北京大学李克安教授化学课件(8)

如：0.1mol/L NaCl溶液在25℃时的渗透压：
π = 0.08206 × 2 × 0.1× 298 = 4.89atm
这是一种近似的计算方法，一般溶液中不是一种溶质，渗透压 力计算有其它方法，也可以从手册上查出。 反渗透是渗透的一种反向迁移 反向迁移，在压力推动下，借助半透 反渗透 反向迁移 膜的截留作用 截留作用，迫使溶液中的溶剂与溶质分开。溶液浓度越高， 截留作用 π值越大，反渗透过程中施加压力，必须远大于π值，一般为几 倍到近十倍。
溶解过滤：浇注成膜，105°C下蒸发。 脱盐可达99%。
3．膜的特性参数： ．膜的特性参数： 透水率：也叫水通量。即单位时间内，单位膜面积通过水量以 透水率 FW表示。它与膜的物理特性及化学条件有关。
在固定条件下： Fw = A( ∆P − ∆π )
∆P 为两侧压力差；为两侧溶液渗透压差，可忽略。A为水渗透系数。
2．反渗透膜的制备 ． 这是反渗透膜的心脏部分
乙酸纤维膜和芳香聚酰胺膜。 现在成熟的得到工业化应用的是乙酸纤维膜和芳香聚酰胺膜。 乙酸纤维膜和芳香聚酰胺膜 乙酸纤维素膜是一种由纤维素 乙酸酐 纤维素与乙酸酐 乙酸纤维素膜 纤维素 乙酸酐（40%）乙酰化而得到的膜材料 制法： 制法： （1）将含有一定乙酰值的乙酸纤维按比例加溶剂和添加剂充分混 合配成浇注液（纤维素，丙酮，Mg（ClO4）2，甲酰胺 等） （2）倒入模具，压模，贴在板上 （3）蒸发：溶剂蒸发 （4）冷浸：水种冷浸1 h，凝胶成型 （5）热处理：热水中处理1 h，备用。
组件与反渗透法相同。 组件与反渗透法相同。
3．应用： ．应用： （1）蛋白质浓缩 ） 静脉注射的25%人胎盘血蛋白通常用硫酸铵盐析法制备 的。即低浓度原料经两次盐析，最后又要求硫酸铵残留量小 于0.05%，所以要透析48h。 现在采用超滤法，时间缩短，除菌效果好，每年节省 (NH4)2SO4 6.2吨，水16000吨。
1. 微孔滤膜的主要特性： 微孔滤膜的主要特性： 主要用于从液相物质中截留微粒、细菌、污染物达到净化、分离 和浓缩的目的。微孔过渡是最重要，应用最广的一种：
主要特征为： （1）孔径的均一性 ）孔径的均一性：可以制备得到孔径非常均匀的滤膜。平均0.45µm 的滤膜：孔役范围为0.45±0.02µm； （2）空隙率高 ）空隙率高：表面上无数微孔，1cm2可有107－1011个，空隙高达 80%，意味通过时间短，通量大。一般地说，它比同等截留能力的 滤纸快40倍。 （3）滤材薄: 一般为150µm, 过滤少量而且高价的液体损失少；单位面 ）滤材薄 积重量为5mg/cm2，用来除去液体中悬浮粒子。
2．超过滤膜： ．超过滤膜： 有各向同性，各向异性；皮层与支撑层。流量大不易堵 塞，工业上常用材料为乙酸纤维，聚砜 ，芳香聚酰胺等。 制法：溶解，脱泡后，流延成薄层，蒸发溶剂 制法 各向异性：制成膜，贴于支撑板上。 不同孔径采用不同配料比： 不同孔径采用不同配料比：
如二乙酸纤维 二乙酸纤维25g，丙酮 丙酮100ml， 二乙酸纤维 丙酮 甲酰胺 35ml 80ml 100ml
合计
229
98.4
（3）电镀废液回收重金属 ） 对高价重金属有良好去除效果
ZnSO4 CuSO4 CrO3 FeSO4 HAuCl4
553ppm 500 512 525 500
剩 48 8 22 15.7 94.4 78.2
5.3 超过滤
1．以压力差为动力的液相膜分离方法有三种：反渗透， ．以压力差为动力的液相膜分离方法有三种：反渗透， 超过滤，微孔过滤。 超过滤，微孔过滤。 这三种方法可形象的用筛分理论 筛分理论描述，即膜表面有无 筛分理论 数微孔，截留住分子直径大于孔径的溶质和颗粒从而达到 分离的目的。
性能：厚度；过滤速度；空隙率；孔径及其分布 性能
2．微孔滤膜制备： ．微孔滤膜制备
乙酸纤维素与硝酸纤维素 聚氯乙烯 聚四氟乙烯 等
经过相转化：溶液中转化为固相；烧结法；溶出法（加溶盐 烧结法；溶出法 烧结法 后，以水溶解）制膜。
截留机理 机械截留：孔径大的留在孔外 机械截留 物理或吸附作用：吸附在滤膜表面 物理或吸附作用 架桥作用：表面上小颗粒搭架，阻上通过 架桥作用 网络型膜：微粒截留在内部 网络型膜
截留的分子大小不同，有不同三种方法：溶液中不同物质可分为 溶剂 小分子 大分子 微粒 反渗透 超过滤 微孔过滤 过滤
通常截留分子量500以上物质即可用超过滤。
反渗透与超过滤本质没什么区别 ①反渗透截留无机盐，超过滤截留较大分子 ②渗透压有不同，界限不同 超过滤本质是，在一定压力作用下，A.B混合物溶液 流经膜表面时，小分子B将通过，大分子A被截留。 B A 起主要作用的是膜的孔径与材料的性质。
厚度/mm CA35 CA80 CA100 0.14－0.16 0.14－0.16 0.14－0.16
CA35 CA80 CA100
水通量 cm 6 40 65
∣ ∣ ↓
3
孔径 增 大
分子截留值（保留 80-100%） 11700(细胞色素 C) 68000（BSA） 81000（肌激酶）
cm2 ⋅ h
芳香聚酰胺膜： 芳香聚酰胺膜： 由 间苯基二乙胺 与 氯化异苯二酰胺 氯化异苯二酰胺缩聚而成 溶于DMF中：聚合物 聚合物 DMF LiNO3 复合膜： 复合膜 二层膜中间夹一层多孔支撑层。 最大优点：抗压密性较高和透水率较大，脱盐率一般 比非复合膜高50-100%。 三乙酸纤维复合膜： 三乙酸纤维复合膜 70kg压力下，脱盐率＞99%，透水率大 聚脲薄膜复合体：70kg/m2 1000 h运转 ， 脱盐率>99% 聚脲薄膜复合体 透水率高达 3.06－3.4 cm3/cm2•h 最新的聚酰胺薄膜复合体PEC-100，脱盐率～99.9%。 15% 80% 4.5%
5．应用： ．应用： （1）海水淡化 ）海水淡化，脱盐率99%
cm3 透水率： (1.7
一年后下降50% 装置：板框式
cm2 ⋅ h
)
进一步改进成管式组件： （2）浓缩 糖汁脱水 ）浓缩：糖汁脱水
除1000吨水经费（英磅）
方法 燃料 电力 膜 清洗 3 蒸发 220 6 反渗透法 0 26.4 72
4．分离机理： ．分离机理： 是溶质与溶剂分离 常用的氢键理论 氢键理论：也叫孔穴式，或有序式扩散。 氢键理论 对乙酸纤维素膜的模型： 对乙酸纤维素膜的模型：认为当水进入膜的非结晶部位 由于和羟基的氧原子生成氢键作用成结合水， 后，由于和羟基的氧原子生成氢键作用成结合水，结合水把 孔径占满使不与膜生成氢键的溶质不能通过， 孔径占满使不与膜生成氢键的溶质不能通过，而能与膜生成 可以有序扩散通过。 氢键的水 可以有序扩散通过。 也有认为水合离子大不能通过膜的水合孔，而达到分离。
Fw ≅ AP
（压力差）
（简化式， 一般高压下）
1m Fw ≅ 1m
3
如乙酸纤维素膜
m2 ⋅ d
芳香聚酰胺：透水率：
1.5cm3
cm 2 ⋅ h
透盐率： FS ，盐透过膜的速度，不会一点不通过，通过的愈少 透盐率： 愈好。
Fs = B (C高侧 − C低侧 )
脱盐率常用
Ro = (1 −
C低 ) × 100% C高
第五章 膜分离技术
5.1 概论
随着科技发展，“膜”这个新名词越来越多的在各个方面 膜 出现，看起来它是一层极薄的薄片，但它威力之大，很难想象。 生命活动中一系列现象，能量转换，细胞识别，物质传 输与药物作用无一不与生物膜的功能有关。 膜的定义：在一种流体相内或两种流体相之间有一薄层 膜的定义 凝聚相物质把流体相分隔成两部分，这一薄层物质就是膜， 凝聚相物质 这一作为凝聚相的膜可以是固态的，或液态的 流体相可以 作为凝聚相的膜可以是固态的， 作为凝聚相的膜可以是固态的 或液态的；流体相可以 是液态的，也可以是气态的。膜本身可以是均匀的一相，也 是液态的，也可以是气态的 可以是由两相以上的凝聚态物质构成的复合体。不论膜本身 薄到什么程度，它必定都有两个界面，两个界面分别与两侧 的流体相接触。 在分离中应用的膜，不是塑料膜或皂泡膜， 在分离中应用的膜，不是塑料膜或皂泡膜，而是具有一定 特殊功能的膜：如半渗透的隔膜，只允许通过小分子物质。 特殊功能的膜：如半渗透的隔膜，只允许通过小分子物质。
应用： 应用 除菌：大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，没有溶液 除菌 制药：阿斯匹林精氨酸中溶液+滤膜 制药 啤酒中菌类：啤酒中含酵母和细菌，装瓶时要加热杀细菌，但加热会破坏生 啤酒中菌类 啤酒营养，使味道变坏，要用滤膜过滤，保持味道，除菌不需加热。
几种膜分离方法
以压力差为动力的液相用膜分离方法（有三种）： 以压力差为动力的液相用膜分离方法
溶剂 -----分子 -----大分子 -----微粒 -----过滤 微粒过滤 超过滤 反渗透
5.2 反渗透：分离溶剂分子与溶质分子的方法 反渗透：
新型膜分离技术，近二十年来取得很大进展：1953— 1960发明，首次用于海水淡化，与蒸馏法相比显示出它的优 越性。 已用于世界上最大的海水淡化厂，沙特的捷达厂，56800m3/d 1．渗透，渗透压 ．渗透， 一种只能通过溶剂，而不能通过溶质的膜即为理想的半透膜 半透膜。 半透膜 在一种容器中间设置半透膜，一边加入溶液，一边加入溶剂， 此时溶剂自发的穿过半透膜向溶液扩散，这叫作渗透 渗透，这个过 渗透 程使得溶液液面升高，当高压（H）达到一定程度，抵消了溶剂 向溶液流动的趋势，即达到平衡。H称为溶液的渗透压 称为溶液的渗透压π。若在 称为溶液的渗透压 溶液液面加一个大于π的压力P时，溶液中的溶剂将向相反的方 向流动，即从溶液中向溶剂中流动，这就是“反渗透” “反渗透” （reverse Osmosis）。 基于此原理建立浓缩和纯化的方法，叫反渗透工艺。 反渗透工艺。 反渗透工艺
上海生物所 1 样品 9.9% 超过滤/ h 22.0 总回收1 96.8% 97.2%