第六章_膜分离过程ppt课件

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亲和膜分离技术要点
分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上 一条“手臂链”（大于三个碳原子）； 亲和膜制备：选用合适的配基，与手臂链相连，构 成带有亲和配基的分离介质； 亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物 质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物 的复合体； 洗脱：改变条件（洗脱液组成、pH、离子强度、温 度等），使复合物解离； 亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使 用。
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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
渗透液
“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”
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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） 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。
卷式膜分离器（工业用）
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4、中空纤维式膜组件
结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径40
－80m)或毛细管膜（内径0.25~2.5mm）固定在 圆筒形容器内构成。
特点：
－优点：比表面积 最大，可方便地进 行反洗，造价低， 工业上普遍使用
。
－缺点：易堵塞， 对料液要求高。
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中空纤维膜分离器（工业用）
糖，二价盐、游离酸的分离 单加盐、非游离酸的分离 脱除小分子有机物或无机离子
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六、膜分离技术应考虑的问题
1、截留分子量(MWCO)
截留曲线：测定分子量不 同的球形蛋白质或水溶性 聚合物的截留率，所得到 的膜的截留率与溶质分子 量之间关系的曲线。
－ 一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分 子
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。
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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。
超滤原理的示意图
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A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图 精品课件
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
4.反透渗渗过透的压透现：（象渗R。透e现ve象r中se，促os使mosis,RO）:
水分子透过的推动力。
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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。
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；
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原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
3.超滤（ Ultrafiltration, 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，截断分子量可 变化。
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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。
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。
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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
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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。
应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的
3．核径迹法：厚为5-15m薄膜→粒子(如a粒子或中子)照射→ 化学键断裂形成径迹→酸碱液腐蚀→形成孔道；
4．拉伸法： 晶态聚烯烃→在低熔融温度下挤压成膜→ 延伸 得到高的熔融应力→无张力条件下退火→拉伸；
5．复合膜的制备：是相转变膜的继续发展，制造非常薄的特 征分离层。在多孔支撑层上制作聚合物膜。
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四、各种膜组件
由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这 些部件的容器构成的一个单元。 目前市售商品膜组件主要有：管式、中空 纤维 、螺旋卷绕式 、平板式
共同的特点 ➢ 尽可能大的膜表面积 ➢ 可靠的支撑装置 ➢ 可引出透过液 ➢ 膜表面浓度差极化达到最小
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1、管式膜组件
结构：将膜固定在圆管状 支撑体上构成管式膜，管式 膜并联或串联，收纳在筒状 容器内即构成管式膜组件。
▪ 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。
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▪ 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。
特点： 结构简单、适应性强、压力 损失少，处理量大、清洗安 装方便、可耐受高压，用途 较板式广泛。
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管式陶瓷超滤膜组件
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2、平板式膜组件
结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由
多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔 薄膜，供料液或滤液流动。
特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧
凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低， 适于超滤单元操作。
耐压能力较高，稳定性 好，使用寿命长。
机械强度高，耐高温及 化学试剂，但造价高。 透过通量大，清洗容易，
但稳定性差。
醋酸纤维素和聚砜应用最 精品课件
膜的制造方法
1．相转变法：浇铸液→支持物上铺开→蒸发部分溶剂→凝 胶形成→热处理(退火)；
2．烧结法： 膜材料粉→模具内→严格控制温度和压力→ 由 软变熔→ 形成多孔体→ 机械加工；
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图1 对称膜
图
2 非对称膜
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图3 对称膜 图4 非对称膜
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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。
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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
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不同膜材料的特点与应用
膜材料
应用
特点
天然高分子
醋酸纤维 再生纤维
常用作反渗透膜
截盐能力强，使用温度
也可用作微滤膜和超滤膜 和 pH 范围有限
制造微滤膜和透析膜
合成高分子
聚砜 聚酰胺
无机材料
陶瓷 动态膜
主要用于制造超滤膜 常用于反渗透
制造微滤膜和超滤膜
适用温度及 pH 范围广， 但耐压能力较差
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5、纳米膜过滤技术
介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小 分子而使大部分无机盐通过。 特点： （1）在过滤分离过程中，能截留小分子有 机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透 析为一体； （2）操作压力比反渗透低很多。
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纳滤的应用
行业
处理对象
制药工业
母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化 氨基酸的脱盐与纯化
膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个基本要求： （1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较
高的压力，一般膜操作的压力范围在0.1-0.5 MPa， 反渗透膜的压力更高，约为1-10MPa； （2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要； （3）耐酸碱：防止分离过程中以及清洗过程中的水 解； （4）化学相容性：保持膜的稳定性； （5）生物相容性：防止生物大分子的变性； （6）成本低。
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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
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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
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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。 (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 有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
○:微粒子 ●:大分子
子
……..：水 精品课件
＋:小分
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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。
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1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管