第八章 膜分离技术
膜分离介绍
2009-8
5
膜分离过程的 现状与发展趋势[2]
如图：
各种膜及装置的 销售状况分为价 格趋于稳定的低 速增长区和使用 趋于可靠的高速 增长区。
研究状况分为基 础研究、过程开 发和过程优化。
2009-8
6
8.1 概述
膜分离单元操作的目的与原理
目的：分离流体混合物 基本原理：固体膜对混合物各组分的选择性渗透。 推动力：—压力差
膜蒸馏是在常压和低于溶液沸点的温 度下进行的。 膜蒸馏所用膜必须是疏水性微孔膜， 如聚四氟乙烯
2009-8
19
膜蒸馏的优点
①截留率高(若膜不被润湿，可达100 ％)；
②操作温度比传统的蒸馏操作低得多， 可有效利用低热、工业废水余热等廉 价能源，降低能耗；
③操作压力较其它膜分离低；
④能够处理反渗透等不能处理的高浓 度废水。
2009-8
17
渗透汽化传质机理
渗透汽化与其它膜分离的最 大不同是它在渗透过程中发 生由液相到气相的相变化。 它的分离机制分三步：溶解扩散模型 1）被分离的液相物质在膜 表面被选择性地吸附并溶解； 2）以扩散形式在膜内渗透； 3）在膜的另一侧变成气相 脱附。
2009-8
18
7、膜蒸馏[3]
膜精馏是膜分离与蒸发结合的分离 过程；是以疏水性微孔膜两侧蒸汽 压差为传质推动力的膜分离过程。
20c60s，Loeb和Saurirajan研制成功第一张非对 称醋酸纤维素反渗透膜，海水淡化成为现实；
20c60~80s开发的超滤、气体分离等也进入工业 应用；
20c80~90s建成无水酒精渗透汽化装置，现已大 规模用于有机物的脱水；
20c90s以来，被称为膜接触器的膜萃取、膜吸
膜分离技术
膜分离技术简介膜分离技术是一种通过膜进行物质分离和纯化的技术。
它广泛应用于制备纯化工业和生物制药中，其原理是利用特定的膜，通过选择性透过、排除或吸附的方式将混合物中的目标物质与其他组分分离开来。
膜分离技术具有高效、节能、环保等优点，因此在各个领域得到了广泛应用，并成为一个重要的物质分离技术。
原理膜分离技术的基本原理是利用膜的选择性透过性来实现分离。
根据分离机制的不同，膜分离技术可以分为几种不同的类型，包括微滤、超滤、纳滤、反渗透和气体分离等。
每种类型的膜分离技术都有其特定的分离机制和应用范围。
•微滤：微滤膜具有较大的孔径，一般用于分离固体颗粒和大分子物质，如悬浮固体和细菌等。
•超滤：超滤膜的孔径较小，可以分离分子量较大的物质，如蛋白质和胶体等。
•纳滤：纳滤膜的孔径更小，可以分离分子量更小的物质，如盐和有机物等。
•反渗透：反渗透膜是一种半透膜，其孔径非常小，可以有效地分离溶质和溶剂。
这种技术常被用于海水淡化和废水处理等领域。
•气体分离：气体分离膜是一种特殊的膜，可以分离不同气体的混合物。
这种技术在天然气加工和二氧化碳捕获等领域有广泛应用。
应用膜分离技术在许多领域都有广泛的应用。
以下是其中几个应用领域的简要介绍：生物制药在生物制药中，膜分离技术被广泛用于分离和纯化蛋白质、细胞因子和其他生物分子。
通过使用超滤和纳滤等技术，可以将目标蛋白质从细胞培养液中分离出来，并去除其他杂质。
这种技术不仅能够提高产品纯度，还可以减少后续步骤的处理量，提高生产效率。
医药膜分离技术在医药领域有着广泛的应用。
例如，在血液透析和血液净化中，通过使用半透膜将废物和多余的物质从血液中分离出来，达到治疗和净化的目的。
此外，膜分离技术还可以用于药物传递系统中，通过控制药物在膜上的透过性实现持续释放和控制释放。
环境工程膜分离技术在环境工程中的应用也非常广泛。
例如，在水处理中，可以使用反渗透膜将盐和有机物等溶质从海水或废水中分离出来，实现水的淡化和净化。
膜分离技术
膜的定义一种最通用的广义定义是“膜”为两相之间的一个不连续区间。
因而膜可为气相、液相和固相，或是他们的组合。
简单的说，膜是分隔开两种流体的一个薄的阻挡层。
描述膜传递速率的膜性能是膜的渗透性。
以常见的超滤过程为例，分离机理主要为筛分：膜表面有微孔，流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子随部分溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析液，而大分子则被截留在原来的一侧，形成截留液，从而达到了将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
形象地说，膜就像一张筛网，可以拦下大的、透过小的。
但这张筛网与众不同的是它的孔径很小，进行的是大小分子的分离。
我们只要选择合适孔径的膜，就可以进行所需的分子级分离。
2、膜分离技术的定义把上述的膜制成适合工业使用的构型，与驱动设备（压力泵、或电场、或加热器、或真空泵）、阀门、仪表和管道联成设备。
在一定的工艺条件下操作，就可以来分离水溶液或混和气体。
透过膜的组分被称为透过流分。
这种分离技术被称为膜分离技术。
3、膜的种类分离膜包括：反渗透膜（0. 0001～0. 001μm），纳滤膜（0. 001 ～ 0. 01μm）超滤膜（0. 01 ～ 0. 1μm）微滤膜（0. 1～10μm）、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。
他们对应不同的分离机理，不同的设备，有不同的应用对象。
膜本身可以由聚合物，或无机材料，或液体制成，其结构可以是均质或非均质的，多孔或无孔的，固体的或液体的，荷电的或中性的。
膜的厚度可以薄至100μm ，厚至几毫米。
不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要用不同的方法制备。
制膜方法一直是膜领域的核心研究课题，也是各公司严格保密的核心技术。
4、按微观结构分对称膜、不对称膜、复合膜、多层复合膜等。
5、按宏观结构分平板膜、卷式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维等。
无论在实验室或工业规模的生产中，膜都被制成一定形式的组件作为膜分离装置的分离单元。
在工业上应用并实现商品化的膜组件主要有平板型、圆管型、螺旋卷型和中空纤维型，相应的膜的几何形状分为平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。
第八章膜分离技术
应用 除菌
超滤 反渗透
20A ~0.2 m
<20A
0.1 ~0.7MPa
0.7 ~13MPa
分离病毒及 生物大分子
纯水制备
3. 电场膜分离
（1）电渗析：
在半透膜的两侧分别装上正、负电极。
（2）离子交换膜电渗析：
用离子交换膜代替一般的半透膜。 应用：脱盐，海水淡化，纯水制备，从发酵液 中分离柠檬酸、谷氨酸及凝胶电洗脱。
面产生两个分力：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
利用超滤膜在一定压力下使溶液中大分子滞 留，而小分子及溶剂滤过的方法。
超滤法在蛋白质溶液除盐、浓缩及分离纯化 中有广泛的应用。
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
图4-61 超滤浓缩装置
4.各种膜材料
• 有机高分子膜： 纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚 物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和 全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；
• 无机多孔膜：陶瓷膜
• 5.膜的制备:溶液浇铸和延流 • 6.新型膜材料的开发趋势
8.2.2 各种膜组件
• 1.平板式 • 2.管式 • 3.中空纤维 • 4.螺旋卷绕式
平板式膜组件
管式膜组件
螺旋卷式膜组件
中空纤维式膜组件
8.3 微滤(MF)
一种静态过滤，随过 滤时间延长，膜面上截流 沉积不溶物，引起水流阻 力增大，透水速率下降， 直至微孔全被堵塞；
原原料料液液
渗渗透透液液 无无流流动动操操作作
微滤膜材料：氧化锆，氧化铝，不锈钢，聚偏氟乙烯等
8.3.1 微滤的基本概念和分离范围
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔。
膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小。
有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
微滤（MF）通常孔径范围在0.1～1微米，大于1微米不能通过。
又称微孔过滤，它属于精密过滤，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、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。
无机膜材料有陶瓷和金属等。
鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。
对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。
可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。
超滤（UF），膜两侧需压力差，膜孔径在0.05um至1nm之间，通常截留分子量范围在1000～300000。
是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1nm 之间。
超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。
以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。
对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。
纳滤（NF），孔径为几纳米，截留分子量在80～1000的范围内。
第八章膜分离1
不对称膜的截面结构示意图
膜的孔道特性 膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。
可由电子显微镜直接观察测定。
也可通过泡点法(bubble point method)测量： 在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通 入空气，当压力升高到有稳定气泡冒出时称为泡 点，此时的压力称为泡点压力。
7.1.2 分离膜和膜组件
分离膜
对膜材料要求: 1. 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小； 2. 膜材料惰性，不吸附溶质，从而使膜不易污染， 膜孔不易堵塞； 3. 适用的pH和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸 碱清洗剂，稳定性高，使用寿命长； 4. 容易通过清洗恢复透过性能； 5. 满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞 的截留，对大分子的通透性或截留作用。
基于空气压力克服表面张力将水从膜毛细管中 推出的动量平衡，可得到计算最大孔径的公式。
dmax
4cos
pb
dmax——最大孔径； σ——水的表面张力；
ห้องสมุดไป่ตู้
θ——水与膜面的接触角度；
рb——泡点压力。
因为亲水膜可被水完全润湿，故亲水膜的
θ≈0， cosθ≈1，所以
d max
4
pb
σ——水的表面张力；
рb——泡点压力。
原理和适用范围
7.2微 滤、超滤和纳滤
MF、UF、NF和RO的共同特点是以静压差为推动力而 达到分离目的。它们的区别是分离精度不同，因而 压差也不同。
3）无机材料
主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。
陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要 利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结 而成。陶瓷材料的特点是机械强度高，耐高温、 耐化学试剂和耐有机溶剂。缺点是不易加工，造 价较高。
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是一种技术，它是建立在把不相容的物质分成两个相对独立的部分，并且通过在这些部分之间建立一个结构，使其能够相互分离的基础上发展出来的。
膜分离技术是在现代科学和工程领域中被使用最广泛的一种技术。
它可以用于解决大多数工业过程中的分离问题，如水处理等。
膜分离技术最早由埃及文明的发明家们发明，他们将多孔的砖和石头用于过滤土和水，这是历史上第一次使用膜分离技术。
当时，这种技术大多用于分离固体、液体和固体混合物。
随着科技的进步，膜分离技术发展更加广泛，现在已经可以用于分离任何形式的物质，包括固体、液体或气体。
现在它是一种非常有效的分离技术，被广泛应用在许多工业和农业领域。
膜分离技术可以使得系统和过程中的物料分离更加有效，从而提高工业生产的质量和效率。
此外，膜分离技术的应用还可以改变某些物质的性质，提高产品的质量，并减少浪费和污染。
膜分离技术被广泛应用于许多领域，包括水处理、精炼、污泥处理、纯净水制备、药物加工、食品加工等等。
此外，膜分离技术还可以用于分离复杂的有机物质，如蛋白质、核酸等。
这种技术可以提供高精度的分离，从而得到有质量保证的细致物质，并可以在很短的时间内完成。
同时，膜分离技术也应用于实验室的研究中，以检测微小种类的有机物质。
现在，膜分离技术在不断发展，其应用越来越广泛，各种膜的选择也越来越多样化，越来越适用于各种应用场合。
膜分离技术有很多优势，在工业生产和研究领域都受到了广泛应用。
未来，我们还有望开发出更多更先进的膜分离技术，以更好地满足人们日益增长的物质分离需求。
总之，膜分离技术是一种非常有效的物质分离技术，它被广泛应用于许多领域，并具有很多优势和优点，它也在不断发展，满足不断变化的应用需求。
只要有充分的研究，这种技术有望发展更进一步，取得更多成功。
第8章-膜分离
L
L
L
L L L G L L G L
L
L G L G L L L G
电位差
浓度差 分压差 温度差 压力差(1.010.0MPa) (分压差) 化学反应 与浓度差 浓度差 浓度差(分压差) 浓度差(分压差)
离子交换
扩散 溶解/扩散 气-液平衡
电解离子
离子、低分子量有机质 、酸和碱 溶质或溶剂(易渗透组份 的蒸汽) 溶质或溶剂(易汽化与渗 透的组份) 易渗透的气体和蒸汽 电解质离子
电渗析（ED）电位差 膜蒸馏 （MD） 液膜分离 （LM）
膜两侧蒸汽压 组分的挥发性 挥发性大的组 挥发性小的组 疏水性膜 差 差异进行分离 分 分 化学反应和浓 根据反应促进 电解质离子 度差 传递和扩散传 递进行分离
非电解质离子 乳状液膜、 支撑液膜
各种膜分离过程的分离机理
膜过程
微滤 超滤 纳滤
1
2 A
3 C
4 A
5 C
用途：海水和苦水的淡化，废水处理 氨基酸、有机酸分离纯化… 反应－分离耦合是发展方向之一。
应用：实验室—氨基酸和有机酸等生物小分子分离纯化
工业——海水和苦咸水的淡化及废水处理
电渗析海水淡化处理
5）渗透气化（Pervaporation, PV）
定义： 疏水膜两侧产生溶质的分压差，在分压差 作用下，料液的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透 过侧发生气化，气化的溶质被膜外设置的冷凝器冷 凝回收的过程。 • 原理：根据溶质间透过膜的速度不同，使混合物 得到分离。膜与溶质的相互作用决定溶质的渗透 速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质 易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在透过一侧得 到浓缩。气化所需的潜热用外部热源供给。 • 根据膜选择透过溶质的现象，可消除共沸现象， 可用于共沸混合物的分离，也称膜蒸馏。 • 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。
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
04
膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
感谢您的观看
THANKS
膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
03
膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
06
膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
第八章 膜分离技术
（6）复合膜化 （7）双向拉伸 （8）冻结干燥 （9）结晶度调整 这些方法中，相转化法（流涎、纺丝） 和复合膜化法最实用。
5、膜的保存 目的：防止微生物在膜面上繁殖及破坏， 防止膜的水解、冻结及收缩变形。 防止膜破坏的途径有： （1）选择耐微生物侵蚀、有良好的抗水 解的膜材料制作膜。 （2）研制干湿可逆的分离膜及湿膜的脱 水处理。湿膜脱水剂主要成分甘油等多元 醇、表面活性剂、杀菌剂。 （3）湿膜的保存液。
1、渗透和透析 渗透是指在渗透压的作用下，溶剂在膜 的两旁产生扩散流动的过程。 透析是利用膜两侧的浓度差，从溶液中 分离出小分子物质的过程。 透析过程原则上与渗透相重叠，随着原 溶液浓度的降低，过程的推动力也逐渐下 降。
2、电渗析 电渗析是指在电场中交替装配的阴离子 和阳离子交换膜，在电场中形成一个个隔 室，使溶液中的离子有选择地分离或富集。
（2）膜的耐热性和机械强度 膜的耐热性不只是温度一项指标，同时 应考虑时间、环境、性能要求等条件。 通过改变高分子的链的结构和聚集态结 构，可以提高膜的耐热性。 在高分子主链中尽量减少单键，引进共 轭双键、三键或环状结构（脂环、芳香环 或杂环）或是主链成为双链形的“梯形” 结构，以此提高高分子链的刚性，从而提 高膜的耐热性。
第二节 膜分离理论基础 膜分离过程的机理 膜的性能、参数 膜的使用寿命
一、膜分离过程的机理 1、膜分离过程的基本传质形式
（1）被动传递 组分以化学势梯度为推动力（压力差、 浓度差、电势差）通过膜，主要的工业化 膜分离。 （2）促进传递 以化学势梯度为推动力，组分由特定载 体有选择性的被动带入膜中，是一种具有 高选择性的被动传递。 （3）主动传递 膜内的化学反应提供推动力，主要存在 于生命膜。
超过滤膜和微孔滤膜的透过机理： 超过滤膜的分离机理以物理因素为主， 它对大分子溶质较易截留的原因为： （1）在膜表面及微孔内被吸附（一次吸 附）； （2）在孔中停留而被除去（阻塞）； （3）在膜表面被机械截留（筛分）。 理想的分离是筛分，应尽量避免一次吸 附和阻塞的发生。
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是材料科学和过程工程科学等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的新领域，是当代新型高效的共性技术，特别适合于现代工业对节能、低品位原材料再利用和消除环境污染的需要，成为实现经济可持续发展战略的重要组成部分。
膜分离技术推广应用的覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业，能源利用和环境保护的水平。
膜分离技术以选择性透过膜为分离介质。
在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。
膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。
现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体膜分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术。
膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换等)相比较，其过程大多为无相变化，可以在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小和污染轻等优点。
1.微滤(MF)Microfiltration，其特点：对称细孔高分子膜，孔径0.03～10 nm，滤除≥50 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂和溶解物，被截留物质：悬浮物、细菌和微粒子。
2.超滤(UF)Ultrafiltration，其特点：非对称结构的多孔膜，孔径l～20 nm，滤除5～100 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：溶剂、离子和小分子，被截留物质：蛋白质、各类酶、细菌和乳胶。
3.纳滤(NF)Nanofiltration，其特点：1 nm的微孔结构，滤除相对分子质量在200～2000，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂、相对分子质量<200，被截留物质：溶质、二价盐、糖和染料 (相对分子质量200～1000)。
4.反渗透(RO)Reverse Osmosis，其特点：带皮层的不对称膜、复合膜(<l nm)，用于水溶液中溶解性盐的脱除，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂，被截留物质：无机盐、糖类、氨基酸和BOD。
膜分离技术(精细化学品分离提纯技术)
187.5 127.0 54.2 5.8
分离系数
106 36 7.2 3.2
可见：要实现有效分离，必须选择一个能优先溶解一种溶 质而排斥所有其他溶质的膜溶剂。
2.滴内化学反应型 （膜相中不含流动载体）
定义：若在溶质的接受相内添加与溶质能发生化学反应的 试剂，通过化学反应来促进溶质迁移的方 法叫滴内化学 反应型液膜法
8.2 渗析技术
渗析又叫透析。它是通过半透膜实现分离的。
半透膜：只允许某些分子透过（如水），而不允许另一些物 质（如生物大分子）透过的透气性薄膜。如：膀胱，肠膜。
渗析原理：渗析是使用具有一定孔径的半透膜，将待渗析的 样品与水（或低盐缓冲溶液）隔开。样品中的盐和分子直 径小于膜孔径的较小分子可以透过膜进入水一侧，而另一 侧的水也会透过膜进入样品液一侧。经过一段时间达到渗 透平衡后， 样品中盐的浓度和能透过膜的小分子的浓度 下降。此时可将水换成新鲜水，再进行第二次透析。经过 多次操作，样品中的盐和小分子物质基本上被除尽，而只 留下分子直径比膜孔径大无法穿过膜的物质在样品液中， 从而达到了分离的目的。
• 膜萃取（是膜技术与萃取过程相结合的新型膜分离技术，又称固定
膜界面萃取。膜萃取过程中，萃取剂与料液分别在膜两侧流动，传质 过程是在分隔两液相的微孔膜表面进行的，没有相分散行为发生。）
• 膜分相（利用多孔固体膜表面与乳浊液中两相的物化作用不同，其
中一相优先吸附在膜表面上，形成纯的液相层，在膜两侧极小压差作 用下，此相优先通过分相膜的孔，从而达到两相分离的目的。）
8.4 其他膜分离过程
• 膜蒸馏（在疏水性多孔膜的一侧与高温原料水溶液相接即暖层，而
在膜的另一侧则与低温冷壁相邻即冷层。正是借助这种相当于暖层与 冷层之间温度差的蒸气压差，促使暖侧产生的水蒸气通过膜的细孔， 再经扩散到冷侧的冷壁表面被凝缩下来，而液相水溶液由于多孔膜的 疏水作用无法透过膜被留在暖侧，从而达到与气相水分离的目的。）
现代分离方法与技术第8章_膜分离
• 用于氢的分离、空气中氧与氮的分离等。
渗透蒸发（PV）
• 渗透蒸发也称渗透汽化，组分在膜两侧蒸汽压差 的推动下，是利用膜对液体混合物中组分的溶解 和扩散性能的不同来实现其分离的分离过程。
• 分离工业酒精、制取无水酒精的过程已工业化。
膜分相
• 根据多孔固体膜对乳浊液中两液相亲和性不同 的性质，与膜亲和力强的液体通过膜，与膜不 亲和的液体不能通过膜，从而使乳浊液分离。
• 已在油水分离工艺中应用。
支撑液膜分离
• 是吸收和萃取过程与膜技术结合的产物，用 于某些气体与液体混合物的分离。
膜组件
• 对于一个膜分离过程，不仅需要具有优良特 性的膜，还必须把膜制成结构紧凑、性能稳 定的膜组件及装置才能应用于大规模的工业 过程。
膜分离过程
膜分离过程可认为近似与筛分过程，物质透过 膜或被膜截流，根据膜内平均孔径、推动力和 传质机制分类；
膜分离过程以选择性透过膜为分离介质。当膜 两侧存在某种推动力（压力差、浓度差、温度 差、电位差）时，原料组分选择性地透过膜， 以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜
上游，透过侧称为膜下游。
（3）1980s ～ 今，主要进行新的薄膜材 料和分离方法的开发。
目前研制和开发的分离膜有：离子交换膜、微 滤、反渗透、超滤、渗透和纳米过滤膜，气体分 离膜，液膜，渗透蒸发膜，膜萃取膜，膜蒸馏膜， 膜吸收膜，无机分离膜。
研制和开发的应用技术有：膜直接应用、膜分 离技术联合应用、膜技术和其它技术联合应用、 膜分离高技术和化学反应联合应用。
聚氨基葡糖+液晶可制成无机多孔膜、复合 膜、功能高分子膜等。
③无机膜材料
第八章膜分离
• 分离范围
10
11
12
膜过程的现状与发展趋势
D一透析；MF一微滤； UF一超滤；RO一反渗透； ED一电渗析； CR一控制释放； GS一气体分离； PV一渗透汽化； MD一膜蒸馏；LM一液膜； MR一膜反应器； NF一纳滤； GM一闸膜；AT～主动传递
13
11.2 膜分离原理
1. 超滤和微滤：利用膜的筛分性质，以压差微传 质推动力，用于截留高分子溶质或固体微粒。
二甲酰(PSA)
聚 聚砜(PS)、聚醚砜 (PES)微滤 具有良好的化学稳定性和热稳定性，
砜膜
耐辐射，机械强度较高。
含 聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚四 化学稳定性好，耐高温。如PTFE膜，
氟 氟乙烯膜(PTFE)、聚全氟磺酸 －40～260oC，可耐强酸，强碱和
材
各种有机溶剂。具疏水性，可用于
料
过滤蒸气及腐蚀性液体。
1-密封圈(原溶液)；2-渗透物收集管；3、4-浓缩物；
5、9-进料-分隔板；6、8-膜；7-渗透物-分隔板；
10-膜的粘合；11-外壳；12-渗透槽
45
4、中空纤维式膜组件 将几十万根或更多的中空纤维束的一端封
死，另一端固定在管板上，再装入圆筒型耐压 容器内制成。特点是自承式。
46
11.5 膜分离过程简介
49
渗透压是每个物质都具有的一种物性。渗透 压与溶液中盐的浓度有关，盐浓度↗渗透压↗。 低渗透压的溶液→高渗透压溶液渗透。
1、板框式
1 - 轴芯 2 - O型环 3 - 垫圈 4 - 固定材 5-网 6 - 护罩 7 - 外层材 8-膜 9 - 内层材 10 - 固定材
43
2、圆管式
圆管式膜组件的机构主 要将膜和支撑体均制成 管状。
第八章膜分离过程强
压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图
5
浓差极化引起得稳态条件下得浓度分布
6
2、 浓差极化得危害
1. 使膜表面溶质浓度增高,引起渗透压得增大,从而减 小传质驱动力;
2. 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时,便会在膜表 面形成沉或凝胶层,增加透过阻力;
3. 膜表面沉积层或凝胶层得形成会改变膜得分离特 性;
18
2、 膜得结构 – 对称结构得膜耐污染不如相同孔径得不对称膜; – 两面双皮层得膜耐污染不如相同孔径得单皮层得膜; – 膜孔径分布窄(截留分子量窄)得膜耐污染性好; – 表面光滑得膜耐污染性好。
3、进料得组成和性质 – 进料会与膜有相互作用: – 静电作用:膜表面电荷与溶液中荷电介质相同时,相互排 斥,膜不易被污染;反之则易被污染; – 范氏压力:溶质和膜亲水,则之间吸引力弱,溶质不易污染 膜;
其她:进料浓度,温度,pH,离子强度,溶质分子大小和形状等。
19
6、 减少或防止膜污染得方法
① 料液预处理(热处理、pH调节、离子交换、加入 离子隐蔽剂、预过滤、加入稳定剂)
② 膜材料得选择(考虑膜得亲疏水性、荷电性。亲 水性膜及膜材料电荷与溶质电荷相同得膜较耐污 染;对膜表面进行改性)
③ 膜孔径或截留分子量得选择(通过实验选择最佳 孔径得膜)
污染也可定义为由于被截留得颗粒、胶粒、乳浊液、悬浮 液、大分子和盐等在膜表面或膜内得(不)可逆沉积,这种沉 积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。
11
通量随时间变化得趋势。 可以从中区别浓差极化和污染
造成通量持续下降得原因就是膜得污染
膜受到污染时,主要标志及症状: a) 水通量逐步下降(膜通量下降); b) 通过膜得压力和膜两侧得压差逐渐增大(进料压
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
平板式膜组件
2020/4/9
管式膜组件
2020/4/9
螺旋卷式膜组件
2020/4/9
中空纤维式膜组件
2020/4/9ห้องสมุดไป่ตู้
第八章 膜分离技术
第二节 常见的膜分离技术
一、膜分离概述 二、常见的膜分离技术 三、膜分离应用
2020/4/9
一、透析
原理：透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中 的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透 过被保留，直到膜两边达到平衡。
2020/4/9
二、微滤
原理：压力差的作用下，利用膜的孔径的大小对微粒 进行机械筛分和截留，而吸附截留的作用相对较小。
常用的膜是醋酸纤维素和硝酸纤维素等混合组成。其 它商业化膜有再生纤维素膜，聚氯乙烯膜，聚酰胺膜 和陶瓷膜等。 工业上主要用于无菌液体、超纯水的生产和空气过滤。
2020/4/9
三、超滤
2020/4/9
反渗透法处理污水
2020/4/9
六、电渗析
在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳 两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向 阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。
如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜 （阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴
离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。
护都十分方便。
2020/4/9
三、膜分离发展简史
1748年 酒精中的水能通过猪膀胱 1854年 Graham 发现透析 1856年 发现了不同特征的膜 1864年 Traube 研制成功第一片人造膜---亚铁氰化铜膜 20世纪中叶出现了反渗透膜、超滤膜、微滤膜、纳滤膜 20世纪60年代以后,膜分离技术进一步发展
陶瓷膜已在9家上市公司应用。
2020/4/9
一、膜分离概念（Membrane Separation）
膜分离的概念及原理：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。
2020/4/9
二、膜分离特点
与传统的分离操作相比，膜分离具有以下特点： （1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离； （2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低； （3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料； （4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维
天然物质的衍生物(醋酸,硝酸纤维素膜) • 有机高分子膜：
人造物质(聚砜膜,聚酰胺类,聚乙烯醇类) 纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共 聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚 物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯； • 无机多孔膜：陶瓷膜,多孔玻璃等
2020/4/9
对于不同种类的膜都有一个基本要求： – 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 – 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
2020/4/9
透析的装置与方法
透析过程注意点： （1）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄 漏； （2）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差 渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变； （3）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析 效果。
2020/4/9
应用
人工肾是透析过程最成功的范例。自1943年Kolff 用醋酸纤维素膜制成的人工肾对血液进行透析治疗 尿毒症获得成功后，透析技术在血液过滤、血液灌 流和血浆分离等多种治疗方法上得到应用。
超滤是指外源加压的膜分离，其原理与过滤一样。
原理：溶液在压力差的作用下，溶剂和小于膜孔径的溶质 由膜透过，而大于膜孔径的溶质则被截留，从而达到溶液 的净化、分离和浓缩。
超滤与微滤的不同之
处在于能截留溶质的大分
A+B 溶液
A 溶液
子，与反渗透的不同之处
在于所截留的大多为大分
子溶质。
超滤应用非常广泛，
从家用净水器到现代化工
cP ——渗透物中溶质的浓度，kg/m3。
100％截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透
膜；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。通常
截留率在0％～100％之间。
2020/4/9
（2）截留分子量(Molecular weight cut-off, MWCO) 或(Molecular mass cut-off, MMCO)
（2）化学惰性； （3）在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定； （4）有一定的机械强度和良好的再生性能。
2020/4/9
透析是利用蛋白质等大分子不能 通过半透膜的性质，使蛋白质和其 它小分子物质如无机盐单糖等分开 。常用的半透膜：
•玻璃纸（赛璐玢纸，cellophane
paper）
•火绵纸（赛璐玎纸, celloidin paper
截留曲线与截留相对分子质量
2020/4/9
（3）分离因子
对于膜分离过程，通常用分离因子表示各
组分透过的选择性。对于含有A、B两组分的混合物，分离因
子 AB 定义为:
AB
yA xA
yB xB
式中 xA , xB ——原料中组分A与组分B的摩尔分率； yA, yB ——透过物中组分A与组分B的摩尔分率。
国防上 的应用
无水乙醇生产
膜与生 物技术
生化制药过程中的应用
序号
应用单位
处理对象
年处理量
1
广东肇庆星湖股份有限公司
2
浙江医药股份有限公司新昌制药厂
3
浙江升华拜克生物股份有限公司
肌苷发酵液，茑 苷产品精制 抗生素发酵液
抗生素发酵液
6万吨 4500吨 4500吨
4
安徽丰原生化股份有限公司
赖氨酸发酵液等
通常，用组分A表示透过速率快的组分，因此的 AB 数值 大于1。分离因数的大小反映该体系分离的难易程度， AB 越 大，表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越好，分 离程度越高； AB 等于1，则表明膜没有分离能力。
2020/4/9
八、膜组件
将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内,这种器件称 为膜分离器又称膜组件. • 平板式 • 管式 • 螺旋卷式 • 中空纤维式
2万吨
5
浙江海正药业股份有限公司
抗生素发酵液
5000吨
6
浙江海宁金潮实业有限公司
7
浙江东立生物发展有限公司
硫酸连杆菌素发 酵液
生物发酵液
6000吨 1.2万吨
8
石家庄东华金农化工有限公司
医药级甘氨酸
5000吨
9
河北新东华氨基酸有限公司
甘氨酸脱色
3000吨
全国有111家生物医药的上市公司（2009年）；
第七章 膜分离技术
一、膜分离概述 二、常见的膜分离技术 三、膜分离应用
生化制药（工艺比较）
生物发酵液
酸化
板框过滤
离子交换
活性炭吸附
板框过滤
膜工艺
生物发酵液
酸化
产品
离心
浓缩结晶
膜过滤
离交吸附
浓缩结晶
离心
产品
2020/4/9
案例引入 果汁澄清
2020/4/9
膜分离技术的应用
乳品 酒类 果汁 酶制剂 医疗、卫 加工 生产 加工 生产 生用水 药品生产
2020/4/9
六、膜的制备
溶液的浇铸法 对称法 延流法 相转移法
2020/4/9
cF
七、膜分离性能
1）截留率 对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留
率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R
表示，定义为
R cF cP 100%
cF
式中 cF ——原料中溶质的浓度，kg/m3；
2020/4/9
电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作 用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择 透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的 淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电 解，制备氯气和氢氧化钠等。
下图为用于食盐生产的电渗析器的示意图。
2020/4/9
脱盐水 浓缩液
Cl2
NaOH
▪ 微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差 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；
▪ 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001～0.02μm，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；
2020/4/9
▪ 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；
2020/4/9
各种膜分离技术的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
2020/4/9
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
五、膜材料、分类及要求
• 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜 • 按膜形态结构：对称性膜、不对称膜、复合膜(致密层) • 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜
2020/4/9
五、反渗透
渗透现象：即纯溶剂通过半透膜由纯溶剂一侧向溶液一侧的 自发流动过程。 渗透压：渗透过程达平衡时半透膜两侧形成的压差 。 反渗透：在浓溶液一侧加压，使膜两侧的压差大于溶液的渗 透压(p>)，溶剂从溶液一侧向纯溶剂一侧液流动。
半透膜
稀溶液
浓溶液
渗透
2020/4/9
半透膜
稀溶液
浓溶液
平衡