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1、第八章 膜分离过程 膜的特点 具有较大的透过速度和较高的选择性 ； 机械强度好，耐热，耐化学和细菌侵 蚀，耐净化和杀菌处理，成本低。1.对称膜 l 结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定。 2.非对称膜 l 分离层（活性膜）和多孔支持层； l 活性膜要朝向待浓缩的原溶液； l 多孔支持层只起支撑作用，使膜具有必要的强度； l 具有高传质速率和良好的机械强度，被脱除的物质大 多在其表面，易于清除。一. 膜和膜分离过程的分类与特性3.复合膜 l活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层） 表面上； l表层与底层是不同的材料； l膜的性能与活性膜和底层膜都有关系。 4.荷电膜（离子交换膜） l含有溶胀胶载着
2、固定的正电荷或负电荷； l阴离子交换膜：带正电荷； l阳离子交换膜：带负电荷。5.微孔膜（0.0520m）6.动态膜l在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选择作用的膜；l沉积层与溶液处于动态平衡；l可在高温下应用，膜更新容易，不稳定。1.渗透（osmosis）和透析（dialysis） 渗透是一个扩散过程，在膜两边渗透压差 的作用下溶剂产生流动； 透析是利用膜两边的浓度差从溶液中分离 出小分子物质的过程； 透析过程与渗透过程相重叠； 溶液浓度不断降低。重要的膜分离过程1.醋酸纤维素膜2.聚酰胺膜纯水盐溶液施加的外压力渗透反渗透2. 反渗透（reverse osmosis） 在膜的两边造成一个压力差
3、，并使其大 于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高 的溶液进一步浓缩。3. 超滤（ultrafiltration） 按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大 分子的膜分离操作； 膜只阻挡大分子，大分子的渗透压不明 显。4.微过滤（microfiltration）多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓 缩过滤的操作。5.电渗析（electrodialysis）在电场中交替装配的阴离子和阳离子交 换膜，在电场中形成一个个隔室，使溶液中 的离子有选择地分离或富集。6.气体透过（gas permeation）利用微孔或无孔膜进行气体分离。负 极阳 离 子 膜淡水阴 离 子 膜正 极盐水+ + + + + + +
4、 +盐水二、膜的制造 膜具有较大的透过速度和较高的选择性， 还应具备：机械强度好、耐热、耐化学和 细菌腐蚀、耐净化和杀菌处理、成本低。制造膜的材料： 改性天然物 醋酸纤维素、丙酮-丁酸纤维 素、再生纤维素、硝酸纤维素。 合成产物 聚胺（聚芳香胺、聚胺肼）、 乙烯基聚合物、聚砜、聚脲、聚呋喃、聚 乙烯、聚丙烯。 特殊材料 聚电解络合物、多孔玻璃、氧化 石墨、ZrO2-聚丙烯酸。 醋酸纤维素膜 优点：水渗透流率高，截留率好，适 宜制备反渗透膜；原料来源丰富，价 格便宜；无毒制膜工艺简单，便于工 业化生产。 缺点：热稳定性差，在低温下容易招 致细菌生长；抗氧化性能差，膜的使 用寿命低；易水解，易压密
5、；抗微生 物侵蚀性能较弱。1.相转变法制造膜 制备浇铸液 在适宜的支持物上把浇铸液铺开 蒸发一部分溶剂 凝胶的形成 热处理（退火）醋酸纤维膜的处方 浇铸液：醋酸纤维素 25%丙酮 45%甲酰胺 30% 沉淀剂：水 操作条件：浇铸温度 20凝胶浴温度 1退火温度 78退火时间 10min缺点： 制膜的重演性很差 不对称膜易压密2.烧结法 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定 的模具内，严格控制温度和压力，使细 粒子的表面由软变熔，进而互相粘结而 形成多孔体，最后经机械加工即得。 有平整不易变形和耐高温的优点。3.核径迹法 将厚为515m薄膜于放射性物质下接受 粒子照射，使高分子主干的化学键断裂形
6、成径迹。孔的密度由照射时间加以控制。 将照射过的膜用酸碱液腐蚀，使辐射受损 的材料刻蚀形成垂直孔道。 膜的表面光滑、孔道直且大小均匀、适宜 于聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。4.拉伸法 首先将晶态聚烯烃在低熔融温度下挤压成 膜，然后拉伸得到高的熔融应力，再在无 张力条件下退火，然后拉伸即得。5.复合膜的制备 一种是把稀薄的聚合物溶液浸渍叠加在支 撑材料上； 在多孔支撑表面进行相界面聚合作用。三、膜的性能和参数1.孔道特征包括孔径、孔径分布和空隙度。 2.水通量 （J）（m3/m2s）单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也 称透水率。三、膜的性能和参数3.截留率和截断分子量 截留率：= 1CP/CB
7、 截断分子量：相当于一定截留率（90%以上）的最小被截留溶质的分子量。CPCB影响截留率的因素 溶质分子的大小 分子的形状 吸附作用 其他高分子溶质的影响 温度、pH、离子强度等四、膜的使用寿命1.膜的压密作用在压力的作用下，膜的水通量随运行 时间的延长而逐渐降低，膜外观厚度减少 ， 膜由半透明变为透明。影响因素：操作压力和温度。2.膜的水解作用醋酸纤维素是有机酯类化合物，比较容 易水解，水解的结果是乙酰基脱掉。实际操作中，可控制进液pH和进料温度。3.膜的浓差极化 在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体 溶质浓度的现象。如下图： 后果：提高渗透压，降低水通量；降低膜的截 留率；产生结垢现象
8、，造成物理堵塞，使膜逐 渐失去透水能力。4.膜污染 一种是附着层，由料液中悬浮物堆积于膜 面，由溶解性的有机物粘附和溶解性的无 机物生成的水垢积附、胶体物质和微生物 等吸附于膜面； 另一种是堵塞，是微细粒子或小分子溶质 吸附、积累在膜表面或膜孔中结晶沉积所 致。减轻膜污染的方法 料液的有效预处理 改善膜的表面性质和电荷性 改变操作条件膜分离过程的类型及其特点 粒子项目粒子大小分离方法分离动动力粗粒10 0m常规过滤规过滤压压力差细细粒1100m高速离心、常规规 过滤过滤压压力差微粒0.0110m微滤滤压压力差大分子1100 nm超滤滤、透析压压力差、扩扩散小分子、离子0.110 nm反渗透、电
9、电渗析压压力差、电电能（一）膜组件结构与特点 良好的膜组件应具备的条件： 沿膜面的流动性好，以利于减少浓差极化 ； 较大的膜面积与压力容器体积比； 组件的价格低； 清洗和膜的更新方便； 保留体积小，且无死角。五、膜的应用（一）膜组件结构与特点 1.管式 特点：无死角，易清洗；处理含固体较多 的料液；单根管子可以调换。 缺点：保留体积大；单位体积中所含过滤 面积较小，压力降大。五、膜的应用 保留体积小; 单位体积中所含过滤面积大; 可以逆洗; 料液需要预处理; 单根纤维损坏时，需调整整个模件。2. 中空纤维式3.螺旋卷绕式 单位体积中所含过滤面积大； 换新膜容易； 料液需要预处理； 压降大； 易
10、污染，清洗困难。4.平板式 保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟 。 死体积较大，易漏，高固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间。1-料液 2-泵 3-膜组件 4-滤液 5阀 6-压力表1.优点 相态不变，无需加热，设备简单，能耗低。 2.膜的特性 透水率、透盐率、抗压性等。 3.应用 海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制造等 。 4.膜材料 醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜 、无机质膜等。（二）反渗透（RO或HF）1.概念 凡是能截留分子量在500以上的高分子的 膜分离过程。 2.应用 各种小分子可溶性溶质和高分子物质如蛋 白质、酶、病毒等溶液的浓缩、分离和纯
11、化。（三）超滤（UF）3.材料 醋酸纤维，聚砜，芳香聚酰胺，聚丙烯， 聚乙烯，聚碳酸酯，尼龙等高分子材料。 4.浓缩模式过滤 溶剂和小分子溶质被除去，料液逐渐浓缩 。 5.透析过滤 在过程中不断加入水或缓冲液，保持较高 的通量。6. 应用 柠檬酸、抗生素、氨基酸等小分子物质分子量在5002000之间超滤膜的截断分子量为1000030000，使大小分子分开。 酶和蛋白质的脱盐浓缩，如用醋酸纤维素 膜浓缩-淀粉酶，平均收率95%，可浓缩4 5倍。1.应用 主要用于分离流体中0.110m的微生物 和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目 的。 2.材料 纤维素酯类，聚酰胺，聚氯乙烯，聚丙烯 等。（四）微
12、孔过滤（MF）1.概念 介于超滤和反渗透之间，以压力差为动力 ，从溶液中分离出3001000相对分子量物 质的膜分离过程。 2.特点 能截留小分子有机物；并同时透析出盐； 浓缩与透析为一体；操作压力低。（五）纳米过滤（NF）板式膜分离器（实验室用）中空纤维膜分离器（实验室用）板式膜分离器（实验室用）Millipore公司板式膜分离器（实验室用）中空纤维膜分离器（工业用）卷式膜分离器（工业用）思 考 题1. 何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？2. 膜在结构上可分为那几种？膜材料主要用什么？3.简述微滤、超滤膜、反渗透膜在膜材料、结构、性能、分离机理及其应用等方面的异同点3.膜分离的表征参数有那
13、些？何谓膜截留分子量？4.何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少浓差极化现象的措施？5.膜的清洗及保存方法有那几种？6.膜分离设备按膜组件形式可分为几种？相比较的优缺点？超氧化物岐化酶(SOD)的制备 SOD（Superoxide dismutase），是一种广 泛存在于动、植物及微生物中的金属酶。 自从1973年Weisiger等在鸡肝中发现两种 SOD以来，至今已采用了各种分离及分析方 法，成功地从各种动物肝脏及血液中，分离 纯化了SOD。 同时发现SOD的存在可能与机体衰老、肿瘤 发生、自身免疫性疾病和辐射防护等有关 。 目前临床上主要用于延缓人体衰老，防止 色素沉着，消除局部炎症
14、，特别是治疗风 湿性关节炎、慢性多发性关节炎及放射治 疗后的炎症，无抗原性，毒副作用较小， 是很有临床价值的治疗酶。 SOD不仅在临床上大显身手，而且近年来又被广泛 地应用于日用化工行业。含有SOD的化妆护肤品， 对抗衰老及去除脸面雀斑等有显著作用。添加SOD 的化妆护肤品倍受女士的青睐，其产品具有很强 的竞争力。？ 随着SOD被广泛应用于护肤霜、洗面奶、香皂等领 域及活性氧、疾病诊断和抗辐射等方面的研究， SOD将成为广大药厂和日用化工厂的重要原料。 新鲜牛血分离血球血浆（供制备凝血酶用 ）血球沉淀（弃去）上清液沉淀上清夜（弃去）沉淀物用蒸 馏水 溶解杂物（弃去）上清夜上清夜（回收）沉淀溶解
15、杂物（弃去）上清液DEAESephadex A-50分离纯化洗脱液透析液浓缩 干燥提取沉淀产品 从牛血中提取SOD操作步骤 分离血球：取新鲜牛血，按100kg牛血加 3.8g柠檬酸三钠投料，搅拌均匀，装入离心 管中，在离心机中以3000转分速度离心15 分钟，收集血球，血浆可用于制备凝血酶。操作步骤 提取：把收集的血球用0.9氯化钠溶液洗三遍( 每次用血球2倍体积的氯化钠溶液)，然后加入蒸 馏水(和牛血等量的水)，在04条件下，搅拌 溶血30分钟，再缓慢加入溶血的血球0.25倍体积 的95乙醇和0.15倍体积(相对于溶血的血球而言 )的氯仿(乙醇和氯仿要事先冷却至4以下)，搅 拌均匀，静置20分钟，置离心机中离心30分钟， 收集上清液，弃去沉淀。操作步骤 沉淀：在上清液中加入2倍体积的冷丙酮， 搅拌均匀，于冷处静止20分钟，离心收集沉 淀。沉淀物用12倍体积的水溶解，在55 水浴中保温15分钟，离心收集上清液。再用 2倍冷丙酮使上清液沉淀，静置过夜。然后 离心收集沉淀，上清液可回收丙酮。操作步骤 DEAESephadex A-50分离纯化：把以 上沉淀溶于pH值为7.6、2.5molL的 K2HPO4-KH2PO4缓冲液中，用离心
