膜分离的基本原理和方法

四.超滤
超滤:使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。 与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶 液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的 是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜
五. 电渗析（electrodialysis，简称ED ）
1．电渗析的基本原理
电渗析是在直流电场的作用下，以电位 差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶 液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只 允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通 过），而使溶液中的溶质与水分离的一种 物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡 化、精制和提纯的一种膜过程。
电渗析的过程
二.分离用的膜 主要是由高分子材料制成的聚合物膜
醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10－10m
99％
过渡层，孔径 200×10－10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10－10m
各种膜分离法的原理和应用范围
膜分离 法
微 滤 （MF）
超
滤
反渗 透
渗析
传质推动 力
其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗 析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代 渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其 它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得 到重视和发展。
水 口
耐压 容器
透 过 液
/www/weblib.nsf/pub/E921365E248899B7852568BD0054096E?opendocument
工 业 应 用 的 反 渗 透 装 置
四.中空纤维式反渗透膜组件
• 中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。 • 中空纤维外径50―200m，内径2542m。 • 将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护
膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用 的膜分离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤 (Ultrafiltration，UF)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、透 析(Dialysis，DS)、电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化 (Pervaporation，PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围 列于上表。
膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙， 以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。
膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以 发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解 离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜 上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电 荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警 卫”，以鉴别和选择通过的离子。
膜分离技术的特点：
• 1、膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量 要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8， 因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很 大差异；
• 2、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂 的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化 物质分离的合适方式；
(3320 m3/day).
膜分离装置
一.平板式组件
（板框式反渗透膜组件
装配图
板框式膜组件工 作过程示意图
半透膜
缺点：
装卸复 杂，单 位体积 膜表面 积小。
浓缩水
进水
耐压容器
透水板 透过水
特点：结构简单，体积 比管式的小。
1×20㎡板式超滤膜装置
二.管式反渗透膜组件
管式膜组件又分为内压式和外压式
中空纤维超滤膜设备
乳清的大致成分%
性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端 用环氧树脂加固。 • 将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔 支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。
中空纤维反渗透组件简图
密封
中空纤维膜 外径50－200μ 内径25－42μ
密封 进水
多孔进水管 浓水
浓水出口 耐压容器 透过水 淡水出口
膜断面图
盐），实现有机成分的浓缩。 • 超滤（UF）－大分子的浓缩。 • 微滤（MF）－除去细菌，大分子分离。 • 以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，
供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、在清液被 分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。微滤、超滤、 纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或 悬浮微粒的液体。
膜分离技术在分离工程中的重要作用
膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求 低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和 蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；
膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分 离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的 合适方式：
三、电渗析
• 在直流电场的作用下， 溶液中的离子透过膜的迁移称为电 渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交 换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。 为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功 能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离 子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选 择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用
一、反渗透
• 反渗透是一种高压、高性能的技术。适用 于液体脱水、低分子量化合物浓缩、废污 清洁等过程。通常应用在蒸发前乳制品的 预浓缩。
二、超滤
• 超滤是一项选择性分离步骤，可以将溶液浓缩并净化为高 分子量聚合物，适用于乳蛋白、碳水化合物和酶。
• 超滤是使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗 透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂 透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起 透过超滤膜。超滤（UF）典型地应用于牛乳蛋白的浓缩， 乳清蛋白的浓缩和用于生产干酪，酸奶以及其它乳制品的 牛乳的蛋白标准化。
/eigo0/fiber.html
三.螺旋卷式反渗透膜组件
螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图 密封
多孔透水材料
膜，上下两层
密封
Hale Waihona Puke 密封膜叶螺旋卷式膜组件组合示意图
进
浓
水
水
透过水
透水 网状 材料
膜组件的组装示意图
密
端 盖
封膜
连
圈组
接
件
器
浓 缩 液
进
三.反渗透
• 如图所示，一个容器中间用一张可透过溶 剂(水)，但不能透过溶质的半透膜隔开，两 侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜 两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂 的水分子从溶质浓度低(水浓度高)的一侧(纯 水)向浓度高的一侧(水溶液)透过，这种现象 称为渗透。促使水分子透过的推动力称为 渗透压。当B侧与A侧之间的压差等于渗透 压时，两侧的化学位相等达到平衡状态。
• 3、无化学变化。典型的物理分离过程，不用化学试剂 和添加剂，产品不受污染；
• 4、选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普遍 滤材无法取代的卓越性能； 5、适应性强。处理规模可大可小，可以连续也可以间 隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用 低易于自动化 。
存在的问题：
• 1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要 采用与工艺相适应的膜面清洗方法;
一.膜分离的基本原理
在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜 的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的 溶剂透过膜向稀溶液侧移动.
渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）
• 在乳品工业中，膜技术主要涉及到： 反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。 毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分 脱盐），实现有机成分的浓缩。 超滤（UF）大分子的浓缩。 微滤（MF）除去细菌，大分子分离。
• 2、从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶 剂能力都是有限的，故使用范围受限;
• 3、单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离 工艺与其他分离工艺组合起来使用。
在乳品工业中，膜技术主要涉及到：
• 反渗透（RO）－除去水，使溶液浓缩。 • 毫微过滤(NF)－通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱
Membrane Filtration
Reverse Osmosis (RO)
Ultrafiltration (UF)
Nanofiltration (NF)
/html/filtration/fpdfs/modbrch5.pdf
Microfiltration (MF)
内压式管式膜组件的内部结构示 意图
膜表皮层 进 玻璃纤维管
水
淡
淡
水
水
特点:
水力条件好，安 装、清洗、维修比 较方便。
能耐高压，可以 处理高粘度的原水。
缺点是膜的有效 面积小，装置体积 大，而且两端要较
多的联结装置。
MItsubishi Rayon Hydrophilic Hollow Fiber Membrane
无化学变化 ：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添
加剂，产品不受污染；
选择性好 可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代 的卓越性能； 适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺
简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。
• 膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜 分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行 分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透 性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有 重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。 所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一 层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能 使这两部分之间产生传质作用。
压差 0.05～0.5
压差0.1～ 1.0
压差1.0～ 10
浓差
分离原理
筛
分
筛
分
筛
分
筛
分
应 用举例
除菌，回收菌，分离病毒
蛋白质、多肽和多糖的回 收和浓缩
盐、氨基酸、糖的浓缩、 淡水制造
脱盐，除变性剂
电渗 析
渗透气 化
电位 差
压差、温 差
电荷、筛分
溶质与膜的亲和 作用
脱盐，氨基酸和有机酸分 离
有机溶剂与水的分离，共 沸物的分离
电渗析过程原理图
阳极室 浓缩室 淡化室 浓缩室 阴极室
+
+
Cl-
+ Cl- Cl-
+ Na＋ +
+ 阳极 阳膜
－
Cl-
－
Na＋
Na＋
Na＋ Cl- －
Cl- Cl-
－ Na＋ －
Na＋
Na＋
－
阴膜 阳膜
阴膜
阴极
离子交换膜为什么具有选择透过性呢？
离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄 膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的 作用。
膜分离的基本原理和方法
第一节 膜分离的概述
膜分离技术的发展简史:
人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为 人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究 则是近几十年来的事。1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交 换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布 (Loeb)和索里拉简 (Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这 在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规 模工业化应用的时代。
注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选 择透过性作用。
离子交换膜功能示意图
实际应用的电 渗析器
/html/elep.html
Electrodialysis stacks for nitrate removal in drinking water