第六章膜分离过程.ppt

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1第六章第六章膜分离膜分离2生物分离过程的一般流程生物分离过程的一般流程原料液原料液细胞分离细胞分离（离心，过滤离心，过滤）细胞胞内产物细胞胞内产物细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离（盐析、萃取、超过滤等盐析、萃取、超过滤等）纯化纯化（层析、电泳层析、电泳）脱盐脱盐（凝胶过滤、超过滤凝胶过滤、超过滤）浓缩浓缩（超过滤超过滤）精制精制（结晶、干燥结晶、干燥）包含体包含体溶解溶解（加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲）复性复性3主要内容主要内容n6.06.0概述概述n6.16.1膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造n6.26.2表征膜性能的参数表征膜性能的参数n6.36.3各种膜分离技术及各种膜分离技术及分离机理分离机理n6.46.4膜两侧溶液传递理膜两侧溶液传递理论论n6.56.5影响膜过滤的各种影响膜过滤的各种因素因素n6.66.6膜污染膜污染n6.76.7膜过滤装置的型式膜过滤装置的型式及其适用范围及其适用范围n6.86.8操作方法操作方法n6.96.9膜分离技术的应用膜分离技术的应用46.0概述人类认识到膜的功能始于人类认识到膜的功能始于17481748年，但膜分离用于为人年，但膜分离用于为人类服务是近几十年的事。

类服务是近几十年的事。

19601960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan首首次制备出具有高透水性和高脱盐率的次制备出具有高透水性和高脱盐率的不对称膜不对称膜，它是，它是膜分离技术发展的一个里程碑。

膜分离技术发展的一个里程碑。

5膜分离技术膜分离技术nn概念：

概念：

概念：

概念：

用半透膜作为选择障碍层，用半透膜作为选择障碍层，利用膜的选利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物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。

中其它组分，从而达到分离目的的技术。

6n1925年以来，差不多每年以来，差不多每10年就有年就有1项新的项新的膜过程在工业上得到应用膜过程在工业上得到应用n30年代年代微滤微滤n40年代年代透析透析n50年代年代电渗析电渗析n60年代年代反渗透反渗透n70年代年代超滤超滤n80年代年代纳滤纳滤n90年代年代渗透汽化渗透汽化概概述述7膜分离的特点膜分离的特点n操作在常温下进行；操作在常温下进行；n是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；n不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；n在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；n浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；n设备易放大，可以分批或连续操作。

设备易放大，可以分批或连续操作。

n因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位概概述述8膜分离技术的重要性膜分离技术的重要性l膜膜分分离离技技术术兼兼具具分分离离、浓浓缩缩和和纯纯化化的的功功能能，又又有有使用简单、易于控制及高效、节能的特点使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选选择择适适当当的的膜膜分分离离技技术术，可可替替代代过过滤滤、沉沉淀淀、萃萃取、吸附取、吸附等多种等多种传统的分离与过滤方法。

传统的分离与过滤方法。

l膜膜分分离离技技术术得得到到各各国国重重视视：

国国际际学学术术界界一一致致认认为为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。

l膜膜分分离离技技术术在在短短短短的的时时间间迅迅速速发发展展起起来来，近近3030年年膜膜分分离离技技术术,已已广广泛泛用用于于食食品品、医医药药、化化工工及及水水处处理理等等各各个个领领域域。

产产生生了了巨巨大大的的经经济济效效益益和和社社会会效效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

概概述述9膜的分类膜的分类nn按按按按孔孔孔孔径径径径大大大大小小小小：

微微微微滤滤滤滤膜膜膜膜、超超超超滤滤滤滤膜膜膜膜、反反反反渗渗渗渗透透透透膜膜膜膜、纳纳纳纳滤膜滤膜滤膜滤膜nn按膜结构：

按膜结构：

按膜结构：

按膜结构：

对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜复合膜复合膜nn按材料分：

按材料分：

按材料分：

按材料分：

合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜n多多孔孔膜膜与与致致密密膜膜：

前前者者微微微微滤滤滤滤膜膜膜膜、超超超超滤滤滤滤膜膜膜膜、纳纳纳纳滤滤滤滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜概概述述10常见膜分离方法常见膜分离方法n按分离粒子大小分类：

按分离粒子大小分类：

透析（透析（DialysisDialysis，DSDS）微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤（超滤（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF）纳滤（纳滤（NanofiltrationNanofiltration，NFNF）反渗透（反渗透（ReverseosmosisReverseosmosis，RORO）电渗析（电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervaporation，PVPV）概述概述11截留分子量：

截留分子量：

微滤微滤0.0210m透析透析3000Dalton几万几万Dalton超滤超滤50nm100nm或或500050万万Dalton纳滤纳滤2001000Dalton或或1nm反渗透反渗透200Dalton12膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离法与物质大小（直径）的关系概述概述RONFUFMFF136.1膜材料与膜的制造14膜材料的特性膜材料的特性nn对于不同种类的膜都有一个基本要求：

对于不同种类的膜都有一个基本要求：

对于不同种类的膜都有一个基本要求：

对于不同种类的膜都有一个基本要求：

耐耐压压：

膜膜孔孔径径小小，要要保保持持高高通通量量就就必必须须施施加加较较高高的的压压力力，一一般般模模操操作作的的压压力力范范围围在在0.10.5MPa，反反渗渗透透膜膜的的压压力力更更高高，约约为为110MPa耐高温耐高温:

高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要15耐耐酸酸碱碱：

防防止止分分离离过过程程中中，以以及及清清洗洗过过程中的水解；程中的水解；化学相容性：

化学相容性：

保持膜的稳定性；保持膜的稳定性；生物相容性：

生物相容性：

防止生物大分子的变性；防止生物大分子的变性；成本低；成本低；16

（一）膜材料按材料分按材料分n天然高分子膜天然高分子膜n合成有机聚合物膜合成有机聚合物膜n无机材料膜无机材料膜17天然高分子膜天然高分子膜n醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。

等。

n其其中中醋醋酸酸纤纤维维膜膜截截盐盐能能力力强强，常常用用作作反反渗渗透透膜膜，也可用作微滤膜和超滤膜。

也可用作微滤膜和超滤膜。

n它它的的最最高高使使用用温温度度和和pHpH范范围围有有限限，一一般般使使用用温温度度低于低于45455050，pH3pH388。

18醋酸纤维特点：

醋酸纤维特点：

n透过速度大透过速度大n截留盐的能力强截留盐的能力强n易于制备易于制备n来源丰富来源丰富n不耐温（不耐温（30）npH范围窄，清洗困难范围窄，清洗困难n与氯作用，寿命降低与氯作用，寿命降低n微生物侵袭微生物侵袭n适合作反渗透膜适合作反渗透膜19合成高分子膜合成高分子膜n聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚烯类以聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚烯类以及含氟聚合物等。

及含氟聚合物等。

按材料种类：

按材料种类：

n任何纤维素酯类任何纤维素酯类-纤维素酯膜纤维素酯膜n缩合系聚合物（聚砜类）缩合系聚合物（聚砜类）n聚烯烃及其共聚物聚烯烃及其共聚物n脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物n全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物n聚碳酸酯聚碳酸酯20聚砜膜的特点n（11）温度范围广）温度范围广n（22）pHpH范围广范围广n（33）耐氯能力强）耐氯能力强n（44）孔径范围宽）孔径范围宽n（5）5）操作压力低操作压力低n（66）适合作超滤膜）适合作超滤膜21芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类u聚酰胺含有酰胺基团（聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-CO-NH-）,亲水性好亲水性好,且其机械稳定性、且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯但同样不耐氯u与醋酸纤维素反渗透膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、压力要求低、pHpH范围广范围广4-114-1122无机材料膜无机材料膜n主要有主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。

等。

n目前实用化的无机膜主要是孔径目前实用化的无机膜主要是孔径0.10.1mm以上的微以上的微滤膜和截留相对分子质量滤膜和截留相对分子质量10kD10kD以上的超滤膜，其以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。

中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。

n多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。

等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。

n无机膜的特点是无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。

剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。

23膜材料膜材料-不同的膜分离技术不同的膜分离技术n透析：

透析：

醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、n微滤膜：

微滤膜：

硝酸硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，n超滤膜：

超滤膜：

聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维n反渗透膜反渗透膜：

醋酸纤维素衍生物，聚酰胺醋酸纤维素衍生物，聚酰胺n纳滤膜：

纳滤膜：

聚电解质聚电解质+聚酰胺、聚醚砜聚酰胺、聚醚砜n电渗析：

电渗析：

离子交换树脂离子交换树脂n渗透蒸发：

渗透蒸发：

弹性态或玻璃态聚合物弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺烯醇、聚丙稀酰胺24

（二）膜的制造膜的制造n要求：

要求：

n（11）透过速度）透过速度n（22）选择性）选择性n（33）机械强度机械强度n（44）稳定性稳定性25相转变制膜相转变制膜n不不对对称称膜膜通通常常用用相相转转变变法法（phase（phaseinversioninversionmethod）method）制造，其步骤如下：

制造，其步骤如下：

n11将高聚物溶于一种溶剂中；将高聚物溶于一种溶剂中；n22将得到溶液浇注成薄膜；将得到溶液浇注成薄膜；n33将将薄薄膜膜浸浸入入沉沉淀淀剂剂（通通常常为为水水或或水水溶溶液液）中中，均均匀匀的的高高聚聚物物溶溶液液分分离离成成两两相相，一一相相为为富富含含高高聚聚物物的的凝凝胶胶，形形成成膜膜的的骨骨架架，而而另另一一相相为为富富含含溶溶剂剂的液相，形成膜中空隙。

的液相，形成膜中空隙。

26276.2表征膜性能的参数28表征膜性能的参数表征膜性能的参数n截断分子量截断分子量n水通量水通量n孔的特征孔的特征npHpH适用范围适用范围n抗压能力抗压能力n对热和溶剂的稳定性等对热和溶剂的稳定性等制造商通常提供这些数据制造商通常提供这些数据291.1.截留率和截断分子量截留率和截断分子量n膜对溶质的截留能