膜分离技术PPT教程

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1、膜分离技术简介 二七年七月 目录 发展简史 基础知识 常用技术 设备简介 特点 展望 致谢 人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认 识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多 年的漫长过程。大致历程（20世纪）： 30年代：微孔过滤 40年代：透析 50年代：电渗析 60年代：反渗透 70年代：超滤和液膜 80年代：气体分离 90年代：渗透汽化 一、发展简史 国内研究历程 1958年开始研究离子交换膜； 1965年开始对反渗透膜进行探索； 1966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投 产，为电渗析工业应用奠定了基础； 70年代相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及 组件进行研究开发，进

2、而进入推广应用阶段； 80年代中期我国气体分离膜的研究取得长足进步 ； 90年代国家科技部对无机陶瓷微滤膜的工业化技 术组织了科技攻关，推进了陶瓷微滤膜的工业化 进程。 二、基础知识 1. 膜（membrane） （1） 定义：在一定流动相（液体or气体）中，有 一薄层凝聚相物质，把流动相分隔成两部分，这 一薄层即为膜。其厚度在0.5mm以下。 （2）分类： u按孔径不同（or截留分子量）:可分为 微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜 u按材料不同：无机膜(微滤膜，如：陶瓷膜和金属膜) 有机膜（高分子材料做成，如醋酸纤维 素CA、聚醚砜PES、芳香族聚酰胺、聚氟聚合物等）。 u按结构分 对称膜 （

3、均相膜） ：结构与方向无关 不对称膜（非均相膜）：结构与方向有关 活性层：过滤作用（0.1-1um） 支持层：支持作用 (100200um) (3)(3)膜性能参数膜性能参数 MWCOMWCO, ,通量，抗压能力，通量，抗压能力，PHPH适用范围，对热和温度的适用范围，对热和温度的 稳定性等。稳定性等。 （4 4）膜的污染与清洗）膜的污染与清洗 污染污染：膜在使用过程中，尽管操作条件不变，但通：膜在使用过程中，尽管操作条件不变，但通 量仍逐渐降低的现象。量仍逐渐降低的现象。不可逆不可逆，必须清洗后才能消除。，必须清洗后才能消除。 浓差极化浓差极化：可逆可逆，改变操作条件可消除；，改变操作条件可

4、消除； 清洗： NaOH:水解蛋白质，皂化脂肪，溶解某些生物大分子 酸：HNO3，H3PO4， HCl（去除无机物） 表面活性剂：SDS（乳化，湿润，分散生物大分子等 氧化剂：NaClO(强氧化能力) 酶：一般不用，但如要去除某些多糖，淀粉酶有一定 作用。 有机溶剂：20%-50%的乙醇可用于膜装置的灭菌和去 除油脂等。但系统必须符合防爆要求。 2. 原理：膜分离技术是以选择性多孔薄膜为分离介质， 使分离的溶液借助某种推动力（如：压力差、浓度差、电 位差等）通过膜，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留 ，以此来分离溶液中不同分子量的物质，从而达到分离、 浓缩、纯化目的。 示意图 3.膜分离过程类

5、型 推动力过程孔径机制 静压力差MF，UF， NF，RO 0.5%0.5%则基本采用错流过滤。则基本采用错流过滤。 三、常用技术分类 压力推动膜过程和各自分离特征 1.微滤（Microfiltration,MF） 微滤的应用范围主要是从气相和液相中 截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到 净化、分离、浓缩的目的。 特别适用于微生物、细胞碎片、微细 沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子。 2.超滤(Ultrafiltration,UF) 原理：以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为 过滤介质。在一定的压力下，当水流过膜表面时 ，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达 到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

6、 分类：一般分为板框式（板式）、中空纤维式、 管式、卷式等多种结构。 应用：浓缩，脱盐，分离，纯化，去热原，缓冲 液置换等。 两种压力差 p=p进-p出 （回流液的循环动力） 一般10 psi左右 调节方式：泵速，回流阀 pt=(p进-p0)+(p出-p0)*1/2 =(p进+ p出)*1/2-p0 (膜过滤推动力) 轴向、侧向压力差 ptpt对通量的影响对通量的影响 压力较低：通量随ptpt成正比增加，成正比增加，如a 压力增大：形成浓差极化层，趋势变缓，如b 压力继续增大：浓差极化层达凝胶层浓度，通 量不随ptpt改变，改变，如c 膜两侧平均 压力差 3.纳滤(Nanofiltration

7、 ,NF) 介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过 程，孔径范围在几个纳米左右。与其他压力驱动 型膜分离过程相比，出现较晚。 与反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又 被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”( Loose RO )。 应用：食品工业、植物深加工、饮料工业、 农产品深加工、生物医药、生物发酵、精细化工 、环保工业 纳滤膜（陶氏） 纳滤膜三大特点 MWCO介于反渗透膜和超滤膜之间，一般为 150 1000 dalton；科学家推测其表面分离层可 能拥有 1nm 左右的微孔结构，故被称之为 “ 纳滤 ” 。 纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表 面分离层是由聚电解质所构成，对离子有

8、静电 相互作用。 超低压大通量，即在超低压下（ 0.1Mpa 14.7psi）仍能工作，并有较大的通量。 4.反渗透(Reverse Osmosis,RO) 原理：依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶 剂与溶质进行分离的过程。 应用:美国最早用于将航天员的尿液回收为纯水。 医学界还以反渗透法的技术用来洗肾（血液透析）。 工业上已应用于海水脱盐，超纯水制备，从发酵液中 分离溶剂等。 特点：不需添加任何杀菌剂和化学物质，故 不会发生化学相变。 示意图 Vivaflow 50 回旋流/切向流超滤器 Vivaspin系列 超滤浓缩离心管 25mm 可换膜针头式滤器 （玻璃杯式）溶剂过滤器 四、设备简介：

9、QuixStand中空纤维柱系统 Pellicon超滤系统 不锈钢圆筒式正压滤器 0.1m2 陶瓷膜实验设备 五、膜分离技术特点 高效的分离过程 低能耗 接近室温的工作温度 纯物理过程，品质稳定性好 连续化操作 灵活性强 环保，无污染 投资少 分离技术对比 比较点传统技术膜分离技术 耗能多少 分离效 果 较差好 成本高/低首次投资高 维护费 用低 举例 筛分、离心、沉淀、过滤 、蒸馏、结晶、吸附、离子 交换等 MF、UF、NF、 RO等 六、问题与展望 膜材料研究薄弱，不少原材料需要进口 膜组件性能低，品种少 膜技术种类少，当前膜多为化学制剂，易造成二 次污染 产业规模小，应用领域窄 技术成果产业化转化过程缓慢 研究新的膜材料，开发研究新的聚合膜材料。 研究开发新的成膜工艺，进一步制备超薄、高度均 匀、无缺陷的非对称膜。 将新兴的膜分离技术与传统的工艺技术有机的结合 起来，不断将膜技术的研究成果从实验室推向产业 化应用。 将无机膜的发展推向前。无机膜耐酸、碱、有机溶 剂，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物污染能 力强，在以后的发展过程中，研究无机膜的新材料 、新工艺将是必然之趋势。 参考资料: 俞俊棠，等.新编生物工艺学（下册）.北京:化学工业出版社，2003 ，6（1） 严希康编著.俞俊棠主审.生化分离工程.北京:化学工业出版社，2001 ，2（1） www.geno-