膜分离技术

《膜分离技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜分离技术（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、膜分离技术及其应用默认分类2008-07-14 11:01:42阅读215评论2 字号：大中小 订阅1. 前言膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层,允许某些组份透过而保留混和物中其他组 份，从而达到分离目的的技术。它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效 率高和省能等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。在其发展过程中，1960 年Loeb和Souri rajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜是膜分离技 术发展的一个里程碑，使反渗透技术大规模用于水脱盐成为现实。自此以后，不仅在膜材料 范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进

2、展。这些 进展又大大促进了微滤和超滤技术的发展，使整个膜分离技术迅速向工业化应用迈进。目前， 膜分离技术已在电子工业、食品工业、医药工业、环境保护和生物工程等领域中得到广泛应 用。液体中通常含有生物体、可溶性大分子和电解质等复杂物质。其主要组成及其尺寸大小 列于表1。表1液体中可能存在的主要成分组份分子量（D）尺寸大小（nm）酵母和真菌103 104细菌300104胶体100103病毒30300蛋白质104106210多糖1041062101041062103001030.61.22004000.81.0有机酸1005000.40.8无机离子101000.20.4图1是按分离的粒子或分子大小分

3、类的各种分离过程。由图可知，五种主要的膜分 离过程覆盖了一个相当宽范围的粒子大小。通常沉淀、过滤存在澄清不彻底、劳动量大、时 间冗长等缺点；离心、超离心又有投资运行费用高、操作与维修困难等问题。在分离浓缩步 骤中，可用离子交换、蒸发、色谱等手段，但存在处理量、以及有些物质对热与化学环境敏 感等问题。膜分离技术由于具有如下优点而使其能在生物产品分离、提取与纯化过程中发挥 作用：(1) 处理效率咼，设备易于放大；(2) 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；(3) 化学与机械强度最小，减少失活；(4) 无相转变，省能；(5) 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；(6)

4、选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率；(7) 系统可密闭循环，防止外来污染；(8) 不外加化学物，透过液(酸、碱或盐溶液)可循环使用，降低了成本，并减 少对环境的污染。v!-if !vml-v!-endif-几种主要的膜过程特性列于表2,表3列出了它们不同的驱动力、分离粒子范围和应用对象。图1各种分离法及适用范围表2各种膜分离技术分离范围膜过分离机理分离对象孔径（nm）程粒子体积大小固体粒子10000过滤微滤体积大小0.0510m的固体粒子501000010001000000道尔顿的大分超滤体积大小250子,胶体纳滤溶解扩散离子、分子量10 0的有机物2反渗溶解扩散离子、分子量10 0的有机

5、物0.5透渗透溶解扩散离子、分子量10 0的有机物0.5蒸发2. 几种膜分离过程的定义与分离原理2.1微滤利用筛分原理，分离、截留直径为0.05m至i10m大小的粒子的膜分离技术，微滤膜的孔径为0.05m至到 10m2.2超滤超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但有些情况下受到粒子荷电性与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从10001000000道尔顿的可溶性大分子物质，对应孔径 为20500埃。（0.002m 0.05m）。2.3纳滤它的分离机理相似于反渗透，是溶解扩散原理。膜孔径小于20埃。2.4反渗透在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中大分子、 小分子有机

6、物及无机盐全被截留住。理想的反渗透膜应被认为是无孔的，它分离的基本原理 是溶解扩散（也有毛细孔流学说）。“膜孔径”为110埃。2.5透析它基于分子大小、分子构象与电荷，以浓度梯度为驱动力，通过水与小分子物质扩 散达到分离浓缩的目的。透析膜具有反渗透膜无孔和超滤膜极细孔的特性，根据所用膜孔径 不同，可分离浓缩大分子而去除中等分子、小分子有机物及无机盐。缺点是速度慢、处理量 小。2.6电渗析它是通过在电位差下用荷电膜从水溶液中分离离子的过程。阴、阳离子交换膜被交 替排列在正、负极之间形成许多独立的小单元。当含离子溶液在电场下通过这些单元时，有 些单元里的正、负离子可透过正、负离子交换膜进入另一些单

7、元而变成脱盐水，另一些单元 中正、负离子因电场作用和膜电荷排斥作用而留在单元里，加上过来的离子生成浓盐水。2.7渗透蒸发它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份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 中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。3. 膜结构及其分离特性3.1微滤膜从孔结构来分类，微滤膜可被分为毛细孔膜和弯曲孔膜二类。两种形态不同的弯曲 孔膜制备方法不同，一种用拉伸方法制备，另一种为相转换方法生产。毛细孔膜孔径分布均 匀，但孔隙率（更确切地说孔密度）较低，透水量较小，而弯曲孔膜孔隙率高，但孔径

8、分布 很宽，因而透水率较毛细孔膜高得多。值得指出的是这两种膜在过滤特性上有很大区别。表 4列出了纤维素膜（弯曲孔膜）和核孔膜（毛细孔膜）过滤胶体粒子的截留情况。结果表明, 虽然弯曲孔膜孔径比胶粒直径大得多，但仍显示很高的截留能力，而毛细孔膜则截留率很低， 这是由于弯曲孔膜具有大得多的厚度和可吸附的内表面所致。因此在分离粒子时，用毛细孔 膜最好，而在以除去粒子为目的的应用中，选择弯曲孔膜最为合适。另外，毛细孔膜过滤时， 粒子积聚在膜表面（属表面筛滤），所以可用反冲有效地洗去沉积物，恢复透水率。而弯曲表3几种主要膜过程的实用范围名称膜结构与孔径驱动力对称微孔压力微、一 A膜(0.05 滤(0.05

9、 0.5MPa)10m)分离物质分子量示例溶液除菌、澄微粒、胶体清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除不对称微超孔膜(0.2100010000001MPa)50m)溶液除菌、澄 清，注射用水制备，果 汁澄清、除菌，酶及蛋白 质分离、浓缩与纯化， 含油废水处理，印染废 水处理，乳化液分离、浓缩等带皮层的纳不对称膜、复 滤 合膜（2 Am）带皮层的反不对称膜、复渗透 合膜（100 nm）压力(0.4-1.5MPa)压力(1100 1000离子、分子量100的有10MPa)机物度，分子量为1001000左右有机物分子浓 缩或脱除，糖及氨基酸 浓缩，低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩， 苦咸水、海水淡化，

10、超 纯水制备对称的或透不对称的析膜浓度梯度小分子有机物、离除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等电 离子交换电位差 渗析 膜离子、氨基酸苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工艺用水醇与水分离,渗致密膜或透蒸复合膜发浓度梯度分子量100的有醋酸与水分离，有机溶机物、剂脱水，有机液体混合水、离子物分离如脂烃与芳烃的水处理中脱硬孔膜过滤，粒子被吸附或截留在膜的深层（具有深层过滤作用），难以用冲洗方法洗出, 因此膜一旦被污染，透水率恢复率很低。近年来，在发展不对称微滤膜方面取得了重大进展, 它可基本消除内孔污染，因而透水量衰减慢，具有广泛应用前景。表4纤维素膜和核孔膜过滤金溶胶

11、粒子结果比较截留率胶体粒径（m）（%）膜0.05 （m）0.005 （m）0.1m核孔膜1.20.20.1 “m纤维素膜92.08.20.4m核孔膜1.30.20.45m纤维素膜46.912.71.0m核孔膜0.70.31.2m纤维素膜46.526.73.0m核孔膜0.40.25.0m纤维素膜59.317.9从材料上分，微滤膜分为合成聚合物微滤膜和无机微滤膜。3.2超滤膜、纳滤膜与反渗透膜超滤膜、纳滤膜与反渗透膜和微滤膜分类一样，按材料分有合成聚合物膜和无机膜 两类，结构上均是不对称结构，但分为指状孔结构与海绵状结构，而且近年来开辟出复合膜 品种。通常用透水率和脱盐率来表明纳滤膜和反渗透膜性能

12、，测定的方法较简单，不同公司 的膜性能可以相互比较;但作为超滤膜的性能一一透水率与截留分子量，前者尚可相对比较, 后者则极为困难。有时从标称截留分子量看一样，然而实际应用中差别很大。这里介绍一下 截留分子量的确定过程，有助于对其定义理解和在实际应用中对这一指标的选择。超滤膜在成膜过程中，表面形成的孔并不一样大小，而是存在一个孔径分布。因此 在确定其截留分子量时，并不用某一种分子量的球形蛋白质或水溶性聚合物即可确定，而是 要用几种不同分子量蛋白或水溶性聚合物测出一条截留分子量曲线，然后选择截留率在90% 的那点对应的分子量作为该膜截留分子量。也有厂家把截留率定为95%时的分子量作为 截留分子量，

13、但较少。另外由于膜的截留分子量受测定条件影响，如：压力、温度、搅拌速度、溶质浓度、缓冲液系统、溶液体积对膜面积之比和透过液体积对原液体积之比等。目前 在世界上尚无统一标准，参照其它研究者建议，我们提出测定截留分子量的条件为：压力： O.IMPa；温度：25C；搅拌速度尽量快；溶质浓度：0.1%；测定液与膜直径比例为：直径 4.5厘米膜片用50ml溶液；透过液体积小于6 ml；测定的膜为经过预压的新膜，预压压力为 0.30.4 MPa。由于各个厂家所用标准蛋白或水溶性聚合物也不一样，所以很难把不同来源 膜的截留分子量作统一比较。我们的工作还发现，既使用的蛋白是同一厂家，还会因批次不 同导致测定结

14、果不同。我们认为，对于超滤膜的截留分子量的认识必须注意三点：（1）不要认为用超滤膜分离浓缩蛋白质和其他大分子时，低于截留分子量的分子 全可透过膜，而大于截留分子量的分子全被截住。实际上，不同厂家的膜，截留分子量敏锐 性不同，越接近理想截留分离曲线越好。（2）被分离浓缩物的分子特性，如大小、形状、构象、化学特性（荷电）等对膜截留 分子量的选择极为重要。一般而言，在溶液中呈线性分子的截留率较低，而支链聚合物较高， 球形蛋白最高。表5列出溶质特性对它们被截留的特性的影响。（3）测定截留分子量通常是用单一蛋白质或大分子溶液进行，而实际分离浓缩酶 或其他蛋白质时，溶液是一个不同分子量蛋白质和可溶性大分子（如多糖）的复杂混合物体 系。因此这时膜的分离特性会因浓差极化或凝胶层”形成而有所改变，一般是较小分子量的 溶质截留率比单一溶质时增大。表5结果表明：在分子量相同时，截留率顺序为球蛋白支链聚合物线性聚合物。 也就是说，在分离浓缩多糖或线性大分子时，要用截留分子量低于被分离物分子量的膜。另 外，要注意厂家标称截留分子量是用什么