生物分离工程 第四章 膜分离技术[可修改版ppt]
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Chapter_4_生物分离--膜分离
发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇
生物质 进料
0.5 %乙醇循环或排放
优先透醇 渗透汽化
7-10 %乙醇
优先透水 渗透汽化
> 99%
90-95 % 乙醇
乙醇
发酵罐
> 30 % 乙醇
分馏塔
5-10 %乙 醇蒸汽
5 %乙醇循环
发酵
渗透汽化—分馏
渗透汽化脱水
常规乙醇发酵 工艺存在的主要 问题
产物抑制作用
+ +
+ +
＋
+
+
+ +
+ +
+ +
+
+
+
+
－
+ +
+
+
－
+
+
阳极
盐水 纯蛋白质溶液
盐水
阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列 两端与膜垂直方向加电场，在电场作用下电介质发生泳动
电渗析的特点
分离介质：离子交换膜（荷电膜） 推动力：在直流电场的作用下，以电位差为推
动力 应用：海水淡化及废水处理；
阻力小 （3） 惰性 膜材料为惰性，不吸附溶质(蛋白质、细胞等)，
不易污染，不易堵塞； （4） 稳定性 适用的温度和pH范围广，耐高温灭菌，耐酸
第四章 膜分离
(membrane separation)
本章教学目的与要求
（1）掌握膜分离的概念、熟悉膜的功能、膜 分离技术的特点
（2）掌握超滤、微滤、透析、反渗透等主要 膜分离技术的原理、特点、分离操作和应用；
《膜分离技术》PPT课件
27
脂肪族聚酰胺
脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲 基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替 链接而成。
O
CH2 C NH
p型脂肪族聚酰胺
p-1
n
O
O
NH CH2 NH C CH2 C mp型脂肪族聚酰胺。
m
p-2
2021/6/10
n
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芳香族聚酰胺
分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳 香族聚酰胺。目前工业化的有两大类：
HCH2OHO
H OH
HCH2OHO
H
O
OH OH
H H
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
O
OH
H H
H OH
H OH
OH H
H H
H OOH
CH2OH
n_2
2
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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。
聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基 团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为polyamide， 缩写为PA。
早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、 尼龙—66等制成的中空纤维膜。
以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜， pH适用范围为3～11。长期使用稳定性好。
2021/6/10
用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反 渗透现象
obain..etc
1930
Teorell， Meyer，
Sievers
进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础
膜分离技术PPT
示意图
ppt课件完整
8
3.膜分离过程类型
推动力
过程
孔径
机制
静压力差 MF，UF， NF，RO
<1000 dalton 筛分
---10um
浓度差
渗析（透析）
1—3nm 筛分+
扩散
蒸气分压差 膜蒸馏（MD）
微孔
扩散
渗透蒸发（PV） 无孔
电位差
电渗析
<200 dalton
离子迁移
ppt课件完整
9
4.膜过滤方式：
膜分离技术简介
二○○七年七月
ppt课件完整
1
目录
发展简史 基础知识 常用技术 设备简介 特点 展望 致谢
ppt课件完整
2
一、发展简史
人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认 识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多 年的漫长过程。大致历程（20世纪）：
30年代：微孔过滤 40年代：透析 50年代：电渗析 60年代：反渗透 70年代：超滤和液膜 80年代：气体分离 90年代：渗透汽化
Vivaspin系列 超滤浓缩离心管
25mm 可换膜针头式滤器
ppt课件完整
（玻璃杯式）溶剂过滤器
19
Pellicon超滤系统
QuixStand中空纤维柱系统
不锈钢圆筒式正压滤器
0.1m2 陶瓷膜实验设备
ppt课件完整
20
五、膜分离技术特点
• 高效的分离过程 • 低能耗 • 接近室温的工作温度 • 纯物理过程，品质稳定性好 • 连续化操作 • 灵活性强 • 环保，无污染 • 投资少
MWCO,通量，抗压能力，PH适用范围，对热和温度的 稳定性等。
膜分离ppt课件
2
膜分离技术的重要性评论
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
3
4
§4.1 概述
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
CH2OH
O
H
O
OH
H H
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
20
醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10-10m
99％
过渡层，孔径 200×10-10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10-10m
21
聚砜类
复合膜 转相膜
非荷电膜
复合膜 转相膜
多孔膜 不对称膜
膜
固膜
对称膜
无机膜-多孔膜
不对称膜 对称膜
生物膜（原生质、细胞膜）
15
对称膜
荷电膜 液膜
不对称膜 非对称膜
复合膜
对称膜的曲孔道 结构示意图
膜分离技术的重要性评论
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
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§4.1 概述
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
CH2OH
O
H
O
OH
H H
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
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醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10-10m
99％
过渡层，孔径 200×10-10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10-10m
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聚砜类
复合膜 转相膜
非荷电膜
复合膜 转相膜
多孔膜 不对称膜
膜
固膜
对称膜
无机膜-多孔膜
不对称膜 对称膜
生物膜（原生质、细胞膜）
15
对称膜
荷电膜 液膜
不对称膜 非对称膜
复合膜
对称膜的曲孔道 结构示意图
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
04
膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
感谢您的观看
THANKS
膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
03
膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
06
膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
膜分离技术 ppt课件
式中 V ―透过溶液的体积 S ―膜的有效面积 t ―运转时间
10
3 通量衰减系数
膜的渗透通量衰减是由于过程的浓差极化、膜孔的 堵塞等原因造成的，将随时间衰减。
Jt =J1 tm
式中
Jt ―膜运转t小时的透过速度 J1 ―膜运转1h的透过速度 m ―通量衰减系数
11
截留分子量
膜孔的大小是表征膜性能的一个重要参数，通常用截 留分子量表示膜的孔径特征。
膜分离技术
1
内容提纲
膜技术的发展历史 膜技术的基本原理 膜技术加工的工艺设备 膜技术的特点 膜技术在食品中的应用 膜技术的发展前景
2
膜技术的定义
膜技术是用天然人工合成的高分子薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分的溶 质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 可利用液相和气相，对于液相分离，可用于水 溶液体系、水溶胶体系以及非溶液体系等。膜 技术是一种分子水平上的分离技术。
3
1 膜技术的发展历史
Abble Nollet 发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪 1978年 膀胱内，首次揭示了膜分离现象
1816年 Schmide首先提出超滤
1864年 1918年
Traube制成第一片人造膜——亚铁氰化铜膜 Zsigmomdy提出商品微孔滤膜制造法
1953年 1960年 1961年
22
23
24
膜污染
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒 子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械 作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径 变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变 化现象。
气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜, 这一过程主要 用于气体及蒸汽的分离。
10
3 通量衰减系数
膜的渗透通量衰减是由于过程的浓差极化、膜孔的 堵塞等原因造成的，将随时间衰减。
Jt =J1 tm
式中
Jt ―膜运转t小时的透过速度 J1 ―膜运转1h的透过速度 m ―通量衰减系数
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截留分子量
膜孔的大小是表征膜性能的一个重要参数，通常用截 留分子量表示膜的孔径特征。
膜分离技术
1
内容提纲
膜技术的发展历史 膜技术的基本原理 膜技术加工的工艺设备 膜技术的特点 膜技术在食品中的应用 膜技术的发展前景
2
膜技术的定义
膜技术是用天然人工合成的高分子薄膜，以 外界能量或化学位差为推动力，对双组分的溶 质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 可利用液相和气相，对于液相分离，可用于水 溶液体系、水溶胶体系以及非溶液体系等。膜 技术是一种分子水平上的分离技术。
3
1 膜技术的发展历史
Abble Nollet 发现水能自然的扩散到装有酒精溶液的猪 1978年 膀胱内，首次揭示了膜分离现象
1816年 Schmide首先提出超滤
1864年 1918年
Traube制成第一片人造膜——亚铁氰化铜膜 Zsigmomdy提出商品微孔滤膜制造法
1953年 1960年 1961年
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23
24
膜污染
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒 子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械 作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径 变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变 化现象。
气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜, 这一过程主要 用于气体及蒸汽的分离。
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
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。
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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
膜分离技术PPT
优化膜结构
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
膜分离技术PPt
醋酸纤维素膜
醋酸纤维素膜的结构示意图
1% 表皮层 孔径 0.0008~0.001m
过渡层 孔径 0.02 m
99％
多孔层 孔径 0.1～0.4 m
显 微 镜 下 膜 的 照 片
2. 非纤维素酯类膜材料
常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚
砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合
物等。
聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，
原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料
均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化
膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要
求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜
的制备技术。
3
目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯
类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，
已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已
H O H H OH H
CH2OH
H OH OH H
O H
OH H O H O
H
CH2OH
H OH H
O H H
H O H
n_ 2 2
OH H H
OH H
CH2OH
OH
OH
O OH
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。
膜分离技术
内容
膜技术概述 膜分离装置
极化、污染现象和控制
典型的膜分离技术及应用领域
1.膜技术概述
1.1 基本概念
膜(Membrane)是什么？有何特性？
膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间
膜分离技术简介ppt课件
0
0.05
0.1
0.15
0.2
膜压差/MPa
15
反浸透通量的影响要素
操作压差—压差越大，浸透通量越大，但浓差极化比增大，膜外表溶液浸透压升高，推进 力不能按比例增大
温度—温度升高，纯水透过系数增大，同时浓差极化减小，浸透压降低，推进力增大，通 量增大。
料液流速—流速大，传质系数增大，浓差极化比减小，浸透通量增大。 料液的浓缩程度—浓缩程度高，水的回收率高。但浸透压高，浸透通量小，且已呵斥膜污
烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。 无机膜的制备已成为研讨热点，其增长速度远快于聚合物膜。 以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为资料。其热力学、化学稳定性好，
运用寿命长。 陶瓷膜的运用较好。 根据分别过程和分别对象选择适宜的膜资料
9
膜的分类
10
膜的性能
膜的根本性能包括膜的分别透过特性和物化稳定性两方面。 物化稳定性：膜的空隙率、孔构造、外表特性、机械强度、化学稳定性、允许运
普通反浸透膜微孔尺寸在10A左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留 盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低96-99%。
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反浸透影响要素分析 ——压差对脱盐率、膜通量、传质系数的影响
脱盐率/%、膜通量
70
60
50 40 30 20
脱盐率 膜通量 传质系数
10
0
膜分别技术简介
;.
1
膜分别过程特点
一切的分别过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差别进展分别。 ——过滤操作是指流体中两种或两种以上组分基于尺寸差别的分别过程。常规的过滤普通
是指固液分别或气液分别。 ——膜分别过程将这一运用扩展到了固体或液体溶液中溶解性物质的分别。即以选择性透
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在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体 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 被膜分开的流体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
（2）膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
（3）膜分离技术
膜分离技术：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。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此 时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
pBpAR v1Tln B A
反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
c2 l
质量通量： 体积通量：
J1A 1 p
JV
J1
L
LPp
J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
LP pc2
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质 之间分子量的差别进行分离的方法。
（4）分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；
界面
提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相
反应场
膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的 官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的选择性 和分离度；
（5）膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗 透膜、纳滤膜
▪ 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，故而成为反渗透）；
▪ 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；
微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用，其膜的分离 效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。
操作压力差一般为0.01～0.2MPa。
超滤和微滤的特点
超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差 为推动力；
2. 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的 孔道结构；
3. 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在 0.1~1.0 MPa，微滤操作压力更小（0.05~ 0.5 MPa）；
膜过滤的基础理论
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流 动的毛细管理论。
水通量（Jw）和截留率（R）
Jw
W
A
R c1 c2 c1
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间 c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
超滤的基本方程
JwLp(pa)
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
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
2、各种膜分离方法及其原理
微滤和超滤 反渗透 透析 纳滤 电渗析 渗透气化
要求
学习要求：各种膜分离法及其原理 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电
渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围
微滤
微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是 根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异 进行分离的方法
超滤原理
超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径（约为10 一200Å），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
反渗透原理
根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量N1与
化学势梯度成正比，
N1
D1c1 RT
d1
dz
d1 RTdlna1
dz
dz
v1
dp dz
溶剂的摩尔通量： 溶剂的质量通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
J1A 1 p
反渗透原理
溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为
▪ 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；
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
各种膜分离方法的应用范围
（1）渗透和渗透现象
水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现 象叫做渗透
超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间。
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进行，其 可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于 1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤 膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液； 而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液 中固形成分与溶液的分离。
膜分离技术的类型和定义
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：
▪ 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；
实现超滤和反渗透的条件
超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过
程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的 溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与