第六章_膜分离过程
合集下载
第六章气体膜分离ppt课件
四步过程： 气体与膜的接触 气体向分离膜的表面溶解(溶解过程) 溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散(扩散过程） 分子在膜的另一侧逸出。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
膜分离过程第六章UF.
3.MF在饮料工业中的应用 以澄清和生物稳定(除菌)为目的
传统方法： 深度吸附介质过滤（硅藻土和纤维素） 巴氏灭菌 巴氏灭菌—亦称“低温消毒法”，在62
度下加热30分钟，以杀死物质中的微生物， 一般用于消毒牛奶、啤酒和酿酒原汁等。 法国巴斯德首创，故得名。 MF分离对象：
啤酒 白酒 冷饮 瓶装水 果汁 矿 泉水
•6.8 UF膜的性能参数 水通量 在0.1-0.2MPa 压力25度纯水测定.
截留分子量
用标准物质测定 常用标准物质: 球蛋白 牛血清蛋白 细胞色素C 聚乙二醇 6.9 UF膜的结构
6.10 UF的应用 UF技术在工业生产、医药、环境保护和生 活等各个领域得到了广泛的应用，对象繁 多，目的各有不同。但UF应用可以归结为 三个方面：净化 浓缩 分离 6.10.1 净化 1.作为RO的预处理 ①海水淡化 海水中悬浮物、微粒、胶体物质、细菌、 海藻等杂物用常规的预处理方法难以完全 除去，采用超滤工艺可将细菌和海藻几乎 全部除掉： 海水→灭菌→ 絮凝→ 双介质过滤→ 活性 炭过滤→ 精密过滤→ 超滤
6.11 微滤 Micro filtration 6.11.1 概述
RO NF 与MF都属于压力推动力模型,其中 数MF应用最为广泛。
΢ ÂË ·´ Éø ͸ ³¬ ÂË µç Éø Îö Æø Ìå ·Ö Àë Ѫ Òº ͸ Îö Æä Ëû
微滤最大的应用是将液体（或气体）中大于
0.1μm的微粒分离出来。（被截留） 微滤膜的性能特点：
②果酒、啤酒中沉淀物的去除 类似白酒的处理（略）
在酒类的处理中，可以选择的膜材料有： 聚砜（PS） 聚丙烯氢（PAN） 截留分子量范围：10000-100000
③茶汁净化制备速溶茶 选用50000-100000截留分子量的超滤膜， 去除固体杂质→反渗透浓缩成浓缩茶汁→ 喷雾干燥成茶粉
06-膜分离过程
6.1.2. 膜过程分类
生物分离中最常用-超滤、微滤和反渗透
膜过程分类
粒径
0. 1 1 nm 10
病毒
100
1μ m
10
100
１ mm
小分子
蛋白质
乳胶
细菌 细胞 微粒
超细胶体微粒 反渗透 微滤
超滤
一般过滤
膜分离法与物质大小（直径）的关系
6.1.3. 分离膜
（一）分离膜性能
• ★物化稳定性-膜强度、耐受压力、温度、pH、对 有机溶剂及各种化学药品的耐受性-膜寿命 ★分离透过性-选择性、渗透通量、通量衰减系数 • ①选择性-可用截留率R表示
第六章
膜分离过程
Membrane Separation
膜分离现象普遍存在，膜分离技术应用广泛
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 微孔过滤——人造 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透（1960年Loeb和Sourirajan） 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现代 EDI技术——电渗析(ED)+离子交换（IE)
膜材料
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备、来源丰富 ④适合作反渗透膜 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 （1）温度范围广 （2）pH 范围广 （3）耐氯能力强 （4）孔径范围宽 （5) 操作压力低 （6）适合作超滤膜
（三）膜结构
• 对称膜，即膜截面的膜厚 方向上孔道结构或传递特 性均匀，传质阻力大，透 过通量低，容易污染，清 洗困难，微滤膜大多为对 称膜
（二）膜材料
膜材料 应用 特点 截盐能力强，使用温度 反渗透膜 醋酸纤维 和 pH 范围有限 微滤膜和超滤膜 天然高分子 再生纤维 微滤膜和透析膜
膜分离过程第六章UF
6.10.2 浓缩 1.食品发酵工业中的应用 1.食品发酵工业中的应用 浓缩酶制剂 酶是一种由生物体产生的具有特殊催化功 能的蛋白质,高温下易变质,属热敏性物质. 能的蛋白质,高温下易变质,属热敏性物质. 由人工合成的酶需要浓缩处理. 由人工合成的酶需要浓缩处理.传统的浓缩 方法有: 方法有:盐析沉淀、溶剂萃取、真空蒸发、 冷冻和离心分离。60年代开始采用超滤技 冷冻和离心分离。60年代开始采用超滤技 术，优势非常明显。（略） 2.蛋白质浓缩 2.蛋白质浓缩 ①大豆蛋白质精制 (植物蛋白) 植物蛋白) 从大豆中提取蛋白质, 从大豆中提取蛋白质,可以除去对肝脏有害 的物质和有异味的低分子物质. 的物质和有异味的低分子物质. ②卵蛋白的浓缩 (动物蛋白) 动物蛋白)
②人体生长激素的提取 人体生长激素(HGH)可以促进人的生长, 人体生长激素(HGH)可以促进人的生长,但如果 HGH的提取不当,会引起不良的结果.HGH是从死人 HGH的提取不当,会引起不良的结果.HGH是从死人 的脑下垂体中提炼的,工艺复杂, 的脑下垂体中提炼的,工艺复杂,需要经过反复的 过滤. 过滤. ③浓缩钩端螺旋体菌苗 钩端螺旋体菌是一种是人和畜共患的传染病. 钩端螺旋体菌是一种是人和畜共患的传染病. 超滤法可制取浓缩疫苗,采用截留分子量为20000 超滤法可制取浓缩疫苗,采用截留分子量为20000 的超滤膜,对疫苗进行10-100倍的浓缩. 的超滤膜,对疫苗进行10-100倍的浓缩. ④人血清蛋白的浓缩 供注射用的25%胎盘血白蛋白是经过浓缩而成的. 供注射用的25%胎盘血白蛋白是经过浓缩而成的. 常规采用硫酸铵盐析法制备,过程经过两次盐析, 常规采用硫酸铵盐析法制备,过程经过两次盐析, 两次过滤,压干,透析脱盐,除菌,真空浓缩等, 两次过滤,压干,透析脱盐,除菌,真空浓缩等,该 工艺消耗硫酸铵量大,能耗高,时间长, 工艺消耗硫酸铵量大,能耗高,时间长,透析过程 易污染等缺点.超滤法可采用截留分子量为50000 易污染等缺点.超滤法可采用截留分子量为50000 的超滤膜,分离率可达98%. 的超滤膜,分离率可达98%.
高分子功能膜材料
2024/10/12
多孔膜
按膜旳材料分类
表6—1 膜材料旳分类
类别
膜材料
纤维素酯类 纤维素衍生物类
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
举例 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 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
H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8
易
难
聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，所以开发了可 溶性聚酰亚胺，其构造为：
2024/10/12
O
O
C N
C
CH2 CH2 CH CH
C N
C
O
O
R n
（v）乙烯基聚合物 用作膜材料旳乙烯基聚合物涉及聚乙烯醇、聚 乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙 烯、聚丙烯酰胺等。共聚物涉及：聚丙烯醇/苯 乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲 基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯 腈接枝共聚物也可用作膜材料。
2024/10/12
电渗析技术在食品工业、化工及工业废水旳 处理方面也发挥着主要旳作用。尤其是与反渗 透、纳滤等精过滤技术旳结合，在电子、制药 等行业旳高纯水制备中扮演主要角色。
另外，离子互换膜还大量应用于氯碱工业。 全氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著称， 是目前为止唯一能同步耐40％NaOH和 100℃温度旳离子互换膜，因而被广泛应用作 食盐电解制备氯碱旳电解池隔膜。
三、分离膜制备措施
相转换法
粉末烧结
膜分离
概述
★膜分离的特点 ①操作在常温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高； ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位
膜分离过程 (membrane separation)
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)
膜分离过程的类型
透析法的应用
膜分离过程 (membrane separation)
膜的制造
2.2 膜的制造
要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性
膜分离过程的类型
有关微米的一组数据
1μ m= 10-3mm
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
膜分离过程 (membrane separation)
－
－ －
盐水
+ + + + + + + + + + + + + + + +
+
阳极
纯蛋白质溶液
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
电渗淅器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗淅器主要组成部 分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻 挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。
★膜分离的特点 ①操作在常温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高； ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位
膜分离过程 (membrane separation)
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)
膜分离过程的类型
透析法的应用
膜分离过程 (membrane separation)
膜的制造
2.2 膜的制造
要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性
膜分离过程的类型
有关微米的一组数据
1μ m= 10-3mm
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
膜分离过程 (membrane separation)
－
－ －
盐水
+ + + + + + + + + + + + + + + +
+
阳极
纯蛋白质溶液
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
电渗淅器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗淅器主要组成部 分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻 挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。
生物工程下游技术第六章膜分离过程
7
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton 纳滤 200～1000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton
8
概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
F
9
6.1 膜材料 与膜的制造
27
3 孔道特征
• 包括孔径，孔径分布和孔隙度。 • 孔径：最大孔径和平均孔径。 • 孔径分布：膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积
的百分数； • 孔径分布窄比宽好 • 孔隙度：指整个膜中的孔所占的体积百分数。
28
4 膜的使用寿命
(1)膜的压密作用
• 在压力作用下，膜的水通量随运行时间延长而逐 渐降低。膜外观厚度减少1/2-1/3，膜由半透明变 为透明。表明膜的内部结构发生了变化。与高分 子材料可塑性有关。
3.其他高分子溶质的影响：如料液存在两种高 分子溶质，其截留率不同于单独存在的截留 率。
4.温度，pH都会有影响.
25
断分子量与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
10
膜材料的特性
• 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；
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton 纳滤 200～1000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton
8
概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
F
9
6.1 膜材料 与膜的制造
27
3 孔道特征
• 包括孔径，孔径分布和孔隙度。 • 孔径：最大孔径和平均孔径。 • 孔径分布：膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积
的百分数； • 孔径分布窄比宽好 • 孔隙度：指整个膜中的孔所占的体积百分数。
28
4 膜的使用寿命
(1)膜的压密作用
• 在压力作用下，膜的水通量随运行时间延长而逐 渐降低。膜外观厚度减少1/2-1/3，膜由半透明变 为透明。表明膜的内部结构发生了变化。与高分 子材料可塑性有关。
3.其他高分子溶质的影响：如料液存在两种高 分子溶质，其截留率不同于单独存在的截留 率。
4.温度，pH都会有影响.
25
断分子量与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
10
膜材料的特性
• 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；
第6章 膜分离法
溶剂、 离子、 小分子
水、溶 剂
胶体及各 类大分子
悬浮物、 溶解物、
胶体
电渗析 ED
浓电解质
溶剂
阳
阴
极
极
阴膜 阳 原料液
离子交换 膜
电位差
离子在电 场中的传 递
离子
非解离和 大分子颗
粒
混合气
渗余气
气体
均质膜
压力差 气体的溶 易渗透 难渗透
阴以—缺把一浸定渗电气 传膜(（式因护 该七在易四醋3此 对传(微（在富疏四七大7表（与分构分b2))膜压—点溶侧涂在透渗体统接1中反都性、膜挥、酸参于质滤3外氮水、、规征3传离单离微气载 螺） ） ）上 力 透 是 剂 流 法 多 汽 析 在的 触 ： 渗 十能 膜 两 发 超 纤 数反 机 和 加 空 聚 电 膜 模 膜 统 膜 元 因滤体气旋能离定膜离差过膜和动—空化采均 分器透分 对分侧组滤维直 渗理超直气合渗分应透的在才数P、J膜分渗汽吹卷耗子期MGV解为物玷溶，—亚分用质 离，在方 分离压分及素接 透：滤流可物析离用过分绝可反—蒸超分扫式少渗对A离 透 化(SD出推中污液这将层离带膜 单包高便 离技力通微、决 过溶使电用：器技时性离大使映—滤G离馏渗膜，透膜Pa负动组后（种上过电中 元括压。 效术差过滤三定 程解用场于聚工术，能操多用膜一透与s透组不膜进离力分消或现。程荷的 操液下果的的膜的醋分 ，的作食四艺的多的作数。对-体过纳S扩汽件发不行原e子：除两象示的传 作操、发作时应酸离 通膜用品氟参发采参相情气A-化速滤液散p化生需反与原，微困种称意离递 如作操展用发用纤设 常都下保乙数展用数比况体膜a率料接机相 再 冲r组a可滤难不为图子靠蒸，作趋下生维备用是，鲜烯计趋卷是，下各进，料触理液t变生和分io交，同渗交溶 馏对能势，相素的 截多溶、、算势式透膜并组(浸m器。M液n，，清B3换不浓透换解 、膜耗利变、大 留孔液惰聚膜过分不分入)F、的/只可洗()水能度膜萃产都用，聚小 率膜中性丙组速离能透(-含m、扩 液o摩能连。s2中处的，取生有气相芬。 表。带气稀件率具直过有超散 -尔m·用续气h的理溶在、压决体变香示电氛、和。有接的聚滤o作分)于使接或s阴含液电吸实定混所酰其粒保聚中以应选合(i用率Us水用触k离有）场收作性合需胺分子护乙空下用择)物F，。。g中器)。子悬分作等用的物的类离可等烯纤优于性/涂、(溶 溶其已渗 蒸m渗等。浮别用，，影中热、性被方、维点分；液渗 浓纳传2离质 剂透 气透物置下也造响各量聚能膜面聚膜：离·中滤递h透 缩解)或的于膜可成。组来合。吸；偏组工，(；气过N的液液液半能以透分自苯引氟件程取F程离)体透允通水在原并、乙。，出、由子微非非。膜许过率膜料咪传烯而后反三复均复；孔的阴膜下中液唑递是膜渗对对步合质合两、来降渗的（通需上透膜组称称侧阳实，透降酮过要即(膜膜膜成R膜膜，离现因速温）膜将附O：)纯子，此率。。一着、聚溶通即抗的定一气酰由而汽剂过为压差面层体1（于产压5浓分将，膜实异积薄分亚（M透可蒸性而的薄温生差离）度压1P过用馏也实膜的(胺～度的G差差a膜于、是现装溶、S）差蒸而溶膜反分填)液聚自液萃渗离到，酰发去取透的某然胺通扩地除、膜过种后酰解溶向离膜性程开过散使扩阱-溶子吸能。放溶扩、解膜散液 。 收 的 或剂聚散-的（等一封蒸醚或，个闭发脲从实重的并等高 压 发易 或 发低现要壳发气蒸 的 组浓这指体生溶 易 组体度些标中交汽 挥 分解 挥 分溶膜。，联液过构，向程成即不 或 组 非 小 溶高的一可易 难 分 挥 分 剂气浓设定使度备形表溶 挥 发 子体溶统式皮解 发 的 和液称的层）为结固
第六章膜分离技术
运转，或利用供给液本身间歇地冲洗膜模件内部，并利用 其产生的剪切力来洗涤膜面附着层。 正向清洗：采用清液，通过加大流速循环洗涤 反向清洗：采用空气、透过液或清洗剂进行反向冲洗。
• 化学清洗过程: 用化学药剂，对膜组件进行浸泡，并应用物理清洗的
方法循环清洗，达到清除膜上污染物的目的。主要利用化 学药剂的溶解、氧化、渗透等作用来达到清洗的目的。
程中的常见问题，能根据不同的分离体系进行膜 选择，能对膜进行常规处理及维护。
第一节 膜及其应用
膜的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ义 在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流
体相分隔开两部分，这一薄层物质称为膜。 膜分离技术
用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物中其它组 分，从而达到分离目的的技术。
2.能耗低、可低温操作 无相态变化，特别适用于稀料液及热敏性料液浓缩。
3.不需添加化学试剂 物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。
4.设备可封闭运行、可间歇或连续运行、易操作维护、易放 大、占地小、易实现自控、配套设备少
6.考虑选用膜技术的导则
不宜采用膜技术的分离过程
具有相似分子量的化合物的分离 高渗透压料液的高倍浓缩
1.反渗透基本原理
• 半透膜：一种只能透过容剂而不能透过溶质的膜。 • 渗透：把溶剂和溶液分别置于膜两侧，纯溶剂透
过半透膜自发向溶液（或从低浓度到高浓度）一 侧流动。 • 渗透压：渗透过程进行到溶液的液面便产生一压 头H，以抵消溶剂向溶液方向流动的趋势。 • 反渗透：在溶液的液面上，再施加一个大于的压 力P时，溶剂将于原来的渗透方向相反，开始从溶 液相溶剂一侧流动。
组件的进出料示意图多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗透液垫圈管式膜结构图保留体积小操作费用低的压力降液流稳定比较成熟投资费用大大的固含量会堵塞迕料液通道拆卸比清洁管道更费时间螺旋卷设备投资低操作费用也低单位体积中所含过滤面积大换新膜容易料液需经预处理压力降大易污染难清洗液流丌易控制易清洗单根管子容易调换对液流易控制无机组件可在高温下用有机溶剂迕行操作并可用化学试剂来消毒高的设备投资和操作费用保留体积大单位体积中所含有过滤面积较小压力降大中空纤保留体积小单位体积中所含过滤面积大可以逆流操作压力较低设备投资低料液需要预处理单根纤维管损坏时需调换整个组件丌够成三膜在生物制药中的应用1
• 化学清洗过程: 用化学药剂，对膜组件进行浸泡，并应用物理清洗的
方法循环清洗，达到清除膜上污染物的目的。主要利用化 学药剂的溶解、氧化、渗透等作用来达到清洗的目的。
程中的常见问题，能根据不同的分离体系进行膜 选择，能对膜进行常规处理及维护。
第一节 膜及其应用
膜的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ义 在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流
体相分隔开两部分，这一薄层物质称为膜。 膜分离技术
用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物中其它组 分，从而达到分离目的的技术。
2.能耗低、可低温操作 无相态变化，特别适用于稀料液及热敏性料液浓缩。
3.不需添加化学试剂 物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。
4.设备可封闭运行、可间歇或连续运行、易操作维护、易放 大、占地小、易实现自控、配套设备少
6.考虑选用膜技术的导则
不宜采用膜技术的分离过程
具有相似分子量的化合物的分离 高渗透压料液的高倍浓缩
1.反渗透基本原理
• 半透膜：一种只能透过容剂而不能透过溶质的膜。 • 渗透：把溶剂和溶液分别置于膜两侧，纯溶剂透
过半透膜自发向溶液（或从低浓度到高浓度）一 侧流动。 • 渗透压：渗透过程进行到溶液的液面便产生一压 头H，以抵消溶剂向溶液方向流动的趋势。 • 反渗透：在溶液的液面上，再施加一个大于的压 力P时，溶剂将于原来的渗透方向相反，开始从溶 液相溶剂一侧流动。
组件的进出料示意图多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗透液垫圈管式膜结构图保留体积小操作费用低的压力降液流稳定比较成熟投资费用大大的固含量会堵塞迕料液通道拆卸比清洁管道更费时间螺旋卷设备投资低操作费用也低单位体积中所含过滤面积大换新膜容易料液需经预处理压力降大易污染难清洗液流丌易控制易清洗单根管子容易调换对液流易控制无机组件可在高温下用有机溶剂迕行操作并可用化学试剂来消毒高的设备投资和操作费用保留体积大单位体积中所含有过滤面积较小压力降大中空纤保留体积小单位体积中所含过滤面积大可以逆流操作压力较低设备投资低料液需要预处理单根纤维管损坏时需调换整个组件丌够成三膜在生物制药中的应用1
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离第六章膜分离技术1、什么是膜分离过程，有哪些膜分离过程，各有什么特点，各分离过程分离离子的范围？答：若在流体内部或两流体间有一薄层凝聚相物质把流体分隔为两部分，则这一薄层物质称为膜，膜可以是固态、液态或气态。
膜分离是利用膜材料具有选择性渗透作用而使气体或液体混合物得到分离的一种方法。
膜分离技术具有以下优点：(1)能获得高纯度组分；(2)操作过程的能耗较低；(3)分离操作通常在常温或低温下操作，对热敏物料的分离尤其适宜。
2、说明膜分离过程的推动力及分离原理。
答：物质能选择性地透过膜的推动力有两种：一种是由外界提供能量，使物质能由低位向高位移动；另一种是因膜的存在造成被分离系统具有化学位差的作用下由高位向低位移动。
3、不同的膜分离过程适用于哪些场合？答：依据膜孔径的不同，分离的粒子颗粒直径也有差异。
4、膜组件有哪些形式，各有什么特点？答：(1)板框式膜组件板框式膜组件优点：组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，可视生产需要组装膜组件。
缺点：密封边界长，板框和密封件的加工精度高；每块板上料液的流程短，通过板面的透过液量较少，(2)卷式膜组件与板框式膜组件相比，卷式膜组件优点是：膜组件比较紧凑；单位体积内的膜面积大；制作相对简单。
其缺点是：清洗不方便，膜损坏时，不易更换；卷式膜组件所用的膜必须是可焊接或可粘贴的膜。
(3)管式膜组件优点：结构简单；安装、操作方便；流体流动状态好,不易被堵塞。
缺点：单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为30~330m2/m3，除特殊场合外，一般不被使用。
(4)中空纤维膜组件优点：设备紧凑，组件单位体积内的有效膜面积高达16000～3000m2/m3缺点：中空纤维内径小阻力大，易堵塞，所以料液走纤维管间，透过液走纤维管内。
透过液侧流体能量损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去。
5、简要说明反渗透的原理，反渗透的操作压力与膜的类型有关吗？答：当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水能透过膜向盐水一侧渗透，直到盐水一侧水位升高到一定高度为止，渗透过程达到动态平衡，这种现象称之为渗透现象。
相关主题
- 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)。
纯化：除去杂质；
分离：将混合物分成两种或多种目的产 物；
反应促进：把化学反应或生化反应的产 物连续取出，能提高反应速率或提高产 品质量。
整理版
4
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
整理版
7
图1 对称膜
图2 非对称膜
整理版
8
图3 对称膜
图4 非对称膜
整理版
9
二、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。
整理版
10
膜分离过程的类型
整理版
19
反渗透：
定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 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. 1~1 nm之间。
整理版
20
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
整理版
21
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
分离方法 反渗透 低温多效 多级闪蒸
能耗 (kWh/m3)
3.5
>7
>10
整理版
22
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
整理版
23
整理版
24
巴黎瓦兹河梅 里市14万立 方米/天的纳 滤厂，每天为 巴黎附近50 万居民提供 14万吨饮用 水
11
蛋白质透析
整理版
12
透析袋透析简单装置。
A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
整理版
13
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
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，截留 直径为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
超滤原理的示意图
整理版
17
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
整理版
18
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质） 两侧压力相等时，在浓度差 作用下，溶剂从溶质浓度低 的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使 水分子透过的推动力。
(3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表 面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的 表面薄层而且受微孔支撑层的影响。
(4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为
整理版
5
膜分离的特点： 浓缩液 无相变、低能耗
高效率、污染小
渗
工艺简单、操作方便
透 液
浓缩与纯化同时进行
进料液
整理版
6
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待分离浓缩液；多孔 的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培 养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
整理版
14
微滤 (Microfiltration，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；
整理版
原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
15
3.超滤（ Ultrafiltration, UF） ：
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
整理版
29
6.气体渗透：
气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择 性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化 的目的。
其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先 在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、 脱溶、逸出。
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，截断分子量可 变化。
适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、 浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热 原，在生物工程中应用最广。
整理版
16
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 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。
应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的
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。
整理版
整理版
25
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
整理版
26
整理版
27
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。
整理版
28
整理版
2
一、膜的简介
定义： 在流体相之间有一层薄的 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。
水 小分子 大分子 料液
膜渗Biblioteka 液“21世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色”
“谁掌握了膜技术，谁就 掌握了21世纪的未来”
整理版
3
膜的用途
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；（截留物为产物）
第六章 膜分离过程
Membrane separation
整理版
1
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。
分离：将混合物分成两种或多种目的产 物；
反应促进：把化学反应或生化反应的产 物连续取出，能提高反应速率或提高产 品质量。
整理版
4
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
整理版
7
图1 对称膜
图2 非对称膜
整理版
8
图3 对称膜
图4 非对称膜
整理版
9
二、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。
整理版
10
膜分离过程的类型
整理版
19
反渗透：
定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 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. 1~1 nm之间。
整理版
20
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
整理版
21
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
分离方法 反渗透 低温多效 多级闪蒸
能耗 (kWh/m3)
3.5
>7
>10
整理版
22
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
整理版
23
整理版
24
巴黎瓦兹河梅 里市14万立 方米/天的纳 滤厂，每天为 巴黎附近50 万居民提供 14万吨饮用 水
11
蛋白质透析
整理版
12
透析袋透析简单装置。
A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
整理版
13
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
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，截留 直径为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
超滤原理的示意图
整理版
17
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
整理版
18
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质） 两侧压力相等时，在浓度差 作用下，溶剂从溶质浓度低 的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使 水分子透过的推动力。
(3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表 面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的 表面薄层而且受微孔支撑层的影响。
(4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为
整理版
5
膜分离的特点： 浓缩液 无相变、低能耗
高效率、污染小
渗
工艺简单、操作方便
透 液
浓缩与纯化同时进行
进料液
整理版
6
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待分离浓缩液；多孔 的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培 养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
整理版
14
微滤 (Microfiltration，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；
整理版
原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
15
3.超滤（ Ultrafiltration, UF） ：
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
整理版
29
6.气体渗透：
气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择 性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化 的目的。
其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先 在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、 脱溶、逸出。
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，截断分子量可 变化。
适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、 浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热 原，在生物工程中应用最广。
整理版
16
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 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。
应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的
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。
整理版
整理版
25
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
整理版
26
整理版
27
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。
整理版
28
整理版
2
一、膜的简介
定义： 在流体相之间有一层薄的 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。
水 小分子 大分子 料液
膜渗Biblioteka 液“21世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色”
“谁掌握了膜技术，谁就 掌握了21世纪的未来”
整理版
3
膜的用途
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；（截留物为产物）
第六章 膜分离过程
Membrane separation
整理版
1
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。