第五章 膜分离法.

0.001-0.1ųm
0.1～0.5MPa
纳滤（NF)
1-50nm
0.5-2.5MPa
反透析（RO)
<1nm
1.0-10MPa
蛋白质，多肽和 多糖的回收和 浓缩
小分子有机物， 染料，重金属 离子
无机盐 NaCl等
膜分离过程Hale Waihona Puke Baidu意图
膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在 膜两边施加一个推动力（如浓度差，压力差或电压差 等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离 纯化的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为 膜下游。
与传统分离技术相比，常用膜分离 技术具有如下特点：
1分离过程不发生相变化，能耗比有相变化 的分离法低
2分离过程通常在常温下进行，尤其适用于 酶、药品、果汁等的分离、浓缩与富集等 热敏性物质的处理，在食品加工、生物医 药、生化技术等领域具有独特的适用性。
3 膜分离技术具有从病毒到微粒的广泛分离 范围，不仅适用于有机物和无机物，而且 还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶 液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物 或近沸物系的分离等。
• 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离 200-2000小分子量的膜分离过程。孔径分 布在1-50nm.
超滤、微滤和反渗透与纳滤一样都 是以压力为推动力的膜分离过程。一般来 说，超滤是截留大分子溶质，而允许低分 子溶质和溶剂通过．从而将大分子与小分 子物质分开；微滤是将胶体或更大尺寸的 微粒同真溶液分开。
膜分离技术是指以外界能量或化学位 差为推动力，依靠膜的选择性透过作用进 行物质的分离、纯化与浓缩的一种技术。
所谓的膜是指在一种流体相内或是在两 种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流 体相分割为互不相通的两部分，并能使这 两部分之间产生传质作用。
• 膜的特性：
• 不管膜多薄，它必须有两个界面，这两个 界面分别与两侧的流体相接触。
• 膜传质有选择性，它可以使流体相中的一 种或几种透过，而不允许其他物质透过。
概述
• 一 膜分离技术 膜是具有选择性分离功能的材料，利
用膜的选择性分离实现料液的不同组分的 分离，纯化，浓缩的过程称为膜分离。它 与传统的分离方式不同在于：膜可以在分 子范围内进行分离，并且这一过程是一种 物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。
预防膜污染，必须对原料水进行严格的 预处理。预处理的方法和步骤一般包括凝 胶、沉淀、过滤等除去悬浮物；加入氯除 去细菌；加入酸防止结垢等。
反渗透是以压力差为主要推动力的膜分
离技术、是利用反渗透膜具有选择性地透 过溶剂(通常是水）的性质，对溶液施加压 力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗 透膜而从溶液中分离出来的过程。目前己 成为海水和苦咸水淡化最经济的技术，已 成为超纯水和纯水制备的优选技术。
• 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形。 • 6 成本低
3 几种膜分离过程简介
• (一) 渗透,渗透压和反渗透的概念 • 只允许溶剂透过而不允许溶质透过的膜称
反渗透
反渗透是利用外压将渗透过程逆 转,达到分离物质的目的.
三 微滤、超滤和纳滤
• 微滤：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。 孔径分布在0.22-10.0um之间。
• 超滤：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001-0.1um，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。
第五章 膜分离法
• 1748年， Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装 有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。
• 1950年Juda首次发表了合成高分子离子交换膜， 膜现象的研究才由生物膜转入到工业应用领域。
• 上世纪60年代中期，Bloch等采用支撑液膜研究了 金属提取过程。
• 黎念之发明乳化液膜推演出了促进传递膜的新概 念，并导致了后来各种新型液膜的发明。
若在溶液上方加一个外压力P， 当P＞ 渗透压，则溶液中的溶剂透过膜向纯溶剂 侧流动。由于此时溶剂的渗透方向同渗透 相反，所以这一现象称为反渗透。
渗透、渗透压与反渗透
（2)膜的污染
由于原料液中杂质的存在，在操作一 定时间后，膜表面被不溶的沉积物所覆盖， 使膜的性能下降，这种现象叫做膜的污染。
在反渗透过程中，膜的寿命主要由膜污 染所决定。膜污染主要是由于原料液处理 不当所造成的。
为半透膜。 • 渗透是把溶液和溶液（或把两种不同浓度
的溶液）分别置于膜的两侧时，纯溶液将 自然穿过半透膜而自发地向溶液（或从低 浓度向高浓度）一侧流动的现象叫渗透。
随着渗透不断进行，溶液侧的液面将不 断升高，最后当两侧液面差为H时，溶剂将 停止透过膜，体系处于平衡状态。H高度溶 液所产生的压力，称为该溶液的渗透压。
膜分离过程的实质近似于筛分过程， 是根据滤膜孔径的大小使物质透过或 被膜截留，从而达到物质分离的目的。 常用的膜分离技术主要包括微滤、超 滤、纳滤和反渗透等四种
膜分离法 微滤（MF)
常用膜分离技术的基本特征
膜 0.02-10ųm
操作压力 0.01～0.2MPa
适用范围 悬浮固体，细菌
超滤(UF)
超滤膜和微滤膜的截留机理主要是物质
在膜表面及微孔内的吸附、在孔内的停留 (阻塞)、膜表面的机械截留(筛分)、架桥截 留和膜内部网络截留，如下图所示。
超滤膜和微滤膜的截留机理
纳滤（纳米级过滤的简称）是一种介 于反渗透和超滤之间的膜分离过程，其截 留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间。纳 滤过程与反渗透过程极为相近。在纳滤过 程中使用的膜也几乎与反渗透膜相同，
4由于只是用压力作为膜分离的推动力，因 此分离设备简单，操作方便，易自控和维 修。
常见的膜分类方式
二 各种膜材料
• 1 高分子膜材料 醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚酯类、聚烯 烃类、含硅聚合物、含氟聚合物和甲壳素 类
• 无机膜材料：金属膜、固体电解质膜
膜材料的特性
• 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 0.1-0.5Mpa,反渗透的压力更高，约为110Mpa