第十七章 膜分離法

1、第十七章第十七章 膜分離法膜分離法膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能量差作為大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術(shù)。移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術(shù)。用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它組份，從而分透過而保留混合物中其它組份，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。達(dá)到分離目的的技術(shù)。膜膜料液料液水水小分子小分子大分子大分子滲透液滲透液定義：定義：在流體相之間有一層薄的在流體相之間有一層薄

2、的凝聚相物質(zhì)，把流體相分凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來成為兩部分，這一隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜薄層物質(zhì)稱為膜。 膜的簡介膜的簡介膜的用途膜的用途濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。膜的應(yīng)用膜海水淡化海水淡化工業(yè)廢水處理工業(yè)廢水處理城市廢水資源化城市廢水資源化天然氣天然氣生物質(zhì)利用生物質(zhì)利用能源能源水資源水資源傳統(tǒng)工業(yè)傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵除塵COCO2 2 控制控制制制 藥藥食食 品品化工與石化化工與石化電電 子子冶冶 金金燃料

3、電池燃料電池潔凈燃燒潔凈燃燒膜分離的特點：膜分離的特點：無相變、低能耗無相變、低能耗 高效率、污染小高效率、污染小工藝簡單、操作方便工藝簡單、操作方便濃縮與純化同時進(jìn)行濃縮與純化同時進(jìn)行濃縮液濃縮液進(jìn)料液進(jìn)料液滲透液滲透液(1)對稱膜對稱膜：結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，孔徑可一致，結(jié)構(gòu)可不規(guī)則；：結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，孔徑可一致，結(jié)構(gòu)可不規(guī)則；(2)非對稱膜非對稱膜：分離層很薄，較致密，為活性膜，孔徑的大小和表皮的：分離層很薄，較致密，為活性膜，孔徑的大小和表皮的性質(zhì)決定分離特性，厚度決定傳遞速度，朝向待濃縮液；多孔的支性質(zhì)決定分離特性，厚度決定傳遞速度，朝向待濃縮液；多孔的支持層只起支撐作用，使膜具有

4、必要的機(jī)械強(qiáng)度。持層只起支撐作用，使膜具有必要的機(jī)械強(qiáng)度。(3)復(fù)合膜復(fù)合膜：選擇性膜層：選擇性膜層(活性膜層活性膜層)沉積于具有微孔的底膜沉積于具有微孔的底膜(支撐層支撐層)表表面上，表層與底層是不同的材料，膜的性能不僅取決于有選擇性的面上，表層與底層是不同的材料，膜的性能不僅取決于有選擇性的表面薄層而且受微孔支撐層的影響。表面薄層而且受微孔支撐層的影響。(4)荷電膜荷電膜：離交膜，含有高度的溶脹膠載著固定電荷的對稱膜。：離交膜，含有高度的溶脹膠載著固定電荷的對稱膜。(5)微孔膜微孔膜：孔徑為：孔徑為0.0520微米的膜。微米的膜。(6)動態(tài)膜動態(tài)膜：在多孔介質(zhì)：在多孔介質(zhì)(如陶瓷管如陶瓷管

5、)上沉積一層顆粒物上沉積一層顆粒物(如高嶺土如高嶺土)作為作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動態(tài)平衡。有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動態(tài)平衡。膜的分類膜的分類圖1 對稱膜 圖2 非對稱膜圖3 對稱膜 圖4 非對稱膜膜分離過程的類型膜分離過程的類型膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進(jìn)行分類。而可以按分離粒子大小進(jìn)行分類。膜分離過程的類型膜分離過程的類型1.透析：透析：用具有一定孔徑大小的、高分子溶質(zhì)不

6、能用具有一定孔徑大小的、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將溶質(zhì)溶液與純水分隔，在濃差的作透過的親水膜將溶質(zhì)溶液與純水分隔，在濃差的作用下，小分子溶質(zhì)透向水側(cè)，水透向溶液一側(cè)。用下，小分子溶質(zhì)透向水側(cè)，水透向溶液一側(cè)。透析膜：孔徑透析膜：孔徑5-10nm，實驗室中常用透析袋，實驗室中常用透析袋應(yīng)用：脫鹽，血液透析應(yīng)用：脫鹽，血液透析u特點：以濃差為推動力，膜透特點：以濃差為推動力，膜透過通量很小，不適于大規(guī)模生物過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，多在實驗室中應(yīng)用。分離過程，多在實驗室中應(yīng)用。蛋白質(zhì)透析蛋白質(zhì)透析 透析袋透析簡單裝置。透析袋透析簡單裝置。A:A:透析夾，透析夾，B:B:透析，透析，C

7、:C:透析示意圖透析示意圖 2.微濾微濾（Microfiltration,MF） ： 以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動力，以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動力，使使不溶性物質(zhì)不溶性物質(zhì)得以分離的操作。得以分離的操作。 孔徑分布范圍在孔徑分布范圍在0.02514m之間，截留之間，截留直徑為直徑為0.02m 0.02m 10m 10m大小的粒子。大小的粒子。 可應(yīng)用于消毒、澄清、細(xì)胞收集等。如培養(yǎng)可應(yīng)用于消毒、澄清、細(xì)胞收集等。如培養(yǎng)基液基液菌體分離與濃縮菌體分離與濃縮，產(chǎn)品消毒，產(chǎn)品消毒。無流動操作滲透液原料液 微濾微濾( (MicrofiltrationMicrofiltration，M

8、F)MF) 一種靜態(tài)過濾，隨過濾一種靜態(tài)過濾，隨過濾時間延長，膜面上截流沉積時間延長，膜面上截流沉積不溶物，引起水流阻力增大，不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全透水速率下降，直至微孔全被堵塞被堵塞3.超濾超濾（ Ultrafiltration, UF UF） ：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.001-0.02 0.001-0.02 mm，分離推動力仍為壓力差，截斷分子量可，分離推動力仍為壓力差，截斷分子量可變化。變化。適合于酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的分離、適合于酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的分離、濃縮，超濾親和純化，血漿分離，脫鹽，去熱濃縮，超濾親和

9、純化，血漿分離，脫鹽，去熱原，原，在生物工程中應(yīng)用最廣。在生物工程中應(yīng)用最廣。 一種動態(tài)過程，由泵提供推動力，在膜表一種動態(tài)過程，由泵提供推動力，在膜表面產(chǎn)生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分面產(chǎn)生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。的切向力，把膜面截流物沖掉。 超濾原理的示意圖超濾原理的示意圖 常規(guī)過濾常規(guī)過濾(A)(A)和超濾和超濾(B)(B)的示意圖的示意圖 A AB4.反滲透反滲透（Reverse osmosis,RO）: 滲透和滲透壓：滲透和滲透壓：滲透：膜（不能透過溶質(zhì)）滲透：

10、膜（不能透過溶質(zhì)）兩側(cè)壓力相等時，在濃度差兩側(cè)壓力相等時，在濃度差作用下，溶劑從溶質(zhì)濃度低作用下，溶劑從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向溶質(zhì)濃度高的一側(cè)的一側(cè)向溶質(zhì)濃度高的一側(cè)透過的現(xiàn)象。透過的現(xiàn)象。滲透壓：滲透現(xiàn)象中，促使?jié)B透壓：滲透現(xiàn)象中，促使水分子透過的推動力。水分子透過的推動力。反滲透：反滲透：定義：在溶質(zhì)濃度高的定義：在溶質(zhì)濃度高的一側(cè)施加超過滲透壓的一側(cè)施加超過滲透壓的壓力，使溶劑透過膜的壓力，使溶劑透過膜的操作。操作。是一種以壓力差為推動是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑劑的膜分離操作，孔徑范圍在范圍在0. 11 nm之間之間。其基本原理為溶解擴(kuò)散

11、。在高于溶液滲透壓其基本原理為溶解擴(kuò)散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機(jī)物及無機(jī)所有溶液中的大分子、小分子有機(jī)物及無機(jī)物全被截留住。物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產(chǎn)主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產(chǎn)品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。膜法海水淡化膜法海水淡化分離方法分離方法反滲透反滲透低溫多效低溫多效多級閃蒸多級閃蒸能耗能耗(kWh/m3)3.5710幾種分離方法能耗比較幾種分離方法能耗比較嵊泗嵊泗1000噸噸/日反滲透海水淡化裝置日反滲透海水淡化裝置巴黎瓦茲河

12、梅巴黎瓦茲河梅里市里市1414萬立方萬立方米米/ /天的納濾天的納濾廠，每天為巴廠，每天為巴黎附近黎附近5050萬居萬居民提供民提供1414萬噸萬噸飲用水飲用水微濾 5.電滲析電滲析：以電位差為推動力，利用離子：以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作。富集電解質(zhì)的膜分離操作。在直流電場的作用下，由于離子交換膜在直流電場的作用下，由于離子交換膜的阻隔作用，實現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，的阻隔作用，實現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，分離推動力是靜電引力。分離推動力是靜電引力。1-半透膜半透膜 2-攪拌器攪拌器 3-溶液溶液 4-鉑電極鉑電極

13、 5,6-進(jìn)出水管進(jìn)出水管電滲析的應(yīng)用：海水和苦水的淡化、廢水處理，電滲析的應(yīng)用：海水和苦水的淡化、廢水處理，氨基酸和有機(jī)酸等小分子的分離純化氨基酸和有機(jī)酸等小分子的分離純化6.氣體滲透：氣體滲透：氣體膜分離是利用膜對某些氣體組分具有選擇氣體膜分離是利用膜對某些氣體組分具有選擇性滲透和擴(kuò)散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化性滲透和擴(kuò)散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化的目的。其滲透機(jī)理為：氣體分子在壓力作用的目的。其滲透機(jī)理為：氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴(kuò)散、脫溶、逸出。解、擴(kuò)散、脫溶、逸出。應(yīng)用應(yīng)用: :空氣中各種氣體在透過膜壁

14、時具有不同的空氣中各種氣體在透過膜壁時具有不同的滲透速率，使得當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過濾器進(jìn)入分離滲透速率，使得當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過濾器進(jìn)入分離器時，氧氣、水蒸氣及少量的二氧化碳快速透器時，氧氣、水蒸氣及少量的二氧化碳快速透過膜的高壓側(cè)，而氮氣透過膜的相對速率慢而過膜的高壓側(cè)，而氮氣透過膜的相對速率慢而滯留在膜的內(nèi)側(cè)被富集，從而產(chǎn)生干燥的氮氣。滯留在膜的內(nèi)側(cè)被富集，從而產(chǎn)生干燥的氮氣。氣體滲透分離空氣中的氮氣體滲透分離空氣中的氮膜分離過程的類型膜分離過程的類型膜分離過程在生物工程中的應(yīng)用膜分離過程在生物工程中的應(yīng)用過程過程應(yīng)用對象應(yīng)用對象實例實例微濾微濾消毒、澄清收集細(xì)胞消毒、澄清收集細(xì)胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品

15、消毒，培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細(xì)胞收集細(xì)胞收集超濾超濾大分子物質(zhì)分離大分子物質(zhì)分離酶及蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純酶及蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純化，血漿分離、脫鹽、去熱原，化，血漿分離、脫鹽、去熱原，膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器納濾納濾小分子物質(zhì)分離小分子物質(zhì)分離糖，二價鹽、游離酸的分離糖，二價鹽、游離酸的分離反滲透反滲透小分子物質(zhì)濃縮小分子物質(zhì)濃縮單加鹽、非游離酸的分離單加鹽、非游離酸的分離透析透析小分子有機(jī)物和無機(jī)離子小分子有機(jī)物和無機(jī)離子脫除小分子有機(jī)物或無機(jī)離子脫除小分子有機(jī)物或無機(jī)離子膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題截留分子量截留分子量( (MWCO)截留曲線：測定分子量不截留曲線：測定分子量不同的球形蛋白質(zhì)或水

16、溶性同的球形蛋白質(zhì)或水溶性聚合物的截留率，所得到聚合物的截留率，所得到的膜的截留率與溶質(zhì)分子的膜的截留率與溶質(zhì)分子量之間關(guān)系的曲線。量之間關(guān)系的曲線。 MWCO只是表征膜特性的一個參數(shù)，不能作只是表征膜特性的一個參數(shù)，不能作 為選擇膜的唯一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)從多方面為選擇膜的唯一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)從多方面(如孔徑分如孔徑分 布、耐污染能力等布、耐污染能力等)綜合考慮。綜合考慮。 一般將在截留曲線上截留率為一般將在截留曲線上截留率為0.90的溶質(zhì)分子的溶質(zhì)分子 量定義為膜的截留分子量。量定義為膜的截留分子量。實際膜分離過程中影響截留率的因素：實際膜分離過程中影響截留率的因素：溶質(zhì)分子量溶質(zhì)分子量分子特性分子特性 不

17、同分子截留率大小順序：球形帶支鏈線性；不同分子截留率大小順序：球形帶支鏈線性； 對于荷電膜，與膜相反電荷的分子截留率較低；對于荷電膜，與膜相反電荷的分子截留率較低； 若膜對溶質(zhì)有吸附作用，截留率增大。若膜對溶質(zhì)有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶質(zhì)的影響其他高分子溶質(zhì)的影響 其他高分子溶質(zhì)的存在使溶質(zhì)截留率增大。其他高分子溶質(zhì)的存在使溶質(zhì)截留率增大。操作條件操作條件 膜面流速提高，截留率降低；膜面流速提高，截留率降低；濃差極化濃差極化濃差極化: :在膜分離過程中，膜表面上溶質(zhì)在膜分離過程中，膜表面上溶質(zhì)濃度高于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。如下圖：濃度高于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。如下圖：濃差極化濃差極化:

18、:它對水的透過起著阻礙作用它對水的透過起著阻礙作用。所以濃差極化會所以濃差極化會降低膜的透水率。降低膜的透水率。結(jié)垢阻塞結(jié)垢阻塞 為了減少濃差極化，通常采用錯流操作。使懸浮為了減少濃差極化，通常采用錯流操作。使懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流體的剪切作用將液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流體的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體移走。過濾介質(zhì)表面的固體移走。39 膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶質(zhì)會析出

19、，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、質(zhì)會析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化(gel (gel polarization)polarization)各種膜組件各種膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物及收納這由膜、固定膜的支撐體、間隔物及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元。些部件的容器構(gòu)成的一個單元。目前市售商品膜組件主要有：管式目前市售商品膜組件主要有：管式、中空中空纖維纖維 、螺旋卷繞式螺旋卷繞式 、平板式平板式共同的特點共同的特點盡可能大的膜表面積盡可能大的膜

20、表面積可靠的支撐裝置可靠的支撐裝置可引出透過液可引出透過液膜表面濃度差極化達(dá)到最小膜表面濃度差極化達(dá)到最小管式膜組件管式膜組件特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、壓力結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、壓力損失少，處理量大、清洗安損失少，處理量大、清洗安裝方便、可耐受高壓，用途裝方便、可耐受高壓，用途較板式廣泛。較板式廣泛。u結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：將膜固定在圓管狀：將膜固定在圓管狀支撐體上構(gòu)成管式膜，管式支撐體上構(gòu)成管式膜，管式膜并聯(lián)或串聯(lián)，收納在筒狀膜并聯(lián)或串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。管式陶瓷超濾膜組件管式陶瓷超濾膜組件平板式膜組件平板式膜組件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與板式換熱器或加壓葉濾機(jī)相似。由

21、與板式換熱器或加壓葉濾機(jī)相似。由多枚平板膜間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔多枚平板膜間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾液流動。薄膜，供料液或濾液流動。特點特點：過濾板相對獨立、過濾面積大、結(jié)構(gòu)緊過濾板相對獨立、過濾面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、便于清洗、檢修和換膜。但耐受壓力低，湊、便于清洗、檢修和換膜。但耐受壓力低，適于超濾單元操作。適于超濾單元操作。板式膜組件板式膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上，兩端密封，膜上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)，上，兩端密封，膜上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)，卷繞在空心管上構(gòu)成。卷繞在空心管上構(gòu)成

22、。特點：特點： 優(yōu)點：比表優(yōu)點：比表 面積大，結(jié)面積大，結(jié) 構(gòu)簡單，價構(gòu)簡單，價 格較便宜；格較便宜； 缺點：處理缺點：處理 懸浮物濃度懸浮物濃度 較高的料液較高的料液 時易堵塞。時易堵塞。超濾超濾微濾卷式膜組件超濾超濾微濾卷式膜組件 特點是膜堆積密度大、結(jié)構(gòu)緊湊，適合低粘度、滲透產(chǎn)量大、特點是膜堆積密度大、結(jié)構(gòu)緊湊，適合低粘度、滲透產(chǎn)量大、 濃縮倍數(shù)較低的料液處理和水處理。濃縮倍數(shù)較低的料液處理和水處理。卷式膜分離器（工業(yè)用）卷式膜分離器（工業(yè)用）中空纖維式膜組件中空纖維式膜組件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜（內(nèi)徑由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜（內(nèi)徑4080 m)或毛細(xì)管膜（內(nèi)徑或毛細(xì)管膜（內(nèi)徑0.252.5mm）固）固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成。定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成。特點：特點：優(yōu)點：比表面積優(yōu)點：比表面積最大，可方便地進(jìn)最大，可方便地進(jìn)行反洗，造價低，行反洗，造價低，工業(yè)上普遍使用工業(yè)上普遍使用 。缺點：易堵塞，缺點：易堵塞，對料液要求高對料液要求高。 中空纖