第五章 膜分离法.
生物分离技术：Chapter 5 膜分离
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▪ 反渗透：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）；
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。
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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：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；
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5.2.3 各种膜材料
天然物质的衍生物：醋酸纤维，乙酸丁酯 纤维，再生纤维素等
合成材料—聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚 苯丙异咪唑、聚碳酸酯
无机材料—陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳 素
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5.2.4 纤维素和聚砜
纤维素膜：要自由羟基取代。
醋酸纤维膜：优点—①透过速度大，截留盐能力强， 适宜于制备反渗透膜 ②制造较易 ③原料丰富 缺点—①最高使用温度30℃②pH最适宜操作范 围4—6，不能超过2~8，消毒与清洗困难 ③易与氯 相作用④易受细菌侵蚀
微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以 及其它污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的；
特点： 1、截留大小在0.1UM以上的物质， 2、通常作为物料的除菌及澄清过滤；也常作为超滤、纳滤、反 渗透的预过滤 3、通量大、运行成本低；
2、超滤（UF）
一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术 ，
第五章 高分子分离膜与膜分离技术
5.2.1 多孔膜的分离机理
• 多孔膜的分离机理主要是筛分原理, 依膜表面平均孔径的 大小而区分为微滤(0.1-10µm)、超滤(2-100nm)、纳滤 (0.5-5nm),以截留水和非水溶液中不同尺寸的溶质分子。
• 多孔膜表面的孔径有一定的分布，一般来说, 分离膜的平 均孔径要小于被截留的溶质分子的分子尺寸。 这是由于 亲水性的多孔膜表面吸附有活动性、 相对较小的水分子 层而使有数孔径相应变小, 这种效应孔径愈小愈显著。
聚合物
溶剂
添加剂
均质制膜液
流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维
蒸出部分溶剂
凝固液浸渍
水洗
后处理
非对称膜
L—S法制备分离膜工艺流程框图
将制膜材料用溶剂形 成均相制膜液，在模具中 流涎成薄层，然后控制温 度和湿度，使溶液缓缓蒸 发，经过相转化就形成了 由液相转化为固相的膜。
复合制膜工艺：
多孔支持膜 涂覆
• 多孔膜主要用于混合物水溶液的分离,如渗析 (Dialysis,D)、微滤Microfiltration,MF)、超滤 (Ultrafiltration,UF)、纳滤(Nanofiltration,NF)和亲 和膜 (Affinity membrane,AfM)等;
• 致密膜用于电渗析(Electrodialysis, ED)、逆渗透 (Reverse osmosis,RO)、气体分离(Gas separation,GS)、 渗透汽化(Pervaporation, PV)、蒸气渗透(Vapor permeation,VP)等过程。
形成超薄膜的溶液
交联
交联剂
加热
形成超薄膜
亲水性高分子溶液的涂覆
复合膜
复合制膜工艺流程框图
食品加工新技术 膜分离技术
第五章膜分离技术第一节膜分离的原理和方法一、膜分离的基本概念（一）膜分离概念１、广义膜分离用天然或人工合成的高分子膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。
包括膜浓缩和膜分离。
２、膜浓缩如果在分离过程中，通过半透膜的只有溶剂，则溶液获得了浓缩，此过程称为膜浓缩。
３、狭义膜分离如果在分离过程中，通过半透膜不仅是溶剂，而且有选择性地让某种溶质组分通过，则溶液中不同溶质得到分离，此分离过程称为膜分离。
（二）膜分离的分类根据分离过程中推动力的不同，膜分离技术可分为两类:一类是以压力为推动力的膜分离，如超滤和反渗透。
另一类是以电力为推动力的分离过程，所用的是一种特殊的半透膜，称为离子交换膜，这种分离技术叫做离子交换，如电渗析。
几种常见的膜分离方法及其适用范围如图5-1和图12-1。
（三）膜的性能１、膜的抗氧化和抗水解性能膜的抗氧化和抗水解性能，既取决于膜材料的化学结构，又取决于被分离的溶液的性质。
氧化和水解的最终结果，是膜的色泽变深、发硬脆裂、化学结构和外观形态受到破坏。
由于高分子材料因氧化而产生的主链断裂，首先发生在低能的键上。
因此，希望高分子材料中各个共价键有足够的强度，即希望有高的键能。
高分子材料的主链中，应尽量避免键能较低的O-O和N-N键。
膜的水解和氧化作用是同时发生的，水解作用与高分子材料的化学结构密切相关。
当高分子链中具有易水解的化学基团-CONH-、-COOR-、-CN、-CH2 -O-等时，这些基团在酸和碱的作用下，会产生水解降解反应，使膜的性能受到破坏。
表１２－１是几种共价键的键能：２、膜的耐热性和机械强度膜的耐热性取决于高分子材料的化学结构。
由于水在膜中渗透，使高分子之间的作用力部分地受到削弱，结构使膜的耐热性低于纯高分子材料的耐热性。
为了提高膜的耐热性，可以改变高分子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性。
例如在高分子链中尽量减少单键，引进共轭双键、三键或环状结构，或者使主链成为双链形的“梯形”结构。
物理化学处理方法——膜分离
物理化学处理方法——膜分离（一）概述膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。
溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤。
其次是自然渗析和液膜技术。
近年来，膜分离技术发展很快，在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。
膜分离的作用机理往往用膜孔径的大小为模型来解释，实质上，它是由分离物质间的作用引起的，同膜传质过程的物理化学条件以及膜与分离物质间的作用有关。
①膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。
例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。
②膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。
③装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。
作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比．具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点。
膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，因此在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。
分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅膜分离技术在中药分离纯化、浓缩中的应用速崛起的一门分离新技术。
膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。
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、浓缩的过程称作膜分离。
《膜分离法》PPT课件
芳香聚酰胺类
聚酰胺含有酰胺基团〔-CO-NH-〕,亲水性好,且其机械稳定 性、热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料 之一，但同样不耐氯。
与醋酸纤维素反渗透 膜相比,它具有脱盐 率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范 围广4-11。
近年来开发的新型膜材料
是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进展 别离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到 50万， 孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。
透析原理图
透析法的应用
常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、复原剂之类 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
适于大规模生物别离过程、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
超滤
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本讲的主要内容
膜别离技术概述 膜材料与膜的制造 表征膜性能的参数 各种膜别离技术及其别离机理
相转变制膜
不对称膜通常用相转变法(phase inversion method)制造，其步骤如下： 1．将高聚物溶于一种溶剂中； 2．将得到溶液浇注成薄膜； 3．将薄膜浸入沉淀剂〔通常为水或水溶液〕中 ，均匀的高聚物溶液别离成两相，一相为富含高 聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶 剂的液相，形成膜中空隙。
膜分离法
纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过 超滤膜的那部分小分子量的有机物,透析被反渗透膜所截留的无 机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离 子的截留率低(10%-80%)，对二价及多价离子的截留率明显高 于单价离子(90%)。
目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有关纳滤膜 的制备、性能表征、传质机理等的研究还不够系统、全面。进 一步改进纳滤膜的制作工艺，研究膜材料改性，将可极大提高 纳滤膜的分离效果与清洗周期。
表3
反渗透、超滤和微滤技术的原理与操作特点比较
反渗透 超滤 微孔过滤
微孔膜 纤维素、PVC 等
分离技术类型
膜的形式 膜材料 操作压力 /MPa 分离的物质 分离机理 水的渗透通量 /(m3.m-2.d-1)
表面致密的非对称膜、 非对称膜，表面有微 复合膜等 孔 纤维素、聚酰胺等 聚丙烯腈、聚砜等
2～100
表2
膜过程 推动力 微滤 超滤 压力差
几种主要分离膜的分离过程
透过物 截留物 膜类型 纤维多孔膜 非对称性膜
传递机理 颗粒大小形状
水、溶剂溶解物 悬浮物颗粒 胶体和超过截留 分子量的分子
压力差 分子特性大小形状 水、溶剂小分子
纳滤
压力差
离子大小及电荷 溶剂的扩散传递
水、一价离子、 有机物 多价离子 水、溶剂 溶质、盐
膜或对膜进行适当的预处理（如聚砜膜用乙醇溶
液浸泡），均可缓解污染程度。
此外，对料液进行适当的预处理（如进行预过滤、
调节pH值），也可相当程度地减轻污染的发生。
膜分离技术应用中需注意的几个问题
膜材料的选择 膜孔径或截留分子量的选择
膜结构选择
组件结构选择
溶液pH 控制
膜分离工程-第五章-超滤(UF)
浓差极化
浓差极化边界层中的浓度分布
Cw 微元薄层
Cb Ｊv C Cp
x 膜
浓差极化
随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过 膜的通量与反扩散速度之和，故有
JCJCDdc dx
利用边界条件，当x＝0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb，将上式积分，并得到
JDlnCwCp
CbCp
令K＝D/δ为膜表面传质对流系数，δ ：浓度边界层厚度，D：膜表面扩散
若涉及组分分级，膜选择较困难。由于超滤膜 孔径分布较宽，两组分相对分子质量应相差至 少10倍。
若仅以高通量为目标，膜孔径要比溶质中最小 粒子小5-10倍。
膜的最终选择要依据实验确定。
超滤基本理论
在超滤中，超滤膜对溶质的分离过程主要有： （1）在膜表面及微孔内的吸附（一次吸附） （2）在孔内停留而被去除（阻塞） （3）在膜面的机械截留（筛分） 在实际应用中发现，膜表面的化学特性对大分
2 截留分子量
截留分子量:（molecular weight cut-off， MWCO）膜对某标准物截留率为90%时所对 应的相对分子质量为该膜的截留相对分子质量 。
相对分子质量(MWCO)不仅表示超滤膜孔径的 大小,而且可表征膜的分离特性.
通常定义此法为大多数膜生产厂家采用。尚无 统一的测试方法和标准物。常用标准物一般分 为三类:球状蛋白质、带支链的多糖（如葡萄 糖）、线性分子（如聚乙二醇等）。
截断曲线
截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；
反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
MWCO与孔径
切割分子量与膜平均孔径的关系
依据截留分子量选择超滤膜
第五章膜过滤法讲解
截留分子量： 微滤 0.02～10μm 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 超滤 50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton 纳滤 200～1000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton
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概述
膜分离法与物质大小（直径）的关系
RO NF UF MF
F
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5.1 膜材料 与膜的制造
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截断曲线
得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；
反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
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影响截留率的因素
①分子形状：线状分子易透过，R线 < R球； ②吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径 ③浓差极化作用：高分子溶质在膜面沉积，使膜阻力， 较小分子溶质的截留率，分离性能。 ④温度/浓度，T C，使R，因为膜吸附作用； ⑤错流速度，R； ⑥pH、离子强度影响蛋白质分子构型，影响R。
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聚砜膜的特点
• （1）温度范围广 • （2）pH 范围广 • （3）耐氯能力强 • （4）孔径范围宽
• （5 ) 操作压力低 • （6）适合作超滤膜
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
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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。
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概述
• 1925年以来，差不多每十年就有一项新 的膜过程在工业上得到应用
新型分离技术-第五章 液膜分离技术
料液的浓度和酸度的影响:液膜分离特别适用于 低浓度物质的分离提取。若料液中产物浓度较高， 可采用多级处理，也可根据被处理料液排放浓度要 求，决定进料时浓度。料液中酸度决定于渗透物的 存在状态，在一定的pH值下，渗透物能与液膜中的 载体形成络合物而进入膜相，则分离效果好，反之 分离效果就差。
乳水比的影响:液膜乳化体积(Ve)与料液体积
乳化效果好。
膜溶剂的选择主要应考虑液膜的稳定性和对溶质
的溶解度，所以要有一定的黏度，并在有流动载体时
溶剂能溶解载体而不溶解溶质；在无流动载体时能对
欲分离的溶质优先溶解而对其他溶溶解度很小。为
减少溶剂的损失，还要求溶剂不溶于膜内、外相。
4 液膜分离的操作过程
乳状液的准备
乳状液与待 分离液接触
萃余液的分离 乳状液的分层
(Vw)之比称为乳水比。对液膜分离过程来说,乳水比
影响液膜破损的因素主要是外界剪切力作用使乳液
产生破损和膜结构及其性质变化产生破损两个方面，
同时也与搅拌温度、膜溶剂、外相电解质等条件有关。 必须合理选择表面活性剂载体、膜溶剂、外相电解 质的种类和浓度，降低搅拌强度、乳水比和传质时间， 有效地控制温度，尽可能地减少渗透溶胀对膜强度的 影响，避免液膜破损率过高，以保证膜分离的效果。
同样,选择合适的液态离子交换剂和内相试剂也可分
离阴离子, 包括金属络阴离子。如除去废水中的PO4－,
可用液膜--油溶性胺或季胺盐来清除。
冠醚化合物的选择性取决于溶剂化的阳离子半径与 冠醚化合物的空腔半径之比。对同一种冠醚化合物来 说, 阳离子半径变化0.2A , 穿过膜的速率相差500倍 左右。 例如TBP液膜分离Cr(Ⅵ)：外相为pH3.5的水溶液： nTBPorg.＋HCr2O7－＋H＋== H2Cr2O7· nTBPorg. 内相为2%NaOH溶液： H2Cr2O7· nTBPorg.＋4 NaOH == nTBPor＋2NaCrO4＋3H2O 由于膜薄, 扩散快, 10分钟内400ppm Cr(Ⅵ)几乎可
膜分离PPT
功能
滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 水——溶盐分离 混合气体分离 水——溶盐分离
推动力
压力差~200kPa 压力差1000kPa 压力差0.5~2MPa 压力差1~10MPa 压力差0.1~10MPa 浓度差
膜分离机理
筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散筛分
大分子
纳滤
● ● ● ● ●● ■ ■
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
1、微滤和超滤
微滤和超滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离
过程。
在一定的压力作用下，当含有高分子溶质（A）和低分子溶 质（B）的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶 质（如无机盐）透过膜，成为渗透液被收集；大于膜孔的高分 子溶质（如有机胶体）则被膜截流而作为浓缩液回收。 超滤所用的膜为非对称性膜，表面的孔不规则，不均一， 很难确定孔径，故通常用它能截留的物质的分子量来定义膜孔 的大小。
反渗透膜 P
纯水
盐水
π
纯水 盐水
纯水
盐水
(a)渗透
(b)渗透平衡
(c)反渗透
反渗透原理示意图
0 在一定温度和压力下，设纯水的化学位为 （T , p1） ，则
盐溶液中水的化学位为
（T , p1） 0 (T , p1 ) RT ln a
式中，a为溶液中水的活度，纯水的a=1，而溶液中的 a一般小于1，即 RT ln a 0 ，故 (T , p1 ) 0 (T , p1 )
• 澄清果汁
• 屠宰动物血液成分回收 • 植物蛋白的回收
• 浓缩葡萄糖氧化酶、胰蛋白酶等
• 浓缩以基因工程菌生产的新物质（干扰素、生长激素等）
第五章 膜分离
纳米膜过滤是介于反渗透与超滤之间的液相膜处理新技术。
其特点为：（1）能截留小分子的有机物并可同时透析除盐，集浓缩透析为一体；（2）操作压力远比反渗透低，具有节约动力的优点。
纳滤膜的性质与特点大多数的纳滤膜是由多层聚合物薄膜组成。
活性层通常带荷负电化学基团。
一般认为纳滤膜是多孔性的，其平均孔径为2nm。
作为一般规律，通常分子量截留范围为100一200道尔顿，纳滤膜具有良好的热稳定性，pH稳定性和有机溶剂的稳定性。
纳米过滤的分离机理纳滤膜不仅具有依靠筛分作用进行分离，也显示有建立在离子电荷密度基础上的选择性，因为膜的离子选择性，对于含有不同自由离子的溶液，透过膜的离子分布是不相同的(透过率随离子浓度的变化而变化)，这就是Donnan效应。
Donnan平衡模型对于荷电膜脱盐，多用Donnan平衡模型来解释。
当系统达到平衡时，膜相、水相、溶液相的离子的化学电位应该达到平衡态。
虽然，利用Donna 平衡理论来说明荷电膜的脱盐机理有所依据，而对于在压力下透过膜的机理，还不能从膜、进料及传质过程等多方面来定量描述。
第二节膜材料及其特性膜材料◆纤维素衍生物醋酸纤维素（CA）：由纤维素和醋酸反应制得。
是反渗透膜、微滤和超滤的膜材料。
优点：价格便宜，膜的分离和透过性能良好；缺点：pH使用范围窄（pH=4~8），容易被微生物分解以及在高压操作下时间长了容易产生压密，引起透量下降。
硝酸纤维素（CN）：由纤维素和硝酸反应制得。
价格便宜，广泛用作透析膜和微滤膜材料。
为了增加膜的强度，一般与醋酸纤维素混合使用。
再生纤维素：纤维素溶于某些溶剂如铜氨溶液并在溶解过程中发生降解，在成膜过程中又回复到纤维素的结构，称为再生纤维素。
广泛用于人工肾透析膜材料和微滤、超滤膜材料。
◆聚砜类是一类具有高机械强度的工程塑料。
是目前最重要、生产量最大的高分子聚合膜。
用途：超滤和微滤的膜材料，多种商品复合膜的支撑层膜材料。
优点：耐酸、耐碱缺点：耐有机溶剂的性能差。
第五章 膜分离法
按膜的应用则可分有：
电渗析浓缩用膜、电渗析脱盐用膜、电解隔膜、特定离 子选择透过膜、扩散渗析用膜和反渗透用膜等。
2013-8-10
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阳离子交换膜（阳膜）阳膜与阳离子交换树脂一样，带有阳离子交换
基团，它能选择性透过阳离子而不让阴离子透过。按交换基团离解度的强
弱，分为强酸性和弱酸性阳膜。酸性活性基团主要有：磺酸基(－SO3H)、
第五章 膜技术处理工业给水
5.1 几种膜分离技术简介 膜分离法：是指在某种推动力作用下,利用特定膜的透过 性能,达到分离水中离子或分子以及某些微粒的方法的统称。 溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。
1.电渗析（ED）：在外加电场的作用下，利用阴、阳离子
交换膜对阴、阳的选择透性，把电解质从水溶液中分离出来 的膜分离技术。
磺酸型阳膜的空隙结构作用
离子交换膜的选择透过性
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阳离子交换膜带有的离子（如Na+ ）进入和穿过。由于同性相斥 的原理，则带有负电荷的离子（如Cl－ ）不能通过。
阴离子交换膜带有正电荷（如CH2N＋ ），在孔隙中构成正
电场，排斥带有正电荷的离子（如Na+ ），而允许带负电荷的离 子（如Cl－ ）透过。
t－离子在膜中的迁移数，通电时某种离子（如阳离子）在膜中 所迁移的电量与所有离子在膜中迁移的电量的比值。 t－离子在溶液中的迁移数，通电时某种离子（如阳离子）在 溶液中所迁移的电量与所有离子在膜中迁移的电量的比值。 式中是ti离子在理想膜中的迁移数，ti=1。ti取膜两侧溶液平均 浓度下的迁移数。
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反应机理 外界条件
反应条件 处理效果
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树脂有足够的交换容量
膜分离技术复习思考题和答案解析
分离科学与技术复习思考题和答案
③选择适当的操作压力和料液黏度，避免增加沉淀层的厚度与密度；④采用具有抗污染性的修饰膜； ⑤定期对膜进行清洗和反冲。 控制方法： 1）进料液的预处理：预过滤，pH，溶液中盐浓度，溶液浓度，离子强度的处理。 2）选择合适的膜材料（膜孔径或截留分子量的选择，膜结构的选择）以减轻膜的吸附。 3）改 善操作条件：加大流速，温度，压力与料液流速，溶液与膜接触时间的改善。 清洗方法： 1）物理清洗：等压清洗、反洗、气水双洗、海棉球擦洗。 2）化学清洗：碱、酸、 酶、络合剂、表面活性剂。 3）电清洗。 4）其它方法-电场过滤、脉冲电解清洗、电渗透清洗等。
一种低能耗，低成本的分离技术 2）分离过程一般在常温下进行，因而对那些需避免高温分离，分 级，广，对无机 物、有机物及生物制品等均可适用； （4）分离装置简单，操作容易，制造方便。
-4-
期末考试复习备考
问题反馈：huashengxueyuanbgs@
分离科学与技术复习思考题和答案
写在前面的话
本试题的复习思考题与分离科学与技术上课用的课件相同步，为我 认真的看了老师的课件和阅读了相关文献和结合自己的观点后，认真 的总结完成了思考题的答案编写，试题仅供复习期末考试用，答案要 点均详细，需认真总结回答要点，在考试中，写出要点和适当作扩展 即为正确答案，如你在阅读过程中，有任何疑问或者更好的答案，请 发送邮件给我，我们再相互讨论，祝你们取得好成绩！
R
c1 c2 100% c1 yA x / A 1 y A 1 xA
混合物
分离因子
(或分离系数β）
6、什么是膜污染？如何减轻膜的污染？ 【参考答案】 由于在膜表面上形成了覆盖层或膜孔堵塞等外部因素而引起膜的通量和分离效果
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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，
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。
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。
• 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 • 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)
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。
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
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
膜分离过程示意图
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。
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。
• 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。
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。
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。