生物分离工程 第九章 膜分离 ppt课件
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第九章 膜分离过程ppt课件
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第三节 膜的应用
微孔过滤的应用 在实验室中，微孔滤膜是检验有形微细杂
质的重要工具，主要用于微生物检测、微粒子 检测。在工业上主要用于灭菌液体的生产，反 渗透和超滤的我＝前处理，电子工业中超纯水 制造和空气过滤。例如采用聚碳酸酯核孔滤膜 来过滤除去啤酒中的酵母核细菌，使处理后的 啤酒不需加热就可以在室温下长期保存。
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4
第 一 节 膜和膜分离过程的分类与特性
3 复合膜 选择性膜层沉积于具有微孔的支撑 层上。只是两层材料不同，而非对称膜则是 同一材料。其性能不仅取决于有选择性的表 面薄层，而且受微孔支撑结构、孔径、孔分 布和多孔率的影响。
4 荷电膜 即离子交换膜，是一种对称膜，含 有高浓度的溶胀胶载着固定的正电荷或负电 荷，带有正电荷的膜为阴离子交换膜，从周 围流体中吸引阴离子。带有负电荷的膜称为 阳离子交换膜。
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第三节 膜的应用
五 纳米过滤（NF）
3
第 一 节 膜和膜分离过程的分类与特性
一 膜的分类
根据各种物理结构和化学性质，可将膜分为 下列几种：
1 对称膜 结构与方向无关的膜，根据制造方法 不同，这些膜或者具有不规则的孔结构，或所 有的孔具有确定的直径。
2 非对称膜 非对称膜有一个很薄的，但比较致 密的分离层和多孔支撑层。分离层为活性膜， 孔径的大小和表皮的性质决定了分离特性，厚 度决定传递速度，该层必需朝向待浓缩的原溶 液。多孔支持层只起支撑作用。
然后将多层膜片浸泡在沉淀液（冰水）中，由于溶剂
和沉淀液发生交换而形成凝胶。凝胶形成后通常在热
水中退火，从而改善了分离能力，并且提高了机械强
度，但渗透能力却有所下降。
第九章膜分离过程ppt课件
聚砜类
聚酰(亚)胺类 非纤维素酯 类 聚酯、烯烃类 含氟(硅)类 其他
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等
聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等
聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷 等
壳聚糖，聚电解质等
8
功能膜的分类
2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不 同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反 渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、 渗透蒸发膜等。 3. 按膜断面的物理形态分类 可将其分为对称膜，不对称膜、复合 膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。
_ n 2 2
H O H H O HH H O H O H
C H O H 2
10
膜材料特征
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。 在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能 与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维 素或三醋酸纤维素。
C6H7O2 + (CH3CO)2O ＝ C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O
膜材料特征
（2）主要的非纤维素酯类膜材料
（i）聚砜类 O S 聚砜结构中的特征基团为 O 为了引入亲 水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用 氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰 胺、二甲基乙酰胺、N—甲基吡咯烷酮、二甲 基亚砜等。
14
膜材料特征
聚砜类树脂具有良好的化学、 热学和水解稳定性，强度也很高， pH值适应范围为1～13，最高使用 温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都 十分优良。 这类树脂中，目前的代表品种有：
1. 分离膜制备工艺类型 膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样 的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能 差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性 能分离膜的重要保证。 目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的 是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。
【生物工程下游技术】第九章 膜分离过程PPT课件
Chapter 9 膜分离过程
Membrane separation
1
整体概况
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概况2
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概况3
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2
膜分离技术
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。 用半透膜作为选择障碍层，允许某些组 分透过而保留混合物中其它组份，从而 达到分离目的的技术。
＋:小分子 ……..：水27 Nhomakorabea28
5.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。 在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
29
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
8
图1 对称膜
图2 非对称膜
9
图3 对称膜
图4 非对称膜
10
膜分离过程的类型
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。
11
膜分离过程的类型
1.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能
透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作 用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用：脱盐，血液透析
特点：以浓差为推动力，膜透 过通量很小，不适于大规模生物 分离过程，多在实验室中应用。
Membrane separation
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膜分离技术
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。 用半透膜作为选择障碍层，允许某些组 分透过而保留混合物中其它组份，从而 达到分离目的的技术。
＋:小分子 ……..：水27 Nhomakorabea28
5.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。 在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
29
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
8
图1 对称膜
图2 非对称膜
9
图3 对称膜
图4 非对称膜
10
膜分离过程的类型
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。
11
膜分离过程的类型
1.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能
透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作 用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用：脱盐，血液透析
特点：以浓差为推动力，膜透 过通量很小，不适于大规模生物 分离过程，多在实验室中应用。
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation幻灯片课件
透析法的应用
▪ 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。 ▪ 在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜的制造
17.2 膜的制造
▪ 要求： ▪ （1）透过速度 ▪ （2）选择性 ▪ （3） 机械强度 ▪ （4） 稳定性
▪ 分离机理
毛细管流动模型 在膜过滤法中，反渗透和超滤与微滤有不同的分离机理。对于后两者，一般认为是简单的 筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。膜是多孔性的 ，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，因而服从Hagen-Poiseuille方程式；
Jv d 2 p 32 L
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 浓差极化与膜污染及清洗方法
什么是浓差极化?
▪ 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶
质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越 高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导 致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶 质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度 使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近 存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层，这一现象称为浓差极化。
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation
膜分离过程 (membrane separation)
第一讲
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜分离过程的类型
▪ 按分子或粒子大小分类 ▪ 按膜孔平均孔径，推动力和传递机制进行分类 ▪ 对称膜与不对称膜 ▪ 有孔膜与无孔膜
▪ 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。 ▪ 在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜的制造
17.2 膜的制造
▪ 要求： ▪ （1）透过速度 ▪ （2）选择性 ▪ （3） 机械强度 ▪ （4） 稳定性
▪ 分离机理
毛细管流动模型 在膜过滤法中，反渗透和超滤与微滤有不同的分离机理。对于后两者，一般认为是简单的 筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。膜是多孔性的 ，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，因而服从Hagen-Poiseuille方程式；
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膜分离过程 (membrane separation)
▪ 浓差极化与膜污染及清洗方法
什么是浓差极化?
▪ 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶
质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越 高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导 致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶 质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度 使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近 存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层，这一现象称为浓差极化。
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation
膜分离过程 (membrane separation)
第一讲
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜分离过程的类型
▪ 按分子或粒子大小分类 ▪ 按膜孔平均孔径，推动力和传递机制进行分类 ▪ 对称膜与不对称膜 ▪ 有孔膜与无孔膜
生物工程下游技术 膜分离PPT课件
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、 无机材料膜
5
6
7
8
膜分离技术类型
按分离粒子大小进行分类：
9
5.2.1反渗透
▪概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，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。膜孔径范围在0.0001~0.001 μm之间；
▪原理：
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。
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。
10
11
渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。
溶液中水的化学势
16
超滤的基本方程
JvLp(p)
Lp
：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量）
应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质
17
5.2.3微滤
▪适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。
膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。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。
3
膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用
4
5.2各种膜分离技术及其原理
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜
按材料分：合成有机聚合物膜、 无机材料膜
5
6
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8
膜分离技术类型
按分离粒子大小进行分类：
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5.2.1反渗透
▪概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，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。膜孔径范围在0.0001~0.001 μm之间；
▪原理：
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。
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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11
渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。
溶液中水的化学势
16
超滤的基本方程
JvLp(p)
Lp
：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量）
应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质
17
5.2.3微滤
▪适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。
膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。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。
3
膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用
4
5.2各种膜分离技术及其原理
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜
膜分离 (Membrane Separation)PPT课件
Na+ +
固定离子
Cl-
正极 阴离子交换膜 负极
高分子膜中间有足够大的孔隙，水中的离子 在膜孔隙通道（比膜厚度大得多）中电迁移运 动。例如，在水溶液中, 阴离子交换膜的活性 基团会发生离解，留下的是带正电荷的固定基 团，构成了强烈的正电场。在外加直流电场作 用下，根据异电相吸原理，溶液中带负电的阴 离子就可被它吸引、传递而通过离子交换膜到 另一侧，而带正电荷的阳离子则离子膜上固定 负电荷基团的排斥不能通过交换膜。
静压膜分离操作
1) 膜的选择性
2) 常用被分离溶质的截留率/去留率表示：
3)
R = (CF－CP)/ CF×100%
4) CF：原液浓度, CP：透过液中溶质浓度。
2) 浓度极化现象
通常沉淀溶液过滤时会出现“滤饼”现象, 使滤膜
孔洞受阻变小, 流速变慢。
对于实际过程, 膜的排除率应修正为：
(CM －CP) / (CF－CP) = exp (JV /k) JV ： 膜 透 过 流 束 (cm2/cm·s) ； k ： 物 质 移 动 系 数
根据溶质与流动载体之间的可逆化学反应提出了促进传递概念上世纪60年代中期bloch等采用支撑液膜研究了金属提取过程黎念之发明乳化液膜推演出了促进传递膜的新概念并导致了后来各种新型液膜的发明?湿法冶金?废水处理?核化工?气体分离?有机物分离?生物制品分离与生物医学分离?化学传感器与离子选择性电极液膜过程和萃取类似但它的萃取与反萃取分别发生在膜的两侧界面溶质从料液相萃入膜相并扩散到膜相另一侧再被反萃入接收相由此实现萃取与反萃取的内耦合
应用：
➢ 低聚糖的分离和精制 ➢ 果汁的高浓度浓缩
多肽和氨基酸的分离
离子与荷电膜之间存在道南(Donnan) 效应,即相同电荷排斥 而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的, 当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带 有静电官能团, 基于静电相互作用, 对离子有一定的截留率, 可 用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸 和多肽等溶质的截留率几乎为零, 因为溶质是电中性的并且大 小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽 等溶质的截留率表现出较高的截留率, 因为溶质离子与膜之间 产生静电排斥, 即Donnan 效应而被截留。
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无机膜：
包括无机致密膜（金属、金属合金和固体氧化物电解 质等；无机多孔膜（多孔金属、多孔陶瓷膜、多孔玻 璃、分子筛膜等）
各种膜组件（CP p68）
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
概述
物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进
行分类：
▪ 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 0.001~0.02 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；
Chapter 9
膜分离 Membrane separation
Knowledge points
Membrane separation膜分离技术的概念。 The classification of membrane separation膜分离技术的分类。 The separation characteristic of different membranes各种膜的分离特性。 Membrane materials对于膜材料的基本要求。 The main membrane assembly主要的膜组件类型。 Ultrafiltration and reverse osmosis 超滤和反渗透过程中渗透压的影响 The basic equation of ultrafiltration separation 超滤等膜分离过程的基本方程 Affinity membrane separation了解亲和膜分离技术 The work mechanism of electroosmosis了解电渗析的工作原理
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程
在工业上得到应用
➢ 30年代 ➢ 40年代 ➢ 50年代
微孔过滤 渗析
电渗析
➢ 60年代 ➢பைடு நூலகம்70年代 ➢ 80年代 ➢ 90年代 ➢ 现代
反渗透 超滤 气体分离 渗透汽化 EDI技术(electro-deionization)
膜分离技术
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。
细菌 细胞
微粒
反渗透
微滤 超滤
一般过滤
有关微米的一组数据
1μ m= 10-3mm = 103nm 人发直径 70-80 μ m 裸眼可见最小颗粒40 μ m 金属颗粒 50 μ m 酵母菌 3μ m 假单胞菌 0.3μ m 小RNA 病毒 0.03 μ m
膜的分类
按孔径大小分：微滤膜、超滤膜、反渗透膜 、纳滤膜 按膜结构分：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜
分离透过特性（主要包括选择性、渗透通量和通量衰减系数等）
（1）选择性：
R=[(Cf-Cp)/Cf]*100% （R截留率，Cf组分在原料液中浓度，Cp组分在膜透过液中的浓度）
（2）渗透通量：单位时间通过单位膜的透过液的容量或质量
J=Vp/Amt (Vp透过液的容积或质量，Am膜的有效面积，t运转时间）
（3）通量衰减系数：Jt=J1tm Jt、J1是膜运行t小时和1小时的渗透通量，t是运行时间。 对于任何一种膜分离过程，总希望选择性好、渗透通量大，但二者实际上是互相矛盾
的，渗透通量大的膜往往选择性低，而选择性高的往往膜渗透通量小。
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；
▪ 反渗透（RO）：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，故而称为反渗透）；
▪ 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；
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
– 被膜分开的流动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
膜分离技术的类型
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
膜材料的特性
物化稳定性 对于不同种类的膜都有一个基本要求（决定膜寿命）：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般 模操作的压力范围在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；
▪ 电渗析(ED)：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；
▪ 透析(DS)：以浓度差为推动力，孔径范围在5~10 nm之 间用于脱盐、除变性剂。
根据推动力类型的不同，膜分离过程可分为
压力差推动膜过程（如微滤、超滤、纳滤、反渗透、加压透析等 ）、 浓度差推动膜过程（如渗透蒸发、气体分离、透析、蒸汽渗透、 扩散渗析、载体介导等) 、 电位差推动膜过程（如电渗析、电渗透、膜电解等）、 温度差推动膜过程（如热渗透、膜蒸馏等）。
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
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
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10 100 １mm
小分子
病毒 蛋白质
乳胶
超细胶体微粒
包括无机致密膜（金属、金属合金和固体氧化物电解 质等；无机多孔膜（多孔金属、多孔陶瓷膜、多孔玻 璃、分子筛膜等）
各种膜组件（CP p68）
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
概述
物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进
行分类：
▪ 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 0.001~0.02 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；
Chapter 9
膜分离 Membrane separation
Knowledge points
Membrane separation膜分离技术的概念。 The classification of membrane separation膜分离技术的分类。 The separation characteristic of different membranes各种膜的分离特性。 Membrane materials对于膜材料的基本要求。 The main membrane assembly主要的膜组件类型。 Ultrafiltration and reverse osmosis 超滤和反渗透过程中渗透压的影响 The basic equation of ultrafiltration separation 超滤等膜分离过程的基本方程 Affinity membrane separation了解亲和膜分离技术 The work mechanism of electroosmosis了解电渗析的工作原理
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程
在工业上得到应用
➢ 30年代 ➢ 40年代 ➢ 50年代
微孔过滤 渗析
电渗析
➢ 60年代 ➢பைடு நூலகம்70年代 ➢ 80年代 ➢ 90年代 ➢ 现代
反渗透 超滤 气体分离 渗透汽化 EDI技术(electro-deionization)
膜分离技术
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。
细菌 细胞
微粒
反渗透
微滤 超滤
一般过滤
有关微米的一组数据
1μ m= 10-3mm = 103nm 人发直径 70-80 μ m 裸眼可见最小颗粒40 μ m 金属颗粒 50 μ m 酵母菌 3μ m 假单胞菌 0.3μ m 小RNA 病毒 0.03 μ m
膜的分类
按孔径大小分：微滤膜、超滤膜、反渗透膜 、纳滤膜 按膜结构分：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜
分离透过特性（主要包括选择性、渗透通量和通量衰减系数等）
（1）选择性：
R=[(Cf-Cp)/Cf]*100% （R截留率，Cf组分在原料液中浓度，Cp组分在膜透过液中的浓度）
（2）渗透通量：单位时间通过单位膜的透过液的容量或质量
J=Vp/Amt (Vp透过液的容积或质量，Am膜的有效面积，t运转时间）
（3）通量衰减系数：Jt=J1tm Jt、J1是膜运行t小时和1小时的渗透通量，t是运行时间。 对于任何一种膜分离过程，总希望选择性好、渗透通量大，但二者实际上是互相矛盾
的，渗透通量大的膜往往选择性低，而选择性高的往往膜渗透通量小。
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；
▪ 反渗透（RO）：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，故而称为反渗透）；
▪ 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；
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
– 被膜分开的流动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
膜分离技术的类型
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
膜材料的特性
物化稳定性 对于不同种类的膜都有一个基本要求（决定膜寿命）：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般 模操作的压力范围在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；
▪ 电渗析(ED)：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；
▪ 透析(DS)：以浓度差为推动力，孔径范围在5~10 nm之 间用于脱盐、除变性剂。
根据推动力类型的不同，膜分离过程可分为
压力差推动膜过程（如微滤、超滤、纳滤、反渗透、加压透析等 ）、 浓度差推动膜过程（如渗透蒸发、气体分离、透析、蒸汽渗透、 扩散渗析、载体介导等) 、 电位差推动膜过程（如电渗析、电渗透、膜电解等）、 温度差推动膜过程（如热渗透、膜蒸馏等）。
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
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
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10 100 １mm
小分子
病毒 蛋白质
乳胶
超细胶体微粒