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1、膜分离和电泳膜分离和电泳 Membrane separation and electrophoresisMembrane separation and electrophoresis Chapter 9Chapter 9 本章主要知识点 uu膜分离技术的概念 膜分离技术的概念 uu膜分离技术的分类 膜分离技术的分类 uu各种膜的分离特性 各种膜的分离特性 uu对于膜材料的基本要求 对于膜材料的基本要求 uu主要的膜组件类型 主要的膜组件类型 uu超滤和反渗透过程中渗透压的影响超滤和反渗透过程中渗透压的影响 uu超滤的基本方程超滤的基本方程 uu了解亲和膜分离技术了解亲和膜分离技术 uu了解电渗
2、析的工作原理了解电渗析的工作原理 膜分离技术膜分离技术 uu膜分离的概念 利用膜的膜分离的概念 利用膜的选择性选择性 孔径大小 孔径大小 以膜的两侧存在的 以膜的两侧存在的能量差作为推动力能量差作为推动力 由于 由于 溶液中各组分透过膜的溶液中各组分透过膜的迁移率不同迁移率不同而实现分离而实现分离 的一种技术 的一种技术 膜的概念膜的概念 uu在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质 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 这一薄层把流体相分隔开来成为两部分 这一薄层 物质称为膜 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膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成 的
3、复合体的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在膜的厚度应在0 5mm0 5mm以下 否则不能称其为膜以下 否则不能称其为膜 膜分离技术的类型和定义膜分离技术的类型和定义 uu膜分离过程的实质是物质透过或被截留于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 依据滤膜孔膜的过程 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 按分离粒子大小进行分类 微滤 MF 以多孔细小薄膜为过滤介质 压力差为推动力 使不溶性物质得以分离的操 作 孔径分布范围在0 025
4、 14 m之间 超滤 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 适 合于分离酶 蛋白质等生物大分子物质 纳滤 以压力差为推动力 从溶液中分离300 1000 小分子量的膜分离过程 孔径分布在平均2nm 反渗透 RO 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 0001 0 001 m之间 由于分离的溶剂分子往往很小 不能忽略渗透压的作用 故而成为反渗透 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 微滤 超滤 纳滤 反渗透 悬浮颗粒 大分子有机物 糖类等小分子有机物 二价盐
5、或多价盐 单价盐 水 各种膜的分离特性各种膜的分离特性 膜的分类膜的分类 uu按孔径大小 微滤膜 超滤膜 纳滤膜 按孔径大小 微滤膜 超滤膜 纳滤膜 反渗透膜反渗透膜 uu按膜结构 对称性膜 不对称膜 按膜结构 对称性膜 不对称膜 复合膜复合膜 其它膜 荷电膜 其它膜 荷电膜 即离子交换膜 液膜 即离子交换膜 液膜 微孔膜 动态膜 微孔膜 动态膜 uu按材料分 合成有机聚合物膜 无机材料按材料分 合成有机聚合物膜 无机材料 膜膜 膜材料的特性膜材料的特性 uu对于不同种类的膜都有一个基本要求 对于不同种类的膜都有一个基本要求 耐压 膜孔径小 要保持高通量就必须施加较高的压耐压 膜孔径小 要保持
6、高通量就必须施加较高的压 力 一般模操作的压力范围在力 一般模操作的压力范围在0 1 0 5MPa0 1 0 5MPa 反渗透膜 反渗透膜 的压力更高 约为的压力更高 约为1 10MPa1 10MPa 耐高温耐高温 高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱 防止分离过程中 以及清洗过程中的水解 耐酸碱 防止分离过程中 以及清洗过程中的水解 化学相容性 保持膜的稳定性 化学相容性 保持膜的稳定性 生物相容性 防止生物大分子的变性 生物相容性 防止生物大分子的变性 成本低 成本低 各种膜材料各种膜材料 uu有机高分子膜 有机高分子膜 纤维素酯膜 缩合系聚合物 聚砜类
7、 聚烯纤维素酯膜 缩合系聚合物 聚砜类 聚烯 烃及其共聚物 脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合烃及其共聚物 脂肪族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 聚碳物 全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物 聚碳 酸酯 酸酯 uu无机多孔膜 陶瓷膜无机多孔膜 陶瓷膜 各种膜组件各种膜组件 uu平板式平板式 uu管式管式 uu中空纤维中空纤维 uu螺旋卷绕式螺旋卷绕式 平板式膜组件平板式膜组件 管式膜组件管式膜组件 螺旋卷式膜组件 与书上图螺旋卷式膜组件 与书上图9 119 11组成有异 组成有异 中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件 膜过滤的基本概念和理论膜过滤的基本概念和理论 uu超滤和反渗透超滤和
8、反渗透 目的 将溶质通过一层具有选择性的薄膜 从溶液目的 将溶质通过一层具有选择性的薄膜 从溶液 中分离出来 中分离出来 分离时的推动力都是压强分离时的推动力都是压强 由于被分离物质的分子 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 大小不同 反渗透膜的操作压力高达反渗透膜的操作压力高达10 MPa10 MPa 超滤和反渗透操作中的渗透压超滤和反渗透操作中的渗透压 uu由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种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 因此都存不同浓度的溶液隔开 淡水
9、或盐水 因此都存 在在渗透压渗透压 uu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 uu一般说来 一般说来 无机小分子的渗透压要比有机大分子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溶质的渗透压高得多 渗透与反渗透渗透与反渗透 实现超滤和反渗透的条件实现超滤和反渗透的条件 uu超滤超滤 需要增加流体的静压力 改变天然过需要增加流体的静压力 改变天然过 程的方向 才可能发生含有低分子量化合物的程的方向 才可能发生含有低分子量化合物的 溶剂流通过膜 此时的推动力是流体静压力与溶剂流通过膜 此时的推动力是流体静压力与 渗透压的压差 渗透压的压差 uu反
10、渗透反渗透 过程类似于超滤 只是纯溶剂通过过程类似于超滤 只是纯溶剂通过 膜 而低分子量的化合物被截留 因此 操作膜 而低分子量的化合物被截留 因此 操作 压力比超滤大得多 压力比超滤大得多 因此 超滤和反渗透通常又被称之为因此 超滤和反渗透通常又被称之为 强制膜分强制膜分 离过程离过程 膜过滤的基础理论膜过滤的基础理论 膜分离过程的机理膜分离过程的机理 1 1 超滤与微滤 毛细管流动模型 孔模型 超滤与微滤 毛细管流动模型 孔模型 被认为是简单的筛分过程 大于膜表面毛细孔的分子被认为是简单的筛分过程 大于膜表面毛细孔的分子 被截留 较小的分子则能通过 被截留 较小的分子则能通过 2 2 反渗
11、透 反渗透 1 1 溶解 溶解 扩散模型 反渗透膜的表皮层电镜下观察没有扩散模型 反渗透膜的表皮层电镜下观察没有 发现孔道 排除了溶液主体以滞流方式流经表皮层的可发现孔道 排除了溶液主体以滞流方式流经表皮层的可 能 因此假定溶质和溶剂都能溶解在膜中 然后在化学能 因此假定溶质和溶剂都能溶解在膜中 然后在化学 势推动下扩散通过膜 物质渗透能力决定于 扩散系数势推动下扩散通过膜 物质渗透能力决定于 扩散系数 和溶解度 适于无机盐的反渗透过程 常不适用于有机和溶解度 适于无机盐的反渗透过程 常不适用于有机 物 物 2 2 优先吸附 优先吸附 毛细管模型 膜表面对料液中某一组分的毛细管模型 膜表面对料
12、液中某一组分的 吸附能力较强 在膜表面始终形成一层吸附层 在压力吸附能力较强 在膜表面始终形成一层吸附层 在压力 下使其连续流经毛细孔 适于无机盐的反渗透过程 也下使其连续流经毛细孔 适于无机盐的反渗透过程 也 能解释有机物的反渗透过程 能解释有机物的反渗透过程 纳米膜过滤技术纳米膜过滤技术 uu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 uu特点 特点 在过滤分离过程中 在过滤分离过程中 能截留小分子有机物能截留小分子有机物 并可以 并可以 同时同时透析除盐透析除盐 集 集浓缩与透析浓缩与透析为一体 为一体 操
13、作压力低操作压力低 纳滤膜的性质与特点纳滤膜的性质与特点 uu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2nm2nm 截留分子量范围在 截留分子量范围在100 200100 200 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 uu主要产品 主要产品 Membrane products Kiryat WeizmannMembrane products Kiryat Weizmann MPW MPW 以色以色 列列 Desalination Sys
14、tem Desalination System 美国美国 SelRO DESAL 5 FT 40SelRO DESAL 5 FT 40等系列膜 等系列膜 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纳米过滤的分离机理 uu纳滤分离机理与反渗透膜了类似 纳滤分离机理与反渗透膜了类似 纳滤的应用纳滤的应用 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
15、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 膜亲和过滤法膜亲和过滤法 uu膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和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分离技术的集成 是一种十分有效的分 离方法 离方法 uu内容 包括两个分支内容 包括两个分支 亲和膜分离亲和膜分离 制备带有亲和配基的分离膜 制备带有亲和配基的分离膜 直接进行产物分离 直接进行产物分离 亲和亲和 错流膜过滤错流膜过滤 将水溶性或非水溶性的 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 后进行错流过滤 亲和膜分离技术亲和膜
16、分离技术 uu分离膜的改性 通过化学改性 在载体表面连接上一条分离膜的改性 通过化学改性 在载体表面连接上一条 手手 臂链臂链 大于三个碳原子 大于三个碳原子 uu亲和膜制备 选用合适的配基亲和膜制备 选用合适的配基 LigandLigand 与手臂链相连 构 与手臂链相连 构 成带有亲和配基的分离介质 成带有亲和配基的分离介质 uu亲和络合 将混合物缓慢地通过膜 使要分离的物质与亲亲和络合 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 和配基产生特异性作用 形成配基与配位物 LigateLigate 的复 的复 合体 合体 uu洗脱 改变条件 洗脱液组成 洗脱 改变条件 洗脱液组成 pHpH 离子强度 温度等 离子强度 温度等 使复合物解离 使复合物解离 uu亲和膜再生 洗涤 再生 平衡 以备下次操作使用 亲和膜再生 洗涤 再生 平衡 以备下次操作使用 需解决的关键问题需解决的关键问题 uu膜表面要有足够多的并可利用的化学基团 膜表面要有足够多的并可利用的化学基团 uu表面积和孔径要足够大表面积和孔径要足够大 uu孔分布要窄而均匀 以获得高的通透量
