第十一章 膜分离技术

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三、表征膜性能的参数
表征分离膜性能的参数有孔的特征、水通量、截留相对分 子质量、脱盐率、抗压能力、pH使用范围、温度使用范围、 对溶剂的稳定性等。 1.水通量：m3/m2.h或m/h 水通量又称透水率，是指在一定过滤压力（进口压力 和截留液出口压力）下，单位时间内透过单位膜面积的水 的体积。
膜的水通量是衡量膜的污染程度、膜污染清洗后恢复情况及膜 劣化程度的重要参数。
5.消毒和保存
消毒方法：化学消毒为主 保存：保存剂，保存方式
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（三）膜分离工艺条件选择
1. 操作压力 ：以不形成凝胶层为限
2. 料液流速：保证足够压力，减轻浓差极化，防止蛋白质变 性失活 3. 料液浓度 ：减轻浓差极化 4. 操作温度 ：减小黏度减轻浓差极化，但防止目的物变性
5. pH ：影响膜和目的物的荷电性。
超滤（UF） ultrafiltration 纳滤（NF） nanofiltration
反渗透（RO） reverse osmosis
1000~3000000Da
(相当于1-20nm孔径)
压力差2~8atm 压力5~20atm
压力10~100atm
筛分分子 溶液分子扩散
溶液分子扩散
1nm左右
(相当于400-1000Da)
注意：膜污染与浓差极化是有区别的。
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2.原因
膜自身结构 膜与溶质的作用 操作工艺
3.减轻膜污染的方法
原料预处理 选择合适的膜组件、膜参数 运行条件选择
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4.膜污染的清洗（课本P121）
酸、碱 表面活性剂 氧化剂 酶 有机溶剂
应考虑： •膜的化学性质 •污染物特性 •清洗方法是否符合生产要求
•吸附作用：吸附↑，R↑
•其他分子溶质影响：大分子使小分 子截留率增大；若要二者分离完全， 分子量应相差10倍以上。 注意： 微滤膜孔径大小一般直接用um表示；
•浓度：S ↑，R↑
•流速：V ↑，R↓ •pH：影响分子形状 •离子强度：影响分子形状
超滤膜孔径一般用截留相对分子质量来表示；
对于纳滤膜和反渗透膜孔径，一般用脱盐率表示。
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3. 截留分子量（MWCO, molecular weight cut-off）
相当于一定截留率（一般90%或95%）下的分子量
分子量 （Da） 截留率 （%） 3000 80 5000 88 10000 20000 30000 90 95 99
1 0.8
斜坦
陡直 截留曲线
0 5000 10000 15000 20000 分子量 Da
截留率
0.6 0.4 0.2 0
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4、完整性试验：
膜的完整性是指膜是否完整或泄露。新膜最好进行完整性试验证 实膜完好再投入生产使用。完整性试验方法一般由厂家提供。
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第三节 膜分离工艺
一、膜分离操作流程
截留液 贮 槽 透 过 液 水或缓冲液 贮 槽 透 过 液 截留液
泵 （a）浓缩模式
泵 （b）透析模式
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4. 中空纤维式膜组件
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三、膜分离工艺中常见问题及工艺参数的选择 （一）浓差极化（concentration polarization） 1. 浓差极化形成的原因
当溶剂透过膜时，溶质由于透过较慢或不能透过而滞留
在膜上时，膜表面溶质浓度增大，高于主体溶液中溶质浓 度，从而引起溶质从膜表面向主体溶液的扩散，这种现象
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2.膜分离效率
——表示膜对特定组分的截留能力或去除能力
R = 1-cp/c0
注意： •对于超滤膜，膜对某溶质的 截留能力通常用截留率R来 表示。 •对于纳滤膜和反渗透膜，截 留率通常称作脱盐率。
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公式(10-3) retentate
C0
feed
permeate
Cp
影响膜对分子的截留率的因素： •分子的形状：R球形〉 R支链〉 R线性 •温度：T↑，R↓
6. 离子强度 ：影响目的物形态，影响膜污染
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第四节 膜分离技术在生物产品生产中的应用
1. 细胞收集
2. 食品加工中应用
3. 医药中应用
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超滤系统的应用及维护
1.系统清洗、安装 安装顺序：储液罐→蠕动泵→微滤膜→超滤膜→储液罐（或透过液收集） 2. 膜的冲洗 1）膜表面的冲洗：将截留液管、透过液管置于下水槽，全开截留液阀门 2）膜孔径的冲洗：部分关闭截留液阀门 3. 超滤操作 截留液管接至储液罐，注意需要透过液还是截留液 4. 超滤系统的清洗 1）清水清洗 2）清洗剂清洗：常用氢氧化钠（0.4mol/L） 3）清水清洗 5. 超滤膜的消毒与保存 保存：根据膜材料、易污染的微生物选择 保存方式：在线注入
按膜结构分：对称膜和不对称膜
按膜材料分：无机膜和有机膜
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二、膜材料
1.纤维素衍生物 醋酸纤维素膜(CA, cellulose acetate) 优点：亲水，截留盐的能力强，透过速度大
缺点：最适pH4-6，不耐氯(或卤代)，易受微生物侵袭，
长期高压易压密 应用：反渗透、超滤、微滤 硝酸纤维素(CN, cellulose nitrate) 再生纤维素（RC, regenerated cellulose）
主要用于透析、超滤和微滤
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2.聚砜类（PS, poly sulfone） 聚醚砜(poly ether sulfone)等 优点：稳定性好，pH1-13，耐氯，孔径范围宽 缺点：操作压力低 应用：超滤膜及支撑材料 3. 聚酰胺类 分子中含有酰胺键的一类化合物 优点：稳定性好 应用：超滤、反渗透膜
常用应用比较：反渗透（CA，聚酰胺），纳滤（聚酰胺），超滤（PS）
400Da以下
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分离原理：
筛分
溶解分子扩散（膜的极性与分子极性）
例: 截留分子量为450 Da的膜，分离以下分子 的情况：
• 1000 Da与10 000 Da? • 400 Da与500 Da？
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纳滤的特点： 具有纳米级孔径 操作压力低，又称低压反渗透 对离子具有选择透过性
较好的耐压密性和较强的抗污染能力
称为浓差极化 。
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2.危害
溶质透过量增加 溶剂通过量减少 可能会析出沉淀 膜污染加剧
3.减轻措施 错流过滤
改善操作条件
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( 二) 膜的污染 1.膜污染
膜污染是指被处理物料中的微粒、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、沉积或堵塞，使膜透过性等 分离特性发生不可逆变化的现象。
水通量高
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二、膜分离的特点
优点： •操作在常温或低温下进行 缺点： •易产生浓差极化，导致
•是物理过程，不发生化学反 应 •多数不发生相变（能耗低） •选择性较高 •可连续化操作
分离性能降低 •膜易污染 •膜寿命有限 •仍是初步纯化的方法
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第二节 分离膜和膜性能
一、分离膜的类型
按膜孔径大小分
第一段 进料 贮 槽
第二段 截留液
第三段 浓截留液 第一级 进料 贮 槽 透 过 液 （d）多级式 （三级） 第二级 截留液 第三级
截留液
浓缩液
透过液 （c）多段式（三段）
透过清液 15
二、膜设备（见表10-4） 1.平板式膜组件
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2.管式膜组件
（a）内压型管式
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Hale Waihona Puke Baidu
（b）外压型管式
3. 卷式膜组件
第十一章
膜分离技术
膜分离（membrane separation）又称膜过滤， 是指用选择性半透膜作为分离介质层，允许混 合物中某些组分透过而截留其他组分的一种分 离技术。 过滤介质
eg: 滤布,400目—74um
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第一节 膜分离过程的分类和特点
一、分类
膜分离 微滤（MF） microfiltration 分离物质的范围 0.02~10μm 推动力 压力差1~2atm 分离机制 筛分颗粒
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