膜分离技术

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反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，
操作压力为 2～100MPa。 用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透 膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶 质分子。
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制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香
族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚
醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。
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超滤技术
1. 超滤和超滤膜的特点
超滤技术始于 1861 年，其过滤粒径介于微滤和
反渗透之间，约5～10 nm，在 0.1～0.5 MPa 的静压
差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质
、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体，形成
浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。
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超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理
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膜分离过程的分类和基本特性
膜分离过程 以选择性透过膜为分离介质。当膜两侧存在某种推动 力（如压力差、浓度差、电位差等）时，料液组分选择性 地透过膜，以达到分离、提纯目的。 反渗透、超滤、微滤和电渗析为四大已开发应用的膜分离 技术，有大规模的工业应用和市场。其中反渗透、超滤、 微滤相当于过滤技术，用于分离含溶解的溶质或悬浮微粒 的液体。电渗析用的是荷电膜，在电场的推动下，用于从 水溶液中脱出离子，主要用于苦咸水的脱盐。
于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、
管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤
维式组件也可以分为内压式和外压式两种。
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(1)、板框式(Plate-and-Frame)膜组件
板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于
常规的板框过滤装臵, 膜被放臵在可垫有滤纸的多孔
的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液
反渗透 0.0001—0.001 μ m 纳滤 0.001 μ m以上 超滤 0.001---0.02 μ m 微孔过滤 0.02---10 μ m 过滤
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膜的分类
1. 按膜的材料分类
表1 膜材料的分类
类别
纤维素酯类
膜材料
纤维素衍生物 类 聚砜类 聚酰(亚)胺类
举 例
醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺 等
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（3）汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。汽
车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1％～2
％的涂料（高分子物质），用超滤装臵可分离出清
水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于
电泳涂装。
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（4）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技术 可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁 和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操 作方便，成本较低。 （5）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分 离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。 （6）造纸厂的废水处理。
膜分离技术
1
膜分离过程的特点和分类 共同特点：
（1）无相变发生，能耗低； （2）一般无需从外界加入其他物质，节约资源，保护环境； （3）可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行，从而大大 提高效率； （4）常温常压下进行，特别适用于热敏性物质的分离、浓缩； （5）不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物或无机 物的分离，而且还适用于特殊溶液体系的分离如共沸物的 分离； （6）膜组件简单，可实现连续操作，易控制、易放大。 不足：膜强度较差，使用寿命不长，易于污染
非纤维素酯 类
聚酯、烯烃类
含氟(硅)类 其他
涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等
聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧 烷等 壳聚糖，聚电解质等
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2. 按膜的分离原理及适用范围分类
根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将
其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗
析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。
3. 按膜的形态分类 按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管 式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜(Hollow Fiber)。
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微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm 左右，过滤粒径在0.025～10μm之间，操作压在 0.01～0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔 膜约有13类，总计400多种。
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微孔膜的主要优点为： ① 孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大 于制定孔径的微粒全部截留； ② 孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为 107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由 于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快
渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。
无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联
或并联装臵。
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(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,然后将其装入能承受压力的外
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RO
UF
MF
F
MW
<350
1000~30000
0.0025~10um
>1um
蛋白质 细菌
NF正好介于UF和RO之间，截留分子量大概在300 - 1000。
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微孔过滤技术
1. 微孔过滤和微孔膜的特点
微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静
压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的 “筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔 过滤的膜称为微孔膜。
微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用： （1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、 食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气 净化和除菌等。 （2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细 菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。
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（3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、
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渗透和反渗透的原理如下图所示。
图4 渗透与反渗透原理示意图
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如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透
膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过
半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁
移，这一现象称渗透（图4a）。这一过程的推动力
是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化
学位之差，表现为水的渗透压。
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制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯
腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的
材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 3～8，三醋
酸纤维素超滤膜适用于pH = 2～9，芳香聚酰胺超滤
膜适用于pH = 5～9，温度0～40℃，而聚醚砜超滤
膜的使用温度则可超过100℃。
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超滤膜技术应用领域 超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处 理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和 阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业 废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。
应用领域：
化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域。所占 百分比：微滤35.71%, 反渗透13.04%, 超滤19.10%, 电渗析 3 13.03%; 气体分离9.32%; 血液渗析17.70%; 其他1.71%。
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压力过滤的分离范围
0.0004---0.02μ m ---10 μ m ----1000 μ m 离子 大分子 颗粒
为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微
孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸 和形状决定膜的分离效率。 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、 管式和中空纤维状等。
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超滤膜的结构一般由三层结构组成。
即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为
0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；
流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或
串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流
道的结构上。
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特点： 比表面积大， 易于更换膜， 适于微滤、超 滤。
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பைடு நூலகம்
(2)、管式(Tubular)膜组件 管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜 组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维 增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的 渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇 铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,
用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药
品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等
不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出
的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸
体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破
坏和变性。
许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的
过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。
纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微
小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。
（4）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、 黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类 中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和 酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操 作，不会使酒类产品变味。
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（5）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采
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超滤膜截留分子量的确定
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反渗透技术
1. 反渗透原理及反渗透膜的特点
渗透是自然界一种常见的现象。人类很早以前
就已经自觉或不自觉地使用渗透或反渗透分离物
质。目前，反渗透技术已经发展成为一种普遍使用
的现代分离技术。在海水和苦咸水的脱盐淡化、超
纯水制备、废水处理等方面，反渗透技术有其他方
法不可比拟的优势。
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。
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(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
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随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高， 压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两 侧的压力差就称为渗透压（图4b）。渗透过程达到
平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。
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如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液 侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度 水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧， 这一过程就称为反渗透（图4c）。
反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有
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超滤技术主要用于含分子量500～500,000的微粒
溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，
它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主
要可归纳为以下方面。
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（1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、
病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电
子工业超净水和医用无菌水等。 （2）食品工业中的废水处理。在牛奶加工厂中用超 滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。
中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一
般为1～10μm；
最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有
50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高
膜的机械强度。
膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。
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中空纤维状超滤膜的外径为0.5～2μm。特点是 直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受 较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜 的内表面积很大，能有效提高渗透通量。
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。
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典型的膜分离技术及应用领域
典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤 (UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、 电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发( PV)等， 下面分别介绍之。
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4. 按膜的结构分类
按膜的结构分为：
对称膜(Symmetric Membrane)
非对称膜(Asymmetric Membrane)
复合膜(Composite Membrane)
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膜分离装臵
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膜组件(Membrane Module)
将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装 成的一个单元称为膜组件。膜组件的结构及型式取决
几十倍；
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③ 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～ 150μm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。 ④ 无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料， 过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的 滤液。
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微孔膜的缺点：
① 颗粒容量较小，易被堵塞；
② 使用时必须有前道过滤的配合，否则
无法正常工作。
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