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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，进而进入推
2、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： 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 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）。,按结构分 对称膜 （均相膜） ：结构与方向无关
3、 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)膜性能参数 MWCO,通量，抗压能力，PH适用范围，对热和温度的稳定性等。 （4）膜的污染与清洗 污染：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。不可逆，必须清洗后才能消除。 浓差极化：可逆，改变操作条件可消除；,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。
4、 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.膜分离过程类型,4.膜过滤方式：,终端过滤(dead end filtration ) 以压力作为推动力，料液流动方向 与滤膜表面垂直，并且透过液方向与料 液一致。 错流过滤（cross flow filtration） 透过液方向垂直于进料的方向，而 料液流动方向与滤膜表面平
5、行，进料以 一定流速冲刷膜表面,减小浓差极化效应。,以微滤为例，主要根据料液中固形物的含量多少来确定，0.5%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
6、的。 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,pt对通量的影响,压力较低：通量随pt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pt改变，如c,膜两侧平均压力差,3.纳滤(Nanofiltration ,NF),介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜
7、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，对离子有静电相互作用。 超低压大通量，即在超低压下（ 0.1Mpa
8、 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：,QuixStand中空纤维柱系统,Pellicon超滤系统,不锈钢圆
9、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,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- ,Thanks!,
