第九章膜分離法

1、第九章膜分離法(membrane separation) l膜分離技術(shù)已被國際上公認(rèn)為膜分離技術(shù)已被國際上公認(rèn)為2020世紀(jì)末至世紀(jì)末至2121世世紀(jì)中期最有發(fā)展前途、甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革紀(jì)中期最有發(fā)展前途、甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革命的重大生產(chǎn)技術(shù)，所以可稱為前沿技術(shù)，是命的重大生產(chǎn)技術(shù)，所以可稱為前沿技術(shù)，是世界各國研究的熱點(diǎn)。世界各國研究的熱點(diǎn)。l如果將如果將2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代初視為現(xiàn)代高分子膜分離年代初視為現(xiàn)代高分子膜分離技術(shù)研究的起點(diǎn)，截止現(xiàn)在，其發(fā)展致可分為技術(shù)研究的起點(diǎn)，截止現(xiàn)在，其發(fā)展致可分為三個(gè)階段：三個(gè)階段：5050年代為奠定基礎(chǔ)階段；年代為奠定基礎(chǔ)階段；6060年年代

2、和代和7070年代為發(fā)展階段，年代為發(fā)展階段， 80 80年代至今為發(fā)年代至今為發(fā)展深化階段。展深化階段。l目前，研制和開發(fā)出的分離膜及應(yīng)用技術(shù)有：目前，研制和開發(fā)出的分離膜及應(yīng)用技術(shù)有：膜分離技術(shù)的特點(diǎn)膜分離技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :1)1)、能耗低。膜分離不涉及相變，對(duì)能量要求低，與蒸餾、能耗低。膜分離不涉及相變，對(duì)能量要求低，與蒸餾、結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；2)2)、分離條件溫和，對(duì)于熱敏感物質(zhì)的分離很重要；、分離條件溫和，對(duì)于熱敏感物質(zhì)的分離很重要；3)3)、操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動(dòng)化。、操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動(dòng)化。缺點(diǎn)缺點(diǎn)

3、1)1)、膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相、膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；適應(yīng)的膜面清洗方法；2)2)、穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范、穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；圍有限；3)3)、單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與氣他分離技術(shù)連用。、單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與氣他分離技術(shù)連用。物質(zhì)的識(shí)別與透過：是使混合物中各組分之間實(shí)現(xiàn)分離物質(zhì)的識(shí)別與透過：是使混合物中各組分之間實(shí)現(xiàn)分離的內(nèi)在因素；的內(nèi)在因素；作為界面：膜將透過液和保留液作為界面：膜將透過液和保留液( (料液料液) )分為互不混合的分為互不混

4、合的兩相；兩相；作為反應(yīng)場：膜表面從孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相作為反應(yīng)場：膜表面從孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團(tuán)，互作用能力的官能團(tuán)，通過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性通過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性和分離速度。生物分離過程中采用的膜分離法主要是利用和分離速度。生物分離過程中采用的膜分離法主要是利用物質(zhì)之間透過性的差別，而膜材料上固定特殊活性基團(tuán)，物質(zhì)之間透過性的差別，而膜材料上固定特殊活性基團(tuán)，使溶質(zhì)與膜材料發(fā)生某種相互作用來提高膜分離性能的功使溶質(zhì)與膜材料發(fā)生某種相互作用來提高膜分離性能的功能膜研究也很多，代表了膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。能膜

5、研究也很多，代表了膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。膜在分離過程中具有如下功能膜在分離過程中具有如下功能膜分離技術(shù)的類型膜分離技術(shù)的類型以推動(dòng)力的過程分類以推動(dòng)力的過程分類以靜壓力差為推動(dòng)力的過程：A、微濾(microfiltration)，B、超濾(untrafiltration)，C、反滲透(reverse osmosis)以濃度差為推動(dòng)力的過程：A、透析技術(shù)(Dialysis, DS)以電場力為推動(dòng)力的過程：A、電透析，B、離子交換電滲析 以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過程：A、膜蒸餾，B、滲透蒸發(fā)以分離應(yīng)用領(lǐng)域過程分類以分離應(yīng)用領(lǐng)域過程分類微濾(micro-filtration, MF)超濾(untra-f

6、iltration, UF)反滲透(reverse osmosis, RO)透析(Dialysis, DS)電滲析(electro-dialysis, ED)納米膜分離(Selective, RO)親和過濾(affinity filtration, AF)滲透氣化(pervaporation, PV)第一節(jié)分類和定義第一節(jié)分類和定義膜分離過程可以認(rèn)為是一種物質(zhì)被透過或被截留于膜的膜分離過程可以認(rèn)為是一種物質(zhì)被透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達(dá)到物過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故可按分離粒子或分子的質(zhì)分離的目的，故可按分離粒子或分子的大

7、小大小予以分類予以分類膜分離法與物質(zhì)大小的關(guān)系0.5 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)0.5 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 反滲透反滲透 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 納濾納濾25010001000,000Da的大分子 體積大小 超濾超濾5010000 0.0510m的固體粒子 體積大小 微濾微濾10000固體粒子 體積大小 粒子過濾粒子過濾孔徑/nm分離對(duì)象 分離機(jī)理 膜過程各種膜分離范圍各種膜分離范圍膜分離過程膜分離過程 (membrane separation)一、以一、以靜壓力差靜壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程為推動(dòng)力的膜分離過程(1)(1)微濾微濾

8、特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他在在“微米級(jí)微米級(jí)”范圍的粒子如范圍的粒子如DNADNA和病毒等的截留和濃縮。和病毒等的截留和濃縮。(2)(2)超濾超濾 適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，如在溶適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)( (親和超濾親和超濾) )、多糖、抗生、多糖、抗生素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理膠體懸浮液。素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理膠體懸浮液。(3)(3)反滲透反滲透 海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離溶劑如海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)

9、酵液中分離溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等。乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等。1、反滲透反滲透如圖所示，一個(gè)容器中間用一張如圖所示，一個(gè)容器中間用一張可透過溶劑可透過溶劑( (水水) )，但不能透過溶，但不能透過溶質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和含溶質(zhì)的水溶液。若膜兩側(cè)壓和含溶質(zhì)的水溶液。若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低劑的水分子從溶質(zhì)濃度低( (水濃度水濃度高高) )的一側(cè)的一側(cè)( (A A側(cè)，純水側(cè)，純水) )向濃度高向濃度高的一側(cè)的一側(cè)( (B B側(cè)，水溶液側(cè)，水溶液) )透過，這種透

10、過，這種現(xiàn)象稱為滲透?，F(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推動(dòng)力稱為滲促使水分子透過的推動(dòng)力稱為滲透壓透壓。當(dāng)當(dāng)B B側(cè)與側(cè)與A A側(cè)之間的壓差等側(cè)之間的壓差等于滲透壓時(shí)，兩側(cè)的化學(xué)位相等于滲透壓時(shí)，兩側(cè)的化學(xué)位相等達(dá)到平衡狀態(tài)。達(dá)到平衡狀態(tài)。溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。反滲透反滲透如果欲使如果欲使B B側(cè)溶液中的溶劑側(cè)溶液中的溶劑( (水水) )透透過到過到A A側(cè)，在側(cè)，在B B側(cè)所施加的壓力必側(cè)所施加的壓力必須大于此滲透壓，這種操作稱為須大于此滲透壓，這種操作稱為反滲透反滲透。一般反滲透的操作壓力常達(dá)到幾一般反滲透的操作壓力常達(dá)到幾十個(gè)大氣壓。十個(gè)大氣壓。RORO膜無明顯

11、的孔道膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)，其透過機(jī)理尚不十分清楚結(jié)構(gòu)，其透過機(jī)理尚不十分清楚。目前多采用熱力學(xué)方法解釋。目前多采用熱力學(xué)方法解釋RORO膜的透過機(jī)理，而不考慮膜的結(jié)膜的透過機(jī)理，而不考慮膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴(kuò)散模型構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴(kuò)散模型簡單實(shí)用。該模型假設(shè)溶劑或溶簡單實(shí)用。該模型假設(shè)溶劑或溶質(zhì)首先溶解在膜中，然后擴(kuò)散通質(zhì)首先溶解在膜中，然后擴(kuò)散通過過RORO膜膜。反滲透反滲透(RO) 意義：意義：A A、膜的選擇性。膜的選擇性。B B、壓力的選擇性。壓力越高，透過液中溶質(zhì)的濃度越低壓力的選擇性。壓力越高，透過液中溶質(zhì)的濃度越低。因此，提高反滲透的壓力有利于實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮，因此，提高

12、反滲透的壓力有利于實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮，或提高海水淡化質(zhì)量。或提高海水淡化質(zhì)量。 應(yīng)用：應(yīng)用：A A、海水淡化，海水淡化，B B、超純水制備，超純水制備，C C、抗生素和氨基酸等濃縮，抗生素和氨基酸等濃縮，D D、回收有機(jī)溶劑，如乙醇、丁醇和丙醇等?；厥沼袡C(jī)溶劑，如乙醇、丁醇和丙醇等。反滲透膜與裝置反滲透膜與裝置 與與RORO膜一樣，超濾膜一樣，超濾( (UF)UF)和微濾和微濾( (MF)MF)都是利用膜的篩都是利用膜的篩分性質(zhì)，以分性質(zhì)，以壓差壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力。但與為傳質(zhì)推動(dòng)力。但與RORO膜相比，膜相比，UFUF膜膜和和MFMF膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截留高分子溶膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)

13、，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒。質(zhì)或固體微粒。 UF UF膜的孔徑較膜的孔徑較MFMF膜小，主要用于處理不含固形成分膜小，主要用于處理不含固形成分的料液，其中相對(duì)分子質(zhì)量較小的溶質(zhì)和水分透過膜，的料液，其中相對(duì)分子質(zhì)量較小的溶質(zhì)和水分透過膜，而相對(duì)分子質(zhì)量較大的溶質(zhì)被截留。因此，超濾是根而相對(duì)分子質(zhì)量較大的溶質(zhì)被截留。因此，超濾是根據(jù)高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子溶質(zhì)之間相對(duì)分據(jù)高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子溶質(zhì)之間相對(duì)分子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的方法。子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的方法。 超濾過程中，膜兩側(cè)滲透壓差較小，所以操作壓力超濾過程中，膜兩側(cè)滲透壓差較小，所以操作壓力比反滲透操作低，一般為比

14、反滲透操作低，一般為0.10.11.0MPa1.0MPa。2 、超濾和微濾圖大致給出了圖大致給出了RORO、UFUF和和MFMF等膜分離法與物質(zhì)尺寸之間的等膜分離法與物質(zhì)尺寸之間的關(guān)系。關(guān)系?？梢钥闯觯梢钥闯?，RORO法適用于法適用于1nm1nm以下小分子的濃縮；以下小分子的濃縮；UFUF法適用于分離或濃縮直徑法適用于分離或濃縮直徑1 15050nmnm的生物大分子的生物大分子( (蛋白蛋白質(zhì)、病毒等質(zhì)、病毒等) )；MFMF法適用于細(xì)胞、細(xì)菌和微粒子的分離，目標(biāo)物質(zhì)的大法適用于細(xì)胞、細(xì)菌和微粒子的分離，目標(biāo)物質(zhì)的大小范圍為小范圍為0.10.11010mm 。微濾微濾(MF)原理：篩分，同一

15、般過濾有很大重疊。原理：篩分，同一般過濾有很大重疊。操作：同一般過濾。操作：同一般過濾。由于膜孔徑較大，由于膜孔徑較大，膜兩側(cè)的滲透壓膜兩側(cè)的滲透壓可忽略，操作壓在可忽略，操作壓在0.05-0.5Mpa0.05-0.5Mpa。用途：除去用途：除去0.1um0.1um10um10um的顆粒，用于細(xì)胞、細(xì)菌、細(xì)的顆粒，用于細(xì)胞、細(xì)菌、細(xì)胞器的分離。胞器的分離。超濾超濾(UF)原理：原理：篩分操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。膜兩側(cè)的滲操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。膜兩側(cè)的滲透壓很小，操作壓在透壓很小，操作壓在0.1-1.0MPa0.1-1.0MPa。應(yīng)用：應(yīng)用：A A、高分子溶質(zhì)之

16、間，以及高分子與小分子溶質(zhì)之高分子溶質(zhì)之間，以及高分子與小分子溶質(zhì)之間的分離；間的分離；B B、ProPro濃縮，濃縮，C C、病毒的分離和富積，病毒的分離和富積，C C、回收細(xì)胞，處理膠體懸浮液?；厥占?xì)胞，處理膠體懸浮液。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：A A、消除了濾餅的阻力，過濾效率高；消除了濾餅的阻力，過濾效率高；B B、超濾回收超濾回收率高；率高；C C、濾液的質(zhì)量好濾液的質(zhì)量好；D D、減少處理步驟減少處理步驟超濾膜裝置超濾膜裝置. .納濾膜分離技術(shù)的特點(diǎn)納濾膜分離技術(shù)的特點(diǎn)l2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代末期，隨著新的制膜方法（如界面聚合法）年代末期，隨著新的制膜方法（如界面聚合法）的出現(xiàn)和制膜工藝的

17、不斷改進(jìn)，一批新型復(fù)合膜的出現(xiàn)和制膜工藝的不斷改進(jìn)，一批新型復(fù)合膜（疏松（疏松型反滲透膜和致密型超濾膜）型反滲透膜和致密型超濾膜）得以問世，并受到人們的得以問世，并受到人們的極大關(guān)注，現(xiàn)在人們習(xí)慣上將該類膜稱為納濾極大關(guān)注，現(xiàn)在人們習(xí)慣上將該類膜稱為納濾（nanofiltration,NFnanofiltration,NF）膜。）膜。l作為一種新型分離技術(shù)，納濾在其分離應(yīng)用中表現(xiàn)出兩作為一種新型分離技術(shù)，納濾在其分離應(yīng)用中表現(xiàn)出兩個(gè)顯著特征：個(gè)顯著特征：l其截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，為其截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，為20020020002000；l納濾膜對(duì)無機(jī)鹽有一定的截留率

18、，因?yàn)樗谋砻鎸佑杉{濾膜對(duì)無機(jī)鹽有一定的截留率，因?yàn)樗谋砻鎸佑删垭娊赓|(zhì)所構(gòu)成，對(duì)離子有靜電相互作用。聚電解質(zhì)所構(gòu)成，對(duì)離子有靜電相互作用。納濾納濾l從結(jié)構(gòu)上看納濾膜大多是復(fù)合膜，即膜的表面分從結(jié)構(gòu)上看納濾膜大多是復(fù)合膜，即膜的表面分離層和它的支撐層的化學(xué)組成不同。離層和它的支撐層的化學(xué)組成不同。l根據(jù)其第一個(gè)特征，推測納濾膜的表面分離層可根據(jù)其第一個(gè)特征，推測納濾膜的表面分離層可能擁有能擁有nmnm左右的微孔結(jié)構(gòu)，故稱左右的微孔結(jié)構(gòu)，故稱“納濾納濾”。l由于其截留率大于由于其截留率大于95%95%的最小分子約為的最小分子約為nm,nm,故稱故稱之為納濾膜。之為納濾膜。肽和氨基酸的分離肽和氨基

19、酸的分離l. .道南（道南（DonnanDonnan）效應(yīng)）效應(yīng)l離子和荷電膜之間的作用即相同電荷排斥而相反電離子和荷電膜之間的作用即相同電荷排斥而相反電荷吸引的作用。荷吸引的作用。l氨基酸和多肽帶有如氨基酸和多肽帶有如羧基羧基或或氨基氨基等離子官能團(tuán)，在等離子官能團(tuán)，在等電點(diǎn)時(shí)是中性的，當(dāng)高于或低于等電點(diǎn)時(shí)帶負(fù)電等電點(diǎn)時(shí)是中性的，當(dāng)高于或低于等電點(diǎn)時(shí)帶負(fù)電荷或正電荷。由于一些納濾膜帶有靜電官能團(tuán)，基荷或正電荷。由于一些納濾膜帶有靜電官能團(tuán)，基于靜電相互作用，對(duì)離子有一定的截留率，可用于于靜電相互作用，對(duì)離子有一定的截留率，可用于分離氨基酸和多肽。分離氨基酸和多肽。納濾膜截留氨基酸與多肽機(jī)理示

20、意圖納濾膜截留氨基酸與多肽機(jī)理示意圖納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些問題納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些問題l納濾膜由于截留分子量介于超濾與反滲透之間，納濾膜由于截留分子量介于超濾與反滲透之間，同時(shí)還存在同時(shí)還存在DonnanDonnan效應(yīng)，因此對(duì)低分子量有機(jī)物效應(yīng)，因此對(duì)低分子量有機(jī)物和鹽的分離有很好的效果，并具有不影響分離物和鹽的分離有很好的效果，并具有不影響分離物質(zhì)的生物活性、節(jié)能、無公害等特點(diǎn)，在食品工質(zhì)的生物活性、節(jié)能、無公害等特點(diǎn)，在食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、制藥工業(yè)、乳品工業(yè)等行業(yè)越來業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、制藥工業(yè)、乳品工業(yè)等行業(yè)越來越廣泛的運(yùn)用。越廣泛的運(yùn)用。l納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些問題納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些

21、問題l膜污染問題膜污染問題l為滿足食品和醫(yī)藥行業(yè)對(duì)衛(wèi)生的要求膜要經(jīng)常為滿足食品和醫(yī)藥行業(yè)對(duì)衛(wèi)生的要求膜要經(jīng)常的殺菌、清洗等處理。的殺菌、清洗等處理。微濾、超濾、納濾和反滲透微濾、超濾、納濾和反滲透膜的分類與物性膜的分類與物性反滲透反滲透納濾納濾超超濾濾微濾微濾單價(jià)鹽單價(jià)鹽不游離酸不游離酸水水懸浮粒子懸浮粒子大分子大分子糖糖二價(jià)鹽二價(jià)鹽游離酸游離酸二、以二、以濃度差濃度差為推動(dòng)力的膜分離過程為推動(dòng)力的膜分離過程透析是一種重要的、以濃度差為推動(dòng)力的膜分離過程，透析是一種重要的、以濃度差為推動(dòng)力的膜分離過程，它最主要的應(yīng)用是血液它最主要的應(yīng)用是血液( (人工腎人工腎) )的解毒，也用在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的解

22、毒，也用在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的酶的純化上。的酶的純化上。如圖所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的如圖所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液( (左側(cè)左側(cè)) )與與純水或緩沖液純水或緩沖液( (右側(cè)右側(cè)) )分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)( (例如無機(jī)鹽例如無機(jī)鹽) )透向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。透向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。透析原理透析原理透析透析

23、圖所示的透析操作中，通常圖所示的透析操作中，通常將右側(cè)純水或緩沖液稱為透將右側(cè)純水或緩沖液稱為透析液，所用親水膜稱為透析析液，所用親水膜稱為透析膜。透析過程中透析膜內(nèi)無膜。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。式移動(dòng)。 透析膜一般為孔徑透析膜一般為孔徑510nm的親水膜，例如纖維素的親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。 生化實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的透析袋直徑為生化實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的透析袋直徑為580 mm，將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一定時(shí)將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一定時(shí)間后即可完成透析，必要時(shí)

24、需更換透析液。處理量較大間后即可完成透析，必要時(shí)需更換透析液。處理量較大時(shí)，為提高透析速度，常使用比表面積較大的中空纖維時(shí)，為提高透析速度，常使用比表面積較大的中空纖維透析裝置。透析裝置。 透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫鹽脫鹽。 由于透析過程以由于透析過程以濃差濃差為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過通量為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。較多。透析透析(DS)原理：原理：濃差擴(kuò)散操

25、作：操作：用途用途：A、人工腎，腹膜透析；B、樣品脫電解質(zhì)；C、濃縮富積；D、氣體分離(利用透析袋對(duì)不同氣體的通透性)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：A、方法和設(shè)備簡單，價(jià)格低廉；B、實(shí)驗(yàn)室最常用的樣品脫鹽方法缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：A、透析的速度緩慢；B、溶質(zhì)稀釋。三、以三、以電位差電位差為推動(dòng)力的膜分離過程為推動(dòng)力的膜分離過程（1 1）電透析）電透析(Electro-dialysis, ED)(Electro-dialysis, ED)在透析的基礎(chǔ)上加上在透析的基礎(chǔ)上加上直流電，極大加快離子的透析速度。直流電，極大加快離子的透析速度。（2 2）離子交換膜電滲析）離子交換膜電滲析( (EDTM)EDTM)，簡稱電滲析，是一

26、個(gè)膜分簡稱電滲析，是一個(gè)膜分離過程，在該過程中，離子在電勢的驅(qū)動(dòng)下，通過選擇性離過程，在該過程中，離子在電勢的驅(qū)動(dòng)下，通過選擇性滲透膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。滲透膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。電透析電透析(ED，IEED)電透析電透析(Electro-dialysis, ED)原理原理：在透析的基礎(chǔ)上加上直流電，極大加快離子的透析速度。操作：操作： 用途：用途：樣品快速脫鹽。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：A、設(shè)備簡單，B、透析速度極快（提高幾十倍），C、電流直接指示電透析終點(diǎn)，D、減輕溶質(zhì)的稀釋。終點(diǎn)判斷：終點(diǎn)判斷：A、Cl- + Ag+ = AgCl ;B、電導(dǎo)恒定. 電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子

27、大小的差電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法，可用于小分子電解質(zhì)別進(jìn)行分離的膜分離法，可用于小分子電解質(zhì)( (例如例如氨基酸、有機(jī)酸氨基酸、有機(jī)酸) )的分離和溶液的脫鹽。的分離和溶液的脫鹽。 電滲析操作所用的膜材料為離子交換膜，即在電滲析操作所用的膜材料為離子交換膜，即在膜表面和孔內(nèi)共價(jià)鍵合有離子交換基團(tuán)，如磺酸基膜表面和孔內(nèi)共價(jià)鍵合有離子交換基團(tuán)，如磺酸基( (SO-3）等酸性陽離子交換基和季銨基）等酸性陽離子交換基和季銨基( (NR3 ) )等堿等堿性陰離子交換基。性陰離子交換基。鍵合陰離子交換基的膜稱作陰離子交換膜，鍵鍵合陰離子交換基的膜稱作陰離子交換膜，鍵合陽

28、離子交換基的膜稱作陽離子交換膜。在電場的合陽離子交換基的膜稱作陽離子交換膜。在電場的作用下，前者選擇性透過陰離子，后者選擇性透過作用下，前者選擇性透過陰離子，后者選擇性透過陽離子。陽離子。電滲析電滲析如圖所示，陽離子交換膜如圖所示，陽離子交換膜C和陰離子交換膜和陰離子交換膜A各兩張各兩張交錯(cuò)排列，將分離器隔成交錯(cuò)排列，將分離器隔成5個(gè)小室。個(gè)小室。兩端與膜垂直的方向兩端與膜垂直的方向加電場，即構(gòu)成電滲析裝加電場，即構(gòu)成電滲析裝置。以溶液脫鹽為目的時(shí)，置。以溶液脫鹽為目的時(shí)，料液置于脫鹽室料液置于脫鹽室( (1、3、5) )，另兩室另兩室( (2、4) )內(nèi)放入適當(dāng)內(nèi)放入適當(dāng)?shù)碾娊庖?。的電解液?/p>

29、在電場的作用下，電在電場的作用下，電解質(zhì)發(fā)生電泳，由于離子解質(zhì)發(fā)生電泳，由于離子交換膜的選擇性透交換膜的選擇性透過特性，過特性，脫鹽室的溶液脫鹽，脫鹽室的溶液脫鹽，而而2、4室的鹽濃度增大。電滲析過程也可連續(xù)操作，此時(shí)料液室的鹽濃度增大。電滲析過程也可連續(xù)操作，此時(shí)料液連續(xù)流過脫鹽室連續(xù)流過脫鹽室( (1、3、5) )，而低濃度電解液連續(xù)流過，而低濃度電解液連續(xù)流過2、4室。室。從脫鹽室出口得到脫鹽的溶液，從從脫鹽室出口得到脫鹽的溶液，從2、4室出口得到濃縮的鹽溶室出口得到濃縮的鹽溶液。液。電滲析電滲析機(jī)理：機(jī)理：透析膜經(jīng)化學(xué)處理后帶有正電荷(如季銨基N+R3)或負(fù)電荷基團(tuán)如(磺酸基SO-3)

30、。操作：操作：幾百對(duì)用途：用途：A、海水淡化，B、苦水淡化，C、血漿、IgG、其他蛋白質(zhì)的分離，D、氨基酸和有機(jī)酸分離純化。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可大規(guī)模生產(chǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：能耗高四、以四、以蒸氣分壓差蒸氣分壓差為推動(dòng)力的膜分離過程為推動(dòng)力的膜分離過程(1)(1)膜蒸餾膜蒸餾( (MD)MD) 是在不同溫度下分離兩種水溶液的是在不同溫度下分離兩種水溶液的膜過程膜過程，已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮發(fā)性有機(jī)溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。發(fā)性有機(jī)溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。(2)(2)滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā) 是以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過程，但是在是以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過程，但是

31、在過程中使用的是致密過程中使用的是致密( (無孔無孔) )的聚合物膜。液體擴(kuò)散能的聚合物膜。液體擴(kuò)散能否透過膜取決于它們在膜材料中的擴(kuò)散能力。否透過膜取決于它們在膜材料中的擴(kuò)散能力。滲透氣化的原理示于圖。滲透氣化的原理示于圖。疏水膜的一側(cè)通入料液，另一側(cè)疏水膜的一側(cè)通入料液，另一側(cè)( (透過側(cè)透過側(cè)) )抽真空抽真空( (圖圖) )或通入惰性氣或通入惰性氣體，使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在體，使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴(kuò)散通過膜，在透過側(cè)發(fā)于膜內(nèi)，擴(kuò)散通過膜，在透過側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)置

32、的冷凝器冷凝回收。置的冷凝器冷凝回收。因此，滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過因此，滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過膜的速度不同，使混合物得到分離。膜的速度不同，使混合物得到分離。滲透氣化（滲透蒸發(fā)）滲透氣化（滲透蒸發(fā)）滲透蒸發(fā)的原理滲透蒸發(fā)的原理 原理：原理：由于膜的選擇性，滲透氣化法依據(jù)溶劑與溶質(zhì)，或溶質(zhì)之間透由于膜的選擇性，滲透氣化法依據(jù)溶劑與溶質(zhì)，或溶質(zhì)之間透過膜的速度相互不同，使混合物得到分離。膜與溶質(zhì)的相互作過膜的速度相互不同，使混合物得到分離。膜與溶質(zhì)的相互作用決定著溶質(zhì)的滲透速度，根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大用決定著溶質(zhì)的滲透速度，根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此滲透速度

33、高，在滲透的一側(cè)得到濃的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此滲透速度高，在滲透的一側(cè)得到濃縮。氣化所需要的潛熱用外部熱源供給?？s。氣化所需要的潛熱用外部熱源供給。滲透蒸發(fā)膜類型滲透蒸發(fā)膜類型A、優(yōu)選透水膜優(yōu)選透水膜材料：材料：主要由親水材料制成。如親水聚合物：含氮原子的殼聚糖衍生物、聚烯丙基胺、交聯(lián)聚乙烯醇復(fù)合物(這三者乙醇-水 1940，Jwater = 97-2170g/(m2 h)；殼聚糖、纖維素及衍生物、鈷交聯(lián)藻朊酸、磺化聚乙烯離子膜和玻璃紙等(這五者乙醇-水 = 5, Jv 5，J 563g/(m2 h)；全氟碳膜等(乙醇-水 = 5.5，J = 10000g/(m2 h)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：聚

34、合物中含憎水的氟原子和硅原子等。這些結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)溶劑的親和力很大，但對(duì)水的無親和力。應(yīng)用：應(yīng)用：主要用于水的純化、污染控制和有機(jī)物的回收等主要用于水的純化、污染控制和有機(jī)物的回收等(水為主體，有機(jī)物含量少)。膜材料的選擇膜材料的選擇膜選擇性膜選擇性 意義：意義：膜材料的選擇對(duì)取得良好的分離性能至關(guān)重要。膜選擇性的機(jī)制及選擇原則：膜選擇性的機(jī)制及選擇原則：主要取決于溶液中待分離的組分與膜的親和力的對(duì)比。親和力大，待分離組分對(duì)膜的滲透通量大；相反，對(duì)膜的滲透通量小。但親和力太強(qiáng)時(shí)，則會(huì)引起待分離組分在膜材料中的滯留，反而使?jié)B透通量減少；極端情況下，很強(qiáng)的親和力會(huì)使膜溶脹，甚至溶解。另一方面，強(qiáng)的排斥

35、力和立體效應(yīng)，則會(huì)阻止?jié)B透物進(jìn)入膜中。組分與膜的親和力影響因素：組分與膜的親和力影響因素：色散力、偶極力、氫鍵和立體效應(yīng)：Hansens溶解參數(shù)溶解參數(shù)( )：某組分或膜的的Hansens 溶解參數(shù)由色散分量（d）、偶極分量(p)和氫鍵分量(h)構(gòu)成，其表達(dá)式為膜材料的選擇膜材料的選擇意義：意義：A、反映待分離組分與膜的親和力的大小，它是膜材料選擇的主要定量參數(shù)； B、膜材料和組分的值相差越小，親和力越大；相反，親和力越?。籆、對(duì)于有機(jī)待分離組分的值一般相差1-4，如苯( = 18.8，50%)-異丙醇( = 23.5，50%)-聚乙烯膜( = 17.6)分離體系；D、對(duì)于待分離的水，值一般相

36、差5-15，如水( = 47.9，0-40%)-乙醇( = 26，)-纖維素膜( = 49.6)分離體系。滲透蒸發(fā)的特點(diǎn)滲透蒸發(fā)的特點(diǎn)有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)A A、單級(jí)選擇性單級(jí)選擇性好是滲透蒸發(fā)的最大特點(diǎn)。從理論上講，滲透蒸發(fā)的好是滲透蒸發(fā)的最大特點(diǎn)。從理論上講，滲透蒸發(fā)的分離度是無限的，適合分離沸點(diǎn)相近的物質(zhì)，尤其是恒沸物的分分離度是無限的，適合分離沸點(diǎn)相近的物質(zhì)，尤其是恒沸物的分離，對(duì)于回收含量低的溶劑也是一種好方法。離，對(duì)于回收含量低的溶劑也是一種好方法。B B、過程操作簡單，易于掌握，有部分相變，故過程操作簡單，易于掌握，有部分相變，故能耗較低能耗較低。C C、由于操作中進(jìn)

37、料側(cè)原則上由于操作中進(jìn)料側(cè)原則上不須加壓不須加壓，所以不會(huì)導(dǎo)致膜的壓密，滲，所以不會(huì)導(dǎo)致膜的壓密，滲透率不會(huì)隨時(shí)間的延長而下降；并且在操作過程中形成的膜的溶透率不會(huì)隨時(shí)間的延長而下降；并且在操作過程中形成的膜的溶脹活性層將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱膜，對(duì)膜的透過率和使用壽命有脹活性層將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱膜，對(duì)膜的透過率和使用壽命有益。益。D D、與反滲透等過程相比，滲透蒸發(fā)的與反滲透等過程相比，滲透蒸發(fā)的通量要小得多通量要小得多，一般在，一般在200g/(m200g/(m2 2 h) h)以下，而且高選擇性的滲透蒸發(fā)膜，通量往往在以下，而且高選擇性的滲透蒸發(fā)膜，通量往往在100g/(m100g/(m2

38、 2 h) h)左右。左右。E E、與反滲透相比，滲透氣化過程中溶質(zhì)發(fā)生相變，透過側(cè)溶質(zhì)以氣與反滲透相比，滲透氣化過程中溶質(zhì)發(fā)生相變，透過側(cè)溶質(zhì)以氣體狀態(tài)存在，因此體狀態(tài)存在，因此消除了滲透壓消除了滲透壓的作用，從而使?jié)B透氣化的操作的作用，從而使?jié)B透氣化的操作壓較低，適合于高濃度混合物的分離。壓較低，適合于高濃度混合物的分離。 滲透蒸發(fā)的應(yīng)用滲透蒸發(fā)的應(yīng)用A、有機(jī)物有機(jī)物-有機(jī)物的分離有機(jī)物的分離a、芳烴與脂肪族化合物的分離，如苯-環(huán)己烷的分離；b、不同脂肪族化合物的分離，如異葵烷與環(huán)己烷的分離；c、直鏈烷烴與烯烴的分離，如戊烷與戊烯的分離；d、從碳?xì)浠衔镏蟹蛛x出含氯的碳?xì)浠衔?，如環(huán)己烷與

39、氯仿的分離；e、異構(gòu)化合物之間的分離，如三種二甲苯之間的分離等。應(yīng)用優(yōu)勢：應(yīng)用優(yōu)勢： PV在分離有機(jī)物是非常有用的，因PV破壞了共沸混合物或揮發(fā)度差異小帶來的干擾，分離因素取決于膜和化合物的性質(zhì)。滲透蒸發(fā)的應(yīng)用滲透蒸發(fā)的應(yīng)用B、從水溶液中脫除有機(jī)物：從水溶液中脫除有機(jī)物：如從啤酒和酒中脫除乙醇，最終使乙醇濃度降低到0.7%以下，目前最低可達(dá)0.1%。這種低酒精的啤酒的風(fēng)味及高分子成分。病人司機(jī)用。滲透蒸發(fā)的應(yīng)用滲透蒸發(fā)的應(yīng)用C、從有機(jī)物中脫除水分從有機(jī)物中脫除水分: 如水如水-乙醇體系脫水制無水酒精乙醇體系脫水制無水酒精濃度梯度濃度梯度電位差電位差濃度梯度濃度梯度壓力壓力（110MPa)壓力壓

40、力（0.21MPa)壓力壓力（0.050.5MPa)驅(qū)動(dòng)力醇與水分離，乙酸與水分離，有機(jī)溶劑脫水，醇與水分離，乙酸與水分離，有機(jī)溶劑脫水，有機(jī)液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等有機(jī)液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等小分子有機(jī)物與水的分離小分子有機(jī)物與水的分離致密膜或復(fù)合膜致密膜或復(fù)合膜滲透蒸滲透蒸發(fā)發(fā)苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生產(chǎn)工藝用水產(chǎn)工藝用水離子脫除、氨基酸分離離子脫除、氨基酸分離離子交換膜離子交換膜電滲析電滲析除去小分子有機(jī)物或無機(jī)離子，奶制品脫鹽，除去小分子有機(jī)物或無機(jī)離子，奶制品脫鹽，蛋白質(zhì)溶液脫鹽等蛋白質(zhì)溶液脫鹽等小分子有機(jī)

41、物和無機(jī)離子的小分子有機(jī)物和無機(jī)離子的去除去除對(duì)稱的或不對(duì)稱對(duì)稱的或不對(duì)稱的膜的膜透析透析低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、海水淡化，超純水制備海水淡化，超純水制備小分子溶質(zhì)脫除與濃縮小分子溶質(zhì)脫除與濃縮帶皮層的不對(duì)稱帶皮層的不對(duì)稱膜、復(fù)合膜膜、復(fù)合膜（nm)反滲透反滲透溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、除菌，酶及蛋白質(zhì)分離、濃縮與純化，含油廢除菌，酶及蛋白質(zhì)分離、濃縮與純化，含油廢水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等 細(xì)粒子膠體去除可溶性中等細(xì)粒子膠體去除可

42、溶性中等或大分子分離或大分子分離不對(duì)稱微孔膜不對(duì)稱微孔膜（0nm)超濾超濾溶液除菌、澄清，果汁澄清、細(xì)胞收集、水中溶液除菌、澄清，果汁澄清、細(xì)胞收集、水中顆粒物去除顆粒物去除清毒、澄清、細(xì)胞收集清毒、澄清、細(xì)胞收集對(duì)稱微孔膜對(duì)稱微孔膜（0.0510m)微濾微濾示例應(yīng)用對(duì)象 膜結(jié)構(gòu)名名稱稱幾種主要膜分離技術(shù)特征幾種主要膜分離技術(shù)特征膜分離過程膜分離過程 (membrane separation)膜分離法膜分離法傳質(zhì)推動(dòng)傳質(zhì)推動(dòng)力力分離原理分離原理應(yīng)應(yīng) 用用 舉舉 例例微微 濾濾 （MFMF）壓差壓差0.050.5篩篩 分分除菌，回收菌，分離病除菌，回收菌，分離病毒毒超超 濾濾壓差壓差0.11.0

43、篩篩 分分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮回收和濃縮反反 滲滲 透透壓差壓差1.010篩篩 分分鹽、氨基酸、糖的濃縮、鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造淡水制造透透 析析濃濃 差差篩篩 分分脫鹽，除變性劑脫鹽，除變性劑電電 滲滲 析析電電 位位 差差電荷、篩分電荷、篩分脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸分離分離滲透氣滲透氣 化化壓差、溫壓差、溫差差溶質(zhì)與膜的親溶質(zhì)與膜的親和作用和作用有機(jī)溶劑與水的分離，有機(jī)溶劑與水的分離，共沸物的分離共沸物的分離各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍第二節(jié)、膜及其特性第二節(jié)、膜及其特性一、膜的定義一、膜的定義: : 在一定

44、流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，在一定流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。把流體相分隔成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜本身是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)膜本身是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體。被膜分隔開的流體相物質(zhì)是液體或氣體。膜的合體。被膜分隔開的流體相物質(zhì)是液體或氣體。膜的厚度厚度在在0.5mm以下，否則就不稱為膜。以下，否則就不稱為膜。不管膜本身薄到何等程度，至少要具有不管膜本身薄到何等程度，至少要具有兩個(gè)界面兩個(gè)界面，通過它，通過它們分別與兩側(cè)的流體相物質(zhì)接觸，膜可以是完全可透性的，們分別與兩側(cè)的流體相物質(zhì)接觸，膜可以

45、是完全可透性的，也可以是半透性的但不應(yīng)該是完全不透性的。它的面積也可以是半透性的但不應(yīng)該是完全不透性的。它的面積可以很大，獨(dú)立地存在于流體相間，也可以非常微小而附可以很大，獨(dú)立地存在于流體相間，也可以非常微小而附著于支撐體或載體的微孔隙上。著于支撐體或載體的微孔隙上。膜還必須具有高度的膜還必須具有高度的滲透選擇性滲透選擇性，作為一種有效的分離技，作為一種有效的分離技術(shù)，膜傳遞某物質(zhì)的速度必須比傳遞其他物質(zhì)快。術(shù)，膜傳遞某物質(zhì)的速度必須比傳遞其他物質(zhì)快。膜材料的要求膜材料的要求生物分離過程中，對(duì)膜材料要有如下要求：生物分離過程中，對(duì)膜材料要有如下要求：A A、起過濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾

46、的孔隙率高，過濾阻力起過濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾的孔隙率高，過濾阻力小；小；B B、不吸附被分離物質(zhì)，從而膜不易污染和堵塞；不吸附被分離物質(zhì)，從而膜不易污染和堵塞；C C、使用的使用的pHpH和溫度范圍廣，耐高溫滅菌，耐酸堿清洗，穩(wěn)定性高和溫度范圍廣，耐高溫滅菌，耐酸堿清洗，穩(wěn)定性高D D、使用壽命長：經(jīng)濟(jì)；使用壽命長：經(jīng)濟(jì)；D D、易通過清洗恢復(fù)透過性能；易通過清洗恢復(fù)透過性能；E E、適應(yīng)性廣：滿足實(shí)現(xiàn)分離的各種要求，如對(duì)菌體細(xì)胞的截留，對(duì)適應(yīng)性廣：滿足實(shí)現(xiàn)分離的各種要求，如對(duì)菌體細(xì)胞的截留，對(duì)生物大分子的通透性或截留作用。生物大分子的通透性或截留作用。 膜材料的種類膜材料的種類天

47、然高分子材料天然高分子材料種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維優(yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，常用于反滲透膜，也可作超濾膜和微濾優(yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，常用于反滲透膜，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。缺點(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和缺點(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和pHpH范圍有限，在范圍有限，在45-5045-50 C C，pH3-8pH3-8。合成高分子材料合成高分子材料種類：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚合物，其中，種類：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺

48、、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超濾膜。聚砜最常用，用于制造超濾膜。優(yōu)點(diǎn)：耐高溫優(yōu)點(diǎn)：耐高溫(70-80(70-80 C C，可達(dá)可達(dá)125125 C)C)，pH1-13pH1-13，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑寬寬(1-20nm)(1-20nm)；聚酰胺膜的耐壓較高，對(duì)溫度和聚酰胺膜的耐壓較高，對(duì)溫度和pHpH穩(wěn)定性高，壽命長，常穩(wěn)定性高，壽命長，常用于反滲透。用于反滲透。 缺點(diǎn)：但聚砜的耐壓差，壓力極限在缺點(diǎn)：但聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5-1.0MPa0.5-1.0MPa。膜材料的種類膜材料的種類無機(jī)材料無機(jī)材料種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼

49、和碳素等。目前實(shí)用化有孔徑種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實(shí)用化有孔徑0.1um0.1um微濾微濾膜和截留膜和截留10kD10kD的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向上不對(duì)稱上不對(duì)稱優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑。缺點(diǎn)：不易加工，造價(jià)高。缺點(diǎn)：不易加工，造價(jià)高。復(fù)合材料復(fù)合材料種類：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微?；蚓郾┧岬瘸恋碓谔?/p>

50、種類：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微?；蚓郾┧岬瘸恋碓谔沾晒艿亩嗫战橘|(zhì)表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。瓷管的多空介質(zhì)表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。優(yōu)點(diǎn)：此膜的通透性大，通過改變優(yōu)點(diǎn)：此膜的通透性大，通過改變pHpH值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。 1. .孔道結(jié)構(gòu)孔道結(jié)構(gòu) 膜的孔道結(jié)構(gòu)因膜材料和制造方法而異。膜的孔道結(jié)構(gòu)對(duì)膜的透過通量、耐污染能力等操作性能具有重要影響。早期的膜多為對(duì)稱膜對(duì)稱膜(symmetric membrane)，即膜截面的膜厚方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻，如圖所示。對(duì)稱膜的傳質(zhì)阻力大，透過通量低，并且

51、容易污染，清洗困難。二、二、膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)稱膜的彎曲孔道結(jié)構(gòu)示意圖 6060年代開發(fā)的不對(duì)稱膜解決了上述對(duì)稱膜的弊年代開發(fā)的不對(duì)稱膜解決了上述對(duì)稱膜的弊端，從而開創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。端，從而開創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。 如圖所示，如圖所示，不對(duì)稱膜不對(duì)稱膜( (asymmetric membrane)asymmetric membrane)主要由起膜分離作用的表面活性層主要由起膜分離作用的表面活性層( (0.20.20.50.5）和和起支撐強(qiáng)化作用的惰性層起支撐強(qiáng)化作用的惰性層(50(50100100mm) )構(gòu)成。構(gòu)成。 另一種微濾膜是采用電子技術(shù)制造的另一種微濾膜是采

52、用電子技術(shù)制造的核孔微核孔微濾膜濾膜( (nucleporenuclepore membrane membrane) )，不對(duì)稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖膜結(jié)構(gòu)特征膜結(jié)構(gòu)特征孔道結(jié)構(gòu)孔道結(jié)構(gòu)核孔微濾膜核孔微濾膜(nuclepore membrane)孔形整齊，孔道直通，呈圓柱形，孔徑分布范圍小孔徑分布范圍小。在分離性能、通透性和耐污染方面優(yōu)于一般的微孔濾膜，但造價(jià)較高。對(duì)稱膜對(duì)稱膜(symmetric membrane)膜截面的膜厚度上孔道結(jié)構(gòu)均勻。早期的膜多為對(duì)稱膜。缺點(diǎn)：傳質(zhì)阻力大，通透性低，傳質(zhì)阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困難。且容易污染阻塞，清洗困難。膜結(jié)構(gòu)特征膜結(jié)構(gòu)特征不對(duì)稱膜不對(duì)

53、稱膜(asymmetric membrane) 膜在厚度上的孔道結(jié)構(gòu)不均勻，不對(duì)稱膜主要由起膜分離作用的表面活性層(0.2-0.5um)和起支撐作用的惰性層(50-100um)構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對(duì)通過流體阻力很小。由于不對(duì)稱膜起膜分離作用的表面活性層很薄，孔徑微細(xì)，因此透通量透通量大，膜孔不易阻塞，易沖洗大，膜孔不易阻塞，易沖洗。 目前的超濾膜和反滲透膜多為不對(duì)稱膜。一般而言，超濾膜多為指狀結(jié)構(gòu)，反滲透膜多為海綿狀結(jié)構(gòu)，微濾膜以對(duì)稱結(jié)構(gòu)為主，新型無機(jī)陶瓷膜多為不對(duì)稱膜。第二節(jié)分離機(jī)制第二節(jié)分離機(jī)制Jv水通量； 膜的孔隙度； d圓柱形孔道的直徑； L 膜的有效厚度；p 膜兩側(cè)壓力差； ?水的

54、粘度。毛細(xì)管流動(dòng)模型毛細(xì)管流動(dòng)模型在膜過濾法中，反滲透和超濾與微濾有不同的分離機(jī)理。對(duì)于后兩者，一般認(rèn)為是簡單的篩分過程，大于膜表面毛細(xì)孔的分子被截留，相反，較小的分子則能透過膜。膜是多孔性的，膜內(nèi)有很多孔道。水以滯流方式在孔道內(nèi)流動(dòng)，因而服從Hagen-Poiseuille方程式；LpdJvme322D=e 優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型（Preferential-capillary flow modelPreferential-capillary flow model）由由SourirajanSourirajan于于19631963年建立。他認(rèn)為用于水溶液中脫鹽的年建立。他認(rèn)

55、為用于水溶液中脫鹽的反滲透膜反滲透膜是多孔的并有一定親水性，而對(duì)鹽類有一定排斥性是多孔的并有一定親水性，而對(duì)鹽類有一定排斥性質(zhì)。質(zhì)。在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)水分在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)水分子的大小子的大?。ㄒ妶D）。（見圖）。在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流經(jīng)毛細(xì)孔。從圖可想象在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流經(jīng)毛細(xì)孔。從圖可想象如果毛細(xì)孔直徑恰等于如果毛細(xì)孔直徑恰等于2 2倍純水層的厚度，則可使純水的透過倍純水層的厚度，則可使純水的透過速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大程度的脫鹽程度的脫鹽。

56、SourirajanSourirajan根據(jù)這一想法，成功地選擇了膜材根據(jù)這一想法，成功地選擇了膜材料，合成了一定孔徑的膜，以滿足應(yīng)用于不同系統(tǒng)的需要料，合成了一定孔徑的膜，以滿足應(yīng)用于不同系統(tǒng)的需要 。優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動(dòng)模型(a)膜表面對(duì)水的優(yōu)先吸附膜表面對(duì)水的優(yōu)先吸附壓力壓力主體溶主體溶液液界面界面(b)(b)在膜表面處的流動(dòng)在膜表面處的流動(dòng)dxdRTDcJiiiim-=溶解擴(kuò)散模型溶解擴(kuò)散模型由Merten等于1965年提出。反滲透膜的表皮層，在電子顯微鏡下觀察，沒有發(fā)現(xiàn)孔道，故排除了溶液主體以滯流方式流經(jīng)表皮層的可能性，因此假定溶劑或溶質(zhì)分子首先溶解在膜中，然后擴(kuò)

57、散通過膜。根據(jù)不可逆過程熱力學(xué)，組分i的擴(kuò)散速度應(yīng)和化學(xué)位梯度成正比：Ji組分組分i的擴(kuò)散摩爾通量，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散通過單位面積上的物質(zhì)的量；的擴(kuò)散摩爾通量，單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散通過單位面積上的物質(zhì)的量；i膜相中組分膜相中組分 i的化學(xué)位；的化學(xué)位；i膜相中摩爾濃度；膜相中摩爾濃度；DiDi- - 膜相中的擴(kuò)散系數(shù)；膜相中的擴(kuò)散系數(shù)；x沿膜厚方向的距離；沿膜厚方向的距離；T 熱力學(xué)溫度；熱力學(xué)溫度；R 氣體常數(shù)氣體常數(shù) 2.膜的孔道特性膜的孔道特性孔道特征孔道特征特征：膜的孔道特征包括特征：膜的孔道特征包括孔徑、孔徑分布和孔隙率孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾膜。超濾膜和微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通

58、過電子顯微鏡和微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過電子顯微鏡直接觀測到。直接觀測到。微濾膜最大孔徑：可用微濾膜最大孔徑：可用泡點(diǎn)法泡點(diǎn)法( (bubble point method)bubble point method)測定。在膜表面測定。在膜表面覆蓋一層水，用水濕潤膜孔，從下面通入空氣，當(dāng)壓力升高到有穩(wěn)覆蓋一層水，用水濕潤膜孔，從下面通入空氣，當(dāng)壓力升高到有穩(wěn)定的氣泡冒出時(shí)稱為泡點(diǎn)，此時(shí)的壓力稱為泡點(diǎn)壓力?；诳諝鈮憾ǖ臍馀菝俺鰰r(shí)稱為泡點(diǎn)，此時(shí)的壓力稱為泡點(diǎn)壓力。基于空氣壓力克服表面張力將水從膜孔毛細(xì)管中推出的動(dòng)量平衡，得到計(jì)算最力克服表面張力將水從膜孔毛細(xì)管中推出的動(dòng)量平衡，得到計(jì)算最大

59、孔徑公式大孔徑公式 式中，式中， 為水的表面張力；為水的表面張力；p pb b為泡點(diǎn)壓力；為泡點(diǎn)壓力； 為水與膜面的接著為水與膜面的接著角度。因?yàn)橛H水膜可被水完全濕潤，故親水膜的角度。因?yàn)橛H水膜可被水完全濕潤，故親水膜的 0 0，coscos 1 1，所以所以 Millipore公司公司PTGC超濾膜的超濾膜的孔徑分布孔徑分布除核孔微濾膜的孔徑比較均一外，其他膜的孔徑除核孔微濾膜的孔徑比較均一外，其他膜的孔徑均有較大的分布范圍。圖為超濾膜孔徑分布之一均有較大的分布范圍。圖為超濾膜孔徑分布之一例。例。3、膜的水通量、膜的水通量膜的水通量：膜的水通量：膜的另一特性是其純水的透過通量。定義：定義：在

60、一定條件下在一定條件下( (一般為一般為0.1MPa0.1MPa，溫度溫度2020 C)C)，單位時(shí)間單位膜面單位時(shí)間單位膜面積的水通量積的水通量(in: m(in: m3 3 m m-2-2 h h-1-1) )。意義：意義：A A、對(duì)同類膜，孔徑越大，水通量越大；對(duì)同類膜，孔徑越大，水通量越大；B B、水通量并不能完全衡量和預(yù)測實(shí)際料液的透過流通量。水通量并不能完全衡量和預(yù)測實(shí)際料液的透過流通量。表2和表3分別列出了部分超濾膜和微濾膜的水通量?？梢钥闯鏊侩S著膜的截留分子量（UF膜，表2）或膜孔徑(MF膜，表3)的增大而增大。同時(shí)，膜材料的種類對(duì)水通量的影響顯著，不同廠商生產(chǎn)的膜之間水通