膜分離技術基礎及其應用012教學提綱

1、膜分離技術基礎及其應用012 膜分離技術簡介膜分離技術簡介19601960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan獲得了一種透過速度較大的獲得了一種透過速度較大的膜，它具有不對稱結果，表面為活性層，孔徑直徑在膜，它具有不對稱結果，表面為活性層，孔徑直徑在100nm100nm左右，厚度為左右，厚度為0.2-0.5um0.2-0.5um，起過濾作用；下面為，起過濾作用；下面為厚厚20-100um20-100um的支持層，孔徑直徑為的支持層，孔徑直徑為0.1um-1.0um0.1um-1.0um，起支，起支持活性層作用。這種膜稱為不對稱膜。而早期的膜，持活性層作用。這種膜稱為

2、不對稱膜。而早期的膜，其結構與方向無關，稱為對稱膜，其結構與方向無關，稱為對稱膜，非對稱膜由厚度為0.10.5m的致密表皮層及厚度為50150m的疏松多孔支撐層組成。非對稱膜的傳質阻力主要由很薄的致密表皮層決定。由于非對稱膜表皮層比均致膜的厚度薄很多，故其滲透速率比對稱膜大。 不稱膜橫斷面圖 不對稱膜膜的結構示意圖不對稱膜膜的結構示意圖支撐層活性層料 液 什么是膜分離技術什么是膜分離技術膜過濾與傳統(tǒng)過濾的差別膜過濾與傳統(tǒng)過濾的差別又稱死端過濾、又稱死端過濾、濾餅過濾，其進料流向與濾餅過濾，其進料流向與濾過流向一致，濾渣在過濾過流向一致，濾渣在過濾介質表面形成濾餅層。濾介質表面形成濾餅層。濾網濾

3、網膜膜錯流過濾錯流過濾 ：又稱膜過濾、：又稱膜過濾、切向流過濾，其進料流向與切向流過濾，其進料流向與濾過流向垂直，濾渣不會形濾過流向垂直，濾渣不會形成濾餅，只形成凝膠薄層，成濾餅，只形成凝膠薄層，是一種動態(tài)過濾是一種動態(tài)過濾常規(guī)過濾和錯流過濾常規(guī)過濾和錯流過濾a a常規(guī)過濾；常規(guī)過濾； b b錯流過濾錯流過濾微濾膜微濾膜膜分離技術的優(yōu)勢膜分離技術的優(yōu)勢膜分離技術的劣勢膜分離技術的劣勢 膜分離技術簡介膜分離技術簡介 膜的分類和定義膜的分類和定義 表征膜性能的參數表征膜性能的參數 影響膜的因素影響膜的因素 膜過濾裝置的型式及操作方式、膜過濾裝置的型式及操作方式、 膜分離技術的應用膜分離技術的應用目

4、目 錄錄膜的分類膜的分類）， 分類內容分類內容 膜的種類膜的種類過濾孔徑過濾孔徑截留分子量截留分子量微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜 MF UF NF RO 膜組裝形式膜組裝形式平板膜、平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜、卷式膜、中空纖維膜膜的結構膜的結構對稱膜、對稱膜、非對稱膜、復合膜、復合膜膜的材質膜的材質高分子有機膜、高分子有機膜、陶瓷膜、金屬膜、金屬膜應用方法應用方法液體分離膜、滲透汽化、氣體分離膜、透析、液膜等、滲透汽化、氣體分離膜、透析、液膜等 膜的分類和定義膜的分類和定義（1）微濾是利用篩分原理，分離截流直徑為微濾是利用篩分原理，分離截流直徑為 膜的分類

5、和定義膜的分類和定義（3）反滲透）反滲透 在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子，小分子有液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子，小分子有機物及無機鹽全被截住。理想的反滲透被認為是無孔機物及無機鹽全被截住。理想的反滲透被認為是無孔的。他的分離基本原理是溶解擴散學說，主要應用于的。他的分離基本原理是溶解擴散學說，主要應用于小分子有機物的濃縮（如糖、氨基酸及抗生素的生產小分子有機物的濃縮（如糖、氨基酸及抗生素的生產中）。中）。 。按分離孔徑劃分的膜類型按分離孔徑劃分的膜類型按分離孔徑劃分的膜類型按分離孔徑劃分的膜類型按膜的材質劃分

6、的膜類型按膜的材質劃分的膜類型按膜的材質劃分的膜類型按膜的材質劃分的膜類型 膜分離技術簡介膜分離技術簡介 膜的分類和定義膜的分類和定義 表征膜性能的參數表征膜性能的參數 影響膜的因素影響膜的因素 膜過濾裝置的型式及操作方式、膜過濾裝置的型式及操作方式、 膜分離技術的應用膜分離技術的應用目目 錄錄表征膜性能的參數表征膜性能的參數 膜面流速膜面流速： 指物料在膜元件通道內膜層表面流動的速度；滲透液（清液）滲透液（清液）：指透過膜層的澄清液體；濃縮液濃縮液：被膜層截留后反復在膜系統(tǒng)中循環(huán)過濾后殘 留的 物質，主要是不溶性的菌體,多糖,蛋白,雜質等；滲透側（清液側）滲透側（清液側）：指收集滲透液的部分

7、； 循環(huán)側循環(huán)側：指供流體在膜通道內循環(huán)的部分；表征膜性能的參數表征膜性能的參數產水-透過液反滲透、納濾膜的透過液為凈化水，因此也稱為系統(tǒng)產水。濃水-濃縮液未透過膜的溶液，原水中的溶質在其中被濃縮。在水處理反滲透系統(tǒng)中濃水作為廢水排出?；厥章剩ㄞD化率）料液轉化為透過液的百分率?；厥章适欠礉B透系統(tǒng)設計和運行的重要參數，計算公式為：R = 100%(Qp/Qf) 其中R為回收率（），Qp為產水流量，Qf為原水流量。 膜分離技術簡介膜分離技術簡介 膜的分類和定義膜的分類和定義 表征膜性能的參數表征膜性能的參數 影響膜的因素影響膜的因素 膜過濾裝置的型式及操作方式、膜過濾裝置的型式及操作方式、 膜分離

8、技術的應用膜分離技術的應用目目 錄錄影響膜的因素影響膜的因素1、膜的化學性質、膜的化學性質 膜的親疏水性、荷電性均能影響膜與不同溶膜的親疏水性、荷電性均能影響膜與不同溶液間相互作用的大小。一般靜電相互作用較易液間相互作用的大小。一般靜電相互作用較易預測，而親疏水性卻很難預測。尤其對生物發(fā)預測，而親疏水性卻很難預測。尤其對生物發(fā)酵系統(tǒng)，組成極為復雜，必須對不同對象用各酵系統(tǒng)，組成極為復雜，必須對不同對象用各種膜進行試驗選擇。種膜進行試驗選擇。影響膜的因素影響膜的因素2、蛋白質種類與溶液、蛋白質種類與溶液PH PH對蛋白質在水中溶解及構象有很大影響，在對蛋白質在水中溶解及構象有很大影響，在PH低時

9、溶解度低，在等電點時吸附量最高，即膜污染最低時溶解度低，在等電點時吸附量最高，即膜污染最嚴重。嚴重。 PH對不同膜與不同蛋白質間相互作用也產生影對不同膜與不同蛋白質間相互作用也產生影響。由于不同膜的親疏水性、荷電性不同，不同蛋白響。由于不同膜的親疏水性、荷電性不同，不同蛋白質特性也不同，所以較難預測該因素的影響。對于荷質特性也不同，所以較難預測該因素的影響。對于荷電膜而言，當蛋白質荷電性與膜固定離子電性相同時，電膜而言，當蛋白質荷電性與膜固定離子電性相同時，污染程度較小。一般認為強疏水膜與蛋白質相互作用污染程度較小。一般認為強疏水膜與蛋白質相互作用較弱，較耐污染。較弱，較耐污染。影響膜的因素影

10、響膜的因素3、無機鹽、無機鹽 無機鹽通過兩條途徑對膜污染產生影響：一無機鹽通過兩條途徑對膜污染產生影響：一是有些無機鹽復合物會在膜表面或膜孔徑直接是有些無機鹽復合物會在膜表面或膜孔徑直接沉積，或使膜對蛋白質的吸附率增強而污染膜；沉積，或使膜對蛋白質的吸附率增強而污染膜；二是二是無機鹽改變了溶液離子強度，影響到蛋白質溶解無機鹽改變了溶液離子強度，影響到蛋白質溶解性、構象與懸浮狀態(tài)，是形成的沉積層的疏密度改變，性、構象與懸浮狀態(tài)，是形成的沉積層的疏密度改變，因此對膜透水率產生影響。因此對膜透水率產生影響。 操作條件的優(yōu)化是膜應用過程研究操作條件的優(yōu)化是膜應用過程研究的另一個重要方面，不同操作條件對

11、膜的另一個重要方面，不同操作條件對膜分離性能的影響很顯著。所有膜應用過分離性能的影響很顯著。所有膜應用過程都應該工作在最優(yōu)操作條件下，操作程都應該工作在最優(yōu)操作條件下，操作條件的滲透通量臨界值應該為膜系統(tǒng)使條件的滲透通量臨界值應該為膜系統(tǒng)使用者所關注用者所關注。 影響膜的因素影響膜的因素 隨操作壓力的提高，膜的通量明顯增加隨操作壓力的提高，膜的通量明顯增加，脫鹽率也有所增加，達到一定值后趨于平坦，脫鹽率也有所增加，達到一定值后趨于平坦，原因為水通量增加后，透析液側鹽濃度隨之，原因為水通量增加后，透析液側鹽濃度隨之降低，在一定壓力后鹽與水分子耦合通過膜，降低，在一定壓力后鹽與水分子耦合通過膜，脫

12、鹽率不再增加脫鹽率不再增加.操作壓力對反滲透（納濾）膜性能的影響操作壓力對反滲透（納濾）膜性能的影響 隨濃度的提高，水通量及脫鹽率都有明顯的降低，隨濃度的提高，水通量及脫鹽率都有明顯的降低，這是因為濃度的增加導致了滲透壓的增加，帶來了驅動這是因為濃度的增加導致了滲透壓的增加，帶來了驅動壓力的減小壓力的減小濃度對反滲透（納濾）膜性能的影響濃度對反滲透（納濾）膜性能的影響 隨回收率的提高，水通量及脫鹽率都有所降低，隨回收率的提高，水通量及脫鹽率都有所降低，這是因為在壓力一定情況下，回收率提高，膜面的這是因為在壓力一定情況下，回收率提高，膜面的濃差極化比也提高，有效壓力則減小，最終產水量濃差極化比也

13、提高，有效壓力則減小，最終產水量減小減小,同時脫鹽率也降低。同時脫鹽率也降低。 回收率對反滲透（納濾）膜性能的影響回收率對反滲透（納濾）膜性能的影響 膜分離技術簡介膜分離技術簡介 膜的分類和定義膜的分類和定義 影響膜的因素影響膜的因素 膜過濾裝置的型式及操作方式膜過濾裝置的型式及操作方式 膜分離技術的應用膜分離技術的應用目目 錄錄按組裝形式劃分的膜類型按組裝形式劃分的膜類型平板膜卷式膜中空纖維膜管式膜陶瓷膜陶瓷膜陶瓷膜技術的優(yōu)缺點陶瓷膜技術的優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點： 化學穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐有機溶劑；化學穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐有機溶劑； 耐微生物耐微生物侵蝕，能適應各種惡劣的自然環(huán)境侵蝕，能適應各種惡

14、劣的自然環(huán)境,膜使用壽命長；耐膜使用壽命長；耐溫性好，可在高溫下運行；溫性好，可在高溫下運行； 分離精度高，透過液澄清透明，雜質含量少，大分離精度高，透過液澄清透明，雜質含量少，大大減輕后續(xù)連續(xù)離交處理難度大減輕后續(xù)連續(xù)離交處理難度; 無需添加助劑，濃菌渣可作為飼料回收，工作量無需添加助劑，濃菌渣可作為飼料回收，工作量較小較小缺點：缺點： 管式膜組件的缺點是單位體積膜組件的膜面積少管式膜組件的缺點是單位體積膜組件的膜面積少,一般僅為一般僅為33330m2，設備造價昂貴。，設備造價昂貴。陶瓷膜分離原理陶瓷膜分離原理通道支撐體過濾形式：內壓式，即物料從通道內穿行，滲透液從膜管壁上滲出；膜通道的形狀

15、有圓形、扇形等；通道直徑的大小的選擇與所需處理物料的粘度、含固量等有關。通道越大則處理物料的含固量越高，濃縮倍數越高，但是相對能耗較高；陶瓷膜元件類型陶瓷膜元件類型支撐體電鏡圖截面圖陶瓷膜元件的安裝陶瓷膜元件的安裝板式膜板式膜板式膜優(yōu)缺點板式膜優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點: 組裝方便，膜的清洗更換比較容易，料液流通截面較組裝方便，膜的清洗更換比較容易，料液流通截面較 大，不易堵塞，同一設備可視生產需要而組裝不同數大，不易堵塞，同一設備可視生產需要而組裝不同數量的膜。量的膜。 缺點缺點: 需密封的邊界線長需密封的邊界線長 ，膜片容易損壞，過濾面積較小，占，膜片容易損壞，過濾面積較小，占地較大地較大平板膜組件分

16、離原理平板膜組件分離原理中空纖維超濾膜中空纖維超濾膜中空纖維膜優(yōu)缺點中空纖維膜優(yōu)缺點優(yōu)點優(yōu)點:設備緊湊，單位設備體積內的膜面積大設備緊湊，單位設備體積內的膜面積大(高達高達1600030000 ) 缺點缺點:中空纖維內徑小，阻力大，易堵塞，所以料液中空纖維內徑小，阻力大，易堵塞，所以料液走管間，滲透液走管內，透過液側流動損失大，走管間，滲透液走管內，透過液側流動損失大，壓降可達數個大氣壓，膜污染難除去，因此對壓降可達數個大氣壓，膜污染難除去，因此對料液處理要求高料液處理要求高。中空纖維膜優(yōu)缺點中空纖維膜優(yōu)缺點中空纖維膜分離原理中空纖維膜分離原理內壓式內壓式外壓式外壓式卷式納濾（反滲透）膜卷式納

17、濾（反滲透）膜卷式膜優(yōu)缺點卷式膜優(yōu)缺點優(yōu)點： 膜芯添裝密度高，單位面積膜的造價低。 操作壓力較低，對泵的要求低。缺點： 不允許大于 5 微米的懸浮物進入膜組件，對料液的預處理要求較高。 膜芯清洗困難,膜芯壽命短。 卷式膜優(yōu)缺點卷式膜優(yōu)缺點卷式膜分離原理技術背景技術背景 工業(yè)膜運用的最大問題膜污染 膜污染對膜系統(tǒng)的影響 降低透析液通量 改變截留率 增加膜阻力 減少膜使用壽命 增加膜系統(tǒng)成本膜污染是不可避免的膜污染是不可避免的我們的目的：有效的加以控制我們的目的：有效的加以控制膜污染電鏡圖膜污染電鏡圖膜污染電鏡圖膜污染電鏡圖abcda）原樣膜（未污染過）b）污染后c）水沖洗后d）經化學清洗后 膜

18、污 染q 定義：固體或溶質在膜面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量變小與分離性能惡化的暫時性不可逆變化的現象。 此時，必須停止操作，對膜系統(tǒng)進行清洗，恢復膜組件分離性能。q 分類：就其污染點不同，可分為內、外污染q 內污染：溶質在濃縮時結晶或沉淀在膜孔內 使之發(fā)生阻塞，導致膜的有效孔隙率下降q 外污染：某些固體成分在膜面的吸附與沉降污 染 源包括有機類、無機類及微生物q 有機類污染：蛋白質、脂肪類、多肽、多糖等大分子q 無機類污染：鈣、鋇的碳酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽結垢物q 微生物污染：細菌粘附于膜表面形成菌群，這些菌群的分泌物有利于其它有機物粘附而形成菌膜水力學參數： 流動速度：高

19、流速會減少膜污染。取決于操作參數及膜本身的流道結構，不同廠家的膜產品流道略有不同 流動方式：在流體的湍流或橫切流的高剪切力作用下，流體可以從不同方向連續(xù)沖刷膜面而帶走膜面已存在的比較疏松的污染物。清洗時采用高流速低壓力方式影響膜污染的因素膜的性質： 膜材質：膜材料的分子結構； 對稱結構較不對稱結構更易被堵塞。這是因為對稱結構的膜，其表面孔的尺寸有時比內部孔徑大，這樣進入表面孔的粒子會被截留在膜內部，引起不易清洗的膜污染。而不對稱結構的膜，粒子基本被截留在膜表面，不易在膜內部堵塞，易被表面流帶走。 膜的形態(tài)：膜表面孔隙率、孔徑分布等。 孔隙率、孔徑及其分布等對膜的污染也不能忽視。顯然，孔徑分布越

20、窄，越耐污染。影響膜污染的因素 膜表面性質：表面電荷與張力、粗糙度、親疏水性 如果膜表面粗糙度增大，會使膜表面自由能增加，吸附加強，加重膜污染； 有些膜材料帶有極性基團或可離解基團，因而在與溶液接觸后，由于溶劑化或離解作用使膜表面荷電，它與溶液中荷電溶質產生相互作用。同種電荷互相排斥，膜表面不易被污染；異種電荷吸引，膜表面易被污染。 影響膜污染的因素 親水的膜表面與水形成氫鍵，這種水處在有序結構，當疏水溶質要接近膜表面，必須破壞有序的水和層，這需要能量，不易進行，膜表面不易被污染。 料液的性質： 料液中各組分的物理、化學性質。如粘度、濃度、pH值、粒子或溶質大小和分子結構、形態(tài)及共存離子等。

21、影響膜污染的因素 溶液特性包括鹽的種類和濃度、pH值、溫度、粘度和離子強度等。當有蛋白質或有機大分子物質存在時，多價鹽類更易污染反滲透和超濾膜。在生物工程中，鹽的種類與濃度和pH值對蛋白質溶解度和構形有影響，從而影響膜的性能。溫度和粘度對膜污染的影響主要通過溶質狀態(tài)和溶劑擴散系數來影響膜的透過量和分離特性。 當粒子或溶質尺寸大小與膜孔相近時，由于壓力的作用，溶劑透過膜時把粒子帶向膜面，極易產生堵塞作用。當膜孔徑小于粒子或溶質尺寸，由于錯流作用，它們在膜表面很難停留聚集，因而不易堵孔。對于球形蛋白質、支鏈聚合物及直鏈線型聚合物，它們在溶液中的狀態(tài)也直接影響膜污染。影響膜污染的因素 清洗時機：膜通

22、量下降到一定量就要清洗。 清洗效果：用水通量恢復率與污層阻力 去除率來表征。 影響清洗的因素 時間：不同體系的運行時間不同。 溫度：高溫有利。 藥品：清洗劑的種類、適宜的濃度、 pH值及離子強度。 跨膜壓差：壓差不利于污物去除。 清洗方法：物理清洗、化學清洗、生物清洗 物理清洗：利用機械作用，比如注水正、反沖洗，氣液混合沖洗法等。 物理清洗方法僅可能使膜的透水性得到一定程度恢復。 化學清洗：使用化學清洗劑（酸、堿、表面活性劑、絡合劑等）； 生物清洗：使用含酶清洗劑。膜的清洗膜的清洗膜的保存 2小時 ：將設備充滿去離子水 3天 ：0.1%W/W偏亞硫酸氫鈉或亞硫酸氫鈉溶液在 10-25的條件下循

23、環(huán)15分鐘 30天 ：0.25%W/W偏亞硫酸氫鈉或亞硫酸氫鈉溶液在10-25的條件下循環(huán)15分鐘 12個月 ： 0.25%W/W偏亞硫酸氫鈉或亞硫酸氫鈉溶液加18%V/V的甘油（98%試劑級）。當完全混合時，用稀硫酸或檸檬酸調節(jié)pH4.5-5.0，在10-25條件下循環(huán)60分鐘。 膜分離技術簡介膜分離技術簡介 膜的分類和定義膜的分類和定義 表征膜性能的參數表征膜性能的參數 影響膜的因素影響膜的因素 膜過濾裝置的型式及操作方式、膜過濾裝置的型式及操作方式、 膜分離技術的應用膜分離技術的應用目目 錄錄膜技術的應用膜技術的應用1)、細胞培養(yǎng)基的除菌；、細胞培養(yǎng)基的除菌；2)、發(fā)酵液或培養(yǎng)液中細胞的

24、收集和除去；、發(fā)酵液或培養(yǎng)液中細胞的收集和除去；3)、細胞破碎后碎片的除去；、細胞破碎后碎片的除去；4)、標產物部分純化后的濃縮或濾除小分子溶質；、標產物部分純化后的濃縮或濾除小分子溶質；5)、最終產品的濃縮和洗濾除鹽；、最終產品的濃縮和洗濾除鹽；6)、蛋白質的回收、濃縮和純化、蛋白質的回收、濃縮和純化7)、制備用于調制生物產品和清洗產品容器的無熱源水；、制備用于調制生物產品和清洗產品容器的無熱源水；8)、膜生物反應器。、膜生物反應器。膜技術的應用膜技術的應用Example 1: Example 1: 菌體分離菌體分離利用超濾或微濾操作進行菌體的錯流過濾分離是膜分離技術的重要應用利用超濾或微濾操作進行菌體的錯流過濾分離是膜分離技術的重要應用之一。與傳統(tǒng)濾餅過濾和硅藻土過濾相比，錯流過濾具有以下之一。與傳統(tǒng)濾餅過濾和硅藻土過濾相比，錯流過濾具有以下1 1）、優(yōu)點：）、優(yōu)點：A A、透過通量大；、透過通量大；B B、濾液澄清，菌體回收率高；、濾液澄清，菌體回收率高；C C、不須添加助濾劑或絮凝劑，回收的菌體純凈，有利于進一步分離操作、不須添加助濾劑或絮凝劑，回收的菌