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1、第三章第三章 膜分别技术膜分别技术 物质分别与纯化技术膜分别技术膜分别技术l具有选择透过性是分别膜的根本特征。利用膜的选择性，以膜两侧存在的能量差作为推进力，允许某些组分透过而保管混合物中其它组分，从而到达分别目的的技术。膜分别特点膜分别特点l共同特点：l 1无相变发生，能耗低；l 2普通无需从外界参与其他物质，节约资源，维护环境；l 3可以实现分别与浓缩、分别与反响同时进展，从而大大提高效率；l 4常温常压下进展，特别适用于热敏性物质的分别、浓缩； 5不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物或无机物的分别，而且还适用于特殊溶液体系的分别如共沸物的分别； 6膜组件简单，可实现延续操作，易控
2、制、易放大。缺乏：膜强度较差，运用寿命不长，易于污染 反浸透、超滤、微滤和电渗析为四大已开发运用的膜分别技术，有大规模的工业运用和市场。其中反浸透、超滤、微滤相当于过滤技术，用于分别含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。电渗析用的是荷电膜，在电场的推进下，用于从水溶液中脱出离子，主要用于苦咸水的脱盐。膜组件膜组件(Membrane Module)l将膜、固定膜的支撑资料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的构造及型式取决于膜的外形,工业上运用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。板框式板框式(Plate-and-
3、Frame)膜组件膜组件l 板框式是最早运用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤安装, 膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一同构成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联衔接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的构造上。比外表积大，易于改换膜，适于微滤、超滤。管式管式(Tubular)膜组件膜组件l管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维加强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的浸透溶液在管外侧被搜集。l对外压式膜组件,膜那么被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,浸透溶液那
4、么由管外侧浸透经过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需求设计成串联或并联安装。螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件膜组件l目前,螺旋卷式膜组件被广泛地运用于多种膜分别过程。l膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等经过适当的方式被组合在一同,然后将其装入能接受压力的外壳中制成膜组件。经过改动料液和过滤液流动通道的方式,这类膜组件的内部构造也可被设计成多种不同的方式。中空纤维中空纤维(Hollow Fiber)膜组件膜组件l中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比一切其他组件大, 最高可到达30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维
5、安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液那么浸透经过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液那么从膜组件的另一端流出。比较比较型式型式优点优点缺点缺点管式管式易清洗，无死角，适宜于处理易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子含固体较多的料液，单根管子可以调换可以调换保留体积大，单位体积保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，中所含过滤面积较小，压力降大压力降大中空纤维中空纤维式式保留体积小，单位体积所含过保留体积小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压滤面积
6、大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低力较低，动力消耗较低料液需要预处理，单根料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个纤维损坏时需调换整个模件模件螺旋卷绕螺旋卷绕式式单位体积中所含过滤面积大，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易换新膜容易料液需预处理，压力降料液需预处理，压力降大大,易污染易污染,清洗困难清洗困难平板式平板式保留体积小，能量消耗界于管保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式式和螺旋卷绕式死体积大死体积大l截断分子量、l水通量、l孔的特征、lpH适用范围、l抗压才干、l对热和溶剂的稳定性等。18表征膜性能的参数表征膜性能的参数截留率和截断分子量截留率和截断分子量l 膜对溶质的截
7、留才干为截留率Rrejection，其定义为：l R1 CpCb l lCp和Cb：表示在某一瞬间，透过液和截留液的浓度。l如R1，那么Cp0，表示溶质全部被截留；l如R0，那么Cp Cb，表示溶质能自在透过膜。1920截断曲线截断曲线质量好的膜，陡直，可使不同分子量的溶质分别完全；反之，会导致分别不完全。透析透析l 利器具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔，以膜两侧的浓度差为传质推进力，从溶液中分别出小分子物质的过程。l在生物分别中主要用于蛋白质的脱盐，血液中代谢废物的脱除。水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜推进
8、力：浓度差截留分子尺寸： 工业 0.02m人工肾 0.005m透过组分：分别目的：传送机理:膜类型：小分子溶质大分子溶质溶液脱小分子小分子溶质溶液脱大分子筛分微孔膜内的受阻传送非对称膜、离子交换膜根本概念根本概念运用运用蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液特点特点l 渗析过程是以浓度差作为推进力的，所以速度较慢。随着过程的进展，膜两边盐水的浓度差就越来越小，渗析的速度就越来越慢，直至膜两边的浓度一样，建立了平衡，电解质离子的迁移也就停顿了。透析膜资料透析膜资料l主要有天然纤维素及其衍生物与合成聚合物两大类。l纤维素类有：醋酸纤维素、再生纤维素；l合成聚合物有：聚酰胺、聚丙烯腈
9、、聚碳酸酯、聚砜、聚烯烃、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等。已商业化的人工肾运用的透析膜资料膜资料消费厂商评论Akzo-EnKa*初次用于临床透析铜氨法再生纤维素脱乙酰基纤维素醋酸纤维素聚丙烯腈聚甲基丙烯酸酯乙烯-乙烯醇共聚物聚醚砜/多芳基化合物合金聚砜聚酰胺Asahi ChemicalTerumoCordis-DowTeijinCordis-DowToyoboRhone Poulenc*Asahi ChemicalTorayKurarayFreseniusNikkisoGrambro第一种日本透析膜第一种中空纤维透析膜蒸汽消毒蛋白质过滤膜由合成聚合物
10、制造的第一种膜用于去除2-小球蛋白的第一种不对称透析膜采用特征吸附，射线消毒，以去除2-小球蛋白抗凝血酶源透析膜用于去除2-小球蛋白的不对称透析膜易于控制浸透率的不对称透析膜用于去除2-小球蛋白的不对称透析膜性能和表征性能和表征1、传质阻力包括三项，即在血液侧进入膜外表的传质阻力、在膜中的传质阻力、在透析液中的传质阻力。2、溶质透过系数3、过滤系数4、含水率5、生物相容性人工肾血液透析安装 肾脏功能：对血液进展过滤，排泄尿素、肌酐、尿酸、胍的衍生物等代谢产物及某些毒物和药物，调节体内水、电解质和酸碱平衡；调理血压，激活维生素D；分泌血管活性物质和促红细胞生成素等。 肾功能衰竭可呵斥新陈代谢物质
11、在体内堆积，产生代谢紊乱，从而引起尿毒症，危及人的生命。 肾脏患者，治疗手段以人工肾和/或肾脏移植为主，并辅以药物治疗。 人工肾是临床上用于治疗急、慢性肾功能衰竭的最有效的常规肾脏替代疗法。透析的运用透析的运用 1. 透析有效面积 普通为0.62.0平方米。 2. 超滤率 透析器排出水分的效率叫超滤率 。 3. 去除率 单位时间内从血液中去除的某溶质的量除以透析器血液入口处该溶质的浓度，并以容量速率表示之，单位为mlmin。 4. 透析率 单位时间内血液中去除某溶质的量除以入口处血液与透析液之间该物质的浓度差。透析器主要技术性能透析器主要技术性能工业运用工业运用 压榨(碱)液的回收 在粘胶纤维
12、消费中，压榨液约为纤维产量的1822倍，压榨液的碱浓度为1617，还含有大量的半纤维素、树脂和机械杂质。 透析法回收压榨液中NaOH中空纤维透析器的膜资料由聚乙烯醇制成。经预处置过的压榨液和软水分别由压榨液和软水进口管进入透析器，在膜的两侧反向流动，压榨液中的NaOH不断进入软水中。剩余液出透析器后进入废液槽，经处置后排放；酒精饮料脱醇酒精饮料脱醇l中空纤维透析器可以进展啤酒脱醇。啤酒在中空纤维内侧流过、透析液(水)经过中空纤维外侧逆向而流，醇的脱除率可达40。l该法虽优于精馏法，但在脱酒精的同时会把某些低分子组分一同脱除，而影响酒的芳香度和风味。l有人建议在透析液中加人啤酒中的芳香成分，以坚
13、持啤酒的原有风味透析膜的运用透析膜的运用l处置l检查-进样-断定l 各需求留意哪些方面？超滤技术超滤技术超滤超滤 超滤技术始于 1861 年，其过滤粒径介于微滤和反浸透之间，约510 nm，在 0.10.5 MPa 的静压差推进下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等大分子及胶体，构成浓缩液，到达溶液的净化、分别及浓缩目的。原理原理l超滤技术的中心部件是超滤膜，分别截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一同透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒那么被截留。膜上微孔的尺寸和外形决议膜的分别效率。超滤膜超滤膜l最早运用的超滤膜是天然动物的脏器薄膜。l1867年，在多孔磁板上凝胶沉淀铁氰化铜制成了第一
14、张人工膜。l目前超滤膜均为不对称膜，绝大多数的超滤膜采用L-S相转化法制备。l制备超滤膜的资料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。l超滤膜分别的组分直径为5nm10m，分别相对分子质量大于500的大分子和胶体，这种溶液的浸透压很小，可以忽略。因此采用的操作压力较小，为0.10.5 MPa ，膜的水透过通量为0.55m3/m2*d)。超滤膜的性能超滤膜的性能 除机械物理性能，耐热性，耐酸碱性和耐溶剂，抗氧化等性能外，主要有如下两个目的：截留率和截留分子量(MWCO)：通常把能截留90或95的某物质的分子量作为膜的截留分子量(MWCO) 。显然，截留分子量越窄，截留率越高的膜越好。截留分子
15、量(MWCO)不仅与膜孔径有关，且与被截留物性能和分子构造、膜资料和膜外表的物化性质有关荷电、吸附、疏水等。截留率截留率透过通量透过通量 用超滤池，用纯水在用超滤池，用纯水在0.1-0.5MPa下进展超滤实验，可求下进展超滤实验，可求出该膜的通量出该膜的通量ml/(cm2.h)。单位时间、单位膜面积上透过的溶液量。单位时间、单位膜面积上透过的溶液量。 在一定的截留率下，通量越大越好。在一定的截留率下，通量越大越好。 在压力驱动膜过程中，由于料液中水或小分子物透过膜，而其他成分被膜阻留，使膜外表上的浓度升高，从而也导致一回分散，当到达平衡时，膜外表浓度C2高于主体溶液浓度C1，这一景象叫浓差极化
16、。 C2/C1叫浓差极化度。浓差极化为一可逆过程。 浓差极化浓差极化 超超滤中中浓差极化差极化凝胶极化凝胶极化 超滤过程中，大分子溶质在进料膜侧外表不断积累，最后在膜外表构成凝胶层，如下图。超滤凝胶极化模型超滤凝胶极化模型浓差极化的危害浓差极化的危害l降低水通量l降低脱盐率l导致膜外表堆积而引起膜污染，缩短膜运用寿命l添加流道阻力浓差极化的防治浓差极化的防治主要的防治途径有：加强进料的预处置选择适宜膜组件合理的过程设计适宜的操作参数的选择膜污染膜污染定义 由于与膜存在物化作用或机械作用，进料中的微粒、胶体或溶质在膜外表或孔内发生吸附、凝聚和堆积，使膜孔径变窄或堵塞，其透过通量和分别性能也有不可
17、逆的变化，这一景象谓之膜污染。膜污染的影响要素膜污染的影响要素1膜的物化性质膜的亲水性和外表张力亲水性好的膜，膜外表与水成氢键，不疏水溶质接近膜外表时，要突破这一氢键结合，这需能量，膜耐污染；而疏水膜外表无氢键构成，疏水溶质接近膜外表时，挤开水是一熵增大过程，易进展，那么膜易被污染。膜的荷电性荷电膜处置同离子溶质的料液，由于荷电排斥，也不易污染。2膜的构造对称构造的膜耐污染不如一样孔径的不对称膜；两面双皮层的膜耐污染不如一样孔径的单皮层的膜；膜孔径分布窄截留分子量窄的膜耐污染性好；外表光滑的膜耐污染性好。3进料的组成和性质进料会与膜有相互作用：静电作用：膜外表电荷与溶液中荷电介质一样时，相互排
18、斥，膜不易被污染；反之那么易被污染；范氏压力：溶质和膜亲水，那么之间吸引力弱，溶质不易污染膜； 其他：进料浓度，温度，pH，离子强度，溶质分子大小和外形等。膜污染的控制膜污染的控制据影响污染的要素，相应的控制污染的方法如下：膜资料的选择、留意资料的亲水性和荷电性等；选择适宜构造的膜，包括膜的对称性，皮层构造，孔径大小及其分布，膜外表粗糙度等；选择适宜的膜组件，适宜的操作参数如压力，流速，回收率等；选择适宜的进料的浓度，pH，温度，离子强度等。膜的清洗膜的清洗1 膜清洗必要性和本卷须知必要性：消除污染物，使水通量恢复，使膜寿命延伸，能耗降低等。本卷须知：1)膜的物化特性，如耐温，耐酸、碱，耐氧化
19、性等； 2)污染物特性，如种类，可溶解性，可氧化性，可酶解性等。膜的清洗膜的清洗2 膜清洗方法和效果物理法：主要有高流速水冲洗，气水反冲洗，海绵球机械清洗，抽吸清洗，电脉冲清洗等。化学法：主要有酸、碱、外表活性剂、络合剂、杀菌剂、酶、氧化剂和其他添加剂等。清洗效果：通量恢复，流程压差降减少等。超滤技术运用领域超滤技术运用领域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汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处置。汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有12的涂料高分子物质，用超滤安装可分别出清水反复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重
20、新用于电泳涂装。3食品工业中的废水处置。在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分别蛋白和低分子量的乳糖。4果汁、酒等饮料的消毒与廓清。运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置的同时坚持原有的色、香、味，操作方便，本钱较低。5在医药和生化工业中用于处置热敏性物质，分别浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。6造纸厂的废水处置。微孔膜过滤微孔膜过滤微孔膜过滤微孔膜过滤l微滤(Microfiltration) 它是以静压差为推进力，利用膜的“筛分作用进展分别的膜分别过程。lMF膜具有比较整齐、均匀的多孔构造，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子经过膜，大于膜孔的粒子那么被阻拦在膜
21、的外表上，使大小不一的组分得以分别。lMF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因此阻力小，过滤速度快，实践操作压力也较低。lMF主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细球、污染物等，以到达净化、分别和浓缩的目的。被分别粒子的直径范围为 0.110m。lMF膜在过滤时介质不会零落，没有杂质溶出，无毒，运用方便，运用寿命较长，同时，膜孔分布均匀，可将大于孔径的微粒、细菌、污染物截留在滤膜外表，滤液质量较高，也称为绝对过滤Absolute Filtration。适宜于过滤悬浮的微粒和微生物。特点特点 与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比，
22、MF膜有以下几个特点：属于绝对过滤介质孔径均匀，过滤精度高厚度薄，吸附量小。MF膜的厚度普通为10200m。通量大。无介质零落，不产生二次污染。颗粒包容量小，易堵塞。分别机制分别机制 虽然普遍以为MF的分别机理类似于“筛分，但在这种“筛分过程中，MF膜的构造起着决议性的作用，膜的构造不同，截留机理也有较大差别。 对于MF膜，比较公认的有两种构造，一种称为“筛分膜(screen membranes)，它拥有几乎完美的圆柱形孔，这些孔或多或少与膜外表垂直并随机分散。 另一种是“深层膜(depth membranes)，其孔是弯曲不规那么的，膜的外表也很粗糙，一部分孔的途径与膜外表是平行的。分别机制分别机制1膜外表层截留：又分有机械截留筛分截留，指MF膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；吸附截留，指MF膜将尺寸小于基孔径的微粒经过物理或化学作用吸附而截留；架桥截留，指固体颗粒在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。2膜内部截留也称为网络截留，这种截留发生在膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而构成。除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留。终端过滤与错流过滤终端过滤与错流过滤运用运用l在医疗卫生领域中的运用l在生物化学和微生物研讨中的运用l在食品饮料工业领域中的运用l在电子工业中的运用l在油田注水的运用l在家庭生活中的运用
