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1、Chapter 8 膜分离过程(Membrane separation)一、概述二、各种膜分离法及其原理三、膜材料及其特性四、膜组件五、膜分离技术应考虑的问题六、影响膜分离速度的主要因素七、膜的污染与清洗八、膜分离的应用教学内容：1.膜分离技术膜分离的概念：利用膜的选择性(孔径大小)，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由 于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目 的的技术。2. 膜的概念 定义：在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。3. 膜的应用4. 膜分离的
2、特点：无相变、低能耗高效率、污染小工艺简单、操作方便浓缩与纯化同时进行5.膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜按材料分：(1)有机高分子膜：纤维素酯膜、芳香聚酰胺膜无机材料膜：陶瓷膜按状态分：固体膜、液膜、气膜按电性分：荷电膜、非荷电膜按形状分：平板膜、管式膜、中空纤维膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 二、膜分离过程的类型及其原理30 年代 微孔过滤 40年代 渗析 50 年代 电渗析 60 年代 反渗透70 年代 超滤 80 年代 气体分离 90 年代 渗透汽化现代 EDI 技术1.微滤(Microfiltration,MF): 以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力
3、，使不溶性物质得以分离的操作。孔径分布范围在0.02514p m之间，截留直径为0.02p m10p m大小的粒子。可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。 2.超滤( Ultrafiltration, UF) ：一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力 使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。k锻滤 利用筛分原理截冒直径为6 05-10微米大小的粧了 的膜分离技术，即锻滤.臓的孔径为05-1。微米，采用压力为05-0. 5MPaC0S水分了离子大分了颗粒与胶IIIAB超滤原理的示意图流动方向浓潯液抨滤屣
4、一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 訂 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。超滤技术主是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化 等。主要可归纳为以下方面。（1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备 高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。（2）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分 子量的乳糖。（3）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1%2%的涂料（高分子物质），用超滤装置可分
5、离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。（4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物 等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低（5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提 取药物等。（6）造纸厂的废水处理。特点：MF膜和UF膜具有明显孔道结构，截留高分子粒子UF 适用于蛋白质、病毒等MF适用于细胞、细菌和微粒子的分离，范围10nm10p m； 生物大分子，范围 150nm透过量于压差成正比，于滤液黏度成反比Jv K（1-）2S p l0 L3.反燐透膜通量方程：J 2 &3反證
6、 Reverse oSmosis,RO（1反渗透的基本原理膜npHp n渗透平衡反渗透其基本原理为溶散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，溶液中的水透过膜，而 所有溶液中分的大 小分子有机物及无机 物全被截留住。C主要用于海O口，纯水制造以及小分子产渗透与反渗透现象3 反渗透（Reverse osmosis,RO）: 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有 溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。溶解扩散模型由 Merten 1等于 1965年提出。反渗透膜的表皮层，在电子显微镜下
7、观察，没有发现孔 道，故排除了溶液主体以滞流方式流经表皮层的可能性，因此假定溶剂或溶质分子首先 溶解在膜中，然后扩散通过膜。根据不可逆过程热力学，组分i的扩散速度应和化学位梯度成正比：17-5c D d叶i iRT dxJi- 组分i的扩散摩尔通量，单位时间内扩散通过单位面积上的物质的量；u i膜相中组分i的化学位；c-膜相中摩尔浓度；XDi-膜相中的扩散系数；一 沿膜厚方向的距离；T 一 热力学温度；R 一 气体常数膜法海水淡化 几种分离方法能耗比较：分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗 (kWh/m3)3.57104 纳滤(nanofiltration, NF)纳滤膜的特点： 纳滤膜是八十年
8、代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技 术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透 技术中分离出来，成为独立的分离技术。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间，因此称为“纳滤”纳滤膜主要用于截留粒径在0.1lnm,分子量为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子 物质透过，具有较小的操作压(0.51 MPa)。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。微滤、超滤、纳滤和反渗透微滤、超滤、纳滤和反渗透0.1 血 10100 加 10 1W InnsIIIIIIIL 微滤,.悬浮粒子 大分子超滤二
9、糖/二价盐 单价盐/不游离酸膜的分类与物性5. 透析：利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶液和透析液（水或缓冲 液）分隔，在浓差作用下，溶液中小分子和透析液中的水各自向相反的低浓度一侧移动过程. 透析膜：孔径5-10nm，实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析 特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。透析袋内透析袋外（a）透析袋透析简单装置。A：透析夹，（B：透析程C：透析示意图6电渗析电渗析是膜分离技术的一种程它是在直流电场作用下程以电位差为推动力程利用离子交换膜 的选择透过性程把电解质从溶液中分离出来程从而实现溶液的淡化、浓缩、精制
10、或纯化目的。 定义：利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的方法 用途：用于小分子电解质（氨基酸、有机酸）的分离和溶液脱盐 原理：离子交换膜（膜表面和孔内共价键含有离子交换基团）阳离子交换膜：酸性阳离子（如：磺酸基一SO3-）阴离子交换膜：碱性阴离子（如：季铵基一N+R3）在电场作用下程阳离子交换膜选择性透过阳离子；阴离子交换膜选择性透过阴离子（一）电渗析基本原理及过程1. 电渗析过程2. 电渗析脱盐的基本原理3. 电渗析技术的特点1. 电渗析过程电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合。电渗析制取淡水的基本过程：利用离子交换膜的选择透过性程即阳膜理论上只允许阳离子 通过程阴膜理论上只允许阴离
11、子通过程在外加直流电场作用下程阴、阳离子分别往阳极和阴 极移动程它们最终会于离子交换膜程如果膜的固定电荷与离子的电荷相反程则离子可以通过程 如果它们的电荷是相同的则离子被排斥程从而可以制得淡水。2. 电渗析法脱盐的基本原理把阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列于正负两个电极之间程并用特制的隔板将其隔开程 组成脱盐（淡化）和浓缩两个系统。当向隔室通入盐水后程在直流电场作用下程阳离子向阴极迁移程阴离子向阳极迁移程但由 于离子交换膜的选择透过性程而使淡室中的盐水淡化程浓室中盐水被浓缩程实现脱盐目的。（ P62 页 图 4.4）7.气体分离：气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以
12、达到气体分离和纯 化的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、 溶解、扩散、脱溶、逸出。应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分 离器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢 而滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。8 渗透气化（膜蒸馏） 定义：在分压差作用下，溶液中溶质扩散过疏水膜，在透过侧发生气化，然后冷凝回收过程 原理：是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲合力不同而有选择地优先吸附溶解某 一组份，及各组份在膜中扩散速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点
13、 的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。渗透气化过程（图） 特点：1.渗透速度取决于膜与溶质间相互作用2. 气化所需潜热由外部热源供给3. 溶质发生相变，消除渗透压作用，适于高浓度混合物分离 应用：共沸物和挥发性相差较小的双组分溶液分离（如：渗透气化浓缩乙醇） 膜材料：多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜、含氟多孔膜发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术： （1）优先透醇膜的研制 （2）过程优化膜分离过程的类型气体渗透分离空气中的氮生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。三、膜材料及其特性膜材料要求：1 对过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过滤阻力高2 材料为惰性，不吸附
14、溶质，使膜不易污染，不易堵塞3 适用的 pH 和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸碱清洗剂，稳定性高，使用寿命高4 容易通过清洗恢复透过性能5 满足实现分离目的各种要求，如对菌体细胞的截留、对生物大分子的通透性和截留作用 （一）膜材料（1）天然高分子材料 醋酸纤维一截盐能力强，最高温度和pH有限（4550C, pH=38） 硝酸纤维再生纤维天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊（ 2）合成高分子材料聚砜一耐高温（70125C）, pH范围厂（pH=l13）,耐氯能力强可调孔 径范围厂（120nm）; 耐压能力低（0.5l.OMPa）聚酰胺一耐压能力高，稳定和pH值稳定性好，使用寿命长 聚丙烯腈 聚酰亚胺 聚烯类 含氟聚合物（3）无机材料陶瓷、微孔玻璃、不锈钢、碳素 无机微滤膜I机械强度高，耐高温、耐化学试剂和有机溶剂 多孔陶瓷膜氧化铝、硅胶、氧化锆、钛微粒烧结不易加工，造价咼十太严含水金属氧化物胶体微粒或聚丙烯动态膜.酸沉积在陶瓷管等多孔介质形成膜透过通量大清洗容易稳定性差Q （二）膜结构特性（1）孔道结构对称膜截面的膜厚方孔道结构均匀 传质阻力大，透
