第四章 膜分离
第四章-膜分离

分离过程中膜的功能
反应场
膜表面及孔内表面含有与特定溶质具 有相互作用能力的官能团,通过物理、 化学或生化反应提高膜分离的选择性和 分离速度
各种膜分离方法及其原理
反渗透(RO) 超滤(UF)和微滤(MF) 透析(DS) 电渗析(ED) 渗透气化(PV)
要求
理解:微滤、超滤、反渗透、透析、 电渗析和渗透气化等方法的原理
微滤的原理
微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用, 其膜的分离效果是膜的物理结构,孔的 形状和大小所决定。
操作压力差一般为0.05~0.5MPa
超滤和微滤的特点
1. 超滤和微滤都是利用膜的筛分作用,以压 差为推动力;
2. 与反渗透膜相比,超滤和微滤膜具有明显 的孔道结构;
3. 操作压力较反渗透操作低,超滤操作压力 在0.1~1.0 MPa,微滤操作压力更小(0.05~ 0.5 MPa);
生物分离工程
膜分离技术
授课内容
各种膜分离法及其原理 膜材料及其特性 膜组件 操作特性 影响膜分离速度的主要因素 膜的污染与清洗 应用
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法及其原理的 基础上,进一步了解膜特性及操作特点 和影响膜分离速度的因素。清楚膜分离 法在生物产物回收和纯化方面的应用
水通量
影响因素
水通量随着膜截留分子量或膜孔径的增大而 增大。膜材料的种类对水通量的影响显著
孔径越大,通量下降速度越快,大孔径微滤 膜的稳定通量比小孔径膜小,有时甚至微滤 膜的稳定通量比超滤膜还要小
膜组件
由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收 纳这些部件的容器构成的一个单元称为 膜组件或膜装置
目前市售商品膜组件主要有管式、平板 式、螺旋卷式、中空纤维式等四种
掌握:各种膜分离法的应用范围
精细化工产品的纯化技术研究

精细化工产品的纯化技术研究第一章:绪论精细化工产品是化工领域中的一种高附加值产品,具有广泛的应用领域,例如医药、食品、电子、光学等。
然而,精细化工产品的开发和生产常常受到纯度和杂质等因素的影响。
因此,发展有效的纯化技术对于提高精细化工产品的质量和产量至关重要。
本文旨在探讨精细化工产品的纯化技术,分析不同的纯化方法及其应用范围以及优缺点,以期为精细化工产品的开发和生产提供有价值的参考。
第二章:晶体分离法晶体分离法是一种常用的纯化技术,其原理是通过晶体的溶解度规律实现分离纯化目标产物。
通常使用的晶体分离方法包括溶剂结晶、蒸馏结晶和半块结晶法等。
溶剂结晶法适用于产物和溶剂溶解度差异较大的情况。
该方法具有操作简单、晶体生长速度快的特点。
但同时也存在晶体形态不规则、杂质难以去除等缺点。
蒸馏结晶法适用于产物和杂质的沸点相差较大的情况。
该方法具有高纯度、操作简单的特点。
但需要专业设备,且对操作人员要求较高。
半块结晶法是一种半固态的结晶方法,通过设置界面将溶剂与产物分离。
该方法具有产物纯度高、操作简单等优点,但需要专业的实验室仪器,并且需要对产物的溶解度曲线作出准确的预估。
第三章:萃取法萃取法是一种常用的化学分离方法,通过不同物质在不同溶剂中的溶解度差异实现目标物质的分离。
通常使用的萃取方法包括固相萃取、液-液萃取和超临界萃取等。
固相萃取法适用于目标物质在混合物中的含量较低的情况。
该方法具有操作简单、分离效果好等特点,但受取样量限制。
液-液萃取法是一种经典的分离技术,它利用产物在另一种溶剂中的特定溶解度实现目标物质的分离。
该方法适用于目标物质与其他成分的溶解度比较大的情况。
该方法出样方式简单,操作灵活。
超临界萃取法广泛应用于精细化工产品的制备中。
这种方法不仅可以实现产物的高效纯化,而且操作简单、反应快速,是一种高效、环保的新型萃取技术。
第四章:膜分离法膜分离法是一种具有高效性和低耗能特点的纯化技术,它通过半透膜的分离效应实现物质的分离。
第四章 膜技术

3)控制蒸发沉淀
控制蒸发沉淀是将聚合物溶解在一个溶剂 和非溶剂的混合物中(这种混合物作为聚合物 的溶剂)。由于溶剂比非溶剂更容易挥发,所 以蒸发过程中非溶剂和聚合物的含量会越来越 高,最终导致聚合物沉淀并形成带皮层的膜。
4)热沉淀
把溶于混合溶剂或单一溶剂的聚合物溶液 冷却而导致分相。溶剂的蒸发通常形成带皮层 的膜。
第四章 膜技术及其应用
第一节 膜技术简介 膜技术是一种新兴技术,由于其多学科的特点, 膜技术已经成为工业上气体分离、水溶液分离、化学产 品和生化产品的分离和纯化的重要过程。然而,对不同 分离过程之间作比较是很困难的。目前膜过程已广泛用 于许多领域并不断扩展。膜技术的优点可以概括为: 可实现连续分离; 能耗通常较低; 易与其它单元操作过程结合(联合过程); 易于在温和条件下实现分离; 易于放大; 膜的性能可以调节; 不需要添加物。
2、拉伸法制膜
这种方法是将部分结晶化聚合物材料(聚 四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯)挤压成膜,然后 沿垂直于挤压方向拉伸,使结晶区域平行于挤 压方向。在机械应力作用下,会发生小的断纹, 从而得到多孔结构。膜孔径范围0.1μm ~3μm。 只有结晶化或半结晶化材料适合此制膜工艺, 制得的膜的孔隙率高达90%。
膜的பைடு நூலகம்义
膜从广义上可以为两相之间的一个不连续区间。 这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比 要小很多。膜一般很薄,厚度从几微米、几十 微米至几百微米之间。而长度、厚度则以米计。 膜可以是固相、液相、甚至是气相,其中以固 体膜应用最广。气体原则上可构成膜,但应用 及研究少之又少。
2、渗透通量
单位时间内通过单位膜面积的组分的量称 为该组分的渗透通量,其定义式如下: Ji=Mi/(A· t) 式中:Ji-----渗透通量,g/(m2· h) Mi----组分i的透过量,g A-----膜的面积,m2 T------操作时间,h 渗透通量与组分的性质、膜的结构性质以 及温度、压力、原液组成和流动状态等操作条 件有关。
膜分离的操作方式

膜分离的操作方式1. 膜分离的基本原理膜分离是一种通过膜的选择性通透性实现物质分离的技术。
膜分离的基本原理是利用膜的孔隙结构或表面性质,使得不同成分的物质在膜上发生不同的传质、传递现象,从而实现物质的分离。
2. 膜分离的操作步骤膜分离的操作步骤主要包括前处理、膜分离过程和后处理三个部分。
2.1 前处理前处理是指在膜分离过程之前对原料进行的处理步骤,主要目的是去除悬浮物、颗粒物、胶体物等杂质,以保护膜的使用寿命和效果。
常见的前处理方法包括沉淀、过滤、调节pH值等。
2.2 膜分离过程膜分离过程是指将前处理后的原料通过膜分离设备进行分离的步骤。
根据不同的分离机理和应用需求,膜分离过程可以分为压力驱动式、浓度差驱动式和电场驱动式三种方式。
2.2.1 压力驱动式膜分离压力驱动式膜分离是指通过施加一定的压力差,使原料液体在膜上发生渗透和分离的过程。
常见的压力驱动式膜分离包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等。
压力驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 施加一定的压力差,使原料液体在膜上发生渗透和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物,将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.2 浓度差驱动式膜分离浓度差驱动式膜分离是指通过维持两侧溶液的浓度差,使溶质通过膜进行传质和分离的过程。
常见的浓度差驱动式膜分离包括电渗析和渗透气体分离等。
浓度差驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体分为两侧,分别放置在膜分离设备的两侧。
2. 维持两侧溶液的浓度差,通过膜进行溶质的传质和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物,将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.3 电场驱动式膜分离电场驱动式膜分离是指通过在膜上施加电场,利用离子的电荷特性进行传质和分离的过程。
常见的电场驱动式膜分离包括电渗析和电吸附等。
电场驱动式膜分离的操作步骤: 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 在膜上施加电场,使离子在膜上发生迁移和分离。
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电渗析广泛地应用于苦盐 水脱盐,是世界上某些地 区生产淡水的主要方法。
原料液
C
AC
A 电极冲洗液
阳 极
阴 极
浓溶液
稀溶液
电渗吸过程原理
10.2.7 气体膜分离过程
(1)气体膜分离的机理 气体混合物在膜两侧分压差的作用下,各组分气体以不同渗
透速率透过膜,使混合气体得以分离或浓缩的过程。 描述气体通过高分子膜的主要参数:
10.2.2 膜分离过程
在一定传质推动力下,利用膜对不同物质的透过性差异, 对混合物进行分离的过程。 膜分离过程:气体膜分离、渗透蒸发、渗析、电渗析、反渗透、 纳滤、超滤、微滤、膜萃取、膜吸收、膜精馏、促进传递、液膜、 气膜等过程。 其中:渗析、电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤技术已很成熟,
应用也广泛。
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物质透过膜的主要三种方式:
被动传递 促进传递 主动传递
◆ 被动传递: 物质由高化学位相向低化学位相传递, 这一化学位的差就是膜分离过程的推动力。
μ‘A
A
μ‘’A μ‘A>μ‘’A
A
被动传递
推动力
压力差 浓度差 电位差 温度差
◆ 促进传递:膜内有载体,在高化
μ‘A
学位一侧,载体同被传递的物质 A
(4)纳滤 纳滤过程与反渗透过程极为相近,纳滤膜能够拦截纳米数量级 的分子。与反渗透相比,纳滤水透量大、操作压力低、成本低 纳滤可以用于脱除水溶液中的杂质和有机物,如印染水的脱色、 饮用水的预处理等。
10.2.5 超过滤与微孔过滤
以压力为推动力的膜分离过程。
超滤:截留大分子溶质,而允许低分子溶质和溶剂通过,从而
机理模型:
不可逆热力学模型 传递机理模型
生物分离工程 第四章 膜分离技术[可修改版ppt]
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在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上,进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
(1)膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质,其把流体 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 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
(2)膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
(3)膜分离技术
膜分离技术: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。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行,通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等,所以它们处于动态平衡。此 时,盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
pBpAR v1Tln B A
反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量:
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
c2 l
质量通量: 体积通量:
J1A 1 p
JV
J1
L
LPp
J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
LP pc2
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
(2)超滤和微滤的概念
超滤
膜分离PPT

功能
滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 水——溶盐分离 混合气体分离 水——溶盐分离
推动力
压力差~200kPa 压力差1000kPa 压力差0.5~2MPa 压力差1~10MPa 压力差0.1~10MPa 浓度差
膜分离机理
筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散筛分
大分子
纳滤
● ● ● ● ●● ■ ■
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
1、微滤和超滤
微滤和超滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离
过程。
在一定的压力作用下,当含有高分子溶质(A)和低分子溶 质(B)的混合溶液流过膜表面时,溶剂和小于膜孔的低分子溶 质(如无机盐)透过膜,成为渗透液被收集;大于膜孔的高分 子溶质(如有机胶体)则被膜截流而作为浓缩液回收。 超滤所用的膜为非对称性膜,表面的孔不规则,不均一, 很难确定孔径,故通常用它能截留的物质的分子量来定义膜孔 的大小。
反渗透膜 P
纯水
盐水
π
纯水 盐水
纯水
盐水
(a)渗透
(b)渗透平衡
(c)反渗透
反渗透原理示意图
0 在一定温度和压力下,设纯水的化学位为 (T , p1) ,则
盐溶液中水的化学位为
(T , p1) 0 (T , p1 ) RT ln a
式中,a为溶液中水的活度,纯水的a=1,而溶液中的 a一般小于1,即 RT ln a 0 ,故 (T , p1 ) 0 (T , p1 )
• 澄清果汁
• 屠宰动物血液成分回收 • 植物蛋白的回收
• 浓缩葡萄糖氧化酶、胰蛋白酶等
• 浓缩以基因工程菌生产的新物质(干扰素、生长激素等)
膜分离的分类及原理PPT课件

2、膜的结构特性
(1)孔道结构:不对称膜(表面活性层和惰性层) (2)膜的孔道特性:孔径、孔径分布、空隙率 (3)水通量:在一定条件下(一般压力为0.1MPa,温度
为20℃)通过测量透过一定量纯水所需的时间来测定
三、膜分离设备
四、影响膜分离速度的因素 1、操作形式 2、流速 3、压力 4、料液浓度
五、膜的污染与清洗
1、膜污染的原因 (1)凝胶极化引起的凝胶层 (2)溶质在膜表面的吸附层 (3)膜孔堵塞 (4)膜孔内的溶质吸附 2、常用的清洗剂 水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂、
酶液
写在最后
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发生了相变
适用于:高浓度混合物的分离, 特别适用于共沸物和挥发度相 差较小的双组分溶液的分离
6、液膜分离技术
液膜通常由膜溶剂、表面活性剂、流动载体、膜增强添 加剂组成。 膜溶剂:成膜的基体物质、一般为水或有机溶剂 表面活性剂:降低液膜的表面张力,对液膜的稳定性、 渗透速度、分离效率和膜的重复使用有直接影响 流动载体:选择性迁移指定溶质或离子,常为某种萃 取剂
3、反渗透
促使水分子透过的推动 力称为渗透压
操作压力:几十个大气 压
适用于1nm以下小分子 的浓缩
4、电渗析 利用分子的荷电性质荷
分子大小的差别进行分 离的膜分离法,可用于 小分子电解质(例如氨 基酸、有机酸)的分离 和溶液的脱盐
5、渗透气化
疏水膜的一侧通入料液,另 一侧抽真空或通入惰性气体, 使膜两侧产生溶质分压差。在 分压差的作用下,料液中的溶 质溶于膜内,扩散通过膜,在 透过侧发生气化,气化的溶质 被膜装置外设置的冷凝器冷凝 回收。
膜法水处理

第四章膜法水处理膜分离法是利用选择性透过膜为分离介质.当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时,使溶剂(通常是水)与溶质或微粒分离的方法。
一般包括电渗析、反渗透、超滤、扩散渗析等,其中的反渗透、超滤相当于过滤技术。
用选择性透过膜进行分离时,使溶质通过膜的方法称为渗析;而使溶剂通过膜的方法则称为渗透。
电渗析法是以电位差为推动力的膜分离法,用于从水溶液中脱除离子,主要用于苦咸水脱盐或海水淡化。
其膜是导电膜,即阳离子交换膜和阴离子交换膜。
以压力差为推动力的膜分离法,根据溶质粒子的大小及膜的结构性质(超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等),又可分为超滤、纳滤、反渗透等。
反渗透法可用于溶剂的纯化和溶液浓缩。
反渗透法大部分应用于水的纯化.主要是苦咸水脱盐或海水淡化。
反渗透法的另一个重要应用为制备高纯水。
膜是分离技术的核心。
膜材料的化学性能、结构对膜分离法起着决定性的作用;一般是高分子材料制成的膜,有纤维素膜、芳香聚酰胺类膜、杂环类膜、聚砜类膜、聚烯烃类膜和含氟高分子膜等。
膜分离法的特点:①不发生相变、常温进行、适用范围广(有机物、无机物等)、装置简单、易操作和易控制等。
②膜法水处理具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。
所以,国内外已把电渗析法、反渗透法或膜分离法与离子交换相结合的方法应用于锅炉水处理。
第一节电渗析电渗析是膜分离技术的一种,它是在直流电场作用下,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,从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。
电渗析的进展:对电渗析基本概念的研究始于20世纪初,采用动物皮、膀胱膜或人造纤维、羊皮纸等进行实验室研究,但无工业应用价值;随着合成树脂的发展,1950年,朱达试制出具有高选择性的阴、阳离子交换膜后,才奠定了电渗析技术的实用基础;1954年美、英等国将电渗析首先用于生产实践中,淡化苦咸水、制备工业用水和饮用水。
此后,电渗析技术逐步引入中东和北非。
物理化学处理方法——膜分离

物理化学处理方法——膜分离(一)概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透,溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤。
其次是自然渗析和液膜技术。
近年来,膜分离技术发展很快,在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释,实质上,它是由分离物质间的作用引起的,同膜传质过程的物理化学条件以及膜与分离物质间的作用有关。
①膜分离过程不发生相变,因此能量转化的效率高。
例如在现在的各种海水淡化方法中,反渗透法能耗最低。
②膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单,操作容易,易控制、维修,且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法,与常规水处理方法相比.具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点,因此在饮用水净化、工业用水处理,食品、饮料用水净化、除菌,生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用,并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。
分离膜因其独特的结构和性能,在环境保护和水资源再生方面异军突起,在环境工程,特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。
膜分离是在20世纪初出现,20世纪60年代后迅膜分离技术在中药分离纯化、浓缩中的应用速崛起的一门分离新技术。
膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能,又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征,因此,目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域,产生了巨大的经济效益和社会效益,已成为当今分离科学中最重要的手段之一。
膜是具有选择性分离功能的材料。
利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。
第四章膜分离过程原理(完整版)

4.2 以压力差为推动力的膜分离过程
• 微滤是指大于0.1μm的颗粒或可溶物 被截流的压力驱动型膜过程(MF)
• 超滤是指小于0.1μm大于2nm的颗粒 或可溶物被截流的压力驱动型膜过 程(UF)
• 反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透 压而选择性透过的膜过程(RO)
• 纳滤是指小于2nm的颗粒或可溶物被 截流的压力驱动型膜过程(nF)
• 超滤的操作模式基本上是死端过滤和错流过滤 两种。产物既可以是渗透液,也可以是截留液 或者二者都有。
微孔过滤
用于从气相或液相物质中截留分离微粒、 细菌、污染物等。 1 微过滤膜:孔径0.025 ~ 3m,特种纤维 素酯、高分子聚合物制成。
三醋酸酯纤维素 聚四氟乙烯 尼龙-66
亲水型
憎水型 通用型
式中,ci—溶质物质的量浓度,kmol/m3; n—溶液中的组分数。
对电解质水溶液,常引入渗透压系数来校 正偏离程度,对水溶液中溶质i组分, 其渗透压可用下式计算
在实际应用中,常用以下简化方程计算
• 4.2.1.2反渗透操作特性参数计算
基于Sourirajan的优先吸附—毛细孔流动机理,溶剂和溶 质通量可用Kimura-Sourirajan模型求算 溶剂通量
盐,氨基酸,糖 的浓缩,淡水 制造
脱盐,除变性剂
脱盐,氨基酸和 有机酸的分离
有机溶剂与水的 分离,共沸物 的分离(如乙 醇浓缩)
4.2.1.1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。
膜分离技术在工业过程中的应用

膜分离技术在工业过程中的应用第一章引言膜分离技术是一种基于膜的物理过滤和分离技术。
它可以将混合物中的不同成分通过渗透、扩散、截留等方式,分别在两侧对称地排布的膜上实现分离。
膜分离技术主要应用于化学工业、生物技术、环境保护、食品加工等领域。
本文探讨了膜分离技术在工业过程中的应用。
第二章膜分离技术的分类膜分离技术按其分离机理分为五类:微过滤、超过滤、气体分离、纳滤和反渗透。
微过滤的孔径大小在0.1至10微米之间,用于去除无机颗粒、悬浮物、细菌和大分子物质。
超过滤的孔径大小在0.001至0.1微米之间,用于去除蛋白质、病毒和大分子有机物。
气体分离是利用物理和化学吸附、扩散或化学反应等原理,将气体分离。
纳滤的孔径大小在0.001至0.01微米之间,用于分离色素、糖类、蛋白质和药物。
反渗透技术则是将水转化为纯净水或去除水中的溶解氧、矿物质和化学物质。
第三章膜分离技术的应用膜分离技术在工业过程中的应用主要体现在以下几个方面:1. 水处理膜分离技术是解决水处理领域难题的重要技术之一。
反渗透技术通过膜分离将含有病菌、重金属、硝酸盐、有机物等污染物的水处理成清洁的水。
纳滤技术则可用于处理工业废水和废液中的有机物和无机盐。
此外,膜生物反应器技术可实现废水的生物降解。
2. 食品加工超过滤、纳滤和反渗透技术在食品工业中应用广泛。
超过滤可用于分离乳清、蛋白质和酶。
纳滤则可分离糖类、色素和香精。
反渗透技术可将质量较差的果汁、水加工成高质量的果汁和矿泉水。
3. 化学工业反渗透技术用于离子交换树脂和电解制氯。
超过滤技术可用于制备洗涤剂、肥料、日用化学品、土壤调剂剂等。
气体分离技术则可用于空气分离、液化气体分离和汽油裂解气分离等领域。
4. 生物技术膜分离技术是分离、提纯生物大分子和细胞的重要手段。
微过滤技术可用于消除细胞碎片、减少溶菌酶、去除杂质等。
超过滤技术可用于分离和提纯重要蛋白质、配体、酶等。
纳滤技术则可用于分离小分子化合物、生物活性物质等。
膜分离ppt课件

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压力
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6
膜分离过程的特点:
① 多数膜分离过程无相变发生, 能耗通常较低。 ② 膜分离过程一般无需从外界加入其他物质,从
而可以节省资源和保护环境。 ③ 膜分离过程可使分离与浓缩、分离与反应同时
实现,从而大大提高了分离效率。 ④ 膜分离过程通常在温和条件下进行,因而特别
适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。
第4章 膜分离
§4.1 概述 §4.2 纳滤 §4.3 超滤 §4.4 微滤
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1
膜分离 (membrane separation)
膜分离技术发展的历史
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中 期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大 生产技术,所以可称为前沿技术,是世界各国研究 的热点。如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜 分离技术研究的起点,截止现在,其发展致可分为 三个阶段:①50年代为奠定基础阶段;②60年代和 70年代为发展阶段,③ 80年代至今为发展深化阶段。
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⑤膜分离过程不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范
围的有机物和无机物的分离,而且还适用于许多由
理化性质相近的化合物构成的混合物如共沸物或近
沸物的分离以及其他一些特殊体系的分离。
⑥膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化,
而其效率、设备单价、运行费用等变化不大。
⑦膜组件结构紧凑,操作方便,可在频繁的启停下工
孔膜的有效扩散系数。基于膜和两类溶质的下列数据,估
计两类溶质在25下的穿膜流率。假定膜两侧的水溶液够稀,
组分间的扩散可以忽略不计。膜数据如下。
材料
微孔云母
厚度/μm
4.24
平均孔径/nm
第四章-膜分离

第四章 膜分离
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
各种膜分离法及其原理 膜材料及其特性 膜组件 操作特性 影响膜分离速度的主要因素 膜分离过程 膜的污染与清洗 应用
4.1各种膜分离法及其原理
• 膜分离(membrane separation)
是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质 的分离纯化,是人类最早进行的分离技术之一。
主要的膜分离法:
微滤(Microfiltration, MF) 超滤(Ultrafiltration, UF) 反渗透(Reverse osmosis, RO) 透析(Dialysis, DS) 电渗析(Electrodialysis, ED) 渗透气化(Pervaporation, PV)
原理和适用范围
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。
d max
4 cos pb
dmax——最大孔径; σ——水的表面张力; 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
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微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用, 其膜的分离效果是膜的物理结构,孔的 形状和大小所决定。 操作压力差一般为0.05~0.5MPa
超滤和微滤的特点
1. 超滤和微滤都是利用膜的筛分作用,以压 差为推动力; 2. 与反渗透膜相比,超滤和微滤膜具有明显 的孔道结构; 3. 操作压力较反渗透操作低,超滤操作压力 在0.1~1.0 MPa,微滤操作压力更小(0.05~ 0.5 MPa);
引言-膜的概念和膜分离
膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相 物质,其把流体相分隔开来成为两部分, 这一薄层物质称为膜 膜分离 膜分离是利用具有一定选择性透过 特性的过滤介质进行物质的分离纯化
分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
其是使混合物中各组分之间实现分离 的内在因素
界面
其提供一种状态,将透过液和保留液分 为互不混合的两相
渗透气化特点
渗透气化过程中溶质发生相变,透过侧溶质以 气体状态存在
渗透气化在较低的压力下进行,适于高浓度混 合物分离 渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别,适于 共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离
膜的材料及其特性
识记:膜材料选择标准 理解:膜结构特性,特别是对称和不对 称膜的结构特点 应用:通过水通量的不同选择适当的膜 材料
膜表面附近浓度升高,增大了膜两侧的渗透压差,使有效 压差减小,透过通量降低。
凝胶极化
当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时, 溶质会析出,形成凝胶层。当分离含有菌体、 细胞和其它固形成分的料液时,也会在膜表面 形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化(gel polarization)
超滤膜的分子截留作用
透析应用
临床上用于肾衰竭患者的血液透析 生物分离方面,用于生物大分子溶液的脱 盐 因透析过程以浓差为传质推动力,膜的透 过通量很小,所以不适合大规模生物分离 过程,在实验室应用较多
电渗析概念
电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小 的差别进行分离的膜分离法
电渗析过程采用的膜材料 主要为离子交换膜,其表 面和孔道内键合有离子交 换基团
电渗析分离原理示意图
渗透气化原理
渗透气化原理如图所示。 疏水膜的一侧通入料液,另 一侧(透过侧)抽真空或通 入惰性气体,使膜两侧产生 溶质分压差。在分压差作用 下,料液中溶质溶于膜内, 扩散通过膜,在透过侧发生 气化,气化的溶质被膜装臵 外设臵的冷凝器回收。渗透 气化是根据溶质间透过膜的 速度不同,使混合物得到分 离
合成高分子材料
聚砜类、聚烯烃及其共聚物、全氟磺酸、共聚物 和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯
膜的孔道结构
对称膜(symmetric membranes) 膜截面的膜厚方向上孔道分布均匀。对称膜的传 质阻力大,透过通量低,并且容易污染,清洗困难
不对称膜(asymmetric membranes) 起膜分离作用的表面活性层:膜层很薄,孔径微 细,透过通量大、膜孔不易堵塞、易清洗。 和起支撑强化作用的惰性层:惰性层孔径较大, 对流体透过无阻力
L
L P p
反渗透原理
c2P J2 JV
c2
L P p
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的 高度浓缩
超滤和微滤的概念
超滤
超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶 质之间分子量的差别进行分离的方法,主要用于处 理不含固形成分的料液
微滤
微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法,是 根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异 进行分离的方法
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进 行,其可截留直径0.1-10微米的固体粒子或分 子量大于1000kDa的高分子物质。料液在压差 作用下流经微滤膜,料液中的溶剂和溶质分子 透过微孔形成透过液;而尺寸大于膜孔的固形 成分则被截留,从而实现料液中固形成分与溶 液的分离
微滤的原理
膜的污染危害
造成透过通量的下降,影响目标产 物的回收率
膜的清洗
清洗剂:水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、
络合剂、酶、氧化剂 清洗剂的选择:依据膜的性质和污染物的性质而定 清洗剂的要求:具有良好的去污能力,且不损害膜的 过滤性能
应用
细胞培养基除菌 发酵或培养液中细胞的收集或除去 细胞破碎后碎片的除去 目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤 除去小分子溶质 最终产品的浓缩和洗滤除盐
超滤原理
超滤膜一般为非对称膜,具有较小的孔径, 能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分子或 生物大分子。料液在压力差作用下,其中溶 剂透过膜上的微孔形成透过液;而大分子溶 质则被截留,从而实现料液中大分子溶质和 溶剂间的分离
超滤原理
超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作 用,超滤膜的膜孔大小和形状决定超滤 膜的截留效果。除此以外,溶质大分子 在膜表面和孔道内的吸附和滞留也具有 截留溶质大分子的作用 超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间
透析的概念
利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能 透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子 溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔。由于膜两侧 的溶质浓度不同,高分子溶液中的小分子溶质 在浓差作用下透过亲水膜进入缓冲液中
这种溶质从半透膜的一侧透过膜至另一侧的 过程,称为透析
透析原理
透析通常在孔径为5~10 nm的亲水膜形成 的透析袋中进行,以截留溶液中的高分子溶质。 装入透析袋中的料液封口后浸入透析液中。透 析膜两端溶液中的分子由于浓度差而互相扩散, 导致料液中的小分子溶质进入透析液中;同时 透析液中的溶质分子则进入料液中,完成溶液 的替换
影响截留率的因素
其它高分子溶质的影响 当两种以上高分子溶质共存时,会出现某 种溶质的截留率高于其单独存在下截留率的 情况
影响截留率的因素
操作条件
温度升高,粘度下降,截留率降低。 膜表面流速增大,浓度极化现象减弱,截留率减小; 料液的pH值等于其中含有的蛋白质的等电点时,由 于蛋白质的净电荷为零,蛋白质间静电斥力最小, 蛋白质在膜表面形成的凝胶极化层浓度最大,透过 阻力最大。此时,溶质的截留率高于其它pH值下的 截留率
膜材料的要求
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 膜材料为惰性,不吸附溶质 适用的pH和温度范围广,耐高温、酸碱等,稳 定性好 容易通过清洗恢复透过性能 满足实现分离目的的要求
常用膜材料
无机材料
陶瓷、微孔玻璃、不锈钢、碳素
天然高分子材料
醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜
影响膜分离速度的因素
操作形式
终端过滤:料液流向与膜面垂直,膜表面的滤饼阻 力大,透过通量很低 错流过滤:料液流向与膜面平行,流动的剪切作用 减轻浓度极化现象或凝胶层厚度,透过通量较高
影响膜分离速度的因素
流速 流速增大,透过通量增大 (流速增大,传质系数增大)
料液浓度
透过通量随料液浓度的增大而减小
生物分离工程
膜分离技术
授课内容
各种膜分离法及其原理
膜材料及其特性 膜组件 操作特性 影响膜分离速度的主要因素 膜的污染与清洗 应用
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法及其原理的 基础上,进一步了解膜特性及操作特点 和影响膜分离速度的因素。清楚膜分离 法在生物产物回收和纯化方面的应用
截留率
截留率表示膜对溶质的截留能力,可用小数 或百分数表示。实际分离过程中,由于存在 浓度极化现象,真实截留率为
R0 1 cp cm
但膜表面极化浓度cm很难测定,通常 只能测定料液的主体浓度,因此常用表观 截留率表示
c
R 1
p
cb
超滤膜的分子截留作用
截留曲线通过测定相对 Nhomakorabea子质量不同的球形 蛋白质或水溶性聚合物的截留率, 可获得膜的截留率与溶质相对分子 量之间关系的曲线,为截留曲线
膜的孔道特性
孔径: 多孔固体中孔道的形状和大小,其是极不规
则的,通常把它视作圆柱形而以其半径来表示孔的 大小
孔径分布: 指不同孔径的孔容积随孔径尺寸的变
化率
孔隙率:指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率 可通过电子显微镜直接观察测定
水通量
水通量定义
水通量是指膜材料的纯水透过通量,其是 在一定条件下(0.1 MPa,温度为20℃)通过 测量透过一定量纯水所需的时间测定
影响膜分离速度的因素
压力
膜面未形成浓度极化层时:正比
膜面出现浓度极化时:增速减慢
膜面形成凝胶层时:透过通量达到极限值,并且此
值随料液浓度的增大而降低,随流速提高而增大
膜的污染原因
凝胶极化引起的凝胶层,阻力为Rg 溶质在膜表面的吸附层,阻力为Ras 膜孔堵塞,阻力为Rp 膜孔内溶质吸附,阻力为Rap
膜生物反应器
将膜分离过程与生物反应过程耦 合的生物反应装臵,可应用于动植 物细胞的高密度培养、微生物发酵 和酶反应过程
截留相对分子量
将截留曲线上截留率为0.90的溶质的 相对分子质量定义为膜的截留相对 分子量(molecular mass cut-off, MMCO)
影响截留率的因素
分子特性
相对分子量相同的溶质,呈线状的分子截留率较 低,有支链的分子截留率较高;球形分子截留率最 大; 对荷电膜,具有与膜相反电荷的分子截留率较低, 反之则较高; 膜对溶质具有吸附作用时,溶质的截留率增大
操作特性-学习要点
识记:浓度极化、凝胶极化概念 理解:超滤膜的分子截留作用 应用:了解实际膜分离过程中影响 截留率的因素