第十章 膜分离技术

2.反渗透

原理：
根据溶液的吸附扩散原理，以压力差为主要推 动力的膜过程。 在浓溶液一侧施加一外加压力[（1000-10000） KPa]，当此压力大于溶液的渗透压时，就会迫 使溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1-1nm的非 对称膜流向稀溶液一侧。


反渗透法
渗透和反渗透

应用：

三、超滤过程和装置
（一）浓差极化现象 外源压力迫使分子量较小的溶质通过薄膜，大 分子被截留于膜表面，并逐渐形成浓度梯度， 这就是浓差极化现象。 造成：流速下降、影响膜的选择性、甚至堵塞

克服极化的措施：震动、搅拌、错流、切流。
（二）实验用超滤器
（1）无搅拌式装置 （2）搅拌或震动式装置 （3）小棒超滤器 （4）浅道系统超滤装置 （5）中空纤维超滤
1 沉淀污染


膜的污染 (fouling)
2 吸附污染


有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。 随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致 孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。 与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性， 分子量，功能团和构型。一般来讲膜的亲水性越强有 机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累， 导致严重的吸附污染。
超滤过程示意图：
背压阀 截留液
平板式 超滤膜
△P出
透出液 恒流泵 蛋白酶液 △P进
当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶 剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶 质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、 提纯和浓缩产品的目的。
特点（优势）
1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些 物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可 以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩。 2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不 发生相变, 是一种低能耗，低成本的单元操作。 3.过程简单、容易操作和控制。 4.不污染环境。
本章内容
原理： 筛分作用：纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质，
同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过
荷电效应：纳滤膜常带电荷，荷电纳滤膜可通过静电
斥力排斥溶液中与膜上所带电荷相同的离子
纳滤膜分离机理示意图
料液
＋ ＋
－ -
－ － ＋ ＋
带负电荷的膜 透过通量
纳滤膜技术的特点：

具有离子选择性：由于在膜上或膜中常带有荷 电基团，通过静电相互作用，可实现不同价态 离子的分离，故有时也称“选择性”反渗透 （Selective RO） 操作压力低：通常比反渗透低，由于所施加的 跨膜压差比用反渗透达到同样的渗透能量所必 须施加的压差低，有时也称“低压反渗透”。

二、透析膜

1.透析材料：兽类的膀胱、硝酸纤维素膜、玻璃纸。

人工透析膜多为纤维素的衍生物。

2.用于透析的半透膜应具备的条件：

（1）在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶 质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；


（2）化学惰性；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；
（3）良好的物理性能：有一定的机械强度和良好的再生性 能
三、微孔滤膜过滤设备和操作
设备：注射式过滤器、 玻璃滤器、平板滤器、 筒式滤器等。
操作与注意事项
1 过滤系统的严密性 2 滤膜的湿润 3 过滤速度 4 过滤系统的清洗和消毒 5 串滤技术
四、 微孔膜过滤的应用
（一）在生化中的应用 1溶液澄清 2 结合测定 3 蛋白质及核酸含量测定 （二）在制药工业中的应用 1 药液中微粒及细菌的滤除 2 抗生素的无菌检验
第三节 微孔膜过滤技术
以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用 筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的 操作。操作压力0.05-0.5MPa。
一、微孔膜的特点和应用范围 特点： 设备简单 操作简便、快速 分辨率高、重现性好 一些膜具有结合生物大分子的特殊能力，用于特 殊测定
应用范围：
透析 0.5-10nm，3000 D～ 几万D
超滤 10nm～100nm或5000～50万Dalton 纳滤 1nm 或200～1000Dalton 反渗透 200Dalton
概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF F
应用范围

海水脱盐淡化 医药工业的纯化水、注射用水 生物大分子物质的浓缩与纯化 人工肾透析 过滤除菌（溶液、空气）
中空纤维超滤
流速高，适用于工业中生产
（三）工业用超滤装置
设计要求： 有效过滤面积大 支撑装置强度大 极化现象小 典型装置： 板式、管式、螺旋卷式、中空纤维

平板式膜组件
截留液
膜 支撑板 透 过 液 隔板
料液
管式膜组件
内压式：膜涂在管内，料液由管内走；
外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。
二、微孔滤膜


(一) 微孔滤膜的种类（了解） 再生纤维素 纤维素酯膜:硝酸纤维素酯膜 .醋酸纤维素酯 膜 . 混合纤维素酯膜 聚四氟乙烯膜 聚氯乙烯膜 超细玻璃纤维滤膜
（三）微孔滤膜的性质与检测
1 孔径 孔径的均一程度，一般相当均一 膜孔径检测方法：气泡压力法、细菌过滤法(最大孔径)、 水流量法(平均孔径)、 2 孔隙率 一般较高，达80%-90% 3 厚度及重量 一般厚度120μm-150μm，密度小 4 阻力和流速 阻力小，防颗粒堵塞，膜表面堆积。
从水溶液中分离出水 苦咸水与海水淡化 纯水生产 废水处理 低分子量物质水溶液的浓缩 如氨基酸，抗生素、维生素等的浓缩 仪器工业中液体食品（牛奶、果汁等）的部分脱水
1.纳滤
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。
二、超滤膜 （一）超滤膜的构造 各向同性膜：膜的厚度较大， 孔隙为一定直径的圆柱形。 各向异性膜： 膜质分为两层：功能层和支 持层。 喇叭口滤膜：孔隙不是圆柱 体，而是梯形圆台
（二）超滤膜的选用
超滤的选用应注意： 1 分子量截留值： 阻 留率达90%以上的 最小被截留物质的 分子量。
2 流动速率：在一定压力下每分钟通过单位面积 膜的液体量来表示。 3 其他 （1）操作温度 （2）化学耐受性 （3）膜的吸附性质 （4）膜的无菌处理


0.01～0.05μ m：噬菌体、病毒或大的胶体颗粒。 0.1μ m：试剂的超净、分离沉淀和胶体悬液。 0.2μ m ：高纯水的制备、制剂除菌、细菌计数、空气病 毒定量测定等。 0.45μ m：水的超净化处理、色谱分析时流动相的处理、 放射免疫测定、光测介质溶液的净化以及锅炉水中 Fe(OH)3的分析等。
膜分离技术
膜分离技术

概念：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。
概 述
人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是 近几十年的事。 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张 具有高透水性和高脱盐率的不对称膜，是膜分离技术发展 的一个里程碑。

第一节 透析 第二节 超滤技术 第三节 微孔膜过滤技术
第一节 透析
一、概述

1.原理：

透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中的小分子经扩散作用不断 透出膜外,而大分子不能透过被保留在透析袋内，从而达到大小 分子分离的一种膜过滤方法。 0.5-10nm，3000 D～ 几万D
蛋白质、无机盐
无机盐
缓冲液
透析原理图
透析膜 大分子 小分子
水分子

2.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，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。 由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量 很小，不适于大规模生物分离过程，而在实验室中 应用较多。

分级分离和纯化


超滤分离与酶反应连用

外循环式膜生物反应器
底物（培养基） 阀
反 应 器
膜组件截留酶或微 生物菌体,而使小分 子产物透过。 外循环式膜生物反 应器适用于连续微 生物发酵和连续酶 反应过程。
泵
膜 组 件
透 过 液 ▼ 产 物
中空纤维膜生物反应器
膜 细胞 高分子产物（单抗） 膜
◆
小分子产物
概述
① ② ③ ④ ⑤
常见膜分离方法
按分离粒子大小分类： 透析（Dialysis，DS） 微滤（Microfiltration，MF） 超滤（Ultrafiltration，UF） 纳滤（Nanofiltration，NF） 反渗透（Reverse osmosis，RO）
截留分子量：
微滤 0.02～10μm
培养基
循环液

用于动物细胞培养，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳内，小分 子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基连续灌注，可保证细胞 长期稳定并且高速度生产有用物质。细胞密度可达109/cm3。是工业 培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体的主要方法之一。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 除热原
热源（pyrogen）又称细菌内毒素，是细菌新陈代谢
内压管式：
料液 多孔管 膜
外压管式：
料液
管式
管式膜结构图
图
各种膜组件的结构示意图
（四）影响超滤流速和选择性的因素


溶质分子性质：大小、形状和带电性质。 超滤膜的性质：孔径、结构、吸附性。 超滤装置和操作：膜或组合膜的构造、超滤 器的结构以及操作压力、搅拌情况. 液体物料的温度、粘度、pH、离子强度。