生物分离技术：Chapter 5 膜分离
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▪ 超滤：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~ 0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离 酶、蛋白质等生物大分子物质；
7
▪ 反渗透：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离 出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001
~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小， 不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；
被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其
为膜。
6
膜分离技术的类型和定义
膜分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 小而达到物质分离的目的，故而可以按分离 粒子大小进行分类：
▪ 微滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推 动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分 布范围在0.025~14μm之间；
20
5.2.3 各种膜材料
天然物质的衍生物：醋酸纤维，乙酸丁酯 纤维，再生纤维素等
合成材料—聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚 苯丙异咪唑、聚碳酸酯
无机材料—陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳 素
21
5.2.4 纤维素和聚砜
纤维素膜：要自由羟基取代。
醋酸纤维膜：优点—①透过速度大，截留盐能力强， 适宜于制备反渗透膜 ②制造较易 ③原料丰富 缺点—①最高使用温度30℃②pH最适宜操作范 围4—6，不能超过2~8，消毒与清洗困难 ③易与氯 相作用④易受细菌侵蚀
微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以 及其它污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的；
特点： 1、截留大小在0.1UM以上的物质， 2、通常作为物料的除菌及澄清过滤；也常作为超滤、纳滤、反 渗透的预过滤 3、通量大、运行成本低；
2、超滤（UF）
一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术 ，
Ni
Di Ci RT
d i
dx
J2
D2 K
C 2 X
μ为化学电位
对于溶质
38
溶解-扩散模型适用于均匀的膜，适合无机盐的反渗透。
膜分离机理（3）
优先吸附-毛细孔流动模型（有孔学说）
• 水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定的亲水性，对盐类 有一定的排斥性质。
• 在膜面上始终存在着一层纯水膜，厚度为几个水分子的大小。 在压力下，可连续地使纯水层流经毛细孔。
渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度 和温度；
一般说来，无机小分子的渗透压要比有 机大分子溶质的渗透压高得多。
32
渗透和渗透压
盐溶液 纯水
1885年，Van’t Hoff 渗透压定律：
·R·T·Ci 渗透是在膜两边渗透 压差—— 的作用下 的溶剂流动；而反渗透、 超滤是在一外加压力差 P > 的作用下, 溶 剂逆向流动。
43
截断曲线
截断曲线：截留率与分子量之间的曲线 良好的膜应有陡直的截断曲线，可使
44 不同分子量的溶质分离完全。
截留率和截断分子量
影响截留率的因素： 溶质分子大小、形状、膜对溶质的吸附作
用、其它高分子溶质影响（浓差极化）、 其它（T，C）。 一般说来，两种高分子溶质要相互分离， 其分子量须相差 10倍以上。
5.5 膜过滤的基本概念和理论
超滤和反渗透 目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，
从溶液中分离出来。 分离时的推动力都是压强，由于被分离物
质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不 同，其采用的压强大小不同。 反渗透膜的操作压力高达10 MPa。
31
5.5.1 超滤和反渗透操作中的渗透压
由于超滤和反渗透过程都是用一种半透 膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或 盐水），因此都存在渗透压。
与膜表面化学性质和孔结构等多种因素相关。
对有机物，优先吸附-毛细孔流动模型比较优越。 39
（a）膜表面对水的优先吸附 40
（b）在膜表面处的流动
如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大， 而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。
41
5.6 表征膜性能的参数及超滤方程
膜分离法的优点
常温操作； 物理过程，不加化学试剂； 不发生相变，能耗较低； 选择性高； 浓缩和纯化一步完成； 易于放大，可分批或连续操作。
18
5.2 膜的制造
5.2.1 膜的分类： 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透
膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合
膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材
1000~30000 0.0025~10um >1um
蛋白质 细菌
新型的NF正好介于UF和RO之间，截流分子量大概在150 1000。
膜分离过程的选择
13
1、微滤（MF）
截留直径大小在0.1um以上的物质，其基本原理是筛孔分离 过程，
微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维 素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷 和金属等。
d 2p 水通量 J= 32 L
L膜厚度；ε孔隙率；d膜孔直径；μ粘度系数 仅适用于圆柱形毛细管，但实际情况复杂，存在死 37 孔道及孔道大小不匀。
Ni
Di Ci RT
膜分离机理（2）
溶解-扩散模型：反渗透膜：表皮层未发现 孔道 所以溶剂或溶质分子首先溶解在膜中。 然后扩散通过膜。
对于非离子型溶质通量：
▪ 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离 300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平 均2nm；
▪ 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分离操 作；
8
膜分离过程的分类
过滤过程 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析
推动力
孔径
压力（0－1bar） 0.02-10um
1、截留孔径在1nm左右； 2、 用于从溶液中脱除一价无机盐和水； 3、允许一价盐的透过减低了渗透压，因此操作 压力低，节约能耗；
4、反渗透（RO）
水及部分微小分子物质透过，多用于纯水制备、 海水淡化等领域，也用于氨基酸等小分子的浓缩 。
特点： 1、除了水分子可以透过膜外，其他分子及离子 都被膜截留 2、最常用于纯水的制备
的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。
p p p0 patm
因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜 分离过程”
36
d 2p 32 L
5.5.3 膜分离机理（1）
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动 的毛细管理论。（毛细管流动模型）
超滤、微过滤 ：以压力为推动力的膜分离技术（不 包含相变化）。水以滞流方式在孔道内流动
dc
Jvc Jvcp D dx
（1）
49
浓差极化-凝胶层模型
边界条件：
当x=0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb。 将（1）式积分，得到：
Jv
D
n
Cw Cb
CP CP
（2）
50
凝胶层模型方程
Cp，Cw，Cb ——透过液， 膜面，主体浓度
当溶质完全截流， 即Cp=0时，
D—扩散系数 δ—边界层厚度
压力（0－10bar） 0.001-0.2um
压力（0－100bar） 无孔.MW<1000
浓度差
1-3um
电势差
MW<200Biblioteka 9各种膜的分离特性
微滤 超滤 纳滤 反渗透
10
悬浮颗粒
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐 单价盐
水
几种膜分离工艺实例
11
膜截留特性
RO
UF
MF
F
MW <150
5.1 分类和定义
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。
4
连续膜过滤系统（水处理案例）
5
膜的概念
在一种流体相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。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物 构成的复合体
聚砜膜：优点—温度范围广，pH范围广，耐氯能力
强，孔径范围宽。不能制成反渗透膜或微过滤膜。 缺点—允许操作压力较低
聚酰胺膜：主要用于反渗透，对热和高pH溶液稳定
22 性较高，使用寿命较长，但不能耐氯。
纤维素膜 聚砜膜
23
聚酰胺膜
5.3 各种膜组件
管式 中空纤维 螺旋卷绕式 平板式
24
5.3.1 平板式膜组件
渗 透
反渗透
H2O
渗透压与 Van’t Hoff 渗透压公式
Π=RTc
34
渗透与反渗透
35
5.5.2 实现超滤和反渗透的条件
超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能
发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体 静压力与渗透压的压差；
p p p0 patm
反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量
料膜
19
5.2.2 膜材料的特性
对于不同种类的膜都有一个基本要求： （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0.1~0.5MPa 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：防止分离过程中，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）成本低；
孔道特征：孔径、孔径分布、空隙度。
45
超滤的基本方程
J w Lp (p a )
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
a 排斥系数 π 渗透压
46
5.7 传递理论（浓差极化—凝胶层模型）
超滤在外压作用下进行，外压迫使相对小分子溶 质通过薄膜，而大分子被截留在膜表面，形成浓 度梯度。
浓差极化的概念：当溶剂透过膜，而溶质留在膜 上，因而使膜面浓度增大，并高于主体浓度，这 种浓度差导致溶质自膜面反扩散到主体中。
47
如何减少浓差极化？？
48
浓差极化-凝胶层模型
当发生浓差极化后，膜面上浓度Cw大于主体溶液浓度Cb， 溶质向主体溶液反扩散。
质量守恒（微元化处理）：溶质随主体溶液进入单元薄层的 速度等于透过膜的通量和反扩散速度之和--对单元薄层进行 物料衡算。
水通量（Jw）
Jw
W
A
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间
42
截留率和截断分子量
截留率（R）超滤膜对 某溶质的截留能力
R c1 c2 c1
•截断分子量： （Molecular weight cut-off）(MWCO) 定 义为相当于一定截留率 （通常为90%或95%） 的分子量.
c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
Chapter 5 膜分离过程
Membrane Separation
1
本章主要知识点
膜分离技术的概念。 膜分离技术的分类。 各种膜的分离特性。 对于膜材料的基本要求。 主要的膜组件类型。 超滤和反渗透过程中渗透压的影响
2
超滤的基本方程 了解亲和膜分离技术 了解电渗析的工作原理
3
透析过滤—处理较大， 使透过液稀释（加水， 缓冲液）较高
实际中：开始浓缩模式，当 达到一定的浓度时，转变为 透析过滤模式。
连续操作的优点是 产品在系统中停留时 间较短，这对热敏或 剪切力敏感的产品有 利。主要用于大规模 生产，如奶制品工业。
间隙操作：平均通 量高，成本低，适用 于药物和生物制品。
30
Jv
Km n
Cw Cb
（3）
边界条件
Jv
D
n
Cw Cb
CP CP
51
凝胶层模型方程
在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质最 紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达 到极大值CG。
（3）式变为：
Jv
Km n
CG Cb
（4）
当形成凝胶时，达到最大值（形成凝胶）。
52
形成凝胶层后，由（4）式可见，Jv随lnCb增大而线性 减小。
超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过 程。
特点： 1、截留分子量在1000-500000之间的可溶性物
2、用于蛋白质、鞣质、病毒、细菌、酶的去除与浓 缩；
3、生化、医药、天然产物、多肽、糖等产品的脱色 、分级；
3、纳滤（NF）
截留分子量在150以上、直径在1nm左右的物质 ，
是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术。 特点
25
5.3.2 管式膜组件
管式膜成套设备
26
5.3.3 螺旋卷式膜组件
27
5.3.4 中空纤维式膜组件
28
5.3.5 膜过滤器
板式膜过滤器
圆形板式反渗透装置
管束膜过滤器
动态膜压力过滤器
（悬浮过滤介质动态膜固液分离原理 ）
中空纤维膜过滤器
29
5.4 操作方式
浓缩模式—时间长（除 去小分子溶质、溶剂）， 通量降低
Jv
K
m
n
CG Cb
53
浓差极化模型的要点
在膜分离过程中，所有溶质均被透过液传 送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受 到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。
7
▪ 反渗透：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离 出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001
~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小， 不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；
被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其
为膜。
6
膜分离技术的类型和定义
膜分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 小而达到物质分离的目的，故而可以按分离 粒子大小进行分类：
▪ 微滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推 动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分 布范围在0.025~14μm之间；
20
5.2.3 各种膜材料
天然物质的衍生物：醋酸纤维，乙酸丁酯 纤维，再生纤维素等
合成材料—聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚 苯丙异咪唑、聚碳酸酯
无机材料—陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳 素
21
5.2.4 纤维素和聚砜
纤维素膜：要自由羟基取代。
醋酸纤维膜：优点—①透过速度大，截留盐能力强， 适宜于制备反渗透膜 ②制造较易 ③原料丰富 缺点—①最高使用温度30℃②pH最适宜操作范 围4—6，不能超过2~8，消毒与清洗困难 ③易与氯 相作用④易受细菌侵蚀
微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以 及其它污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的；
特点： 1、截留大小在0.1UM以上的物质， 2、通常作为物料的除菌及澄清过滤；也常作为超滤、纳滤、反 渗透的预过滤 3、通量大、运行成本低；
2、超滤（UF）
一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术 ，
Ni
Di Ci RT
d i
dx
J2
D2 K
C 2 X
μ为化学电位
对于溶质
38
溶解-扩散模型适用于均匀的膜，适合无机盐的反渗透。
膜分离机理（3）
优先吸附-毛细孔流动模型（有孔学说）
• 水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定的亲水性，对盐类 有一定的排斥性质。
• 在膜面上始终存在着一层纯水膜，厚度为几个水分子的大小。 在压力下，可连续地使纯水层流经毛细孔。
渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度 和温度；
一般说来，无机小分子的渗透压要比有 机大分子溶质的渗透压高得多。
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渗透和渗透压
盐溶液 纯水
1885年，Van’t Hoff 渗透压定律：
·R·T·Ci 渗透是在膜两边渗透 压差—— 的作用下 的溶剂流动；而反渗透、 超滤是在一外加压力差 P > 的作用下, 溶 剂逆向流动。
43
截断曲线
截断曲线：截留率与分子量之间的曲线 良好的膜应有陡直的截断曲线，可使
44 不同分子量的溶质分离完全。
截留率和截断分子量
影响截留率的因素： 溶质分子大小、形状、膜对溶质的吸附作
用、其它高分子溶质影响（浓差极化）、 其它（T，C）。 一般说来，两种高分子溶质要相互分离， 其分子量须相差 10倍以上。
5.5 膜过滤的基本概念和理论
超滤和反渗透 目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，
从溶液中分离出来。 分离时的推动力都是压强，由于被分离物
质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不 同，其采用的压强大小不同。 反渗透膜的操作压力高达10 MPa。
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5.5.1 超滤和反渗透操作中的渗透压
由于超滤和反渗透过程都是用一种半透 膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或 盐水），因此都存在渗透压。
与膜表面化学性质和孔结构等多种因素相关。
对有机物，优先吸附-毛细孔流动模型比较优越。 39
（a）膜表面对水的优先吸附 40
（b）在膜表面处的流动
如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大， 而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。
41
5.6 表征膜性能的参数及超滤方程
膜分离法的优点
常温操作； 物理过程，不加化学试剂； 不发生相变，能耗较低； 选择性高； 浓缩和纯化一步完成； 易于放大，可分批或连续操作。
18
5.2 膜的制造
5.2.1 膜的分类： 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透
膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合
膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材
1000~30000 0.0025~10um >1um
蛋白质 细菌
新型的NF正好介于UF和RO之间，截流分子量大概在150 1000。
膜分离过程的选择
13
1、微滤（MF）
截留直径大小在0.1um以上的物质，其基本原理是筛孔分离 过程，
微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维 素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷 和金属等。
d 2p 水通量 J= 32 L
L膜厚度；ε孔隙率；d膜孔直径；μ粘度系数 仅适用于圆柱形毛细管，但实际情况复杂，存在死 37 孔道及孔道大小不匀。
Ni
Di Ci RT
膜分离机理（2）
溶解-扩散模型：反渗透膜：表皮层未发现 孔道 所以溶剂或溶质分子首先溶解在膜中。 然后扩散通过膜。
对于非离子型溶质通量：
▪ 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离 300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平 均2nm；
▪ 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分离操 作；
8
膜分离过程的分类
过滤过程 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析
推动力
孔径
压力（0－1bar） 0.02-10um
1、截留孔径在1nm左右； 2、 用于从溶液中脱除一价无机盐和水； 3、允许一价盐的透过减低了渗透压，因此操作 压力低，节约能耗；
4、反渗透（RO）
水及部分微小分子物质透过，多用于纯水制备、 海水淡化等领域，也用于氨基酸等小分子的浓缩 。
特点： 1、除了水分子可以透过膜外，其他分子及离子 都被膜截留 2、最常用于纯水的制备
的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。
p p p0 patm
因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜 分离过程”
36
d 2p 32 L
5.5.3 膜分离机理（1）
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动 的毛细管理论。（毛细管流动模型）
超滤、微过滤 ：以压力为推动力的膜分离技术（不 包含相变化）。水以滞流方式在孔道内流动
dc
Jvc Jvcp D dx
（1）
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浓差极化-凝胶层模型
边界条件：
当x=0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb。 将（1）式积分，得到：
Jv
D
n
Cw Cb
CP CP
（2）
50
凝胶层模型方程
Cp，Cw，Cb ——透过液， 膜面，主体浓度
当溶质完全截流， 即Cp=0时，
D—扩散系数 δ—边界层厚度
压力（0－10bar） 0.001-0.2um
压力（0－100bar） 无孔.MW<1000
浓度差
1-3um
电势差
MW<200Biblioteka 9各种膜的分离特性
微滤 超滤 纳滤 反渗透
10
悬浮颗粒
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐 单价盐
水
几种膜分离工艺实例
11
膜截留特性
RO
UF
MF
F
MW <150
5.1 分类和定义
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。
4
连续膜过滤系统（水处理案例）
5
膜的概念
在一种流体相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。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物 构成的复合体
聚砜膜：优点—温度范围广，pH范围广，耐氯能力
强，孔径范围宽。不能制成反渗透膜或微过滤膜。 缺点—允许操作压力较低
聚酰胺膜：主要用于反渗透，对热和高pH溶液稳定
22 性较高，使用寿命较长，但不能耐氯。
纤维素膜 聚砜膜
23
聚酰胺膜
5.3 各种膜组件
管式 中空纤维 螺旋卷绕式 平板式
24
5.3.1 平板式膜组件
渗 透
反渗透
H2O
渗透压与 Van’t Hoff 渗透压公式
Π=RTc
34
渗透与反渗透
35
5.5.2 实现超滤和反渗透的条件
超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能
发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体 静压力与渗透压的压差；
p p p0 patm
反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量
料膜
19
5.2.2 膜材料的特性
对于不同种类的膜都有一个基本要求： （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0.1~0.5MPa 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：防止分离过程中，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）成本低；
孔道特征：孔径、孔径分布、空隙度。
45
超滤的基本方程
J w Lp (p a )
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
a 排斥系数 π 渗透压
46
5.7 传递理论（浓差极化—凝胶层模型）
超滤在外压作用下进行，外压迫使相对小分子溶 质通过薄膜，而大分子被截留在膜表面，形成浓 度梯度。
浓差极化的概念：当溶剂透过膜，而溶质留在膜 上，因而使膜面浓度增大，并高于主体浓度，这 种浓度差导致溶质自膜面反扩散到主体中。
47
如何减少浓差极化？？
48
浓差极化-凝胶层模型
当发生浓差极化后，膜面上浓度Cw大于主体溶液浓度Cb， 溶质向主体溶液反扩散。
质量守恒（微元化处理）：溶质随主体溶液进入单元薄层的 速度等于透过膜的通量和反扩散速度之和--对单元薄层进行 物料衡算。
水通量（Jw）
Jw
W
A
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间
42
截留率和截断分子量
截留率（R）超滤膜对 某溶质的截留能力
R c1 c2 c1
•截断分子量： （Molecular weight cut-off）(MWCO) 定 义为相当于一定截留率 （通常为90%或95%） 的分子量.
c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
Chapter 5 膜分离过程
Membrane Separation
1
本章主要知识点
膜分离技术的概念。 膜分离技术的分类。 各种膜的分离特性。 对于膜材料的基本要求。 主要的膜组件类型。 超滤和反渗透过程中渗透压的影响
2
超滤的基本方程 了解亲和膜分离技术 了解电渗析的工作原理
3
透析过滤—处理较大， 使透过液稀释（加水， 缓冲液）较高
实际中：开始浓缩模式，当 达到一定的浓度时，转变为 透析过滤模式。
连续操作的优点是 产品在系统中停留时 间较短，这对热敏或 剪切力敏感的产品有 利。主要用于大规模 生产，如奶制品工业。
间隙操作：平均通 量高，成本低，适用 于药物和生物制品。
30
Jv
Km n
Cw Cb
（3）
边界条件
Jv
D
n
Cw Cb
CP CP
51
凝胶层模型方程
在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质最 紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达 到极大值CG。
（3）式变为：
Jv
Km n
CG Cb
（4）
当形成凝胶时，达到最大值（形成凝胶）。
52
形成凝胶层后，由（4）式可见，Jv随lnCb增大而线性 减小。
超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过 程。
特点： 1、截留分子量在1000-500000之间的可溶性物
2、用于蛋白质、鞣质、病毒、细菌、酶的去除与浓 缩；
3、生化、医药、天然产物、多肽、糖等产品的脱色 、分级；
3、纳滤（NF）
截留分子量在150以上、直径在1nm左右的物质 ，
是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术。 特点
25
5.3.2 管式膜组件
管式膜成套设备
26
5.3.3 螺旋卷式膜组件
27
5.3.4 中空纤维式膜组件
28
5.3.5 膜过滤器
板式膜过滤器
圆形板式反渗透装置
管束膜过滤器
动态膜压力过滤器
（悬浮过滤介质动态膜固液分离原理 ）
中空纤维膜过滤器
29
5.4 操作方式
浓缩模式—时间长（除 去小分子溶质、溶剂）， 通量降低
Jv
K
m
n
CG Cb
53
浓差极化模型的要点
在膜分离过程中，所有溶质均被透过液传 送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受 到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。