第六章膜分离过程
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第六章 膜分离过程
Membrane separation
第六章膜分离过程
膜分离技术
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。 用半透膜作为选择障碍层，允许某些组 分透过而保留混合物中其它组份，从而 达到分离目的的技术。
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待分离浓缩液；多孔 的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表 面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的 表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为 有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
第六章膜分离过程
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
第六章膜分离过程
膜分离的特点： 浓缩液 无相变、低能耗
高效率、污染小
渗
工艺简单、操作方便
透
液
浓缩与纯化同时进行
进料液
第六章膜分离过程
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子 交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或 富集电解质的膜分离操作。 在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
微滤 (Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随过滤时 间延长，膜面上截流沉积不 溶物，引起水流阻力增大， 透水速率下降，直至微孔全 被堵塞；
第六章膜分离过程
原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
3.超滤（ Ultrafiltration, UF） ：
分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02 μm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可 变化。
反渗透： 定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 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. 1~1 nm之间。
第六章膜分离过程
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
第六章膜分离过程
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
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，截留 直径为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培 养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、 浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热 原，在生物工程中应用最广。
第六章膜分离过程
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。
超滤原理的示意图
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
图1 对称膜
图2 非对称膜
第六章膜分离过程
图3 对称膜
图4 非对称膜
第六章膜分离过程
二、膜分离过程的类型
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。
第六章膜分离过程
膜分离过程的类型
1.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
第六章膜分离过程
6.气体渗透：
第六章膜分离过程
一、膜的简介
定义： 在流体相之间有一层薄的 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。
水 小分子 大分子 料液
膜
渗透液
“21世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色”
“谁掌握了膜技术，谁就 掌握了21世纪的未来”
第六章膜分离过程
膜的用途
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产 物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产 物连续取出，能提高反应速率或提高产 品质量。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
第六章膜分离过程
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
分离方法
反渗透
低温多效
多级闪蒸
能耗(kWh/m3)
3.5
>7
>10
第六章膜分离过程
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
巴黎瓦兹河梅 里市14万立 方米/天的纳 滤厂，每天为 巴黎附近50 万居民提供 14万吨饮用 水
ABiblioteka Baidu
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图 第六章膜分离过程
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质） 两侧压力相等时，在浓度差 作用下，溶剂从溶质浓度低 的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使 水分子透过的推动力。
第六章膜分离过程
透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作 用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用：脱盐，血液透析
特点：以浓差为推动力，膜透 过通量很小，不适于大规模生物 分离过程，多在实验室中应用。
第六章膜分离过程
蛋白质透析
第六章膜分离过程
透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
Membrane separation
第六章膜分离过程
膜分离技术
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。 用半透膜作为选择障碍层，允许某些组 分透过而保留混合物中其它组份，从而 达到分离目的的技术。
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待分离浓缩液；多孔 的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表 面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的 表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为 有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
第六章膜分离过程
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源
膜
传统工业
能源 生态环境
冶金
制药
食 品 化工与石化 电 子
CO2 控制
除尘
洁净燃烧
第六章膜分离过程
膜分离的特点： 浓缩液 无相变、低能耗
高效率、污染小
渗
工艺简单、操作方便
透
液
浓缩与纯化同时进行
进料液
第六章膜分离过程
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子 交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或 富集电解质的膜分离操作。 在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
微滤 (Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随过滤时 间延长，膜面上截流沉积不 溶物，引起水流阻力增大， 透水速率下降，直至微孔全 被堵塞；
第六章膜分离过程
原 料 液
渗 透 液 无 流 动 操 作
3.超滤（ Ultrafiltration, UF） ：
分离介质同上，但孔径更小，为0.001-0.02 μm，分离推动力仍为压力差，截断分子量可 变化。
反渗透： 定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 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. 1~1 nm之间。
第六章膜分离过程
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
第六章膜分离过程
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
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，截留 直径为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培 养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、 浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热 原，在生物工程中应用最广。
第六章膜分离过程
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。
超滤原理的示意图
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
图1 对称膜
图2 非对称膜
第六章膜分离过程
图3 对称膜
图4 非对称膜
第六章膜分离过程
二、膜分离过程的类型
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。
第六章膜分离过程
膜分离过程的类型
1.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
第六章膜分离过程
6.气体渗透：
第六章膜分离过程
一、膜的简介
定义： 在流体相之间有一层薄的 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。
水 小分子 大分子 料液
膜
渗透液
“21世纪的多数工业中， 膜技术扮演着战略的角色”
“谁掌握了膜技术，谁就 掌握了21世纪的未来”
第六章膜分离过程
膜的用途
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因 此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产 物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产 物连续取出，能提高反应速率或提高产 品质量。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
第六章膜分离过程
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
分离方法
反渗透
低温多效
多级闪蒸
能耗(kWh/m3)
3.5
>7
>10
第六章膜分离过程
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
第六章膜分离过程
巴黎瓦兹河梅 里市14万立 方米/天的纳 滤厂，每天为 巴黎附近50 万居民提供 14万吨饮用 水
ABiblioteka Baidu
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图 第六章膜分离过程
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质） 两侧压力相等时，在浓度差 作用下，溶剂从溶质浓度低 的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使 水分子透过的推动力。
第六章膜分离过程
透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作 用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用：脱盐，血液透析
特点：以浓差为推动力，膜透 过通量很小，不适于大规模生物 分离过程，多在实验室中应用。
第六章膜分离过程
蛋白质透析
第六章膜分离过程
透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图