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1、膜分离技术,1,膜分离过程,膜分离过程以选择性透过膜为分离介质。当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）时，料液组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯目的。 它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。,2,膜的种类,根据膜的材质,固体膜,液体膜,根据材料来源,天然膜,合成膜,无机材料膜,有机高分子膜,根据膜的结构,多孔膜,致密膜,离子交换膜,渗析膜,微孔过滤膜,超过滤膜,反渗透膜,渗透汽化膜,气体渗透膜,根据膜的功能,根据推动力分,固体膜,根据膜断面的物理形态,根据固体膜的形态,对称膜,不对称膜,复合膜,平板膜,管式膜,
2、中空纤维膜,核径蚀刻膜,相转化膜,按膜的端面物理形态分为： 对称膜 非对称膜,5,对称膜：各向同性膜的化学结构、物理结构在各个方向上是一致的，在所有方向上的孔隙率都相似，亦称各向同性膜,不（非）对称膜有相转化膜及复合膜两类。前者表皮层与支撑层为同一种材料，通过相转化过程形成非对称结构；后者表皮层与支撑层由不同材料组成，通过在支撑层上进行复合浇铸、界面聚合、等离子聚合等方法形成超薄表皮层。,传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。,分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。,6,非对称膜具有高透过速度，而且被脱除的物质大都在其表面，易于清除。,液态
3、膜,按制膜材料形态来分类的一种，即以液态物质为分离介质形成的膜，亦叫液相膜或液膜。这种膜可以把两种气相，气液两相或两相不互溶的液体进行分隔和促进分离，如乳化液膜和支撑液膜,7,天然膜天然高分子材料 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维 优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。 缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在45-50C，pH3-8。,合成膜有机高分子材料 种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超滤膜。 优点：耐高温(70-80C，可达125C)，pH1-
4、13，耐氯能力强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性高，寿命长，常用于反渗透。 缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。,合成膜无机材料 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径0.1um微滤膜和截留10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。允许苛刻条件的清洗操作；物料透过量大；污染少 缺点：不易加工，造价高，膜脆、易碎，密封复杂等。,9,聚砜PS结构示意图,10,聚丙烯腈PAN结构示意图,11,聚
5、氯乙烯PVC结构示意图,12,聚偏氟乙烯PVDF结构示意图,根据推动力分：,以浓度差为推动力的过程： 透析技术(DS) 以电场力为推动力的过程： 电透析，离子交换电透析 以静压力差为推动力的过程： 微滤(MF) 超滤(UF) 反渗透(RO) 纳滤（NF） 以蒸气压差为推动力的过程： 膜蒸馏，渗透蒸馏,膜的用途,浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。（膜催化）,15,膜浓缩工艺流程 提取液预处理超滤小分子超滤膜浓缩单效/多效后续工艺
6、工艺优势： （1）提取液经过预处理之后进行超滤，去除溶液中的大分子蛋白、鞣质、淀粉、植物纤维、多糖等，提高提取液的澄清度，有利于保护后续浓缩膜，保证浓缩效果，延长浓缩膜的使用寿命。 （2）小分子超滤能有效除去溶解性的大分子蛋白、多糖、胶质等杂质，提高产品纯度和质量。超滤膜孔径、材质可选择性范围广，可根据具体产品进行分析和选择。 （3）浓缩膜可以有效的截留指标成分，脱出溶剂，达到浓缩的目的；浓缩出水无色澄清透亮，可以直接提取回用或排放，节约水资源，减轻环保压力。 （4）膜浓缩是一种常温浓缩，能降低有效成分因高温而发生分解带来的损失，使产品收率有保证，同时，节省了大量的蒸汽，降低能耗； （5）若采
7、用耐高温膜浓缩，如提取液温度为70，那么膜浓缩出水仍为70，且高温回用，减少了提取加热需要的蒸汽； （6）膜浓缩过程为密闭式，若提取溶剂为乙醇，可减少乙醇的损失，节约因乙醇损失带来的成本投入。 应用案例： 茶叶提取液浓缩、五味子提取液浓缩、金银花提取液浓缩、黄芪提取液浓缩、三七提取液浓缩、大蒜提取液浓缩、虎杖提取液浓缩等。,16,膜分离过程的特点,共同特点： （1）无相变发生，能耗低； （2）一般无需从外界加入其他物质，节约资源，保护环境； （3）可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行，从而大大提高效率； （4）常温常压下进行，特别适用于热敏性物质的分离、浓缩； （5）不仅适用于从病毒、细菌到
8、微粒广泛范围的有机物或无机物的分离，而且还适用于特殊溶液体系的分离如共沸物的分离； （6）膜组件简单，可实现连续操作，易控制、易放大。 不足：膜强度较差，使用寿命不长，易于污染,膜分离装置,17,膜组件(Membrane Module),将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。 膜组件的结构及型式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。,18,19,(1)、板框式(Plate-and-Frame)膜组件 板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置, 膜
9、被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。,20,21,特点 组装比较简单，可以简单地增加膜的层数以提高处理量； 操作比较方便。 板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度要求较高。,22,(2)、管式(Tubular)膜组件 管式膜组件有外压式和内压式两种。 对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。,23,对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液
10、流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。 无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。,24,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。,管式陶瓷超滤膜组件,25,密封,密封,密封,多孔透水材料,膜，上下两层,(3)、螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件 目前,螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分离过程。,构成（膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管） 两层膜三边封口，构成信封状膜袋，膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而形成螺旋卷式膜器件。,工作过程： 原料从端
11、部进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出，浓液则从组件另一端排出。,28,优点：比表面积大，结构简单，价格较便宜； 缺点：处理悬浮物浓度 较高的料液时易堵塞,29,30,卷式膜分离器（工业用）,(4)、中空纤维(Hollow Fiber)膜组件 中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大, 最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流动
12、,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。,31,32,优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用 。 缺点：易堵塞，对料液要求高。,33,34,中空纤维膜分离器（工业用）,典型的膜分离技术及应用领域,典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发( PV)等，下面主要介绍常用的四种膜分离技术：微孔过滤、超滤、反渗透、纳滤。,35,微滤技术介绍,微滤定义 MF，又称微孔过滤，它属于精密过滤，一般精度范围为0.1微米以上，能够过滤微
13、米（micron）级的微粒和细菌，能够截留溶液中的沙砾、淤泥、黏土等颗粒和贾第虫、隐孢子虫、藻类和一些细菌等，而大量溶剂、小分子及大分子溶质都能透过的膜的分离过程。,36,微滤膜种类 按膜形式来分：平板膜、中空纤维式、熔喷式（PP棉）、线绕式、折叠微滤膜 按膜材料来分：有机膜（PP、PVC、PVDF、PES等）、无机膜（陶瓷膜、氧化铝膜） 平板膜 PP棉 无机陶瓷膜,37,微滤膜过滤原理 微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90150m左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在0.010.2MPa 微孔过滤是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。,38,利用其均一
14、孔径，来截留水中的微粒、细菌等，使其不能通过滤膜从而被去除。 决定膜的分离效果的是膜的物理结构，孔的形状和大小。,微滤膜过滤方式图,39,错流过滤,死端过滤,40,错流过滤的主要优点为： 膜截留下的物质被流体不断冲走，在一定程度上相当于膜表面被连续冲洗，这样延长了膜的寿命，并降低了维护和清洗的费用。 相反，传统过滤中被截留的物质积累在过滤介质上，必须要定期清洗和更换介质。,微孔膜的优点 孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留； 孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的7080。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍； 无吸
15、附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。 无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。,41,微孔膜的缺点： 颗粒容量较小，易被堵塞； 使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。,微孔过滤技术应用领域 （1）微粒和细菌的过滤。 可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。 （2）微粒和细菌的检测。 微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。 （3）气体、溶液和水的净化。 大气中悬浮的尘埃、细菌、病毒等；溶液和水中的微小固体颗粒和微生物，都可去除。 （4）食糖与
16、酒类的精制。 微孔膜对食糖溶液和啤酒、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。 （5）药物的除菌和除微粒。 以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。 许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。,42,超滤技术介绍,超滤定义 UF，在一定压力(0.1-0.8MPa)下，利用超滤膜只允许溶剂、无机盐和小分子物质透过，而截留溶液中的悬浮物、胶体、微粒、有机物、细菌和其他微生物等大分子物
