第二章 过滤与膜分离技术

1.3 非膜过滤的操作
1.3.1 过滤介质的选择
1) 过滤介质对固体颗粒的捕集能力，这关系到过滤的分离次序 所谓捕集能力就是能截留的最小颗粒尺寸。 捕集能力取决于介质本身的孔隙大小及分布情况。 介质类型 能够截留的最小颗粒（微米） 滤布 天然及合成纤维编织的滤布 10 滤网 金属丝编织网 >5 非织造纤维介质/ 纸（纤维素）/ 纸（玻璃纤维材料）/毛毡 5210 多孔材料 /薄膜 0.005 刚性多孔材料 /陶瓷金属陶瓷 13 松散固体介质/ 硅藻土膨胀珍珠岩 <1
3）按过滤对象分：气体过滤与液体过滤 气体过滤主要是指去除气体中的油、水及其他颗粒杂质； 液体过滤主要是指固液分离，集中在物理过滤领域； 除色和除味很多通过化学处理完成，因此不完全在 我们所指的液体过滤范畴内， 但少量的除色除味工作 可以通过我们活性碳滤袋吸附完成。
第一节 非膜过滤
采用高分子膜以外的材料，如滤纸、滤布、纤维、 多孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质，主要包括粗滤 和部分微滤。
2.1 加压膜分离
以薄膜两边的流体静压力差为推动力的膜分离技术。 在静压力差的作用下，小于孔径的物质穿过膜孔， 大于孔径的颗粒被截留。 分为：微滤、超滤、纳滤、反渗透
微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：
①以膜两侧压力差为推动力；②按体积大小而分离；③膜的制 造方法、结构和操作方式都类似。 微滤、超滤、纳滤、反渗透区别： ① 膜孔径：微滤0.1-10m > 超滤0.01-0.1m > 纳滤0.0010.01m > 反渗透 小于0.001m ② 分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、 纳滤、反渗透为分子级水平的分离； ③ 分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗 透机理是渗透现象的逆过程： ④ 压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.1-0.6 MPa
和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。
纳滤
纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求
及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应 在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发 展而来的。 膜衍化而来。
膜组器于80年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透
纳滤
( NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和 超滤之间的压力驱动膜分离过程。
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。
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 30年代 微滤 40年代 透析 50年代 电渗析 60年代 反渗透 70年代 超滤 80年代 纳滤 90年代 渗透汽化
道南（Donnan）效应：纳滤膜本体带有电荷
2.2 电场膜分离
在半透膜的两侧分别装上正、负电极，在电场作用下， 小分子的带电物质或离子向着与其本身所带电荷相反 的电极移动，透过半透膜，达到分离的目的。 包括电渗析和离子交换膜电渗析
电渗析
电渗析脱盐原理是交替排列着许多阳膜和阴膜， 分隔成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电 场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只 允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许 阴离子通过而把阳离子截留下来。结果这些小室的 一部分变成含离子很少的淡水室，出水称为淡水。 而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水 室，出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩， 水便得到了净化。
主要用于各种细胞和其他大颗粒固形物的分离。 设备简单、操作简便，应用广泛。
分类：粗滤、微滤
1.1 粗滤-过滤
过滤介质截留悬浮液中的物质直径大于2 m， 主要分离：酵母 、霉菌、动植物细胞、培养基 残渣及其他大颗粒。 根据推动力的产生条件不同，有常压过滤、 加压过滤和减压过滤
常压过滤
以液位差为推动力，过滤装置竖立安装。滤纸过滤。 优点：设备简单，操作方便 缺点：速度慢、分离效果差、难大规模使用
纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量
范围约为 300～1000 ，能截留透过超滤膜的那部分 有机小分子，透过无机盐和水。
纳滤膜的特点
纳滤膜的截留率大于95%的最小分子约为１nm,故称
之为纳滤膜。
从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离
层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由 聚电解质构成。
• 中药制剂中有大量的鞣质、蛋白质、淀粉等大分子物质，是 一种胶体溶Βιβλιοθήκη Baidu。这些物质既无药效又难以去除。超滤法可使 透过液澄清透明，大分子杂质全部去除，有效成分透过膜。
6 发酵液的提取及精制
• 发酵液中目的产物浓度低，还含有大量的其他杂质， 而目的产物的耐热、耐pH和耐有机溶剂性差，易变性 失活。
• 传统工艺是溶剂萃取或加热浓缩，反复使用有机溶剂 和酸碱溶液，耗量大，流程长，废水处理任务重。特 别是许多药物热敏性强，使传统工艺受限制。 • 国际先进的制药生产线，大量采用膜分离技术代替传 统的分离、浓缩和纯化工艺。 • 通常直接采用微滤或一级超滤去除大分子物质(菌丝、 蛋白质、病毒、热原)，而小分子代谢产物(包括目的 产物)、盐和水则透过微滤或超滤膜，然后再进一步进 行超滤、纳滤 或反渗透进行纯化和浓缩。
加压过滤
以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力。压滤机 设备简单，速度快，过滤效果好
减压过滤-真空过滤或抽滤
通过在过滤介质下方抽真空，增加过滤介质上下 压力差，推动液体通过过滤介质，截留大颗粒。 真空抽滤机
1.2 微滤-微孔过滤
过滤介质截留悬浮液中的物质直径0.2-2 m。 主要分离：细菌、灰尘等光学显微镜可以看到 的物质颗粒分离。 过滤介质：微孔陶瓷、烧结金属
膜分离的特点
• • • • • • • ①操作在常温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高； ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位
膜分离的分类
根据物质颗粒或分子通过滤膜的原理和推动力的不同， 分为加压膜分离、电场膜分离和扩散膜分离
5)材料的物理,机械性能：材料的物理,机械性能包括吸湿性, 耐磨性,机械强度,伸延率等,均影响介质的过滤性能及使用寿命。
1.3.2 助滤剂的选择
加快速度，提高分离效果/常用的有硅藻土、活性炭、珍珠岩
1.3.3 过滤条件的选择
压力差、混合液的黏度与浓度、温度、PH等
第二节 膜分离技术
• 概念：用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物 中其它组分，从而达到分离目的的技术。
2)渗透率：反映了它对滤液流动的阻力,它影响过滤机的生产强度 和过滤推动力---压强差 ，与介质本身的孔隙率有关
3)卸渣和清洗再生性能： 卸渣能力就是指过滤结束后能利用 滤饼自身策略或压缩空气吹除,机械刮除等措施把滤饼从 介质表面除净的能力；再生性能主要取决于过滤介质的 构成材料和纺织、加工方法(制造工艺)。
医药针剂用水是采用多级蒸馏制备的，其工艺繁琐、 能耗高、而且质量常常得不到保证。用膜技术除针剂 热源，取得很好效果。
2、膜技术在各种工业生产中的应用 凡涉及分子级的浓缩和分离的过程，都有膜技术应用的机 会。汽车电泳漆的在线纯化采用超滤膜除去杂质；燃料工 业用超滤膜技术分离和浓缩中间体。 3、在环境保护和废水的应用 膜技术在废水处理（印染、影印、电镀、造纸）得到广泛 应用。在许多情况下，不仅处理了废水，保护环境，还能 回收有用物质。 4、膜技术在食品领域的应用 酱油、醋、果汁澄清和浓缩、乳制品生产、制糖工业、食 用菜籽油的纯化都采用了膜技术。
4)化学稳定性能： 由于过滤过程所处理的物料多种多样, 它们的化学性质各不相同。有酸性,碱性,强氧化性,有机溶剂等, 而且都在一定的温度下过滤。这就要求所选用的过滤介质结构 材料能在被处理的物料中具有良好的化学稳定性,耐化学腐蚀, 耐温度变化,耐微生物作用。 一般而言,聚丙烯纤维具有良好的耐酸性，耐碱性和耐氧化剂 作用,聚乙稀纤维在室温下对酸,碱溶液具有稳定性,涤纶材料具有 良好的耐酸性。
第二章 过滤与膜分离技术
定义：借助过滤介质将不同大小、不同形状的物质 分离的技术。 介质：滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属 和各种高分子膜 1)根据过滤介质截留颗粒大小： 粗滤、 微滤、 超滤和反渗透 > 2µ m - 0.2µm
。
- 20A <
2）按过滤过程中杂质性质的变化:物理过滤和化学过滤 袋式过滤系统属于物理过滤方式， 是一种清除液体中固体或胶状颗粒的死端过滤方法。
微滤
以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用 筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的 操作。操作压力0.05-0.5MPa。
• 微滤应用 1) 除去水/溶液中的细菌和其它微粒； 2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白 质等多种溶液中的菌体； 3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的 悬浊物、微生物和异味杂质。
电渗析法的应用 目前，电渗析法在废水处理实践中应用最普遍的有： (1)处理碱法造纸废液，从浓液中回收碱，从淡液中回收 木质索； (2)从含金属离子的废水中分离和浓缩金属离子，然后对 浓缩液进一步 处理或回收利用 (3)从放射性废水中分离放射性元素； (4)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠； (5)从酸洗废液中制取硫酸及沉积重金属离子； (6)处理电镀废水和废液等，含Cu2+、Zn2+、Cr(Ⅳ)、Ni2+等 金属离子的废水都适宜用电渗析法处理，共中应用较广泛的 是从镀镍废液中回收镍，许多工厂实践表明，用这种方法可 以实现闭路循环。
5 膜分离技术在制药工业中的应用
• 应用现代分离工艺是提高制药工业经济效益或减少投资的重 要途径。 • 膜分离过程通常在常温下操作无相变，能耗低，特别适用于 处理制药工业的热敏性物质。因此，制药工业正在越来越多 地使用膜分离技术。 • 如血液制备的分离、抗菌素、维生素、氨基酸生产和干扰素 的纯化、蛋白质的分级和纯化、中草药剂的除菌和澄清等。
超滤
是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质 进行分离的物理筛分过程。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。
超滤应用
• 超滤从70年代起步， 90年代获得广泛应用, 已成为应用领域最广的技术。 蛋白、酶、DNA的浓缩 脱盐/纯化 梯度分离（相差10倍） 清洗细胞、纯化病毒 除病毒、热源
反渗透法
• 反渗透法对分子量>300的电解质、非电解质都可有效的除 去，其中分子量在100～300之间的去除率为90％以上。
反渗透工业应用包括： 海水和苦咸水脱盐制饮用水； 制备医药、化学工业中所需的超纯水； 用于处理重金属废水 用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改变风味、 香味。包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀
膜分离技术的应用:
•膜分离技术目前已经广泛应用于各 个工业领域，并已使海水淡化，乳品 加工等多种传统的生产面貌发生了根 本性的变化。
•膜分离技术已经形成了一个相当规 模的工业技术体系。
膜技术的应用领域
1、海水淡化、高质量饮用水、工业供水、医药用水
采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水， 设备投资少，成本低，是优质饮用水制备的经济有效 方法。
反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子 物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5-10.5MPa，截留组分为小分子物质。
反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透
渗透和反渗透
能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作
压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差 比用反渗透膜低0.5～3 MPa，因此纳滤又被称作 “低压反渗透”或“疏松反渗透”( Loose RO )。
纳米膜的分离机理
筛分：对Na+和Cl等单价离子的截留率较低， 但对Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，对色素、染 料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２001000）物质可进行分级分离，实现高相对分子 量和低相对分子量有机物的分离， 性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的 截留率。 低压力下仍具有较高脱盐性能； 分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子 （短肽、氨基酸、抗生素）。