第七章 膜分离技术

3、根据化学特性（膜材料）分类
• 2）合成高分子材料
• 种类：聚砜、 PVDF（聚偏氟乙烯）、聚酰胺、聚酰亚胺、 聚丙烯腈、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用 于制造超滤膜。 • 优点：耐高温(70-80C，可达125C)，pH1-13，耐氯能力 强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对 温度和pH、盐稳定性高，寿命长，常用于反渗透。 • 缺点：聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。
要求更高时：先将其放在50％的乙醇溶液中用水浴煮1h，再依次 换50％的乙醇溶液、10mmol/L NaHCO3溶液、1mol/L EDTA溶液、 蒸馏水各泡洗两次，最后在4℃的蒸馏水中保存备用
用过的透析袋要是短期还要用的话，最好冲洗干净后，浸于 20％乙醇中低温存放 主要用途：蛋白样品的脱盐
2）以净压力为推动力的膜分离
3、根据化学特性（膜材料）分类
• 3）无机材料
• 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有 孔径>0.1um微滤膜和截留>10kDa的超滤膜，其中以陶瓷 材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、 氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称 • 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。
• 6）低成本
3、根据化学特性（膜材料）分类
• 1）天然高分子材料
• 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维 • 优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可 作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤 膜。 • 缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在4550C，pH3-8。
透析
反渗透 (reverse osmosis, RO) 纳滤 (Nanofiltration, NF) 超滤 (ultra-filtration, UF) 微滤 (micro-filtration, MF) 透析 (Dialysis, DS)
• 微滤膜用平均孔径表示膜的型号，若微滤膜的孔大小按照 分子截留来定义的，则0.1μm→＞2×106 Da • 超滤膜用截留相对分子量表示膜的型号 • 截留相对分子质量（molecular weight cut off, MWCO）， 超滤膜一般MWCO在1－300×103间 • MWCO越小，膜孔径越致密（平均孔径越小）
1）以浓度差为推动力的膜分离——透析
透析原理：浓差扩散 用途： A、样品脱电解质； B、人工肾 优点： A、方法和设备简单，价格低廉； B、实验室最常用的样品脱盐方法 缺点： A、透析的速度缓慢；
B、溶质稀释
透析袋使用方法
不同材质不同型号的透析袋可供选择 新购的透析袋因含有防干裂剂甘油、 硫化物及重金属离子，使用前处理方 法：分别用蒸馏水0.01mol/L 乙酸或 稀EDTA溶液浸泡，洗后再用；
应用：
A、海水淡化；超纯水制备， B、抗生素和氨基酸等浓缩，
• 反渗透是用足够的压力使溶液中的溶剂(一般常指水)通过 反渗透膜(一种半透膜)而分离出来，方向与渗透压方向相 反，可使用大于渗透压的反渗透法进行分离、提纯和浓缩 溶液。反渗透膜的主要分离对象是溶液中的离子。 • 反渗透纯水系统根据不同的源水水质采用不同的工艺。一般 自来水经一级反渗透系统处理后，产水电导率＜10-20μS/cm， 经二级反渗透系统后产水电导率＜5μS/cm甚至更低，在反 渗透系统后辅以离子交换设备可以制备超纯水，使电阻率高 达18兆欧姆.厘米。 • 反渗透膜老化或受污染后，产水质量会下降
3)、单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术联用。
膜分离技术的原理及其特点
• 膜的定义：
• 在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相（液体 或气体）分割成为两部分 • 膜的厚度＜0.5mm • 面积可以很大也可很小，可独立地存在于流体相间，也可 附着于支撑体或载体的微孔隙上
膜的分类
• 1、根据形态学分类
• ①微滤(MF) • 操作：同一般过滤。操作压在0.05-0.5Mpa。 • 用途：热敏性培养基成分的灭菌、溶液澄清、超滤的预处 理等，也可用于缓冲溶液进层析柱之前的脱气及去除小颗 粒。 实验室常用： 0.2μm或0.5μm的微滤膜 ＋真空泵＋抽滤瓶＋夹子＋溶液杯
砂芯过滤装置
微孔滤膜
针头滤器
2）以净压力为推动力的膜分离
• 对膜材料的要求：p99
• 1）耐压：为提高微孔膜的流量和渗透性，需加压；
• 2）耐温：高温灭菌； • 3）耐酸碱：易通过清洗恢复透过性能，清洗时往往需酸 碱才能清洗彻底； • 4）化学相容性：膜材料能耐化学物质浸蚀而不产生性能 改变 • 5）生物相容性：不使蛋白和酶产生变性，不吸附被分离 物质等
2）分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要；
3）操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。 作为效率较高的分离手段，在生化分离工程中具有重要作 用。
膜分离技术的原理及其特点
• 膜分离特点：
• 缺点：
1)、膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相 适应的膜面清洗方法；
2)、从目前获取的膜性能来看，其稳定性、耐药性、耐热性、 耐溶剂能力有限，故使用范围有限；
2） 膜的形态学特征——膜对称性
• 按照膜在厚度方向上孔道结构是否均匀，可分为对称膜 （各向同性）和不对称性膜（各向异性） 微滤膜的厚度是对称的，孔大小 相同，设计成各向同性膜。 •不对称性或各向异性膜： •有一超薄层（起到膜的专一特 性的作用）和支撑层（决定膜的 透过通量，通常孔径大，膜孔不 易堵塞），超滤膜和反渗透膜常 为不对称膜
• 1）孔道特性 • 包括孔径、孔径分布和孔隙率，可通过电子显微镜直接观 测到。 • 微滤膜的孔径大小在0.05-10μm之间 • 超滤膜孔的大小在1－50nm之间 • 反渗透（截留物质是低分子量的溶质如抗生素、蔗糖和 盐类）→孔径范围0.5-1nm
膜的分类——按孔径大小分类
离子范围 微米 10-4 10-3 反渗透 纳滤 超滤 微滤 10-2 大分子范围 10-1 1 微粒子范围 10 细粒子范围 102
• 截留相对分子量（MWCO）：通过测定分子量不同的球 形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与 溶质分子量之间的关系曲线，即截留曲线 一般将在截留率为90%的溶质分子量定义为膜的截留分子量 通常为保证高的蛋白回收率，选择膜时，所要分离的目标蛋 白的相对分子量要≥2MWCO 膜的评价：MWCO只表征膜特征的一个参数，不能作为唯 一指标。膜的优劣应从孔径分布、透过通量、耐污染能力、 稳定性、温度、pH、机械强度等多方面考察。
———
≤0.10 ≥10.0 —— ＜0.01 ≤0.001 ——
———
≤1.00 ≥1.00 ≤1.0 ＜0.02 ≤0.010 ＜0.08
5.0～7.5
≤5.00 ≥0.20 ≤2.0 ———— ———— ＜0.40
用途：一级水用于严格分析实验如高效液相色谱用水 二级水用于无机痕量分析如原子吸收光谱用水 三级水用于一般化学分析实验用水
2、膜的分类——按推动力本质的不同，分为：
• 1）以浓度差为推动力的过程：透析技术(Dialysis) • 2）以静压力差为推动力的过程：A、微滤，B、超滤 C、 反渗透(reverse osmosis)
3）以蒸气压差为推动力的过程：渗透蒸发 4）以电场力为推动力的过程：A、电渗析，B、离子交换 电透析
水质符合美国ASTM标准，电子部超纯水水质标准 （ 0.5MΩ*cm ， 2MΩ*cm ， 15MΩ*cm和18MΩ*cm四级）
Millipore（密理博） 各种规格的超纯水装置
Milli-Q
Simplicity
Super-Q
Elix
SDS
Elix及水箱
Milli-RX
Direct-Q
AFS
水箱
2、根据化学特性（膜材料）分类
中华人民共和国国家标准 GB6682-92 ———《分析实验室用水规格和试验方法》
名称 一级水 二级水 三级水
pH值范围（25℃）
电导率（25℃），μS/cm 电阻率（25℃），ΜΩ.cm 蒸发残渣（105±2℃），mg/L 可溶性硅[以（SiO2）计]，mg/L 吸光度（254nm，1cm光程） 可氧化物质[以（O）计]，mg/L
• 缺点：不易加工，及 收纳这些部件的容器构成的一个单 元称为膜组件 • 市售商品膜组件有管式、平板式、 螺旋卷式和中空纤维式等；其中管 式和中空纤维式膜组件根据操作方 式不同又分为内压式和外压式。
1）平板式膜组件：液流稳 定，较成熟，投资费用大， 操作费用低。
②超滤（UF）
• 操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。操作压在 0.1-1.0MPa。 应用：
A、高分子溶质之间（如蛋白质分子 之间的分级分离），以及高分子与 小分子溶质之间（如蛋白质分子脱 盐）的分离
B、Pro浓缩
Labscale 简易配置 Labscale 标准配置
各种类型的离心超滤
产品名称 Microcon 处理方式 离心超滤 最大处理体积 浓缩终体积 500μl 5-15μl
生化分离工程
第七章 膜分离技术
膜分离技术的原理及其特点
• 膜分离原理：以选择性透过膜为分离介质，当膜两 侧存在存在某种推动力（压力差、浓度差、电位差 等），原料侧组分选择性地透过膜而达到分离、提 纯的目的
• 不同膜过程使用的膜不同，推动力不同
膜分离技术的原理及其特点
• 膜分离特点：
• 优点：
1）能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、 结晶和蒸发相比有较大的差异；
蒸馏水器
离子交换树脂柱
超纯水制造典型工艺流程
1: 预处理－反渗透－纯化水箱－离子交换器－紫外灯-纯水泵 －用水点
2: 预处理－一级反渗透－二级反渗透－纯化水箱－纯水泵-紫 外灯－用水点 3: 预处理－反渗透－中间水箱－中间水泵－EDI装置－纯化 水箱－纯水泵-紫外灯－用水点 4: 预处理→紫外线杀菌装置→一级RO装置→二级RO装置→ 中间水箱→EDI装置→脱氧装置→氮封纯水箱→除TOC UV装 置→超滤装置→用水点