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1、第六章 膜分离,近20年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域； 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 (membrane separation),6.1 概述 6.2 各种膜分离法及原理 6.3 膜材料及其特性 6.4 膜组件 6.5 膜分离实例,6.1 概述,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反渗透膜
2、，是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。,6.1 概述,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。,6.1 概述,在一种流体相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。 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜,膜的概念,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对
3、称膜、复合膜 按材料分：天然高分子材料膜、合成高分子材料膜、无机材料膜,6.1 概述,6.1 概述,膜分离的特点： 操作在常温下进行； 是物理过程，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。 因而在生物产品的处理中占有重要地位。,切向流过滤（Cross-flow Filtration）,又称错流过滤、交叉过滤或十字流过滤。 是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液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沉积的固体移走。 当移走固体的速率与固体的沉积速率相等时，过滤速率
4、就近似恒定。,例1：用泵循环使悬浮液流径膜滤器，产生切向流。,浓缩液部分循环,例2：在膜表面加以搅拌造成悬液流动，产生切向流。,切向流过滤的缺点：,（1）切向流所产生的剪切作用有可能使蛋白质产物失活，因而过滤速度受限制。 （2）能耗比一般过滤高，大部分用来使流体快速流动。 （3）固相液体含水量较高，实际上仍为流体，仅起浓缩作用。当浓缩相固相浓度高而使流动性下降时，过滤速率将迅速下降。 （4）不能避免膜的污染和堵塞。,常见膜分离过程: 微滤（Microfiltration，MF） 超滤（Ultrafiltration，UF） 反渗透（Reverse osmosis，RO） 纳滤（Nanofilt
5、ration） 电渗析（Electrodialysis，ED） 透析（Dialysis，DS） 渗透气化（Pervaporation，PV）,6.2 各种膜分离法及原理,6.2 各种膜分离法及原理,微滤（MF）和超滤（UF）都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力，只是膜的孔径不同。 在微滤或超滤分离过程中，由于分离的对象是高分子物质，其渗透压可忽略不计，则有 ：,6.2 各种膜分离法及原理,6.2 各种膜分离法及原理,微过滤（Micro-filtration, MF） 亦称精密过滤，膜孔0.05-10m，可以除去所有的微生物，在生物工业中主要的应用如下： a. 无菌空气的制备 b. 液体生物
6、产品的澄清、除浊 c. 培养液的无加热灭菌,微过滤的应用:,6.2 各种膜分离法及原理,6.2各种膜分离法及原理,超过滤（Ultra-filtration，UF）用的滤膜孔径大约为5-50nm，可截留分子量500(1000)以上的溶质，在生物工业中的应用有： a. 对溶液进行浓缩，提纯分级，应用的产品包括各种酶、蛋白质、激素、核酸、疫苗、 菌体病毒、抗菌素等。 b. 用作膜反应器。,超过滤的应用：,6.2 各种膜分离法及原理,反渗透原理示意图,1. 渗透：水分子从稀盐一侧向浓盐一侧渗透。,2. 平衡点与渗透压：水分子的渗透达动态平衡。,水,3. 反渗透：当外加一个大于渗透压的压力时，水分子从浓
7、盐一侧向稀盐一侧渗透。,反渗透原理示意图,6.2 各种膜分离法及原理,反渗透用的滤膜孔径为 0.1-1.0nm，可截留小分子的无机物，截留分子量为30-50。目前主要用于海水淡化、水软化、制造超纯水和污水处理，在生物工业中的主要应用有： a. 生物碱、激素、疫苗、抗生素等的分离浓缩。 b. 某些发酵饮料的脱盐。 c. 白酒除浊与净化。 d. 啤酒不加热浓缩等。,反渗透的应用：,6.2 各种膜分离法及原理,4. 纳滤（Nano- Filtration, NF）,纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，于20世纪80年代初开发，当时称之为低压反渗透。 与反渗透比较，由于纳滤对无机盐的截留率很低，在
8、过滤过程中，保留液（浓缩液）的渗透压不会明显提高，因而操作压力较低（大多为0.51.5MPa ）。 与超过滤比较，纳滤对低分子有机物有较高的截留率，过滤过程中保留液（浓缩液）的渗透压有一定提高，因而操作压力比超滤要高。,4. 纳滤（Nano- Filtration, NF）,纳滤能截留分子量为2001000之间的有机物质及高价无机离子。由于许多生物产品的分子量（如抗菌素、多糖、维生素、多肽、柠檬酸等）都在此范围，因而纳滤在生物工业中比超滤（主要用于生物大分子）和反渗透（主要是脱盐）有着更广泛的用途。,6.2 各种膜分离法及原理,发酵培养液主要成分尺寸与分子量,6.2 各种膜分离法及原理,5.
9、电渗析: 是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。可用于小分子电解后（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。 电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价健含有离子交换基团，如磺酸基（-SO3）等酸性阳离子交换基团和季铵基（-NR3OH）等碱性阴离子交换基团。键合阳离子交换基团的膜称为阳离子交换膜，键合阴离子交换基团的膜称为阴离子交换膜，在电场的作用下，前者选择性透过阳离子。,6.2 各种膜分离法及原理,电渗析分离原理示意图,电渗透析分离原理,6.2 各种膜分离法及原理,电渗析的应用： a.电渗析在工业上常用于海水淡化以及废水处理。 b.在生物分离方面，主要用于氨
10、基酸和有机酸等生物小分子的分离纯化。 c.在生物反应分离耦合的应用研究是电渗析技术发展的方向之一。,6. 透析,6.2 各种膜分离法及原理,利用具有一定孔径大小、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与水溶液、或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透向右侧，右侧的水透向左侧，这就是透析。 右侧纯水或缓冲溶液称为透析液； 所用的亲水膜称为透析膜； 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。,6.2 各种膜分离法及原理,透析原理图,透析（Dialysis）,从大分子溶液中透析除去中小分子、无机盐,透析过
11、程中，混合液中的大分子物质被截留在膜内，小分子经分子扩散作用不断透出膜 外，同时水分子（或其他溶剂）也不断扩散至膜内，直到膜内外达到平衡。,6.2 各种膜分离法及原理,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：,6.2 各种膜分离法及原理,7. 渗透气化,渗透气化原理: 它是利用被分离有机液体混合物中各组分的溶解度不同（有选择性地优先吸附溶液某一组分）及各组分在膜中扩散速度不同，来达到分离的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。,渗透气化,6.2 各种膜分离法及原理,分离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气相分隔开,并在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗透组分的蒸气压控制到接近零,膜两侧分压差和浓度差作为传质推动力的膜分离过程。,渗透气化原理示意图,6.2 各种膜分离法及原理,6.2 各种膜分离法及原理,
