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1、第五章 膜分离 Chapter 5 Membrane separation,中空纤维膜分离器（工业用）,概述 1 分离原理：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。 Separation principle：a semi-permeable membrane acts as a selective barrier retaining the molecules/particles bigger than the pore size while allowing the smaller molecules to permeate through the pores. 2 发展史（
2、1748年发现；1850年天然膜应用；1864年第一张人工无机膜亚铁氰化铜诞生；1930有机膜出现） 3 特点均相分离、无相变；无需加入化学物质；浓缩与纯化同时进行,4 应用与进展 Application and advance: the use of membrane technology for separation of biomolecules and particles and concentration of process fluids has expanded dramatically in recent years. The membrane function has bee
3、n made more versatile by integrating it with other separation principles.,5 工艺流程图,1-料液 2-泵 3-膜组件 4-滤液 5阀 6-压力表,6 膜的功能（Function of membrane ) 物质的识别与透过； 界面； 反应场。,第一节 各种膜分离法及原理 Various membrane separation processes,1 膜分离技术分类Classification ：,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。,一、反渗透Reverse osmosis,主要应用于纯水的生产及海水淡
4、化。 Reverse osmosis, or hyperfiltration, separates ionic solutes typically less than 1nm. Primarily applied to the production of pure water, and seawater desalination,1 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。 RO膜无明显的
5、孔道结构，透过机理尚不十分清楚。,2、反渗透膜分离,定义：在一定压力条件下，溶液中溶剂选择性透过半透性薄膜的过程。 分离机理： 优先吸附毛细孔流理论 溶解扩散理论 膜材：纤维素酯类、聚酰胺类等,膜结构：非对称膜 膜孔径：0.510nm 操作压力：210MPa,优先吸附毛细孔流动模型示意图,溶解扩散理论模型示意图,溶液,溶质,溶剂,反渗透膜,二、超滤和微滤 Microfiltrationand ultrafiltration,UF膜和MF膜有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。 微滤Microfiltration 膜孔径大，用于悬浮液过滤，广泛用于菌体分离与浓缩； 膜两侧渗透压可忽
6、略，甚至可在常压下操作。 Be used for separation of particles, typically 0.0110 m in diameter.,超滤Ultrafiltration 膜孔径比MF膜小，用于处理不含固形成分料液，根据高分子溶质间或高分子溶质与小分子溶质间分子量差别进行分离； 膜两侧渗透压较小，操作压力较低。 Separates polymeric solutes in the 0.0010.05 m range. Microfiltration and ultrafiltration are widely used in the primary recovery
7、 stages of downstream processing.,1、微孔膜分离,定义：在一定压力条件下，溶液中各微粒依据尺寸大小选择性透过半透性薄膜的过程。 分离机理：筛分 d2p J = 32L 膜材：纤维素酯类（醋酸纤维素、硝酸纤维素等）,膜结构：对称膜 膜孔径：0.15.0m(常用有0.22、0.45、0.65、1.0 m) 操作压力：0.010.2 MPa,2、超级膜分离,定义：在一定压力条件下，溶液中溶质依据分子量大小选择性透过半透性薄膜的过程。 分离机理：筛分 d2p J = 32L 3p J = k(1- )2S02L,膜材：聚砜类、聚酰胺类 膜结构：非对称膜 膜孔径：150
8、nm 操作压力： 0.10.5 MPa,三、透析,定义：利用透析膜（具有一定孔径大小，高分子溶质不能透过的亲水膜）将料液与透析液（纯水或缓冲液）分隔，在浓差作用下，料液中小分子溶质进入透析液，而透析液中的水进入料液。,应用：临床上常用于血液透析；生物分离中主要用于生物大分子溶液的脱盐。 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。,四、电渗析electrodialysis,定义：使用离子交换膜，利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。 Principle：ion exchange membrane is applied to solutes
9、separation according to the difference of carrying charges and size between the molecules of different solutes.,应用：工业上多用于海水淡化及废水处理；生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的分离及溶液脱盐。 Application：can be used for purification of charged small biomolecules.,五、渗透气化Pervaporation,定义：通过渗透气化膜，在膜两侧溶质分压差的作用下，根据溶质间透过速度的不同，并在透过侧发生气化，
10、使液体混合物得到分离的膜分离法。,特点： 溶质发生相变，消除了渗透压的作用，可在较低压力下进行，适于高浓度混合物的分离； 特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。,Principle: separation of solutes is determined by differences in their vapour pressure and by the permeability of the membrane. Application: recovery and concentration of volatile products.,小结：膜分离过程的类型及其特点,第二节 膜及
11、其特性,一、膜的定义与分类 在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为膜。 二 、膜材料 三 、膜结构 对称膜 非对称膜均相、非均相（复合膜）,二 膜材料Membrane materials,无机物 亚铁氰化铜、陶瓷、多孔玻璃等 有机物 天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊、醋酸纤维素、硝酸纤维素等 人工合成聚合物：聚砜类、聚酰胺类、聚碳酸酯等 特殊材料 聚电解质复合物、ZrO2/聚丙烯酸、 ZrO2 /碳等,Membrane materials commonly used,为实现高效分离，对膜材料的要求： Ideal materials should m
12、eet the expectations as follows： 有效膜厚度小，UF和MF膜孔隙率高，过滤阻力小； Effective membrane thickness is thin, and pore density is high; 膜材料为惰性，不易污染和堵塞； Inert materials； 适用的pH和温度范围广，稳定性高，使用寿命长； Adaptable for a wide scope of pH and temperature； 容易通过清洗恢复透过性能； Facile to be cleaned； 能满足实现分离目的的各种要求。 Can meet various se
13、paration destination.,超滤和微滤膜的孔道特性可通过电子显微镜直接观察测定。 Determination: directly observe by electron microscope for microfiltration or ultrafiltration membrane. 除核孔微滤膜孔径较均一外，其他膜的孔径均有较大的分布范围。 Generally speaking, there is a wider distribution range of pore diameter for almost all of the membrane.,三 膜的结构特性 Con
14、structional speciality of membrane,图2 对称膜 图3 非对称膜,1 孔道结构Pore structure 因膜材料和制造方法而异，对膜的透过通量和耐污染能力等操作性能有重要影响。,图5 对称膜 图6 非对称膜,2 孔道特性Pore property 包括孔径、孔径分布和孔隙率。 Parameters: pore diameter, distributing of pore diameter, and pore density on the surface of membrane.,图1 对称膜 图2 非对称膜,3 对称膜和不对称膜的比较 The differ
15、ences between symmetric membrane and asymmetric membrane,对称膜，即膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀，传质阻力大，透过通量低，容易污染，清洗困难，微滤膜大多为对称膜； Symmetric membrane: the structure of pore is symmetric along the direction of thickness on the section of membrane. The majority of microfiltration membrane are this type of structure;,不对称膜
16、，由表面活性层(0.20.5m)和惰性层(50100m)构成，透过通量大，膜孔不易堵塞，容易清洗，目前超滤和反渗透膜多为不对称膜。 Asymmetric membrane: constructed with surface active layer (0.20.5m) and inert layer (50100m) . The majority of ultrafiltration and reverse osmosis membrane are asymmetric nowadays.,4 水通量 定义：在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20) ，单位时间透过单位膜面积的纯水体积。 膜材料、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。 实际操作中由于溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等原因会使透过
