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1、第四章第四章 膜分离技术膜分离技术5学时学时授课内容授课内容n各种膜分离法及其原理各种膜分离法及其原理n膜材料及其特性膜材料及其特性n膜组件膜组件n操作特性操作特性n膜的污染与清洗膜的污染与清洗学习目的和要求学习目的和要求 在掌握各种膜分离方法和原理的基在掌握各种膜分离方法和原理的基础上，进一步了解膜特性及操作特点和础上，进一步了解膜特性及操作特点和影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方面的应用。面的应用。 （2）膜分离）膜分离n 膜分离是利用具有一定选择性透过特性膜分离是利用具有一定选择性透
2、过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。的过滤介质进行物质的分离纯化。（3）膜分离技术n n膜分离技术：利用膜的膜分离技术：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，由于溶，由于溶液中各组分透过膜的液中各组分透过膜的迁移率不同迁移率不同而实现分离的而实现分离的一种技术。一种技术。（4）分离过程中膜的功能）分离过程中膜的功能 n物质的识别和透过物质的识别和透过 是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；n界面界面 提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相提供一种状态，将透过液和保
3、留液分为互不混合的两相n反应场反应场 膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的选择性官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的选择性和分离度；和分离度； （5）膜的分类n n按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜n n按膜结构：对称性膜、不对称膜、复复合膜合膜n n按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜2、各种膜分离方法及其原理、各种膜分离方法及其原理n微滤和超滤n反渗透n透析n纳滤n电渗析n渗透气化要求要求 n学习要求学习要求：各种膜分离法及其原理：各种膜分离法及其原理n理解理解：微滤
4、、超滤、反渗透、透析、电：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析和渗透汽化等方法的原理渗析和渗透汽化等方法的原理n应用应用：掌握各种膜的应用范围：掌握各种膜的应用范围膜分离技术的类型和定义n n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（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0.02514m之间；超滤（超滤（UF）：分
5、离介质同上，但孔径更小，为0.0010.02 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；反渗透（反渗透（RORO）：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0.00010.001 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）；纳滤纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离3001000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析电渗析：以电位差电位差为推动力，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，二价盐或多价盐单价盐水各种膜的分离
6、特性各种膜分离方法的应用范围各种膜分离方法的应用范围（1）渗透和渗透现象）渗透和渗透现象水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现象叫做渗透象叫做渗透渗透与反渗透渗透压渗透压 随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶水溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液的水分子相等，所以它们处于动态平衡。液的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水此时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的渗透压的渗透压。 渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。 反渗透的概念 在外加压力驱动下
7、借助半透膜的选择截留在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透称为反渗透透称为反渗透 反渗透原理反渗透原理 根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量N1与化学势梯度成正比，溶剂的摩尔通量：溶剂的质量通量：反渗透原理反渗透原理 溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为 质量通量：溶剂溶质摩尔通量：体积通量：反渗透原理反渗透原理 提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高度浓缩。（2 2）超滤和微滤的概念）超滤和微滤的概念n超滤超滤 超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质超滤是根据高分子溶质之间或高分
8、子与小分子溶质之间之间分子量的差别分子量的差别进行分离的方法进行分离的方法。n微滤微滤 微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是根据料液中的根据料液中的固形成分固形成分与溶液溶质在与溶液溶质在尺寸上的差异尺寸上的差异进行分离的方法进行分离的方法 超滤原理超滤原理n超滤膜一般为超滤膜一般为非对称膜非对称膜，具有较小的，具有较小的孔径孔径（约为（约为10一一200），能够截留分子量为），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分以上的溶质分子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂透过膜上的微孔形成透过液；而大
9、分子溶质则被截透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。n超滤膜对溶质的截留机理主要是超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用筛分作用，超滤膜，超滤膜的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也具有截留溶质大分子的作用。具有截留溶质大分子的作用。n超滤所用操作压差在超滤所用操作压差在0.11.0 MPa之间。之间。微滤的原理微滤的原理n微滤通常采用孔径为微滤通常采用孔径为0.02
10、10微米的微孔膜微米的微孔膜进行，其进行，其可截留直径可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于微米的固体粒子或分子量大于1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液；膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液；而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液中固形成分与溶液的分离。中固形成分与溶液的分离。n微滤膜对微粒的截留也是基于微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用筛分作用，其膜的分离，其膜的分离效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。效果是膜的物
11、理结构，孔的形状和大小所决定。n操作压力差一般为操作压力差一般为0.010.2MPa。 超滤和微滤的特点超滤和微滤的特点n超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差为推动力；为推动力；n2. 2. 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的孔道结构；孔道结构；n3. 3. 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在0.11.0 MPa0.11.0 MPa，微滤操作压力更小（，微滤操作压力更小（0.05 0.5 0.05 0.5 MPaMPa）；）； 膜过滤的基础理论n n通透量理论：一种基于粒
12、子悬浊液在毛细管内流通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。动的毛细管理论。n n水通量（水通量（JwJw）和截留率（）和截留率（R R）n nWW透水量，透水量，AA膜的有效面积，膜的有效面积，时间时间n nc c1 1料液中溶质浓度，料液中溶质浓度， c c2 2透过液中溶质浓度透过液中溶质浓度超滤的基本方程：穿透度（单位时间、单位膜穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）面积的处理量）实现超滤和反渗透的条件n n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
13、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；n n反渗透反渗透：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“ “强制膜强制膜分离过程分离过程” ”（3）透析的概念 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与纯水
14、或缓冲液分隔。由于膜两侧的溶质浓度不同，高纯水或缓冲液分隔。由于膜两侧的溶质浓度不同，高分子溶液中的小分子溶质在浓差作用下透过亲水膜进分子溶液中的小分子溶质在浓差作用下透过亲水膜进入缓冲液中。入缓冲液中。 这种溶质从半透膜的一侧透过膜至另一侧的过程，这种溶质从半透膜的一侧透过膜至另一侧的过程，称为透析。称为透析。 透析原理 透析通常采用孔径为透析通常采用孔径为510 nm的亲水膜的亲水膜形成的形成的透析袋透析袋中进行，以截留溶液中的高分中进行，以截留溶液中的高分子溶质。装入透析袋中的料液封口后浸入透子溶质。装入透析袋中的料液封口后浸入透析液中。透析膜两端溶液中的分子由于浓度析液中。透析膜两端溶
15、液中的分子由于浓度差而互相扩散，导致料液中的小分子溶质进差而互相扩散，导致料液中的小分子溶质进入透析液中；同时透析液中的溶质分子则进入透析液中；同时透析液中的溶质分子则进入料液中，完成溶液的替换。入料液中，完成溶液的替换。（4 4）电渗析概念）电渗析概念 电渗析是利用分子的荷电性质荷分子大小电渗析是利用分子的荷电性质荷分子大小的差别进行分离的膜分离法。的差别进行分离的膜分离法。 电渗析过程采用的膜材料主要为离子交换膜，其表面和孔道内键合有离子交换基团。电渗析原理电渗析原理n n电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。（5）渗透气化原
16、理 渗透气化原理如图所示。疏渗透气化原理如图所示。疏水膜的一侧通入料液，另一水膜的一侧通入料液，另一侧（透过侧）抽真空或通入侧（透过侧）抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。在分压差作用下，质分压差。在分压差作用下，料液中溶质溶于膜内，扩散料液中溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器回收。的冷凝器回收。渗透气化是渗透气化是根据溶质间透过膜的速度不根据溶质间透过膜的速度不同，使混合物得到分离同，使混合物得到分离。 渗透气化特点 n渗透气化过程中溶质发生渗透气化过程中溶质发生相变相变，透过侧溶质以，透过侧溶质以气体状态气体状态存在，因此消除了渗透压作用，从而存在，因此消除了渗透压作用，从而使渗透气化在使渗透气化在较低的压力较低的压力下进行，适于高浓度下进行，适于高浓度混合物分离。混合物分离。n渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。 （6）纳米膜过滤
