第六章-膜分离过程pppt课件

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气体渗透别离空气中的氮
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膜别离过程的类型
生物别离中最常用的膜别离技术是：超滤、微滤和反渗透。
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三、膜材料
膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个根本要求： 〔1〕耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加 较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.1-0.5 MPa，反渗透膜的压力更高，约为1-10MPa； 〔2〕耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要； 〔3〕耐酸碱：防止别离过程中以及清洗过程中的 水解； 〔4〕化学相容性：保持膜的稳定性； 〔5〕生物相容性：防止生物大分子的变性； 〔6〕本钱低。
机械强度高，耐高温及 化学试剂，但造价高。 透过通量大，清洗容易，
但稳定性差。
醋酸纤维素和聚砜应用最广
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膜的制造方法
1．相转变法：浇铸液→支持物上铺开→蒸发局部溶剂→凝 胶形成→热处理(退火)；
2．烧结法： 膜材料粉→模具内→严格控制温度和压力→ 由 软变熔→ 形成多孔体→ 机械加工；
3．核径迹法：厚为5-15 m薄膜→粒子(如a粒子或中子)照射 → 化学键断裂形成径迹→酸碱液腐蚀→形成孔道；
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1、管式膜组件
结构：将膜固定在圆管状 支撑体上构成管式膜，管式 膜并联或串联，收纳在筒状 容器内即构成管式膜组件。
特点： 结构简单、适应性强、压力 损失少，处理量大、清洗安 装方便、可耐受高压，用途 较板式广泛。
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管式陶瓷超滤膜组件
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2、平板式膜组件
结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由
多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔 薄膜，供料液或滤液流动。
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的别离纯化
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6.气体渗透：
气体膜别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，以到达气体别离和纯化 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别离 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，从而产生枯燥的氮气。
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纳滤的应用
行业
处理对象
制药工业
母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化
氨基酸的脱盐与纯化
食品工业
乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收
行业 化工行业
纯水制备
染料工业 活性染料的脱盐与回收 废水处理
处理对象 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收
超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 印染厂废水脱色 造纸厂废水净化
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图1 对称膜
图2 非对称膜
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图3 对称膜
图4 非对称膜
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二、膜别离过程的类型
膜别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 膜孔径大小而到达物质别离的目的，故 而可以按别离粒子大小进行分类。
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膜别离过程的类型
1.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能
透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作 用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用：脱盐，血液透析
第六章 膜别离过程 Membrane separation
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膜别离技术
膜别离的概念：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 移率不同而实现别离的一种技术。 用半透膜作为选择障碍层，允许某些组 分透过而保存混合物中其它组份，从而 到达别离目的的技术。
－ MWCO只是表征膜特性的一个参数，不能作 为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分 布、耐污染能力等)综合考虑。
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实际膜别离过程中影响截留率的因素：
溶质分子量
分子特性
不同分子截留率大小顺序：球形＞带支 链＞线性；
对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留 率较低；
假设膜对溶质有吸附作用，截留率增大。
其他高分子溶质的影响
4．拉伸法： 晶态聚烯烃→在低熔融温度下挤压成膜→ 延伸 得到高的熔融应力→无张力条件下退火→拉伸；
5．复合膜的制备：是相转变膜的继续开展，制造非常薄的特
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四、各种膜组件
由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这 些部件的容器构成的一个单元。 目前市售商品膜组件主要有：管式、中空 纤维 、螺旋卷绕式 、平板式 共同的特点 尽可能大的膜外表积 可靠的支撑装置 可引出透过液 膜外表浓度差极化到达最小
－特优点点：：比外表积
最大，可方便地进
行反洗，造价低，
工业上普遍使用
。
－缺点：易堵塞，
对料液要求高。
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中空纤维膜别离器〔工业用〕
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5、纳米膜过滤技术
介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小 分子而使大局部无机盐通过。 特点： 〔1〕在过滤别离过程中，能截留小分子 有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与 透析为一体； 〔2〕操作压力比反渗透低很多。
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。
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膜法海水淡化
几种别离方法能耗比较
分离方法 反渗透 低温多效 多级闪蒸
能耗 (kWh/m3)
3.5
>7
>10
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嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
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巴黎瓦兹河梅 里市14万立 方米/天的纳 滤厂，每天为 巴黎附近50 万居民提供 14万吨饮用 水
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不同膜材料的特点与应用
膜材料
应用
特点
天然高分子
醋酸纤维 再生纤维
常用作反渗透膜
截盐能力强，使用温度
也可用作微滤膜和超滤膜 和 pH 范围有限
制造微滤膜和透析膜
合成高分子
聚砜 聚酰胺
无机材料
陶瓷 动态膜
主要用于制造超滤膜 常用于反渗透
制造微滤膜和超滤膜
适用温度及 pH 范围广， 但耐压能力较差
耐压能力较高，稳定性 好，使用寿命长。
渗透压：渗透现象中，促
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反渗透： 定义：在溶质浓度高的一 侧施加超过渗透压的压力， 使溶剂透过膜的操作。 是一种以压力差为推动力， 从溶液中别离出溶剂的膜 别离操作，孔径范围在0. 1~1 nm之间。
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其根本原理为溶解扩散。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。
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一、膜的简介
定义： 在流体相之间有一层薄的 凝聚相物质，把流体相分 隔开来成为两局部，这一 薄层物质称为膜。
水 小分子 大分子 料液
膜
渗透液
“21世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色 〞
“谁掌握了膜技术，谁就 掌握了21世纪的未来〞
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膜的用途
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；〔截留物为产物〕 纯化：除去杂质； 别离：将混合物分成两种或多种目的产 物； 反响促进：把化学反响或生化反响的产 物连续取出，能提高反响速率或提高产 品质量。
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膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源膜Βιβλιοθήκη 传统工业能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
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膜别离的特点： 浓缩液
无相变、低能耗
高效率、污染小
渗
透
工艺简单、操作方便
液
浓缩与纯化同时进行
进料液
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膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规那么； (2)非对称膜：别离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧
凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低， 适于超滤单元操作。
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板式膜组件
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3、螺旋卷式膜组件
结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网
上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网， 卷绕在空心管上构成。
特点：
－ 优点：比表
－ 面积大，
结
－ 构简单，
价
－ 格较廉价
；
其他高分子溶质的存在使溶质截留率增 大。
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膜别离技术应考虑的问题
2、浓差极化:在膜别离过程中，膜外表上 溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。如以 下图：
－ 缺点：处理
－ 悬浮物浓
度
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超滤超滤微滤卷式膜组件
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特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、 浓缩倍数较低的料液处理和水处理。
卷式膜别离器〔工业用〕
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4、中空纤维式膜组件
结构：由数百至数百万根中空纤维膜〔内
径40－80 m)或毛细管膜〔内径 0.25~2.5mm〕固定在圆筒形容器内构 成。
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亲和膜别离操作方式
亲和超滤过程〔别离目标物的同时，浓缩其 他成分〕
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五、膜别离过程在生物工程中的应用
过程 微滤
超滤
纳滤 反渗透
透析
应用对象 消毒、澄清收集细胞
大分子物质分离
实例
培养悬浮液除菌，产品消毒， 细胞收集
酶及蛋白质的分离、浓缩、纯 化，血浆分离、脱盐、去热原，
膜反应器
小分子物质分离 小分子物质浓缩 小分子有机物和无机离子
糖，二价盐、游离酸的分离 单加盐、非游离酸的分离
脱除小分子有机物或无机离子
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六、膜别离技术应考虑的问题
1、截留分子量(MWCO)
截留曲线：测定分子量不 同的球形蛋白质或水溶性 聚合物的截留率，所得到 的膜的截留率与溶质分子 量之间关系的曲线。
－ 一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子 量定义为膜的截留分子量。
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微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
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5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子 交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或 富集电解质的膜别离操作。
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，别 离推动力是静电引力。
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1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
性质决定别离特性，厚度决定传递速度，朝向待别离浓缩液；多孔 的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)外 表上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的 外表薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为 有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
特点：以浓差为推动力，膜透 过通量很小，不适于大规模生物 别离过程，多在实验室中应用。
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蛋白质透析
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透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
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2.微滤〔Microfiltration,MF〕 ： 以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推 动力，使不溶性物质得以别离的操作。 孔径分布范围在0.025~14μm之间， 截留直径为0.02μm ~ 10μm大小的 粒子。 可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如 培养基液菌体别离与浓缩，产品消毒。
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6、膜亲和过滤法
膜亲和过滤法是传统膜别离技术与亲和别离技 术的集成，是一种十分有效的别离方法。 内容：包括两个分支 〔1〕亲和膜别离：制备带有亲和配基的别离膜， 直接进行产物别离； 〔2〕亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性 的高分子亲和载体与产物进行特异性反响，然 后进行错流过滤。
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亲和膜别离技术要点
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一种动态过程，由泵提供推动力，在膜外 表产生两个分力：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。
超滤原理的示意图
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A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图 .
4.反渗透〔Reverse osmosis,RO〕:
渗透和渗透压：
渗透：膜〔不能透过溶质〕 两侧压力相等时，在浓 度差作用下，溶剂从溶 质浓度低的一侧向溶质 浓度高的一侧透过的现 象。
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微滤
(Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随过滤时
原料液
间延长，膜面上截流沉积不
溶物，引起水流阻力增大，
透水速率下降，直至微孔全
渗透液
被堵塞；
无流动操作
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3.超滤〔 Ultrafiltration, UF〕 ： 别离介质同上，但孔径更小，为0.001-
0.02 μm，别离推动力仍为压力差，截 断分子量可变化。 适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的别 离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆别离， 脱盐，去热原，在生物工程中应用最广。
别离膜的改性：通过化学改性，在载体外表连接上 一条“手臂链〞〔大于三个碳原子〕； 亲和膜制备：选用适宜的配基，与手臂链相连，构 成带有亲和配基的别离介质； 亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要别离的物 质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物 的复合体； 洗脱：改变条件〔洗脱液组成、pH、离子强度、温 度等〕，使复合物解离； 亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使 用。