膜分离技术-概述和基本原理
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是一种用于分离混合物的重要技术手段，广泛应用于饮用水处理、废水处理、生物制药等领域。
本文将对膜分离技术的原理、应用和发展进行详细介绍。
一、膜分离技术的原理膜分离技术利用选择性透过性的膜将混合物分离成两个或多个组分。
膜的选择性透过性是通过材料的物理和化学性质以及膜表面的特性来实现的。
常用的膜材料包括有机膜和无机膜。
1. 有机膜有机膜是以有机高分子材料为基础制成的膜，常见的有机膜包括聚醚酯膜、聚丙烯膜和聚乙烯膜等。
这些有机膜具有较好的弹性和韧性，适用于分离溶液中的有机物、溶剂或气体。
2. 无机膜无机膜是由陶瓷、金属等无机材料制成的膜，具有良好的化学稳定性和耐高温性。
无机膜适用于分离溶液中的无机盐、重金属离子以及高温下的气体分离。
膜分离技术的原理包括压力驱动、浓度差驱动和电场驱动等。
其中，压力驱动是最常用的膜分离方式。
通过施加压力，使溶液在膜上形成一定的压差，从而使溶质通过膜的选择性孔隙进入膜的另一侧，而溶剂则随之透过膜。
通过调节压力大小可以实现对溶质的分离。
二、膜分离技术的应用膜分离技术具有广泛的应用领域，如下列举几个常见的应用。
1. 饮用水处理膜分离技术可以有效地去除水中的悬浮物、细菌、病毒等有害物质，提高水的品质，保障人们的健康。
常见的饮用水处理工艺包括超滤、纳滤和反渗透等。
2. 废水处理膜分离技术可以将废水中的有机物、重金属离子、油脂等有害物质与水分离，使废水得到净化和回收利用。
废水处理中常采用的膜分离工艺有微滤、超滤和纳滤等。
3. 生物制药膜分离技术可以实现生物制药过程中的精细分离和纯化。
例如，在细胞培养过程中，可以通过膜分离技术将细胞和培养液分离，提取目标产物，保证产品的纯度和品质。
4. 气体分离膜分离技术在气体分离中也具有重要应用。
例如，可以利用膜分离技术将混合气体中的氮气与氧气分离，达到制取高纯度氧气的目的。
三、膜分离技术的发展随着科学技术的不断进步，膜分离技术也在不断发展和完善。
膜分离技术 概述和基本原理
3.膜分离理论
17.5 影响膜过滤的各种因素
A 、 当 p 小 , 无浓度极化层 , Jv与p成正比, 此时用： B 、当 p 大 , 有浓差极化 , Jv 的增长速率减慢, 此时用 C、当p继续增加时，形成凝 胶层，且厚度随压力的增 大 而 增 大 ， 所 以 Jv 不 再 随 p 的增加。此时的 Jv 为此 流速下的极限值 (Jlim) ，用 方程： D 、 Jlim 随料液浓度 而 ，随 流速(搅拌速度) 而。
* * * * * * * * * * * * * *
气体分离 电渗析 渗析 控制释放 渗透蒸发 液膜
*
* *
技术原理
1.压力特征
压力特征
2.浓差极化
膜两侧溶液间的传递方程
浓差极化模型(concen-tration
polarization）
适应范围：反渗透、超滤和微滤。 定义：在膜分离操作中，所有溶质 均被透过液传送到膜表面，不能 完全透过膜的溶质受到膜的截留 作用，在膜表面附近浓度升高， 见图。这种在膜表面附近浓度高 于主体浓度的现象谓之浓度极化 或浓差极化)。
非纤维素酯 类
聚酯、烯烃类 含氟(硅)类 其他
1.4 分离膜种类
目前，实用的有机高分子膜说，
已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已
被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类 膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其 他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中 占主要地位。
式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。
首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜
膜分离技术的原理及优点
膜分离技术的原理及优点1、膜分离的概念即是以天然或人工合成的高分子薄膜为介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯和浓缩的方法称之为膜分离法。
膜分离可用于液相和气相。
对于液相分离，可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。
2、膜分离的基本原理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。
它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。
膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小。
有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别。
3、膜分离技术的优点（1）在常温下进行：有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩；（2）无相态变化：保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的31—81； （3）无化学变化：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；（4）选择性好：可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；（5）适应性强：处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化；（6）能耗低：只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩闹局世或冷冻浓缩的31—81。
4、膜分离技术的缺点（1）膜技术虽然浓缩成本低，但不能将产品浓缩成干物质；（2）膜技术虽然具有选择过滤性，但是同分异构体就无法实现分离。
5、膜分离技术的应用领域膜分离技术，是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。
膜分离技术
膜分离技术简介膜分离技术是一种通过膜进行物质分离和纯化的技术。
它广泛应用于制备纯化工业和生物制药中，其原理是利用特定的膜，通过选择性透过、排除或吸附的方式将混合物中的目标物质与其他组分分离开来。
膜分离技术具有高效、节能、环保等优点，因此在各个领域得到了广泛应用，并成为一个重要的物质分离技术。
原理膜分离技术的基本原理是利用膜的选择性透过性来实现分离。
根据分离机制的不同，膜分离技术可以分为几种不同的类型，包括微滤、超滤、纳滤、反渗透和气体分离等。
每种类型的膜分离技术都有其特定的分离机制和应用范围。
•微滤：微滤膜具有较大的孔径，一般用于分离固体颗粒和大分子物质，如悬浮固体和细菌等。
•超滤：超滤膜的孔径较小，可以分离分子量较大的物质，如蛋白质和胶体等。
•纳滤：纳滤膜的孔径更小，可以分离分子量更小的物质，如盐和有机物等。
•反渗透：反渗透膜是一种半透膜，其孔径非常小，可以有效地分离溶质和溶剂。
这种技术常被用于海水淡化和废水处理等领域。
•气体分离：气体分离膜是一种特殊的膜，可以分离不同气体的混合物。
这种技术在天然气加工和二氧化碳捕获等领域有广泛应用。
应用膜分离技术在许多领域都有广泛的应用。
以下是其中几个应用领域的简要介绍：生物制药在生物制药中，膜分离技术被广泛用于分离和纯化蛋白质、细胞因子和其他生物分子。
通过使用超滤和纳滤等技术，可以将目标蛋白质从细胞培养液中分离出来，并去除其他杂质。
这种技术不仅能够提高产品纯度，还可以减少后续步骤的处理量，提高生产效率。
医药膜分离技术在医药领域有着广泛的应用。
例如，在血液透析和血液净化中，通过使用半透膜将废物和多余的物质从血液中分离出来，达到治疗和净化的目的。
此外，膜分离技术还可以用于药物传递系统中，通过控制药物在膜上的透过性实现持续释放和控制释放。
环境工程膜分离技术在环境工程中的应用也非常广泛。
例如，在水处理中，可以使用反渗透膜将盐和有机物等溶质从海水或废水中分离出来，实现水的淡化和净化。
膜分离技术在化工中的应用
膜分离技术在化工中的应用随着科技的发展，化工行业在不断推进，膜分离技术作为一种新型技术，已经被应用到了化工行业的很多领域，具有非常广阔的发展前景。
本文就来介绍一下膜分离技术在化工中的应用。
一、膜分离技术的基本原理膜分离技术是在膜的作用下，使溶液、混合气体等物质透过膜，分离出不同大小、形状、性质的物质的一种分离技术。
膜分离技术是以膜作为物理屏障，通过膜的选择性过滤和筛选，实现不同物质的迅速分离。
膜分离技术不仅有高效过滤、分离和提纯的特点，而且还能在保留溶液和气体完整性的同时，实现一定程度的削弱、改变介质性质等效果。
二、1.水处理领域膜分离技术在水处理领域有着广泛的应用。
膜分离技术可以用来处理各种污水，如酸性污水、电解污水、废油污水等，可以有效地去除溶解和悬浮性固体、重金属离子、有机物、微生物等。
同时，膜分离技术还可以用于制造高纯水，如电子工业中所需的纯水、空气净化行业中的净水等。
2.制药领域膜分离技术在制药领域也有着广泛的应用。
通过膜分离技术，可以分离出不同粒径和相对分子质量的物质。
例如，该技术可以用于生产高质量的注射用水，通过一步一步筛选，去除各种杂质和微生物，使其达到纯净的水质。
3.食品加工领域膜分离技术在食品行业的应用涉及到四大类：浓缩、分离、除菌和脱色。
如要生产浓缩果汁、乳制品、调味品等，在保留食品的原有口感、营养物质成分等的情况下，通过膜分离技术可以排除掉农药残留、乳清蛋白等杂质物质，使食品更加健康。
4.化学分离领域膜分离技术还可以在化学分离领域中应用。
通过膜分离技术，可以实现大分子物质和小分子物质的分离。
例如，通过膜分离技术还可以将混合的气体分离成几种组份，进行单一有用组份的提取。
5.环保领域膜分离技术在环保领域也有广泛的应用。
例如，通过膜分离技术可以处理地下水、含油废水、烟气脱硫等固、液、气三态污染物，从而实现环境污染的控制和治理。
三、膜分离技术的优势与传统的化工技术相比，膜分离技术的优势主要表现在以下几个方面：1.高效节能由于使用了膜作为过滤介质，因此可以实现无需加热、无需高压的过滤操作。
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是一种重要的分离技术，通过膜将混合物中不同分子大小、形状、电荷和极性等特性的物质分离出来。
它广泛应用于各种领域，如环境保护、医药制造、食品加工、化学工业和电子行业等。
本文将介绍膜分离技术的工作原理、分类和应用，并探讨其未来的发展前景。
一、膜分离技术的基本原理膜分离技术利用膜作为分离介质，将混合物分离成两个或更多的组分，其中其中至少有一种组分通过膜而另一种组分不直接通过。
根据膜分离的机制可以分为以下三种类型：1、压力驱动膜分离技术压力驱动膜分离技术是指通过施加压力将混合物推动到膜上，以实现分离的技术。
膜的孔径大小、膜的材质和压力差均会影响分离效果。
该技术主要包括超滤、逆渗透和微滤等。
超滤是指利用孔径大小在10-100纳米的超滤膜去除溶液中的高分子物质。
逆渗透是利用高压驱动水通过0.1纳米左右的逆渗透膜，将混合物中的水增量分离出来，这是制取纯水的主要技术之一。
微滤是利用孔径在0.1-10微米的微滤膜去除悬浮物、细菌和微生物等。
2、电力驱动膜分离技术电力驱动膜分离技术是利用电场将混合物推动到膜上，实现分离的技术。
例如电渗析技术是利用电场和离子之间的电荷作用，将含有离子的溶液通过电场驱动到离子交换膜中，使得原来溶液中的阴离子和阳离子在两侧集中，最终通过两个极板分别收集。
3、扩散驱动膜分离技术扩散驱动膜分离技术是指利用分子间的扩散速率的大小差异，将混合物中的混合物分离的技术。
例如气体分离、液体浓缩和溶液析出等。
二、膜分离技术的分类根据膜的性质和分离机制的不同，可以将膜分离技术分为以下几种类型：1、纳滤技术纳滤技术是利用孔径在10-100纳米的纳滤膜，将分子大小在10-100纳米之间的物质分离出来。
纳滤技术主要应用于制备高分子材料、微电子器件制造和水处理等领域中。
2、超滤技术超滤技术是利用孔径在0.01-0.1微米之间的超滤膜，将分子大小在1000道100万道之间的物质分离出来。
超滤技术主要应用于蛋白质提取、水处理、生物制品制备和废水处理等领域中。
膜分离技术及其应用
膜分离技术及其应用膜分离技术是一种通过半透膜对流体进行分离的方法，广泛应用于水处理、生物科技、食品工业等领域。
本文将介绍膜分离技术的原理、分类及其在不同领域的应用。
一、膜分离技术的原理膜分离技术是利用半透膜的选择性通透特性，通过物质的分子大小、化学性质等差异，将混合物中的物质分离出来。
其原理主要包括渗透、扩散和分离。
渗透是指物质通过膜的透过性能，扩散是指物质在膜上的传递过程，而分离则是指膜对不同物质的选择性分离效果。
二、膜分离技术的分类根据膜的材料和分离方式的不同，膜分离技术可分为多种分类。
常见的分类包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等。
微滤膜的分离范围通常在0.1-10微米之间，可以用于悬浊物的去除；超滤膜的分离范围为1万至100万道尔顿，可分离大分子物质；纳滤膜的分离范围在100-1000道尔顿之间，用于有机物质和溶解离子的去除；反渗透膜则是利用高压将溶剂逆向渗透，适合用于水处理等领域。
三、膜分离技术在水处理中的应用膜分离技术在水处理中具有重要的应用价值。
它可以有效地去除水中的悬浮物、细菌、病毒、颜色、异味等杂质，使水质得到提升。
其中反渗透膜是应用最为广泛的一种膜分离技术，其通过高压将溶液逆向渗透，将溶质与水分离，获得高纯度的水。
反渗透膜广泛用于饮用水处理、海水淡化、工业废水处理等领域。
四、膜分离技术在生物科技中的应用膜分离技术在生物科技领域有着广泛的应用，主要包括细胞培养、蛋白质纯化、基因工程等方面。
在细胞培养中，通过膜分离技术可以实现细胞和培养基的有效分离，保护细胞的生物完整性。
在蛋白质纯化方面，膜分离技术可以实现对不同大小、电荷的蛋白质的分离和富集。
而在基因工程中，膜分离技术则可以用于DNA片段的纯化和浓缩。
五、膜分离技术在食品工业中的应用膜分离技术在食品工业中有着广泛的应用，主要包括浓缩、分离和改良等方面。
在果汁加工中，膜分离技术可以实现果汁的浓缩和去除其中的水分，提高果汁的品质和口感。
膜分离技术简介全
非对称性膜复合膜
*
膜过程
推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
渗析
浓度差
溶质的扩散传递
低分子量物、离子
溶剂
非对称性膜
电渗析
电位差
电解质离子的
离子交换膜
气体分离
压力差
气体和蒸汽的 扩散渗透
气体或蒸汽
难渗透性气 体或蒸汽
均相膜、复合膜，非对称膜
渗透蒸发
压力差
*
膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。具体用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决定，使用的清洗剂要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。
*
如果用清水清洗就恢复膜的透过性能，则不需使用其他清洗剂。对于蛋白质的严重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶等)溶液清洗，效果较好。
*
*
(3)、螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件 目前,螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分离过程。 膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起,然后将其装人能承受压力的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动通道的形式,这类膜组件的内部结构也可被设计成多种不同的形式。
*
*
(4)、中空纤维(Hollow Fiber)膜组件 中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大, 最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。
《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。
膜分离技术概述和原理
• 1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精 的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；
• 1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；
• 1861年Schmidt提出超滤概念；
• 1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜 （亚铁氰化铜膜）
• 1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并 将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；
9
1.5常见的膜分离方法
1.5.1根据分离粒子大小分类：
①渗析（Dialysis，DS） ②电渗析（Electrodialysis，ED ） ③反渗透（Reverse osmosis，RO ） ④微滤（Microfiltration，MF） ⑤超滤（Ultrafiltration，UF ） ⑥纳滤（Nanofiltration，NF ） ⑦渗透气化（Pervaporation，PV）
10
1.5.2根据溶质或溶液透过膜的推动力分类
①以电动势为推动力：电渗析和电渗透 ②以浓度差为推动力：扩散渗析和自然渗透 ③以压力差为推动力：压渗析和反渗透、超
滤
其中常用的是电渗析、反渗透和超滤，其次 是扩散渗析和微孔过滤。
11
第二讲
膜分离技术的原理及应用
12
本讲主要内容
2.1膜与膜材料的简介 2.2常见几种膜分离技术的作用
·选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、 吸附等多种传统的分离与过滤方法。
·膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“ 谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。
·膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近几十年 膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水 处理等各个领域。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 。
(食品工程原理)9.膜分离技术
膜分离技术的应用领域
食品加工
可用于浓缩果汁、分离乳清蛋白等。
废水处理
适用于去除溶解物、色素和微生物等。
膜的种类和选择
1 微滤膜
2 超滤膜
用于分离悬浮物、胶体和大分子物质。
适用于去除高分子物质、细菌和病毒。
3 反渗透膜
用于海水淡化、纯化水和浓缩溶液。
膜分离技术的优势和局限性
优势
• 能耗低、设备紧凑 • 高分离效率和选择性
案例1 案例2 案例3
食品饮料行业中使用超滤膜进行乳清蛋白的分离 和提纯。
工业废水处理中利用反渗透膜去除污染物和盐分， 实现水的回用。
海水淡化厂使用反渗透膜将海水转化为淡水，满 足可持续发展的需求。
局限性
• 膜污染和堵塞 • 成本较高的设备和维护
膜分离技术的发展和前景
研究和创新
科学家们致力于改进膜的性能和 生产工艺，以推动膜分离技术的 进一步发展。
可持续食品生产
膜分离技术能够帮助实现更加可 持续的食品生产过程。
清洁水资源Leabharlann 反渗透膜等膜分离技术可用于提 供可靠的清洁水资源。
膜分离技术的实际案例和应用举例
(食品工程原理)9.膜分离 技术
膜分离技术是指利用半透膜对混合溶液进行分离的一种工业化技术。该技术 在食品工程中具有广泛的应用和潜力。
膜分离技术的定义和概述
膜分离技术通过利用不同材料制成的膜，以其特殊的孔径和渗透性，实现对 混合物的分离和纯化。
膜分离技术的原理
膜分离技术基于渗透、电动力和筛分等原理，通过膜的孔隙结构和性质，实 现溶质的选择性传输和分离。
膜分离原理技术与设备
3、膜分离方法
（1）压力推动
反渗透、纳滤、超滤、微滤均为压力推动的 膜过程，即在压力的作用下，溶剂及小分子 通过膜，而盐、大分子、微粒等被截留，其 截留程度取决于膜结构。
——反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（包
括离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为2～ 10MPa；
膜的机械强度要求较高。
3、应用
超滤（UF）、微滤（MF）、反渗透（RO）、 电渗析（ED）
4、板框式反渗透膜组件
季紧螺栓型-装配图
（1） 结构单元
承压板、多孔支撑板、滤膜组成滤板
（2）结构形式
多层滤板堆叠，经密封后，由季紧螺栓固定。
（3）工作过程
半透膜
进水
耐压容器
透水板 透过水
浓缩水
较高的料液，比其他形式应用更为广泛。
3、类型与结构
管式膜组件又 分为内压型和 外压型两种。
内压型有单管 式和管束式两 种。
（三）螺旋卷式膜器件
1、基本部件
膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管 构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，
膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔 网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而 形成螺旋卷式膜器件。
——电渗析采用带电的离子交换膜，在电场 作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶 液去除离子。
——气体分离是依据混合气体中各组分在膜 中渗透性的差异而实现的膜分离过程。
——渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下， 原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而 使原液体混合物得以分离的膜过程。
各种膜分离法的原理和应用范围
离子交换膜的选择透过性主要是由于膜上 孔隙和膜上离子基团的作用。
膜分离技术书
膜分离技术书一、前言膜分离技术是一种以膜为介质，利用膜的特殊性质，对物质进行分离、纯化和浓缩的技术。
膜分离技术具有操作简便、节能环保、分离效率高等优点，被广泛应用于化工、食品、制药、环保等领域。
本书将对膜分离技术的基本原理、膜材料、膜分离过程、膜分离设备等方面进行介绍。
二、膜分离技术的基本原理膜分离技术是一种物理分离技术，其基本原理是利用膜的特殊性质，将混合物分离成两个或多个组分。
膜的特殊性质包括选择性、通透性和分离度。
选择性是指膜对不同组分的分离能力，通透性是指膜对组分的透过能力，分离度是指膜对组分的分离效果。
膜分离技术主要分为压力驱动膜分离和电动势驱动膜分离两类。
压力驱动膜分离包括压力过滤、超滤、微滤和逆渗透等技术，其基本原理是利用压力差将混合物通过膜，将其中的大分子、悬浮物、胶体等分离出来。
电动势驱动膜分离包括电渗析、电吸附、电解质转移和电渗透等技术，其基本原理是利用电动势将混合物中的离子、分子等分离出来。
三、膜材料膜材料是膜分离技术的核心，其性能直接影响膜分离的效果。
常用的膜材料包括有机膜、无机膜和复合膜。
有机膜是以有机高分子为原料制成的膜，具有良好的弹性、可塑性和化学稳定性。
常用的有机膜包括聚酯膜、聚醚膜、聚氨酯膜、聚丙烯膜等。
无机膜是以无机材料为原料制成的膜，具有良好的耐高温、耐腐蚀性能和高通透性。
常用的无机膜包括陶瓷膜、金属膜、玻璃膜等。
复合膜是由有机膜和无机膜组成的复合材料，具有有机膜的弹性和无机膜的耐高温、耐腐蚀性能和高通透性。
常用的复合膜包括聚酰胺膜、聚醚膜、聚氨酯膜等。
四、膜分离过程膜分离过程包括前处理、膜分离和后处理三个步骤。
前处理是指将原料进行预处理，去除其中的杂质、悬浮物、胶体等，以保证膜的正常运行。
常用的前处理方法包括沉淀、过滤、调节pH值等。
膜分离是指将预处理后的原料通过膜，将其中的组分分离出来。
膜分离的具体方法包括压力过滤、超滤、微滤、逆渗透、电渗析、电吸附、电解质转移和电渗透等。
膜分离技术及应用
膜分离技术及应用1 膜分离技术的简介1.1 膜分离的概念利用膜的选择性（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。
膜分离的一般示意性图见图1。
1.2 膜的简介在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，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图1 膜分离过程示意图是液体或气体。
膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。
1.2.1 对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5Mpa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa（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性；（6）成本低。
1.2.2 膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：有机高分子（天然高分子材料膜、合成高分子材料膜）膜、无机材料膜1.2.3 各种膜材料（1）天然高分子材料膜主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。
其中醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜，也可用作微滤膜和超滤膜。
醋酸纤维膜使用最高温度和pH范围有限，一般使用温度低于45~50℃，pH3~8。
再生纤维素可制造透析膜和微滤膜。
（2）合成高分子材料膜市售膜的大部分为合成高分子膜，种类很多，主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。
其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。
聚砜膜的特点是耐高温(一般为70~80℃，有些可高达125℃)，适用pH 范围广(pH=l~13)，耐氯能力强，可调节孔径范围宽(1~20nm)。
但聚砜膜耐压能力较低，一般平板膜的操作压力权限为0.5~1.0MPa 。
膜分离技术的原理和应用
膜分离技术的原理和应用随着科技技术的不断发展，人类对于生命科学的研究也越来越深入。
其中，膜分离技术就是生命科学中的一项重要技术。
那么膜分离技术是什么？它是如何工作的？又在哪些领域得到了应用？下面我们就来深入探讨一下。
一、膜分离技术的基本原理膜分离技术是一个将物质分离和纯化的过程。
这个过程基于物质分子大小和化学特性的不同而进行。
其本质就是从溶液中分离出特定的物质，而进一步的纯化则可以通过渗透压、电性等天然现象来实现。
膜分离技术的原理基于膜的选择性，膜可以选择性地让一些小于其孔径的溶质通过，而阻止大于或等于其孔径的溶质通过，其选择性是基于相互作用力的。
其中，可以选择基于吸附力的透析膜、基于分子大小的渗透膜、以及基于分子电荷的离子交换膜等。
二、膜分离技术的应用领域膜分离技术在生命科学的很多领域得到了应用，具体应用如下：1.生物医学在生物医学领域，膜分离技术有着广泛的应用。
比如，它可以用于生物反应器的分离、酶的纯化、病原体的去除、蛋白质、激素的纯化等。
2.食品与饮料在食品和饮料领域中，膜分离技术也扮演着重要角色。
例如，它可以用于乳制品工业、饮料工业、果汁加工、酿酒业等。
3.水处理在水处理中，膜分离技术也有重要的应用。
比如，可以使用微过滤与超滤膜进行悬浮物的去除，反渗透膜和离子交换膜则可以去除水中的有害离子和重金属离子。
4.化学工业膜分离技术也可以用于化学工业。
例如，可以用于膜分离、膜萃取、膜反应、膜过滤等，可以用于分离、纯化、分子分级等。
三、膜分离技术的发展趋势目前，膜分离技术在生命科学领域中的应用越来越广泛。
未来，随着科技技术的不断进步，膜分离技术也将会得到更多的发展。
从技术角度来看，膜性能的提高是一个重要的趋势。
比如，为了摆脱基于空隙的效率限制，高分子纳米孔膜被开发出来，它们能够提供比传统低聚物和陶瓷膜更高的分离效率。
此外，疏水性、高渗透性、低粘附、抗污性等方面的改进也是开发新膜的关键。
从应用角度来看，膜分离技术的应用领域将会越来越广泛。
膜分离工作原理
膜分离工作原理膜分离技术是一种常用于分离混合物的方法，通过使用半透膜，根据溶质的大小、形状、电荷等特性，将混合物中的成分有效地分离出来。
本文将介绍膜分离的工作原理，以及在不同领域中的应用。
1. 膜分离的基本原理膜分离的基本原理是利用半透膜对混合物进行筛分，将溶质从溶剂中分离出来。
膜通常由多孔材料或聚合物构成，具有特定的孔隙结构。
根据溶质在膜上的传质方式，膜分离可以分为四种基本类型：压力驱动型、浓度驱动型、超滤型和电动力型。
2. 压力驱动型膜分离压力驱动型膜分离是将溶剂和溶质通过正、负压力的作用，使其通过膜的微孔或孔隙。
常见的压力驱动型膜分离方法包括Reverse Osmosis（反渗透）、Nanofiltration（纳滤）和Ultrafiltration（超滤）。
其中，反渗透膜分离的孔径最小，可以去除水中的离子、微生物等溶质。
3. 浓度驱动型膜分离浓度驱动型膜分离是通过浓度差异推动溶质通过膜。
渗透压是浓度驱动型膜分离的主要原理，取决于溶质和溶剂之间的浓度差异。
渗透压越大，溶质通过膜的能力越强。
渗透膜的选择应根据溶质的性质和分离要求来确定。
4. 超滤型膜分离超滤型膜分离以孔径大小来分离溶质。
超滤膜的孔径范围通常在1-100纳米之间，可以将溶质中的大分子物质（如大分子蛋白质）分离出来，同时允许小分子物质（如溶剂和离子）通过。
5. 电动力型膜分离电动力型膜分离是通过电场的作用来分离混合物。
电动力型膜分离常用于离子选择透膜、电渗析和电吸附等领域。
这种方法利用了电学性质的差异来实现溶质的选择性分离。
6. 膜分离的应用领域膜分离广泛应用于水处理、食品加工、生物制药、化工、环境保护等领域。
在水处理中，膜分离可以去除水中的悬浮物、微生物、离子和溶解性有机物，提供高纯净水。
在食品加工中，膜分离可用于浓缩果汁、乳制品加工和酒精提纯等。
在生物制药领域，膜分离技术被用于蛋白质纯化、细胞培养和药物输送等。
总结：膜分离是一种有效的混合物分离方法，通过利用膜的特性和传质方式，能够实现对不同尺寸、形状和电荷的溶质的选择性分离。
膜分离技术介绍
当疏水溶质要接触表面，必须破坏有序水，这需要能量，不易进行，膜而不易被
污染。
采用溶质电荷相同的膜：有些膜材料带有极性基团或可离解基团，因而在与
溶液接触后，由于溶剂化作用或离解作用使膜表面荷电，它与溶液中荷电溶质产
生相互作用，相同电荷排斥，膜表面不易污染。
膜孔径或截留分子量的选择：理论上讲，在保证能截留所需粒子或大分子溶
3
废弃的产品，而某些则是非常贵重的主要产物。表 3 列出了一些典型的应用，阴 影部分代表主要的产物。注意：透过液和浓水都可以是需要的产物，而可以同时 成为产物。
表 3 某些产物的膜过程类型
透过液
浓水
RO
染色工艺排水
洁净水
BOD，盐，化学品，废弃产品
纯水
低盐水
含盐水
乳清
低 BOD 透过液
乳清浓水
NF
的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、溶解性物质和正电
荷离子。纳滤对氯化纳 0～50％的截留率主要决定于进水的浓度。纳滤属于“宽松 的反渗透”，是一种减少了盐截留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压
力和能耗，因此在有些项目上也是可以被接受的。
一般认为超滤（UF）的分离机理为筛孔分离过程，在静压差（0.1~0.5MPa） 为推动力的作用下，原料液中溶剂及小溶质粒子由高压的料液侧透过膜到低压侧，
迄今为止，还无法用显微镜从 RO 膜和 NF 膜中观察到小孔，但水还是透过了 膜而盐被截留了。这意味着自从制造出第一张膜后的 35 年来研究膜的科学家并不 真正了解膜是怎样的或为什么有这些功能的，或至少他们并不了解其中的细节。
而第一张膜是有人亲眼看到脱盐水通过膜而产生的。如果他只是通过显微镜来观
察膜，则他可能会拒绝接受这个事实，因为显微镜中根本无法看到小孔，因此也 不可能透过水。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
推动力
膜过程 应用实例
对称
反渗透
海水淡化
压力差 电位差
超 滤 超纯水/白蛋白浓缩
微滤
前处理/终端过滤
*
纳滤
医药/啤酒
*
气体分离
气体/蒸汽分离
*
电渗析
海水淡化/废水
*
浓度差
渗析
人工肾
浓度差
控制释放
医用/农药
*
浓度差（分压差） 渗透蒸发
无水乙醇
*
浓度差＋化学反应 液膜
金属分离/废水
*
膜形态
非对称
* * * * *
过滤方法
Sugars 蔗糖
RO
反渗透
Colloidal silica 胶体硅
Albumin protein 白蛋白
Microfiltration Ultrafiltration 超滤 微滤
NF 纳滤
Pollens 花粉 Milled flour 面粉
Particle filtration 一般过滤
1.4 分离膜种类
流速。 温度 通常升温提高流速。
C其他
操作温度 化学耐受性 膜的吸附性能 膜的无菌措施 保存
膜技术的应用
1) 细胞培养基的除菌； 2) 发 酵 液 或 培 养 液 中 细 胞 的 收 集
和除去； 3)细胞破碎后碎片的除去； 4) 目 标 产 物 部 分 纯 化 后 的 浓 缩 或
滤除小分子溶质； 5)最终产品的浓缩和洗滤除盐； 6)蛋白质的回收、浓缩和纯化 7) 制 备 用 于 调 制 生 物 产 品 和 清 洗
70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的 液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。
1.3 膜分离技术的特点
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； 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。 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
浓差极化特性
它是一个可逆过程。只有在膜过程运行中产生存在， 停止运行，浓差极化逐渐消失。
它与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料 液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差 极化程度，提高膜的透过流量。
凝胶极化模型：膜表面附近 浓度升高，增大了膜两侧的 渗透压差，使有效压差减小， 透过通量降低。当膜表面附 近的浓度超过溶质的溶解度 时，溶质会析出，形成凝胶 层。即使分离含有菌体、细 胞和其他固形成分的料液时， 也会在膜表面形成凝胶层。 这种现象谓之凝胶极化(gel
6.膜组件的选择
1造价 2抗污染能力 3膜材料 4组建的结构 5反渗透 中空纤维式
卷式
6超滤一般不用中空纤维式
7.膜的选择及使用
A截留相对分子质量
定义：指截流率达90%以上的最小被截流物质 的相对分子质量
一般选用额定截留值应稍低于所分离或浓缩的溶 质分子值
B流动速率
溶质的分子性质 相对密度大的纤维状分子扩散性差。 溶质浓度 稀溶液比浓溶液的流速高。 压力 增压加速流速。 搅拌 破坏溶质表面的浓度梯度，加速溶质的扩散，提高
D、流J速lim(搅随拌料速液度浓)度而而。，随
4.膜的截留能力
截留率和截断分子量
截留率:膜对溶质的截留能力以截留率R来表示。
R 1 cp cb
截断分子量(MWCO) 定义为相当于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估 计孔径的大小。
孔道特征 包括孔径，孔径分布，空隙度。
完整性试验 用于试验膜和组件是否完整或渗漏。
平板膜组件
特点： 较管式组件比 表面积大得多， 易于更换膜， 适于微滤、超 滤。
螺旋卷式膜组件
特点： 膜面积大，湍流情况
好，但制造装配要求高、 清洗检修不方便，不能处 理悬浮液浓度较高的料液。 可用于微滤、超滤和反渗 透。
各种膜组件的传质特性和综合性能比较：
1.4 分离膜种类
f. 按膜的结构分类
1.2 膜分离技术发展简史
50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜
的研究。
真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利斯 （A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电 介质混合物以水-丙酮-溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子
量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将
电渗析
电渗析是利用分 子的荷电性质和分 子大小的差别进行 分离的膜分离法， 可用于小分子电解 质的分离和溶液的 脱盐。
1.4 分离膜种类
d.按膜的材料分类
表1 膜材料的分类
类别
膜材料
举例
纤维素酯类 纤维素衍生物类 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等
聚砜类
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等
非纤维素酯 类
THE FILTRATION SPECTRUM 过滤谱图
m 0.001
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
A
10
100
1000
10 4
10 5
10 6
10 7
Molecular weight
分子量
100 200 5,000 20,000 150,000
500,000
Relative size of common material
polarization)。
3.膜分离理论
17.5 影响膜过滤的各种因素
压力
A、当p小, 无浓度极化层,
Jv与p成正比, 此时用：
B、当p大,有浓差极化, 增长速率减慢, 此时用
Jv的
C、当p继续增加时，形成 凝胶层，且厚度随压力的 增流方p程大速的：而下增增的加大极。，限此所值时以(的JJlvim不Jv)为，再用此随
这种膜商品化。
1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空
纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板 式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。
首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜 （简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发了许
微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差 为传质推动力，主要用于截留固体微粒和高分子 溶质。
微滤广泛用于细胞、菌体等的分离和浓缩， 操作压力通常为0.05-0.5MPa。
超 滤 适 用 于 1-50nm 的 生 物 大 分 子 的 分 离 ， 如蛋白质、病毒等。操作压力常为0.1-1.0MPa。
1.4 分离膜种类
膜清洗
A、试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、 表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶 溶液等。
B、原则：去污能力好，对膜无损害， 成本最低。
C、方法：反向清洗，试剂置换，化 学降解消化。
E、预防：膜的预处理(用乙醇浸泡聚 砜 膜 ) ， 料 液 预 处 理 ( 调 pH ， 预 过 滤)，开发抗污染膜，临界压力操作 等。
应的膜面清洗方法； 2)稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围
有限； 3)单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。
1.4 分离膜种类
高分子膜
带电膜
分 离
液体膜
非带电膜
膜
生物膜
阳离子膜
阴离子膜 过滤膜 精密过滤膜 超滤膜 纳米滤膜 反渗透膜
1.4 分离膜种类
a.分离粒子或分子大小分类
1.4 分离膜种类
透析和反渗透
透析是以膜两侧的浓度差为传质推动力，从溶液中 分离出小分子物质的过程。在生物分离中主要用于 蛋白质的脱盐。
反渗透是在透析膜浓度高的一侧施加大于渗透压的 压力，利用膜的筛分性质，使浓度较高的溶液进一 步浓缩。用于海水淡化，药物浓缩，纯水制造。
1.4 分离膜种类
微滤和超滤
膜分离技术
成员
生物0203
目录
理论概述 技术原理
理论概述
1.1 基本概念
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，它把流体相分隔为互不相通的两部分， 并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的厚度在0.5mm以下，否则，就不称为膜。
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 物质透过，而不允许其它物质透过。
1.4 分离膜种类 c.以分离应用领域过程分类 微滤(micro-filtration, MF) 超滤(untra-filtration, UF) 反渗透(reverse osmosis, RO) 透析(Dialysis, DS) 电透析(electro-dialysis, ED) 纳米膜分离(NF) 亲和过滤(affinity filtration, AF) 渗透气化(pervaporation, PV
1.4 分离膜种类
e.按膜的形态（组件）分类
膜组件 由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件 的容器构成的一个单元称为膜组件。 膜组件的种类
管式膜组件 中空纤维式 平板膜组件 卷式膜组件
管式膜组件
特点： 结构简单、适应性强、压
力损失小、透过量大，清洗、 安装方便、可耐高压，适宜处 理高粘度及稠厚液体。但比表 面积小。适于微滤和超滤。
b.以推动力或传送机制分类 以浓度差为推动力的过程：
透析技术(Dialysis, DS) 以电位差为推动力的过程：
A电透析 B离子交换电透析 以静压力差为推动力的过程： A微滤(microfiltration) B超滤(untrafiltration) C反渗透(reverse osmosis) 以蒸气压差为推动力的过程： A膜蒸馏 B渗透蒸馏