第五节 膜分离与膜分离设备

反渗透超纯水设备
③ MF、UF、NF及RO与分离物质大小的关系
0.1 1nm 10 100 1μm 10 100 1mm
粒径（分离物质）
小分子 蛋白质 病毒 胶粒 细菌 细胞
RO
筛分范围
NF UF
筛分范围 筛分范围
MF 过滤(filtration，F)
筛分范围 筛分范围
⑶渗析与电渗析
①渗析(dialysis，D)
⑴质量通量 如果多孔膜两侧液体的压强相同，但组分的浓度不 同时，则液体中组分将通过膜孔道扩散，不产生液体的 对流流动。如果液体中各组分以不同的速率在孔道内扩 lM 散，则可实现组分间的分离。
CiL
通过膜孔扩散 流体流向
Ci0
假设，原料液是含溶质i的混合物，可依据Fick定律得出组分i通过膜 的质量通量。即：
高新技术。
事实上，膜的选择性分离功能很早就已经被人们有意识或无意识地运 用着。例如，松花蛋的腌制。 自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，正式拉开了膜分离技术 工业化的帷幕。
2.膜分离的两个重要特点
⑴选择性分离
由于膜的结构导致了膜分离具有选
择性分离特点，在很多情况下其选择性 较高。因此，膜分离技术在工业生产运
⑵反渗透 ①反渗透现象 当溶液与纯溶剂被半透膜隔开时，在相同外压条件下，溶剂会通过半 透膜向溶液中渗透；若在原溶液上施加压力（渗透压Π），就会阻止上述 溶剂向溶液中的渗透；若在原溶液上施加压力大于渗透压Π，则溶液中溶 质就会向溶剂方向流动——反渗透。
半透膜 半透膜 半透膜 半透膜
p
溶液 溶剂 p2 p1 溶剂 p2 反渗透
第五节 膜分离与膜分离设备
The film separate and the film separates the equipments
一、膜分离概述 二、膜分离过程 三、多孔膜分离的质量传递 四、膜材料与膜组件
一、膜分离概述
1.膜分离
膜是一种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。 膜分离技术是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一种分离
由此可知，具有选择透过性的膜必然具有半透性，而具有半透性的膜
不一定具有选择性透过，活性的生物膜才具有选择透过性。
2.膜分离过程
如图所示，膜分离过程可简单地描 述为：当原料混合物（液体或气体）与 特定的膜相接触，在能量差（如：压强 差、温度差、浓度差、电位差等）的作 用下，膜允许某些组分渗透过膜，而另 一些物质被拦截，从而达到选择性分离 混合物的目的。 ⑴微滤、超滤与纳滤 微滤、超滤与纳滤都是以压强差为推动
板支撑。
板框式膜组件的抗污染性能较好，操作
方便，易清洗，相对造价较高，常应用于微 滤、超滤、反渗透、渗析等膜分离操作。
HPV系列板框式膜组件
⑵螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件是将平板膜片制成螺旋卷式。组件的中间是多孔支撑 体，两边是膜；其中三条边缘被密封而粘结成“膜袋”，另一个开放边缘 则与多孔的透过物收集管相连接，在膜袋外部再垫一层网眼间隔材料，卷 成膜卷，将其装入圆柱形压力容器内，便形成螺旋卷式组件。 螺旋卷式膜组件抗污染
ClNa+
阳离子 交换膜
- - - Na +
OH-
阳离子透过离子交换膜
离子交换膜电解槽
--- --
Na+
Na+
⑵无机膜
有机膜一般是在较低材质温度下使用（最高不超过 200℃），并要求 待分离的原料流体不与膜发生化学反应。对于在较高材质温度下或原料流 体为化学活性混合物，可采用无机材料制成的分离膜。 常见的无机膜是以金属及其氧化物、陶瓷、多孔玻璃等原料制成。此 类膜的特点是热、机械和化学稳定性好，使用寿命长，污染少且易清洗， 滤孔分布均匀等；但造价较高，易破损。
lM为膜厚(m)
问题： 什么是“通量”？。 传质速度与浓度的乘 积称为传质通量。
(p0 - pL)
n•π•ρ•d4 (p0 - pL) 128μ•IM
注意：上述公式在实际应用中，因为膜孔 并非是圆柱形直孔道，所以需要进行矫正。
流体通过某膜孔的流
动通量可表示为： Ni = u·ρ·A
2.液体通过膜孔扩散
流体流向 p1 通过膜孔的筛分 （定向扩散）
膜 原料流体 渗透流体
力的过程，其分离机理是膜孔对流体中微粒
进行筛分。
p2 渗透流体
p1 > p 2
①微滤(microfiltration，MF) 微滤膜是指孔径在0.1－10μm间，具有筛分、过滤作用的介质，其推 动力是压强差。微滤膜根据其微孔的形状的不同，可分为弯曲孔和柱状孔 两类。 微滤膜具有孔径均匀、过滤精 度高，空隙率高、通量大，厚度较 小、对过滤对象的吸附量较小，无 介质脱落、不会造成二次污染等特 点。在生产中，微滤常用于药物灭 菌、抗生素纯化、饮料的澄清、动 物细胞分离及净水制备等。
三、多孔膜分离的质量传递
流体分子通过膜进行质量传递，其传递机理取决于膜的结构。流体分 子在多孔膜中的传递一般可分为如下四种情况。
流体流向 流体流向 流体流向 流体流向
主体流动
通过膜孔扩散
通过膜孔限定扩散 （筛分）
通过均质膜溶解扩散
在此，我们仅对流体在大孔内的主体流动及液体通过膜孔扩散的质量
传递进行介绍。
聚四氟乙烯微孔膜
构成的分离膜。复合膜的分离作用主要取决于均质活性层。
⑤离子交换膜(ionexchange membrane)
离子交换膜一种膜状的离子交换树脂，它是由基膜和活性离子基团构 成，对溶液中的离子具有选择透过能力。 离子交换膜根据其含活性离子基团的种 类，又可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜 及特殊离子交换膜。
Dei N = (C - CiL) lM i0 式中：Dei为溶质i的有效扩散系数；CiO 、CiL分别为膜孔道内溶质i在
两膜表面的浓度。
⑵有效扩散系数 溶质i的有效扩散应与其分子在溶液中的扩散及膜的孔隙滤成正比关
系。因此，有效扩散系数通常可由下式给出：
Dei ε•Di = Kri τ
式中：Di 为溶质i在溶液中分子的扩散系数；ε为膜的孔隙率；τ 为孔道曲折因子； 为分子直径 dm 与孔径 dp 之比大于0.01时的孔径约束 Kr 因子，可近似地表述为： dm Kri =[1 ]4 dp 现象显著。 当 dm/dp = 1时，Kr = 0，Dei = 0，此时溶质不 扩散，只做限定筛分运动。
流体流向
p0 d
Biblioteka Baidu
pL
ε= n•A = n•(π•d2)/4 圆柱孔的底面积
d
综合上述两式，我们就可得到通过该膜的主体流动通量（质量平均流
速）。即： N = u·ρ·ε ε•ρ•d2 = (p - pL) 32μ•IM 0 = = [n•(π•d2)/4]•ρ•d2 32μ•IM ρ为流体的密度(kg•m-3)
的杂质小分子或离子。
由于渗析过程的推动力是浓度差，必然使得该分离过程速率较低，要
实现快速分离所需的渗析面积必然很大。因此，在工业生产中常见的是电
渗析。
②电渗析(eletrodialysis，ED) 电渗析是以电位差为推动力，利用离 子交换膜的选择透过性，使溶液中的带电
浓缩液 溶剂
阴膜
阳膜
离子选择性地透过交换膜，使带电离子从
金属膜
陶瓷膜
陶瓷膜果酒除菌设备
2.膜组件
将前面所述的各种膜材料加工成各种形状的膜，并用适宜的多孔材料 （如：玻璃纤维、多孔金属等）作为膜的支撑体，则构成膜组件。生产中 常见的膜组件有板框式、螺旋卷式、管式、中空纤维式等膜组件。 ⑴板框式膜组件 典型的板框式膜组件的横截面可以做成
圆形、方形或矩形的，膜为平板膜，用多孔
一液相转移到另一液相的分离过程。
+ 极
+ 进料
- 极
电渗析常用于乳制品的精制，果汁
脱酸精制和提纯，氨基酸、蛋白质、血 清等生化制品的精制和提纯，纯水、高 纯水的制备，海水浓缩制盐等。
电渗析水处理设备
问题讨论与练习
3－11 什么是膜分离？膜分离有什么重要特点？ 3－12 微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析与电渗析等分离过程的推动力各 是什么？
型复合膜（如，疏松型反渗透膜、致密型超滤膜）的问世，受到人们的极
大关注，人们习惯上将此类膜称为纳滤。 纳滤膜的孔径一般在0.001－0.05μm间。纳滤膜在分离过程中，无任
何化学反应、无需加热、无相转变、不会破坏过滤对象的生物活性。
在生产中，纳滤常用于超纯水制备、果汁高度浓缩、多肽和氨基酸分 离、抗生素浓缩与纯化、乳清蛋白浓缩、纳滤膜-生化反应器耦合等。
通过膜孔限定扩散 （筛分） 流体流向
(dm/dp ≤ 1)
当 dm/dp = 0.01时，Kr = 0.96，Dei 较大，扩散
四、膜材料与膜组件
1.膜材料
所谓膜材料是指用于制备分离膜的物质。从当前运用的膜来看，可根 据其材质将其分为有机膜和无机膜两大类。 ⑴有机膜 有机膜是由天然或合成材料聚合物制成的，常称为聚合物膜，是目前 膜分离技术中占主导地位的一大类膜。根据有机膜的结构特点与作用，可 将其分为均质膜、微孔膜、非对称膜、复合膜与离子交换膜等五类。 ①均质膜(dense membrane) 所谓均质膜是指由一种膜材料制成、截面均 匀一致很薄的膜。物质通过此类膜主要是以分子 扩散的方式进行。
溶液
p1
溶剂
p2
溶液 p1
渗透 溶剂 p2
溶液 p1
初始时刻 p1 = p2
渗透平衡
Π ≥ p1 - p2
（渗透压）
Π = p1 - p2
（渗透压）
Π ≤ p1 - p2
（渗透压）
②反渗透(reverse osmosis，RO) 反渗透膜分离技术就是依据反渗透原理进行的分离方法。常见反渗透 膜的孔径一般较小（0.0001－0.001μm）。 反渗透分离技术具有去杂 质范围广、除盐率高，分离装 置简单、易操作、控制及维修 等特点，常用于海水或苦咸水 的脱盐、地表水或地下水的处 理、食品浓缩等。
微滤纯水设备
②超滤(ultrafiltration，UF)
超滤膜是指孔径在0.01－0.1μm间，具有筛分、过滤作用的介质，其
推动力是压强差。 超滤技术在生产中常用于果汁的 澄清、发酵液中疫苗、抗生素的回收 及净水制备等。 ③纳滤(Nanofiltration，NF)
食品超滤设备
二十世纪80年代末，随着人们对制膜技术和制膜方法的改进，一批新
1.大孔内的主体流动
若流体在膜两侧压强差的作用下通过膜孔的流动(主 体流动)，可视为流体在毛细管内的层流。 则，其平均流速可用Hagen-Poiseuille定律表达： L d2 u = (p0 - pL) 32μ•L 此公式适用于牛顿流体在大孔内的层流情况(Re < 2000) 式中：u 为大孔内主体流动的平均流速(m/s)；d 为膜孔径(m)；μ为 流体的粘度(Ps•s)；L 为孔道长度(m)；p0、pL 为膜两侧的压强(Pa)。 若令，流动的垂直方向上，单位膜表面积上含有的孔数为 n；则，膜 的孔隙率为：
半透膜
渗析又称为透析，是一种在浓度差的作用 下，通过粒子的扩散使一种或几种溶质通过半
料液
扩散液
透膜，使其从一液相转移到另一液相的分离过
程。 利用半透膜能透过小分子和离子，但不能 透过胶体粒子等较大的物质。 因此，渗析可用于净化溶胶，除去溶胶中
C1
C2
净化液 接受液 推动力 ΔC = C1 - C2 C1 > C2
醋酸纤维素均质膜
②微孔膜(microporous membrane) 微孔膜是一类孔径在0.1－20μm之间的多孔
膜，膜内含有相互交联的微孔道，孔道曲折。
③非对称膜(anisotropic membrane) 非对称膜的结构特点是膜的断面不对称，它
是由同种材料制成双层结构；一层为致密分离层
（表面活性层），另一层为支撑层。膜的分离作 用主要取决于表面活性层。 ④复合膜(composite membrane) 复合膜是在非对称膜表面覆盖一层0.1－15μm的均质活性层作壁障层
用中具有分离、浓缩、纯化等功能。 ⑵分离过程简单
细胞膜结构
膜分离过程是物理过程，不需加入化学试剂，并且在分离过程中不发
生相变化。因此，膜分离技术具有高效、节能、环保、过程简单及易于控 制等特征。
运用选择性高的膜材料，常常可使一些简单混合物体系的分离、浓缩
及纯化一步完成。
二、膜分离过程
膜分离技术实际上是一种利用半透膜或模拟生物膜作过滤介质的分离 操作。
1.选择性透过膜及半透膜
⑴选择性透过膜 所谓选择性透过膜(selective permeable membrane)是具有活性的生 物膜，它对物质的通过既具有半透膜的性质，还具有主动的选择性。
例如：细胞膜是维持正常细胞所必需的养分的吸收和代谢产物的排出
的屏障。 ⑵半透膜 所谓半透膜(semipermeable membrane)是一种只给某种分子或离子扩 散进出的薄膜，对不同质点的通过具有选择性的薄膜。