特征,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。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOC

5、H3)3 + 2 CH2COOH,12,膜材料特征,醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜;也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。 纤维素醋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。,13,膜材料特征,2. 非纤维素酯类膜材料 （1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团； 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； 化学稳定

6、性好； 具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。,14,膜材料特征,（2）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 为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。,15,膜材料特征,聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为113，最高使用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。 这类树脂中，目前的代表品种有：,16,膜材料特征,17,膜材料特征,（ii）聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是

7、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8090之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。 以后发展了芳香族聚酰胺，pH适用范围为311，分离率可达99.5（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2h。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。,18,膜材料特征,DPI型膜由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：,DMAC-二甲基乙酰胺,19,膜材料特征,类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：,20,膜材料特征,（iii）芳香杂环类 聚苯并咪唑类 如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类 型。这种膜材料可

8、用以下路线合成：,21,膜材料特征, 聚苯并咪唑酮类 这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜， 其化学结构为： 这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达9095， 并有较高的透水速率。,22,膜材料特征, 聚吡嗪酰胺类 这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：,23,膜材料特征, 聚酰亚胺类 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能 力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的 聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。,24,膜材料特征,其中，Ar为芳基，对气体分离的难易次序如下： H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8 易 难 聚酰亚胺溶解性差

9、，制膜困难，因此开发了可 溶性聚酰亚胺，其结构为：,25,膜材料特征,（iv）离子性聚合物 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。,26,膜材料特征,（v）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括：聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。 共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙

10、烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。,27,二、 膜的制备,1. 分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性 能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的 是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。,28,二、 膜的制备,2. 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LS 型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S. Leob）和索里 拉金（S. Sourirajan）发明的，并首

11、先用于制造醋 酸纤维素膜。 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，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜， 其工艺框图可表示如下：,29,二、 膜的制备,图42 LS法制备 分离膜工艺流程框图,30,二、 膜的制备,3. 复合制膜工艺 由LS法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.251m，相当于总厚度的1/100左右。 理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用LS法制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图43所示。,31,二、 膜的制备,图43 复合制膜工艺

12、流程框图,32,二、 膜的制备,膜的保存: 应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。 微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。,33,三、膜的结构,膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜的分子态结构。膜结构的研究可以了解膜结构与性能的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。 1、膜的形态 用电镜或光学显微镜观察膜的截面

13、和表面，可以了解膜的形态。下面仅对MF（微孔过滤）膜、UF(超滤)膜和RO（反渗透）膜的形态作简单的讨论。,34,三、膜的结构,(1) 微孔膜具有开放式的网格结构 形成机理为： 制膜液成膜后，溶剂首先从膜表面开始蒸发，形成表面层。溶剂以气泡的形式上升，升至表面时就形成大小不等的泡。这种泡随着溶剂的挥发而变形破裂，形成孔洞。此外，气泡也会由于种种原因在膜内部各种位置停留，并发生重叠，从而形成大小不等的网格。 开放式网格的孔径一般在0.11m之间，可以让离子、分子等通过，但不能使微粒、胶体、细菌等通过。,35,三、膜的结构,(2) 反渗透膜和超过滤膜的双层与三层结构模型 雷莱（Riley）首先研究

14、了用LS法制备的醋酸纤维素反渗透膜的结构。从电镜中可看到，醋酸纤维反渗透膜具有不对称结构。与空气接触的一侧是厚度约为0.25m的表面层，占膜总厚度的极小部分（一般膜总厚度约100 m）。表面没有物理孔洞，致密光滑。下部则为多孔结构，孔径为0.4m左右。这种结构被称为双层结构模型。,36,三、膜的结构,吉顿斯（Gittems）对醋酸纤维素膜进了更精细的观察，认为这类膜具有三层结构。最上层是表面活性层，致密而光滑，其中不存在大于10 nm的细孔。中间层称为过渡层，具有大于10 nm的细孔。上层与中间层之间有十分明显的界限，中间层以下为多孔层，具有50 nm以上的孔。与模板接触的底部也存在细孔，与中

15、间层大致相仿。上、中两层的厚度与溶剂蒸发的时间、膜的透过性等均有十分密切的关系。,37,三、膜的结构,（3）膜的结晶态 舒尔茨和艾生曼对醋酸纤维素膜的表面致密层的结晶形态作了研究，提出了球晶结构模型。认为膜的表面层是由直径为18.8 nm的超微小球晶不规则地堆砌而成的。球晶之间的三角形间隙，形成了细孔。他们计算出三角形间隙的面积为14.3 nm2。若将细孔看成圆柱体，则可计算出细孔的平均半径为2.13 nm；每1cm2膜表面含有6.51011个细孔。用吸附法和气体渗透法实验测得上述膜表面的孔半径为1.72.35 nm，理论与实验十分相符。,38,三、膜的结构,对芳香族聚酰胺的研究表明，这类膜的

16、表面致密层不是由球晶、而是由半球状结晶子单元堆砌而成的。这种子单元被称为结晶小瘤（或称微胞）。表面致密层的结晶小瘤由于受变形收缩力的作用，孔径变细。而下层的结晶小瘤因不受收缩力的影响，故孔径较大。,39,四、膜的特点,典型的膜分离技术及应用领域 典型的膜分离技术有微孔过滤(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。 1 微孔过滤技术 （1） 微孔过滤和微孔膜的特点 微孔过滤技术始于19世纪中叶，是以静压差为 推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分 离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。,4

17、0,四、膜的特点,微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90150m左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在0.010.2MPa。 微孔膜的主要优点为： 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； 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7080。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；,41,四、膜的特点, 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。 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： 颗粒容量较小，易被堵塞； 使用时必

18、须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。,42,四、膜的特点,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： A 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。 B 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。,43,四、膜的特点,C 气体、溶液和水的净化。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。 D 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

19、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。,44,四、膜的特点,E 药物的除菌和除微粒。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。选择微孔膜过滤后，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。,45,四、膜的特点,2 超滤技术 (1) 超滤和超滤膜的特点 其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约510 nm，在 0.10.5 MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子。 超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留

20、的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。,46,四、膜的特点,超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。一般由三层结构组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑；中间的过渡层;最下面的支撑层。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。,47,四、膜的特点,中空纤维状超滤膜的外径为0.52m。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。,48,四、膜的特点,制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质， 如醋酸

21、纤维素超滤膜适用于pH = 38;芳香聚酰胺超滤膜适用于pH = 59，温度040。,49,四、膜的特点,(2) 超滤膜技术应用领域 超滤技术主要用于含分子量500500,000的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，主要可归纳为以下方面。,50,四、膜的特点,A 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。 B 汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。 C 食品工业中的废水处理。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。,51

22、,四、膜的特点,D 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。 E 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。 F 造纸厂的废水处理。,52,四、膜的特点,3 反渗透技术 （1）反渗透原理及反渗透膜的特点 在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方法不可比拟的优势。,53,四、膜的特点,水透过半透膜，从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图44a）。这一过程的推动力表现为水的渗透压。 随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压

23、力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图44b）。,54,四、膜的特点,图44 渗透与反渗透原理示意图,55,四、膜的特点,通过向高浓度测水溶液加压使高浓度水溶液中的水通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图44c）。 反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为 2100MPa。 反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小0.5nm，可截留溶质分子。,56,四、膜的特点,制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。 反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论。,57,四、膜的特点,4.

24、反渗透与超滤、微孔过滤的比较 都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，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500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0.110m的粒子应该选微孔膜。,58,四、膜的特点,表43 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较,59,膜分离法与物质大小（直径）的关系,5.膜分离过程,60,5.膜分离过程,有关微米的一组数据 1m= 10-3mm 人发直径 70-80m 裸眼可见最小颗粒 40m 金属颗粒 50m 酵母菌 3m

25、假单胞菌 0.3m 小RNA 病毒 0.03m,61,0.5,离子、分子量100的有机物,溶解扩散,渗透蒸发,0.5,离子、分子量100的有机物,溶解扩散,反渗透,离子、分子量100的有机物,溶解扩散,纳滤,250,10001000,000Da的大分子,体积大小,超滤,5010000,0.0510m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,5.膜分离过程,62,1.微滤,5.膜分离过程,63,5.膜分离过程,微滤是利用多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。在压力驱动下，溶液中水、有机低

26、分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同组分的目的。,64,5.膜分离过程,65,5.膜分离过程,66,5.膜分离过程,超滤中三种作用,1 膜孔机械筛分作用,2 膜孔阻塞、阻滞作用,3 膜表面及膜孔对杂质的吸附作用,膜的浓差极化,溶液在膜的高压侧，由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜，结果在膜表面溶质（或大分子物质）的浓度不断上升，产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差，这种现象称为膜的浓差极化。,67,5.膜分离过程,减缓措施,一、是提高料液的流速，控制料液的流动状态，使其处于紊

27、流状态，让膜面处的液体与主流更好地混合；,二、是对膜面不断地进行清洗，消除已形成的凝胶层。,68,3 纳滤,5.膜分离过程,().概念 介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术。其截留分子量在200-1000道尔顿 膜孔径为纳米级。 多是复合膜,表面分离层和支撑层组成不同,在纳滤膜表面有一层均匀的超薄脱盐层,比反渗透膜疏松得多,操作压力比反渗透低,因而纳滤也可认为是低压反渗滤技术。,膜结构：,69,5.膜分离过程,(2)纳滤特点:,截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为2002000,纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。,多是复合膜，表面分离层和支撑

28、层的化学组成不同。分离层可能拥有nm左右的微孔结构，故称“纳滤”。由于其截留率大于95%的最小分子约为nm,故称之为纳滤膜。,70,5.膜分离过程,(3)肽和氨基酸的分离 道南（Donnan）效应：离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。 氨基酸和多肽等电点时是中性，当高于或低于等电点时带负电荷或正电荷。 由于一些纳滤膜带有静电官能团，基于静电相互作用，对离子有一定的截留率，可用于分离氨基酸和多肽。,71,纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图,5.膜分离过程,72,5.膜分离过程,73,肽和氨基酸的分离,5.膜分离过程,基于上述原理，Tsuru等通过调节pH值，进行了某些多肽和氨

29、基酸的混合体系的纳滤分离实验。 Garem 等利用无机和高分子复合型的纳滤膜进行了九种氨基酸和三种多肽的分离实验，探讨了这种方法的可行性。,74,5.膜分离过程),滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在Donnan效应，因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，并具有不影响分离物质的生物活性、节能、无公害等特点。 纳滤膜应用时注意的一些问题 膜污染问题 为满足食品和医药行业对卫生的要求膜要经常的杀菌、清洗等处理。,75,5.膜分离过程,76,77,微滤、超滤、纳滤和反渗透,5.膜分离过程,78,5.膜分离过程,。,79,5.膜分离过程,电渗析利用直流电场的作用使水中阴、阳离子定向

30、迁移，并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜具有选择透过阴离子而阻挡阳离子通过），使原水在通过电渗析器时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而达到了分离溶质和溶剂的目的。,80,（5） 电渗析,5.膜分离过程,81,5.膜分离过程,（6） 渗透气化(膜蒸馏),原理:透过侧抽真空或通以惰性气流使膜两侧产生溶质分压差,在分压差作用下料液中溶质溶于膜内,扩散通过膜,在透过层发生气化,气态溶质在透过层的冷却装置作用下冷凝回收。,82,（6） 渗透气化(膜蒸馏),即：利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地优先吸附(透过)溶液某一组分及各组分在膜中扩散速度

31、不同来达到分离的目的。 溶质和膜的作用决定溶质的透过速度,疏水性的溶质易溶于疏水性的膜。气化所需潜能用外部热源供给。,83,液相,渗透气化示意图,气相,84,渗透汽化装置,85,7 透 析,膜分离过程,即：膜两侧溶质浓度不同，在浓差作用下，左侧高分子溶液中小分子溶质（如无机盐）透向右，右侧的水渗透向左侧，这就是透析。(膜两侧浓度梯度差可使水由低浓度侧向高浓度侧移动，这称为渗透。),原理：利用具有一定孔径大小的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溶液(左侧)与纯水或缓冲液(右侧)分隔.,86,透析原理图,透析液,水分子,大分子,小分子(无机盐),透析膜,膜分离过程,87

32、,透析法的应用,膜分离过程,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。,88,89,90,91,三 浓差极化与膜污染及清洗方法,膜分离过程,膜分离浓差极化与膜污染是影响膜分离主要障碍。 浓差极化:溶液在膜的高压侧，由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜，结果在膜表面溶质（或大分子物质）的浓度不断上升，产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差，这种现象称为膜的浓差极化。,92,膜分离过程,93,膜污染,膜分离过程,指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子由于与膜存在物理

33、化学相互作用或机械作用而引起的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。 膜污染与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截然不同。,94,膜污染的控制方法,膜分离过程,在减少膜污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:,进料液的预处理 选择合适的膜材料 改善操作条件,95,完整性试验,膜分离过程,本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏 操作过程： （1）将超滤器保留液出口封闭； （2）透过液出口接上一倒置的滴定管； （3）自料液进口处通入一定压力

34、的压缩空气 （4）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。,96,完整性试验流程图,试验组件和膜是否完整,膜分离过程,97,克服浓差极化的方法,浓差极化的减少,降低压力,降低膜表面的浓度,降低溶质在料液中的浓度,垂直于膜 的混合,低浓度因子,提高固体粒子 反向质量传递,排除膜表面 的浓集物,桨式混合器,静态混合器,边界层减薄,机械清洗,高速度梯度,短的液流周期,增加扩散,细的通道,移动膜,移动液体,提高温度,膜分离过程,98,膜生物分离法的应用,膜分离过程,浓缩大分子 纯化去杂质（植物成分） 抗生素去热原（卷曲霉素） 滤过除菌 膜生物反应器,99,1 微生物菌体分离,膜分离

35、过程,实例：超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体。可将发酵原液中固体含量浓缩10倍，为菌体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨酸含量、pH等理化指标与发酵液相同，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，收率可达到90.96%，比传统等电点法高7个百分点。,100,2 小分子产物的回收,膜分离过程,氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，用超滤法可从发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去更小的杂质。,101,3 除热原,膜分离过程,传统的针剂用水除热源的方法是：过滤加活性炭吸附，此法并不可靠。目前在医药工业上用超滤法制造无菌水。 热源物质分子大小为210nm，分子量为20 0001 000 000，用截留分子量6 000左右的膜比较合适。,102,4 蛋白质的回收与脱盐,膜分离过程,根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。由于超滤膜的孔径有一定的分布范围，用超滤进行蛋白质的分级分离时，蛋白质之间的分子量需相差10倍以