生物工程下游技术 膜分离讲解

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1、Chapter 5 膜分离 Membrane separation n n 5.1 5.1 概述概述 n n 5.2 5.2 各种膜分离技术及其原理各种膜分离技术及其原理 n n 5.3 5.3 膜及其特性膜及其特性 n n 5.4 5.4 膜组件膜组件 n n 5.55.5膜的操作特性膜的操作特性 n n 5.65.6影响膜分离速度的因素影响膜分离速度的因素 n n 5.75.7膜分离过程膜分离过程 n n 5.85.8膜的污染与清洗膜的污染与清洗 n n 5.95.9膜分离在生物工程中的应用膜分离在生物工程中的应用 5.15.1概述概述 n膜：在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把 流体相

2、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，膜的厚度应在0.5mm以下，否则不 能称其为膜，是具有一定选择性透过的过滤介质 。 n膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。膜分离过程的实质是物质透 过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程。 n膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用 n n 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜反渗透膜、纳滤膜 n n 按膜结构：对称性膜、不对称膜按膜结构：对称性膜、不对称膜 、复

3、合膜、复合膜 n n 按材料分：合成有机聚合物膜、按材料分：合成有机聚合物膜、 无机材料膜无机材料膜 5.25.2各种膜各种膜分离技术及其原理分离技术及其原理 n膜分离技术类型 按分离粒子大小进行分类： 5.2.1反渗透 概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，由于被分 离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达 10 MPa。膜孔径范围在0.00010.001 m之间； 原理： n n 由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不 同浓度的溶液隔开（淡水或盐水

4、），因此都存在渗同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗 透压。透压。 n n 渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； n n 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶 质的渗透压高得多质的渗透压高得多。 n n 渗透是由于存在化学势存在梯度而引起渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。的自发扩散现象。 n n 溶液中水的化学势溶液中水的化学势 纯水的化学势，纯水的 1 溶液中 1 溶液中水的活度 其结果是水从纯水一侧透过半透膜向 溶液侧渗透，使后者的液位抬高。 如果在溶液一侧施加压力

5、 ，外界 力做功使溶液中水的化学势升高，则 纯水通过膜的渗透就会逐渐减小，并 最终停止（条件？），此时的压力差 就是溶液的渗透压 。 RTcB 当 时，水将从溶液 一侧向纯水一侧移动，此种渗透 称之为反渗透。 常见的反渗透基本流程(4种) 反渗透的应用 n n 在净化和浓缩的全过程中，需要大量清水，同时又伴有大量废在净化和浓缩的全过程中，需要大量清水，同时又伴有大量废 水排出的情况下，通过水排出的情况下，通过RORO处理后，被净化的水可返回去重新使处理后，被净化的水可返回去重新使 用；用； n n 净化过程的用水，要求必须采用闭路循环系统，以进行水的再净化过程的用水，要求必须采用闭路循环系统，

6、以进行水的再 生使用，如宇宙飞船中的水处理；生使用，如宇宙飞船中的水处理； n n 废水中含有贵重物质，可用废水中含有贵重物质，可用RORO法回收；法回收； n n 凡属不适于加热或减压处理的过程，如各种果汁的浓缩等；凡属不适于加热或减压处理的过程，如各种果汁的浓缩等； n n 目前已大规模用于海水、苦咸水淡化及氨基酸浓缩等。目前已大规模用于海水、苦咸水淡化及氨基酸浓缩等。 5.2.2超滤 适用范围：截留尺寸为500-2000以上高分子粒子。 特点：相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管 对材料要求不高，可用间歇和连续操作。 主要性能：水通量（ Jv ），截留率R （%），合适 的孔径尺寸，孔

7、径的均一性与孔隙率，物理化学稳 定性 VV透水量，透水量，AA膜的有效面积，膜的有效面积，时间时间 c c1 1 料液中溶质浓度，料液中溶质浓度， c c 2 2 透过液中溶质浓度透过液中溶质浓度 ：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量） 超滤的基本方程 应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质 5.2.3微滤 适用范围：尺寸为0.1-10m（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。 特点：滤膜厚度薄，孔径均一，空隙率高，因 此滤速快，吸附少及无介质脱落。 主要性能

8、：水通量（ Jv ），截留率R （%）， 合适的孔径尺寸，孔径的均一性与孔隙率，物 理化学稳定性 应用：DNA、病毒的分离、精制阿斯匹林制 剂（提高澄清度）等 5.2.4纳滤 n n 以压力差为推动力，从溶液中分离以压力差为推动力，从溶液中分离30010003001000小分小分 子量的膜分离过程，孔径分布在平均子量的膜分离过程，孔径分布在平均2 2nmnm； n n 介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子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而使大部分无机盐通过 n n 特点：特点： （1 1）在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，）在过滤分离过程中，能截留小分子有

9、机物， 并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体； （2 2）操作压力低）操作压力低 纳滤膜的性质与特点 n n 有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料， 平均孔径为平均孔径为2 2nmnm，截留分子量范围在截留分子量范围在100200100200 道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定 性、性、pHpH稳定性、有机溶剂稳定性；稳定性、有机溶剂稳定性； n n 主要产品主要产品： n n Membrane products Membrane products Kiryat Weizm

10、annKiryat Weizmann， MPW (MPW (以色列以色列) ) n n Desalination System (Desalination System (美国美国) ) n n SelROSelRO, DESAL-5, FT- 40, DESAL-5, FT- 40等等系列膜系列膜，FilmtechFilmtech 公司（公司（美国，明尼苏达美国，明尼苏达） 纳米过滤的分离机理 n n 纳滤分离机理与反渗透膜了类似，同样纳滤分离机理与反渗透膜了类似，同样 遵循，基本的膜传递方程：遵循，基本的膜传递方程： 行 业处理对象行 业处理对象 制药工业母液中有效成分的回收 抗菌素的分离

11、纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化 化工行业酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收 食品工业乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收纯水制备 超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色 造纸厂废水净化 纳滤的应用 5.2.5渗析（透析）：以浓度差为推动力。 使用的是微孔膜，按渗透压和物质的大小 分离。主要用于血液（人工肾）的解毒 透析袋。 5.2.6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； 电渗析技术 n n 电渗析技术是在直流电场的作用下，由于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

12、溶液的淡化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。如和浓缩，分离推动力是静电引力。如离子离子 交换膜电渗析（交换膜电渗析（EDTMEDTM） 电渗析制备无盐水 n n 电流作用：电流作用： （1 1）离子迁移推动力）离子迁移推动力 （2 2）电极反应）电极反应 （3 3）电流泄漏）电流泄漏 n n 电渗析设备电渗析设备 离子交换膜离子交换膜 电渗析池电渗析池 直流电源直流电源 电极电极 （石墨阳极，镍铬不锈钢或铅阴极）（石墨阳极，镍铬不锈钢或铅阴极） 隔板隔板 （支撑交换膜）（支撑交换膜） 电渗析应用 o（1） 制水 o（2） 有机酸分离与浓缩 醋酸，乳酸，柠檬酸等

13、 5.35.3膜及其特性膜及其特性 5.3.15.3.1膜材料膜材料 n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 般模操作的压力范围在0.10.5MPa。反渗透膜的压力更高，约为 110MPa （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； n各种膜材料： n n 有机高分子膜：有机高分子膜： 纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜 类）、聚烯烃及其共聚物、

14、脂肪族类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族 或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺 酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳 酸酯；酸酯； n n 无机多孔膜：陶瓷膜无机多孔膜：陶瓷膜 微滤膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维， 醋酸纤维醋酸纤维 反渗透膜反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚醚，聚酰胺：醋酸纤维素衍生物，聚醚，聚酰胺 天然材料天然材料：各种纤维素衍生物：各种纤维素衍生物 人造材料人造材料：各种合成高聚物：各种合成高聚物 特殊材料特殊材料：复合膜，无机膜：复合膜，无机膜 超滤膜超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤

15、维：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 5.3.25.3.2膜的结构特性膜的结构特性 n膜的孔道结构：P113 n膜的孔道特性 ： n n 孔径孔径 （泡点法（泡点法bubble pointbubble point n n 孔径分布孔径分布 n n 空隙度空隙度 n水通量 ：纯水的透过通量P114 5.45.4膜组件膜组件 n n 管式管式 n n 中空纤维中空纤维 n n 螺旋卷绕螺旋卷绕 式式 n n 平板式平板式 共同的特点共同的特点 尽可能大的膜表面积尽可能大的膜表面积 可靠的支撑装置可靠的支撑装置 可引出透过液可引出透过液 膜表面浓度差极化达膜表面浓度差极化达 到最小到最小 平板式膜组件 特点

16、： 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 管式膜组件 特点： 结构简单、适 应性强、压力 损失少，处理 量大、清洗安 装方便、可耐 受高压，用途 较板式广泛。 螺旋卷式膜组件 特点： 膜面积大、湍流情况良好、适用于反渗透 中空纤维式膜组件 特点： 无需支撑物，可耐受高压，设备结构得到简化 可用于反渗透、超滤、微滤 5.55.5膜的操作特性膜的操作特性 5.5.15.5.1浓度极化模型浓度极化模型 5.5.25.5.2超滤膜的分子截留作用超滤膜的分子截留作用 n n 通透量理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细一种基于粒子悬浊液在毛细 管内流动的毛细管理论。管内流动的毛细管理论。 n n 水通量（水通量（J J w w ）和截留率（和截留率（R R） WW透水量，透水量，AA膜的有效面积，膜的有效面积，时间时间 n n c c1 1