生物分离工程-第三章 膜分离2009

（1）溶解—扩散模型
具体过程包括： • ①溶质和溶剂在膜的料
液侧表面外吸附和溶解。 • ②溶质和溶剂之间没有
相互作用，它们在各自 化学位差的推动下仅以 分子扩散方式（不存在 溶质和溶剂的对流传递） 通过反渗透膜的活性层。 • ③溶质和溶剂在膜的透 过液侧表面解吸。
• 在膜分离过程中，料液溶解通过膜相际有三种基本 传质形式。
概论
膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为 膜 优点: 1)、能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低， 与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异； 2)、分离条件温和，（剪切力小，温度低）对于热 敏感物质的分离很重要； 3)、操作方便，结构紧凑（占地空间少）、维修成 本低、易于自动化。 4)、浓缩和纯化集成 5)、系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应 或其他分离过程集成和耦合
▲■
■
▲■■
▲ ■■
单价盐 不游离酸
▲
▲
水
▲ 膜的分类与物性
常用膜分离技术的基本特征
各种膜分离方法的应用范围
2.1.2按膜分离过程的推动力划分
推动力 压力差 气体分离 电位差 浓度差 浓度差（分压差） 浓度差加化学反应
膜过程 反渗透、超滤，微滤、
电渗析 透析、控制释放 渗透气化 液膜、膜传感器
d ——圆柱型孔道的直径（m）
L ——膜的有效厚度，为扩散曲折率×膜 厚（m）
Δp ——膜两侧压力差（kPa）
µ——溶液的粘度（Pa·s）
dp
de
对于颗粒层中不规则的通道，可以简化成由一组当量直 径为de的细管，而细管的当量直径可由床层的空隙率和颗粒 的比表面积来计算。
颗粒床层的特性可用空隙率、当量直径等物理量来描述。
大分子
小分子
水分子
透析法的应用
常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类 的小分子杂质，
有时也用于置换样品缓冲液。 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。 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。
蛋白质、无机盐
缓冲液
无机盐
缺点
1)、膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法； 2)、稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限； 3)、单独的膜分离技术功能有限，需与其它分离技术连用。
第二节 膜分离原理及分类
2.1 分类
2.1.1按膜粒径划分
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10
小分子
病毒 蛋白质
乳胶
超细胶体微粒
细菌 细胞
微粒
100 １mm
反渗透
微滤 超滤
一般过滤
原理
几种膜分离技术的分离范围
微滤 超滤 纳滤 反渗透
▲■●◆×
▲■●◆× ▲■●◆×
× ×
悬浮粒子
▲
■
●
◆
×
× ×
▲■●◆ ◆ ▲ ■ ● ◆◆ ▲ ■ ● ◆◆
大分子
▲■●
▲
■
●
● ●
▲ ■ ●●
糖 二价盐 游离酸
RT ln
ci
0( p
p0 )
(1-2)
式中
膜相中组分i的偏摩尔体积
p0 － 标准态压力
将式 （1-2）代入式（1-1）中，得
Ji Di C（i RT d C i i dp ) (1-3)
RT Ci dx
dx
由上式可见，推动力包括两项，即浓度梯度和压力梯度。 对于稀溶液来说，溶剂(通常为水)的浓度改变很小，因而 可只考虑压力的影响。相反，对溶质来说， 一般截留率较
离子间交换 选择互换作用
RSO3－H+
Na+ H+
选择透过作用， RSO3－Na+
膜上反离子是 H2O
什么，无关紧 Na+
Na+
要，主要是骨
Cl－
架的电荷作用。
解吸后须再生，并恢 复成原来的离子型式， 才能继续使用。
可连续使用， ∵是透过，不是交换。
膜的分类（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（溶解差 异），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。
电荷作用膜分离机理
Membrane
C
E
➢ 膜－溶 质电荷 相互作 用
L
Positively charged lysozyme
Negatively charged CEA
C: Convective force;
E:
Electrostatic force;
L: Positively charged lysozyme layer
2.道南（Donnan）效应：纳滤膜本体带有
电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较 高的截留率。
低压力下仍具有较高脱盐性能； 分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生
素）。
纳滤膜分离机理示意图
＋＋
－-
料液
－－ ＋＋
带负电荷的膜
透过通量
2.2 膜分离理论
• 溶解—扩散模型 • 孔模型 • 优先吸附-毛细管流动模型 • 浓差级化模型
• 根据fick定律或简化的1-3公式
对溶质（组分2）来说，其摩尔通量为
J2
D2
c2 x
B（C'2－C'2'）
1-7
B D2K '
1-8
x
K’表示溶解系数
J1
J v
M
A1(p )
J2
D2
c2 xBiblioteka B（C'2－C'2'）
J2 J1
（B C） A1(p ）
•透过液浓度（J2/J1)随压力升高而降低 •溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的反 渗透过程，但对有机物常不能适用。就这些方面说来， 优先吸附－毛细孔流动模型比较优越。
第三章 膜分离
内容简介
• 概论 • 膜分离原理及分类 • 膜材料 • 膜设备 • 影响膜分离因素及膜分离过程 • 应用例子
第一节 膜分离技术概论
• 膜分离的概念：利用被分离物质性质差异（大小， 电性）、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。
• 发生了相变，消除了渗透压
• 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
渗透蒸发原理示意图
水分子
醇分子
膜的分类（6）亲和膜
• 亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）
膜亲和过滤技术
传统的研究中，膜分离和亲和分离是2个平行发展 的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具 特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。
空隙率：单位体积床层中的空隙体积称为空隙率。
床层空隙体积
通过膜相际传质过程基本形式示意图
过膜动力学
• 反渗透膜的表皮层没有孔道。物质的渗透能力，取 决于它在膜中的溶解度和扩散系数。
溶解扩散模型 由Merten[11]等于1965年提出。反渗透膜的表皮层，在电子显微镜下观察，没有发现孔 道，故排除了溶液主体以滞流方式流经表皮层的可能性，因此假定溶剂或溶质分子首先 溶解在膜中，然后扩散通过膜。 根据不可逆过程热力学，组分i的扩散速度应和化学位梯度成正比：
膜的分类（7）纳米膜
纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求
及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应 在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发 展而来的。
膜组器于80年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透
膜衍化而来。
纳滤 ( NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和
超滤之间的压力驱动膜分离过程。
膜的分类（4）电渗析膜
• 电渗析技术是在直流电场的作用下（电场力推 动），由于离子交换膜的阻隔作用（离子交 换），实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是 静电引力。
Na+ +
固定离子
-
Cl-
正极
阴离子交换膜 负极
电渗析原理
电渗析分离原理示意图
离子交换膜和离子交换树脂的区别
作用机理
使用方法
树脂
膜
能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作 压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差 比用RO膜低0.5～3 MPa，因此纳滤又被称作“低压 反渗透”或“疏松反渗透”( Loose RO )。
纳米膜的分离机理
1.筛分：对Na+和Cl- 等单价离子的截留率较低，
但对Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，对色素、染料、 抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２00-1000） 物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低 相对分子量有机物的分离，
计算： Carman-Kozeny方程(见上)。
优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率 高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤
膜的分类（3）透析(DS)
原理：浓差扩散 操作： 用途：
A、人工肾，腹膜透析； B、样品脱电解质； C、浓缩富积； D、气体分离(利用透析袋对不同气 体的通透性) 优点： A、方法和设备简单，价格低廉； B、实验室最常用的样品脱盐方法 缺点： A、透析的速度缓慢； B、溶质稀释。
数。
膜的分类（2）微滤(MF)和超滤
特点： • 超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差为推动力； • 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的孔道结构； • 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在0.1~1.0 MPa，