第六章膜分离过程PPT

1、第六章 膜分离过程Membrane separation,膜分离技术,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。 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份，从而达到分离目的的技术。,膜,料液,水,小分子,大分子,渗透液,定义：在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。,“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色” “谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”,一、膜的简介,膜的用途,浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物

2、为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。,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,膜分离的特点： 无相变、低能耗 高效率、污染小 工艺简单、操作方便 浓缩与纯化同时进行,(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，朝向待分离浓

3、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0.0520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。,膜的分类,图1 对称膜 图2 非对称膜,图3 对称膜 图4 非对称膜,二、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

4、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。,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

5、径分布范围在0.02514m之间，截留直径为0.02m 10m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0.001-0.02 m，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

6、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,A,B,4.反渗透（Reverse osmosis,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. 11 nm之间。,其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的

7、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,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

8、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，使得当压缩空气经过滤器进入分离器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。,气体渗透分离空气中的氮,膜分离过程的类型,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和

9、反渗透。,三、膜材料,膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个基本要求： （1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.1-0.5 MPa，反渗透膜的压力更高，约为1-10MPa； （2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要； （3）耐酸碱：防止分离过程中以及清洗过程中的水解； （4）化学相容性：保持膜的稳定性； （5）生物相容性：防止生物大分子的变性； （6）成本低。,不同膜材料的特点与应用,醋酸纤维素和聚砜应用最广,膜的制造方法,1相转变法：浇铸液支持物上铺开蒸发部分溶剂凝 胶形成热处理(退火)； 2烧结法： 膜材料粉模具内严格控制温度和压力 由 软变

10、熔 形成多孔体 机械加工； 3核径迹法：厚为5-15m薄膜粒子(如a粒子或中子)照射 化学键断裂形成径迹酸碱液腐蚀形成孔道； 4拉伸法： 晶态聚烯烃在低熔融温度下挤压成膜 延伸 得到高的熔融应力无张力条件下退火拉伸； 5复合膜的制备：是相转变膜的继续发展，制造非常薄的特 征分离层。在多孔支撑层上制作聚合物膜。,四、各种膜组件,由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。 目前市售商品膜组件主要有：管式、中空纤维 、螺旋卷绕式 、平板式 共同的特点 尽可能大的膜表面积 可靠的支撑装置 可引出透过液 膜表面浓度差极化达到最小,1、管式膜组件,特点： 结构简单、适应性强、压力损失

11、少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。,结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。,管式陶瓷超滤膜组件,2、平板式膜组件,结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。 特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。,板式膜组件,3、螺旋卷式膜组件,结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。 特点：,优点：比表 面积大，结 构简单，价 格较便宜； 缺点：处理 悬

12、浮物浓度 较高的料液 时易堵塞。,超滤超滤微滤卷式膜组件,特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、 浓缩倍数较低的料液处理和水处理。,卷式膜分离器（工业用）,4、中空纤维式膜组件,结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080m)或毛细管膜（内径0.252.5mm）固定在圆筒形容器内构成。 特点：,优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用 。 缺点：易堵塞，对料液要求高。,中空纤维膜分离器（工业用）,5、纳米膜过滤技术,介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过。 特点： （1）在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩

13、与透析为一体； （2）操作压力比反渗透低很多。,纳滤的应用,6、膜亲和过滤法,膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。 内容：包括两个分支 （1）亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离； （2）亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤。,亲和膜分离技术要点,分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上一条“手臂链”（大于三个碳原子）； 亲和膜制备：选用合适的配基，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质； 亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物

14、的复合体； 洗脱：改变条件（洗脱液组成、pH、离子强度、温度等），使复合物解离； 亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用。,亲和膜分离操作方式,亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）,五、膜分离过程在生物工程中的应用,六、膜分离技术应考虑的问题,1、截留分子量(MWCO) 截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。,MWCO只是表征膜特性的一个参数，不能作 为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分 布、耐污染能力等)综合考虑。,一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子 量定义为膜的截留分子量。,实际膜分离过程中

15、影响截留率的因素： 溶质分子量 分子特性 不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性； 对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低； 若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。 其他高分子溶质的影响 其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。 操作条件 膜面流速提高，截留率降低；,膜分离技术应考虑的问题,2、浓差极化:在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。如下图：,浓差极化: 它对水的透过起着阻碍作用。所以浓差极化会降低膜的透水率； 结垢阻塞。,为了减少浓差极化，通常采用错流操作，使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面的固体移走。,3、污染: 由于溶质与膜的相互作用

16、而在膜表面和孔内吸附，或因浓差极化，溶质在膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”引起膜性能变化的现象。 是一个不可逆过程。通常它受到膜的化学特征、蛋白质种类、溶液的pH值、无机盐浓度、温度等因素的影响。 影响:透过通量大幅度下降；降低目标产物的回收率。膜污染是膜技术应用的最大限制因素。,膜分离技术应考虑的问题,防止或减轻膜污染的措施： 对料液进行预处理； 对膜进行预处理； 改变操作条件。,4、膜的清洗: 膜污染造成膜透水量随运行时间增长而下降。清洗的方法通常可分为物理方法与化学方法。 物理方法：一般指用高速流水冲洗。 化学清洗：通常是用化学清洗剂对膜进行清洗。,膜分离技术应考虑的问题,清洗剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、醇、络合剂、氧化剂和酶溶液等。 清洗剂选用要求： 优先考虑水；温水 具有良好的去污能力； 不损害膜的过滤性能。,中空纤维膜组件常采用反洗和循环清洗。,七、膜生物反应器,定义：膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置。 应用于动植物细胞高密度培养