第三節(jié)-膜分離技術(shù)-現(xiàn)代食品加工概論課件

第三節(jié)膜分離技術(shù)1第三節(jié)膜分離技術(shù)1所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。

膜的特性：◆兩個(gè)界面分別與兩側(cè)的流體相接觸◆膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過(guò)，而不允許其它物質(zhì)透過(guò)。1.膜(Membrane)1.1基本概念§1膜技術(shù)概述2所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一2.膜分離技術(shù)（膜技術(shù)）：以天然或人工合成的選擇性薄膜為分離介質(zhì)，以外界能量或化學(xué)位差（如濃度差、壓力差或電位差等）為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離（分級(jí)、提純、富集濃縮）的技術(shù)。是一種分子水平的分離技術(shù)。選擇性透膜32.膜分離技術(shù)（膜技術(shù)）：選擇性透膜3膜分離過(guò)程可概述為以下三種形式：①過(guò)濾式膜分離利用組分的大小和性質(zhì)及所表現(xiàn)出透過(guò)膜的速率差別，達(dá)到組分的分離。屬于過(guò)濾式膜分離的有超濾、微濾、反滲透等；②滲析式膜分離料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動(dòng)下，透過(guò)膜進(jìn)入接受液中，從而被分離出去。屬于滲析式膜分離的有透析和電滲析等；③液膜分離液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過(guò)液膜實(shí)現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質(zhì)從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再?gòu)囊耗みM(jìn)入接受液相當(dāng)于反萃取。4膜分離過(guò)程可概述為以下三種形式：4膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：①成本低、能耗少、效率高、無(wú)污染并可回收有用物質(zhì)，特別適合于性質(zhì)相似組分、同分異構(gòu)體組分、熱敏性組分、生物物質(zhì)組分等混合物的分離，在某些應(yīng)用中能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等單元操作。并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合起來(lái)使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。②膜分離過(guò)程(除滲透蒸發(fā)膜外)沒(méi)有相的變化，常溫下即可操作；由于避免了高溫操作，所濃縮和富集物質(zhì)的性質(zhì)不容易發(fā)生變化，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)使用具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。③膜分離裝置簡(jiǎn)單、操作容易，對(duì)無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及生物制品均可適用，并且不產(chǎn)生二次污染。5膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：5高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A.Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。1.2膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史6高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A.N1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超過(guò)濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過(guò)濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過(guò)濾可稱為超過(guò)濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過(guò)濾應(yīng)稱為微孔過(guò)濾。71861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超過(guò)濾的然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水—丙酮—溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過(guò)濾膜。美國(guó)Amicon公司首先將這種膜商品化。8然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了反滲透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開(kāi)始工業(yè)化。950年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了反滲透膜的研究自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱UF膜）、微孔過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱MF膜）和反滲透膜（簡(jiǎn)稱RO膜）。以后又開(kāi)發(fā)了許多其它類型的分離膜。在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)—步提高。10自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)1具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（Martin）在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動(dòng)載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。11具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初1.3膜材料

用作分離膜的材料包括廣泛的天然材料和人工合成的有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)材料。原則上講，凡能成膜的高分子有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。121.3膜材料用作分離膜的材料包括廣泛的天然膜材料種類高分子有機(jī)膜纖維素衍生物類聚砜類聚酰胺類聚酰亞胺類聚酯類聚烯烴類乙烯類聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲殼素類無(wú)機(jī)膜致密膜多孔膜致密的金屬膜致密的固體電解質(zhì)膜致密的”液體充實(shí)固體化“動(dòng)態(tài)原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化鋯膜復(fù)合固體氧化膜多孔負(fù)載膜多孔金屬膜，多孔不銹鋼膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜，分子篩膜，包括碳分子篩）具體分類13膜材料種類高分子纖維素衍生物類聚砜類聚酰胺類聚酰亞胺類聚酯類種類具體分類纖維素衍生物類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維素，三醋酸纖維素，乙基纖維素，其他纖維素衍生物聚砜類雙酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺類脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交聯(lián)芳香聚酰胺聚酰亞胺類脂肪族二酸聚酰亞胺，全芳香聚酰亞胺，含氟聚酰亞胺聚酯類滌綸，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烴類聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯類聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲殼素類無(wú)高分子有機(jī)膜材料的具體分類14種類具體分類纖維素衍生物類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來(lái)說(shuō)，已有成百種以上的膜被制備出來(lái)，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見(jiàn)纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。15目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯151.纖維素酯類膜材料

纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過(guò)1,4—β—甙鏈連接起來(lái)的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：161.纖維素酯類膜材料16從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH17從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。17

醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。醋酸纖維素類材料易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無(wú)機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。18醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖1919醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99％表皮層，孔徑（8－10）×10－10m過(guò)渡層，孔徑200×10－10m多孔層，孔徑（1000－4000）×10－10m1%20醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99％表皮層，孔徑過(guò)渡層，孔徑多孔層2.非纖維素酯類膜材料常見(jiàn)的有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。基本特性：①分子鏈中含有親水性的極性基團(tuán)；②主鏈上應(yīng)有苯環(huán)、雜環(huán)等剛性基團(tuán)，使之有高的抗壓密性和耐熱性；③化學(xué)穩(wěn)定性好；④具有可容性；212.非纖維素酯類膜材料基本特性：21

聚砜類樹(shù)脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為1～13，最高使用溫度達(dá)120℃，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。

22聚砜類樹(shù)脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定22這類樹(shù)脂中，目前的代表品種有：23這類樹(shù)脂中，目前的代表品種有：23早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍—4、尼龍—66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對(duì)鹽水的分離率在80％～90％之間，但透水率很低，僅0.076ml/cm2·h。以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為3～11，分離率可達(dá)99.5％（對(duì)鹽水），透水速率為0.6ml/cm2·h。長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對(duì)水中的游離氯有較高要求。24早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍—4、尼龍—6

聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對(duì)分離氫氣有很高的效率。25聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能2

離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子交換樹(shù)脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽(yáng)離子膜、弱酸型陽(yáng)離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離子聚合物膜。26離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子261.4膜的制備膜的制備工藝對(duì)分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。目前，國(guó)內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法）和復(fù)合膜化法。271.4膜的制備膜的制備工藝對(duì)分離膜的性能十分1.相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過(guò)溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^(guò)程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人勞勃（S.Leob）和索里拉金（S.Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。

281.相轉(zhuǎn)化制膜工藝28將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：29將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中29聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑凝固液浸漬水洗后處理非對(duì)稱膜圖L—S法制備分離膜工藝流程框圖30聚合物溶劑添加劑均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制2.復(fù)合制膜工藝由L—S法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.25～1μm，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可知，膜的透過(guò)速率與膜的厚度成反比。而用L—S法制備表面層小于0.1μm的膜極為困難。為此，發(fā)展了復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖3所示。312.復(fù)合制膜工藝31多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑圖復(fù)合制膜工藝流程框圖32多孔支持膜涂覆交聯(lián)加熱形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜1.5膜的保存膜的保存對(duì)其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對(duì)膜的破壞和膜的收縮變形。

微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；而水解和冷凍破壞則對(duì)任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會(huì)造成膜的水解。冷凍會(huì)使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。331.5膜的保存膜的保存對(duì)其性能極為重要。主

膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時(shí)，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會(huì)造成膜的變形收縮。34膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時(shí)的失水。收縮變形§2典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)主要有微孔過(guò)濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)(PV)等，下面分別介紹之。35§2典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域典型的膜分離技術(shù)主要有微孔過(guò)36362.1微孔過(guò)濾技術(shù)微孔過(guò)濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，二戰(zhàn)時(shí)被用于檢測(cè)城市給水系統(tǒng)的微生物污染。我國(guó)20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究。到目前為止，國(guó)內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計(jì)400多種。1）推動(dòng)力：壓力差（靜壓差），為0.01～0.2MPa2）膜類型特點(diǎn)：均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，過(guò)濾粒徑在0.025～10μm之間（也有稱10nm～10μm）,孔隙率70%～80%，107～108個(gè)小孔/cm2濾膜。微濾膜本身性脆、易碎，機(jī)械強(qiáng)度差，實(shí)際使用時(shí)必須襯貼在多孔支撐體上，如燒結(jié)的不銹鋼、燒結(jié)鎳等；尼龍布、絲綢（需以密孔篩板支撐）。1.微孔過(guò)濾和微孔膜的特點(diǎn)372.1微孔過(guò)濾技術(shù)微孔過(guò)濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，二戰(zhàn)時(shí)被用微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：

①孔徑均勻，過(guò)濾精度高。能將液體中所有大于指定孔徑的微粒全部截留；

②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過(guò)濾速度較常規(guī)過(guò)濾介質(zhì)快幾十倍；

③無(wú)吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之間，因而吸附量很少，可忽略不計(jì)。38微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：38

④無(wú)介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過(guò)濾時(shí)沒(méi)有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。

微孔膜的缺點(diǎn)：

①顆粒容量較小，易被堵塞；

②使用時(shí)必須有前道過(guò)濾的配合，否則無(wú)法正常工作。39④無(wú)介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，微3）透過(guò)組分：小于膜孔的物質(zhì)，如水、溶劑、溶解物截留組分：大于膜孔的物質(zhì)，如懸浮物、細(xì)菌等

4）分離機(jī)理——根據(jù)顆粒大小、形狀進(jìn)行分離溶解物：＜1nm膠體物質(zhì)：1nm～200nm懸浮物：＞200nm①機(jī)械截留（篩分作用）——主要機(jī)理

②物理作用：包括吸附作用、電性能影響③架橋作用④網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截流403）透過(guò)組分：小于膜孔的物質(zhì)，如水、溶劑、溶解物4）分離機(jī)理2.微孔過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

微孔過(guò)濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：（1）微粒和細(xì)菌的過(guò)濾?？捎糜谒母叨葍艋⑹称泛惋嬃系某?、藥液的過(guò)濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細(xì)菌、病毒等，溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。412.微孔過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域41（2）微粒和細(xì)菌的檢測(cè)。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)菌含量的測(cè)定。（3）食糖與酒類的精制。微孔膜對(duì)食糖溶液和啤、黃酒等酒類進(jìn)行過(guò)濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產(chǎn)品的清澈度，延長(zhǎng)存放期。由于是常溫操作，不會(huì)使酒類產(chǎn)品變味。42（2）微粒和細(xì)菌的檢測(cè)。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而（4）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時(shí)，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中。而且對(duì)于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對(duì)于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)微孔膜過(guò)濾后，細(xì)菌被截留，無(wú)細(xì)菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會(huì)引起藥物的受熱破壞和變性。許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過(guò)濾技術(shù)難以達(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。43（4）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是2.2超濾技術(shù)超濾技術(shù)始于1861年，最早使用的超濾膜是動(dòng)物臟器膜。1864年Traube合成了第一張人工膜。我國(guó)于20世紀(jì)70年代末開(kāi)始研究，80年代發(fā)展迅速。1）推動(dòng)力：壓力差，為0.1～0.5MPa2）透過(guò)組分：溶劑、離子、小分子（分子量＜1000）截留組分：生物制品、膠體、大分子（分子量1000～300000）如酶、蛋白質(zhì)等3）分離機(jī)理：——根據(jù)分子特性、大小、形狀進(jìn)行分離與微濾相似，主要也是為篩分作用。1.超濾和超濾膜的特點(diǎn)442.2超濾技術(shù)超濾技術(shù)始于1861年，

4）膜類型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱膜，其過(guò)濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10nm。

超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成：即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細(xì)孔孔徑一般小于10nm；中間的過(guò)渡層，具有大于10nm的細(xì)孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。

膜的分離性能主要取決于表面活性層和過(guò)度層。1.超濾和超濾膜的特點(diǎn)454）膜類型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱膜，其過(guò)超濾是目前應(yīng)用最廣的膜分離過(guò)程之一，它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。主要可歸納為以下方面：2.超濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無(wú)菌水等。（2）在牛奶加工廠中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。46超濾是目前應(yīng)用最廣的膜分離過(guò)程之一，它的應(yīng)用（3）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，使果汁和酒在凈化處理的同時(shí)保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。（4）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。（5）食品工業(yè)中及造紙廠的廢水處理。2.超濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域47（3）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果超濾膜裝置48超濾膜裝置482.3反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)

滲透是自然界一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。反滲透技術(shù)20世紀(jì)60年代美國(guó)為解決宇航員太空飲水問(wèn)題而研制的，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為一種普遍使用的現(xiàn)代分離技術(shù)。492.3反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)49圖4滲透與反滲透原理示意圖滲透和反滲透的原理如下圖所示。50圖4滲透與反滲透原理示意圖滲透和反滲透1）推動(dòng)力：壓力差，為1～10MPa2）透過(guò)組分：水、溶劑（分子量＜200）截留組分：全部顆粒物、溶質(zhì)和鹽（粒徑0.1～1nm）3）反滲透膜：大部分為不對(duì)稱膜、復(fù)合膜。常用的主要為醋酸纖維素膜（CA膜），其致密層孔隙約0.2～1.0nm。4）反滲透膜的分離機(jī)理——根據(jù)溶劑的擴(kuò)散傳遞進(jìn)行分離

無(wú)機(jī)鹽離子的直徑僅為0.1~0.3nm，水合離子的直徑為0.3~0.6nm，明顯小于孔徑，無(wú)法用分子篩分原理來(lái)解釋分離現(xiàn)象。反滲透膜的分離機(jī)理至今尚有許多爭(zhēng)論，主要有溶解擴(kuò)散理論、氫鍵理論、選擇吸附—毛細(xì)管流動(dòng)理論等。1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)511）推動(dòng)力：壓力差，為1～10MPa1.反滲透原理及反滲透①溶解擴(kuò)散理論：1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)認(rèn)為反滲透膜的致密層可以是無(wú)孔的，具體過(guò)程包括：溶質(zhì)和溶劑在膜的料液側(cè)表面外吸附和溶解。溶質(zhì)和溶劑之間沒(méi)有相互作用，它們?cè)诟髯曰瘜W(xué)位差的推動(dòng)下僅以分子擴(kuò)散方式（不存在溶質(zhì)和溶劑的對(duì)流傳遞）通過(guò)反滲透膜的活性層。溶質(zhì)和溶劑在膜的透過(guò)液側(cè)表面解吸。52①溶解擴(kuò)散理論：1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)②氫鍵理論:主要針對(duì)醋酸纖維素膜提出醋酸纖維素膜具有高度矩陣結(jié)構(gòu)，鹽水中的水分子能與膜上的極性基團(tuán)（如羰基）形成氫鍵。在反滲透壓力作用下，以氫鍵結(jié)合進(jìn)入膜內(nèi)的水分子由第一氫鍵位置斷裂而轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置形成氫鍵；水分子通過(guò)一連串的氫鍵“斷開(kāi)—形成—斷開(kāi)”過(guò)程依次從一個(gè)極性基團(tuán)移到另一個(gè)極性基團(tuán)，直至離開(kāi)表層，進(jìn)入膜的多孔層。③選擇吸附—毛細(xì)管流動(dòng)理論膜是由含有適當(dāng)親水基團(tuán)的多孔材料組成。在鹽溶液中，膜表面有選擇性吸附能力，即吸附水分子而排斥鹽分子。因此，在膜和溶液界面形成一個(gè)純水層，在反滲透壓力推動(dòng)下，此水層的純水通過(guò)毛細(xì)作用而不斷流出。1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)53②氫鍵理論:主要針對(duì)醋酸纖維素膜提出1.反滲透原理及反滲透優(yōu)先吸附--毛細(xì)孔流動(dòng)模型54優(yōu)先吸附--毛細(xì)孔流動(dòng)模型542.反滲透與超濾、微濾的比較都是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級(jí)膜分離過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，分離溶液中分子量低于500的低分子物質(zhì)，應(yīng)該采用反滲透膜；分離溶液中分子量大于1000的大分子或極細(xì)的膠體粒子可以選擇超濾膜，而分離溶液中的直徑0.01～10μm的粒子應(yīng)該選微孔膜。以上關(guān)于反滲透膜、超濾膜和微孔膜之間的分界并不是十分嚴(yán)格、明確的，它們之間可能存在一定的相互重疊。552.反滲透與超濾、微濾的比較55表反滲透、超濾和微孔過(guò)濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較分離技術(shù)類型反滲透超濾微孔過(guò)濾膜的形式表面致密的非對(duì)稱膜、復(fù)合膜等非對(duì)稱膜，表面有微孔均勻微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、PVC等操作壓力/MPa1～100.1～0.50.01～0.2分離的物質(zhì)分子量小于500的小分子物質(zhì)分子量大于1000的大分子和細(xì)小膠體微粒0.01～10μm的粒子分離機(jī)理非簡(jiǎn)單篩分，膜的物化性能對(duì)分離起主要作用篩分，膜的物化性能對(duì)分離起一定作用篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對(duì)分離起決定作用水的滲透通量/(m3.m-2.d-1)0.1～2.50.5～520～20056表反滲透、超濾和微孔過(guò)濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較分離技術(shù)3.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域反滲透膜最早應(yīng)用于苦咸水淡化。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透技術(shù)已擴(kuò)展到化工、電子及醫(yī)藥等領(lǐng)域。反滲透過(guò)程主要是從水溶液中分離出水，分離過(guò)程無(wú)相變化，不消耗化學(xué)藥品，這些基本特征決定了它以下的應(yīng)用范圍。573.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域57（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備。近年來(lái)，反滲透技術(shù)在家用飲水機(jī)及直飲水給水系統(tǒng)中的應(yīng)用更體現(xiàn)了其優(yōu)越性。（2）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等。與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產(chǎn)品的療效、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)等均不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水，回收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。3.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域58（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置59工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置59工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接60工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接602.4納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）納濾膜是20世紀(jì)80年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支，早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。目前，納濾膜已從反滲透技術(shù)中分離出來(lái)，成為獨(dú)立的分離技術(shù)。1）納濾膜的特點(diǎn)：一般為復(fù)合膜，孔徑及其被分離物的尺寸，介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間，為納米級(jí)，因此稱為“納濾”。1.納濾及納濾膜的特點(diǎn)612.4納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）2.4納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）2）推動(dòng)力：壓力差，0.5～1MPa

（0.5～2.5MPa）3）透過(guò)組分：水、溶劑、一價(jià)鹽和分子量＜200的小分子物質(zhì)截留組分：多價(jià)鹽，粒徑在1nm左右，分子量為300～1000左右的小分子有機(jī)物，如糖、染料等。1.納濾及納濾膜的特點(diǎn)納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白,它能截留透過(guò)超濾膜的那部分小分子量的有機(jī)物,透過(guò)被反滲透膜所截留的無(wú)機(jī)鹽。而且，納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同,對(duì)單價(jià)離子的截留率低(10%-80%),對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率明顯高于單價(jià)離子(90%)以上。622.4納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）2）4)分離機(jī)理——根據(jù)分子（離子）大小及電荷進(jìn)行分離①對(duì)小分子的分離：篩分作用②對(duì)帶電離子分離：唐南平衡（Donnan，或稱唐南效應(yīng)）內(nèi)相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-允許小分子、離子自由通過(guò)，但不允許大分子離子通過(guò)Na+Cl-Na+Cl-不管初始時(shí)兩邊的鹽濃度是否相等，平衡時(shí)[Na+]Ⅰ=[Na+]Ⅱ

[Cl-]Ⅰ

=[Cl-]Ⅱ問(wèn)題：如果往內(nèi)相加入大量的高分子電解質(zhì)，(如Na2Pr),平衡時(shí)膜兩邊的Na+和Cl-濃度還相等嗎？634)分離機(jī)理——根據(jù)分子（離子）大小及電荷進(jìn)行分離內(nèi)相Ⅰ電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿足電中性條件

[Na+]Ⅰ=[Cl-]Ⅰ

+[Pr2-]Ⅰ

[Na+]Ⅱ=[Cl-]Ⅱ內(nèi)相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-Pr2-平衡時(shí)，膜兩邊的Cl-的濃度不相等唐南平衡：在半透膜兩邊，一邊放大分子電解質(zhì)，一邊放純水，大分子離子（如Pr2-）不能透過(guò)半透膜，而離解出的小離子（如Na+）及雜質(zhì)電解質(zhì)離子（如Cl-）可以通過(guò)。因膜兩邊要保持電中性，在達(dá)到滲透平衡時(shí)，使小離子在膜兩邊的濃度不等，這種平衡稱唐南平衡。由于離子分布的不平衡會(huì)造成額外的滲透壓，又稱之為唐南效應(yīng)。該效應(yīng)會(huì)影響滲透壓法測(cè)定大分子摩爾質(zhì)量的準(zhǔn)確性。64電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿足電中性條件內(nèi)相Ⅰ外相ⅡH2.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域納濾技術(shù)最早也是應(yīng)用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術(shù)對(duì)低價(jià)離子與高價(jià)離子的分離特性良好，因此在硬度高和有機(jī)物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目；在食品行業(yè)中，納濾膜可用于果汁生產(chǎn)，大大節(jié)省能源；在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收等方面；在石化生產(chǎn)的催化劑分離回收等方面更有著不可比擬的作用。652.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域65umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERIAL過(guò)濾對(duì)象MOLECULARWEIGHT分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueoussalts中水鹽份Metalions金屬離子Sugars蔗糖FILTRATIONTECHNO-LOGY過(guò)濾方法Pyrogens熱源Virus病毒Colloidalsilica膠體硅Albuminprotein白蛋白Bacteria細(xì)菌Carbonblack碳黑Paintpigment顏料色素Yeastcells酵母Milledflour面粉Beachsand海灘沙礫Pollens花粉RO反滲透Ultrafiltration超濾Microfiltration微濾Particle

filtration一般過(guò)濾THEFILTRATIONSPECTRUM過(guò)濾譜圖NF納濾66umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERI2.5電滲析電滲析是在外加直流電場(chǎng)作用下，通過(guò)具有選擇透過(guò)性及導(dǎo)電性良好的離子交換膜把電解質(zhì)從溶液中分離的技術(shù)。1）推動(dòng)力：電位差2）透過(guò)組分：離子截留組分：所有非解離和大分子顆粒3）膜類型：離子交換膜①陰離子交換膜:只允許陰離子通過(guò)而阻止陽(yáng)離子通過(guò)。主要為季胺型，即R-N(CH3)3OH，在水中解離為R-N+(CH3)3，帶正電，吸引水中負(fù)離子可與OH-交換通過(guò)。②陽(yáng)離子交換膜：只允許陽(yáng)離子通過(guò)而阻止陰離子通過(guò)。主要為磺酸基型，即R-SO3H，在水中解離為R-SO3-，帶負(fù)電，吸引水中陽(yáng)離子可與H+交換通過(guò)。1.電滲析原理及膜類型672.5電滲析電滲析是在外加直流電場(chǎng)作用下，通4）分離原理——根據(jù)電解質(zhì)離子選擇傳遞進(jìn)行分離在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽(yáng)兩個(gè)電極，并施加電場(chǎng)，則溶液中的陽(yáng)離子將移向陰極，陰離子則移向陽(yáng)極，這一過(guò)程稱為電泳。如果在陰、陽(yáng)兩電極之間插入一張離子交換膜（陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜），則陽(yáng)離子或陰離子會(huì)選擇性地通過(guò)膜，這一過(guò)程就稱為電滲析。2.5電滲析1.電滲析原理及膜類型684）分離原理——根據(jù)電解質(zhì)離子選擇傳遞進(jìn)行分離2.5電滲析實(shí)際應(yīng)用的電滲析器69實(shí)際應(yīng)用的電滲析器69

陽(yáng)極H2O←→H++OH-4OH-

-4e→2H2O+2[O]→2H2O+O2↑2Cl--2e→2[Cl]→Cl2↑H++Cl-←→HCl在陽(yáng)極，由于OH-減少，極水呈酸性，并產(chǎn)生性質(zhì)非常活潑的初生態(tài)氧和氯，會(huì)對(duì)電極造成強(qiáng)烈腐蝕。因此陽(yáng)極附近一般不用陰膜而用陽(yáng)膜，防止陰離子進(jìn)入陽(yáng)極室；或用一張抗氧化膜。在陰極，由于H+減少，極水呈堿性，當(dāng)水中含有Ca2+、Mg2+、HCO3

-時(shí)，就會(huì)生成CaCO3、Mg(OH)2等水垢。因此極室也應(yīng)通入原水，排放極水，且最好混合排放。電滲析極室反應(yīng)（以NaCl水溶液為例）

陰極H2O←→H++OH-2H+

+2e→H2↑Na++OH-

←→NaOH70陽(yáng)極在陽(yáng)極，由于OH-減少，2.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

自電滲析技術(shù)問(wèn)世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢(shì)。隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國(guó)在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3。我國(guó)的電滲析裝置主要由國(guó)家海洋局杭州水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。712.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域71

中草藥有效成分的分離和精制：通過(guò)電滲析一般可以把中草藥提取液分離分成無(wú)機(jī)陽(yáng)離子和生物堿、無(wú)機(jī)陰離子和有機(jī)酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

電滲析技術(shù)在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過(guò)濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。

72中草藥有效成分的分離和精制：通過(guò)電滲析一般可2.6滲透蒸發(fā)技術(shù)

滲透蒸發(fā)(也叫滲透汽化)，是膜分離技術(shù)的一個(gè)分支，也是熱驅(qū)動(dòng)的蒸餾法和膜法相結(jié)合的一種分離方法。其不同于常規(guī)膜分離方法之處在于，滲透過(guò)程將產(chǎn)生由液相到氣相的轉(zhuǎn)變。即：滲透蒸發(fā)是指液體混合物在膜兩側(cè)組分的蒸氣分壓差的推動(dòng)力下，透過(guò)膜并部分蒸發(fā)，從而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法。其實(shí)質(zhì)是利用高分子膜的選擇性透過(guò)來(lái)分離液體混合物，其原理如下圖。1.滲透蒸發(fā)原理732.6滲透蒸發(fā)技術(shù)滲透蒸發(fā)(也叫滲透汽化)滲透蒸發(fā)分離示意圖b惰性氣體吹掃a真空氣化74滲透蒸發(fā)分離示意圖b惰性氣體吹掃a真空氣化742.6滲透蒸發(fā)技術(shù)其分離機(jī)制可分為以下三步：被分離的物質(zhì)在膜表面有選擇性的被吸附并被溶解；以擴(kuò)散的形式在膜內(nèi)滲透；在膜的另一側(cè)變成氣相脫吸附而與膜分離開(kāi)。1.滲透蒸發(fā)原理752.6滲透蒸發(fā)技術(shù)其分離機(jī)制可分為以下三步：1.滲2.滲透蒸發(fā)膜材料的選擇對(duì)于滲透蒸發(fā)膜來(lái)說(shuō)，是否具有良好的選擇性是首先要考慮的?；谌芙鈹U(kuò)散理論，只有對(duì)所需要分離的某組分有較好親和性的高分子物質(zhì)才可能作為膜材料。如以透水為目的的滲透蒸發(fā)膜，應(yīng)該有良好的親水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纖維素（CA）都是較好的膜材料；而當(dāng)以透過(guò)醇類物質(zhì)為目的時(shí)，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）則是較理想的膜材料。762.滲透蒸發(fā)膜材料的選擇763.滲透蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域滲透蒸發(fā)技術(shù)具有一次分離度高、操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、低能耗等特點(diǎn)，已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注。1）可用于傳統(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點(diǎn)物系的分離。目前已在無(wú)水乙醇的生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。與傳統(tǒng)的恒沸精餾制備無(wú)水乙醇相比，可大大降低運(yùn)行費(fèi)用，且不受汽—液平衡的限制。2）在其他領(lǐng)域的應(yīng)用尚都處在實(shí)驗(yàn)室階段。預(yù)計(jì)有較好應(yīng)用前景的領(lǐng)域有：工業(yè)廢水處理中采用滲透蒸發(fā)膜去除少量有毒有機(jī)物（如苯、酚、含氯化合物等）；在氣體分離、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。773.滲透蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域772.7膜蒸餾技術(shù)膜蒸餾技術(shù)主要用于利用微孔高分子膜提取揮發(fā)性物質(zhì)。與滲透蒸發(fā)相比：相同之處：推動(dòng)力均為蒸氣壓差；均有液相到氣相的轉(zhuǎn)變不同之處：前者是先滲透后汽化，膜蒸餾是先汽化后滲透過(guò)膜1.膜蒸餾技術(shù)原理其原理如圖示：疏水性多孔膜的一側(cè)與高溫原料水溶液相接觸(即暖側(cè)），膜的另一側(cè)與低溫冷壁相鄰（即冷側(cè)）；借助暖側(cè)與冷側(cè)之間的這種相當(dāng)于溫度差的蒸氣壓差為推動(dòng)力，促使暖側(cè)產(chǎn)生的水蒸氣通過(guò)膜的細(xì)孔，再擴(kuò)散到冷側(cè)的冷壁表面被冷凝下來(lái)；而液相水溶液由于多孔膜的疏水作用無(wú)法透過(guò)膜被留在暖側(cè)，從而達(dá)到與氣相水分離的目的。782.7膜蒸餾技術(shù)膜蒸餾技術(shù)主要用于利用微孔

注：在以水溶液進(jìn)行膜蒸餾時(shí)，如果溶質(zhì)的揮發(fā)性比水更大，則蒸餾液的主要成分應(yīng)該是溶質(zhì)。例如，當(dāng)暖側(cè)為乙醇水溶液時(shí)，由于乙醇的揮發(fā)性比水強(qiáng)，乙醇將不斷的從暖側(cè)進(jìn)入冷側(cè)；如果暖側(cè)為乙酸水溶液時(shí)，由于乙酸的揮發(fā)性比水弱，水將不斷的從暖側(cè)進(jìn)入冷側(cè)。2.膜蒸餾過(guò)程的特點(diǎn)該過(guò)程是在常壓下進(jìn)行的，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。無(wú)需把溶液加熱到沸點(diǎn)，只要膜兩側(cè)維持適當(dāng)溫差，該過(guò)程即可進(jìn)行。在非揮發(fā)性溶質(zhì)的水溶液膜蒸餾過(guò)程中，因?yàn)橹挥兴魵饽芡高^(guò)膜孔，可成為大規(guī)模、低成本制備超純水的有效手段。該過(guò)程可以用來(lái)處理極高濃度的水溶液；如果溶質(zhì)是易結(jié)晶的，可以把溶質(zhì)濃縮至過(guò)飽和狀態(tài)，出現(xiàn)“膜蒸餾-結(jié)晶”現(xiàn)象?？捎靡詮奶烊畸}水中結(jié)晶出食鹽等，是其它膜過(guò)程難以達(dá)到的。79注：在以水溶液進(jìn)行膜蒸餾時(shí)，如果溶質(zhì)的揮發(fā)性2.8透析透析（也有稱滲析）是指在濃度差推動(dòng)下，借助膜兩側(cè)的擴(kuò)散和滲透作用，使兩組分以上的溶質(zhì)得以分離。膜類型：非對(duì)稱膜，離子交換膜透過(guò)組分：離子、酸、堿、低分子量有機(jī)物被截留組分：分子量大于1000的溶解物及膠體分離機(jī)理：是根據(jù)溶質(zhì)分子大小和化學(xué)性質(zhì)不同，具有不同的選擇透過(guò)性及透過(guò)速度。原液膜滲出液溶質(zhì)擴(kuò)散水滲透802.8透析透析（也有稱滲析）是指在濃度差推動(dòng)下，借助膜兩側(cè)2.9氣體分離膜812.9氣體分離膜811.氣體分離膜的分離機(jī)理

氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜和多孔膜。它們的分離機(jī)理各不相同。（1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理該理論認(rèn)為，氣體選擇性透過(guò)非多孔均質(zhì)膜分四步進(jìn)行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進(jìn)行活性擴(kuò)散，分子在膜的另一側(cè)逸出。（2）多孔膜的透過(guò)擴(kuò)散機(jī)理

用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過(guò)膜中細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生的速度差來(lái)進(jìn)行的。821.氣體分離膜的分離機(jī)理（1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理82.氣體分離膜的應(yīng)用領(lǐng)域氣體分離膜是當(dāng)前各國(guó)均極為重視開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，已有不少產(chǎn)品用于工業(yè)化生產(chǎn)。如美國(guó)DuPont公司用聚酯類中空纖維制成的H2氣體分離膜，對(duì)組成為70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合氣體進(jìn)行分離，可獲得含90％H2的分離效果。此外，富氧膜、分離N2，CO2，SO2，H2S等氣體的膜，都已有工業(yè)化的應(yīng)用。例如從天然氣中分離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分離N2或CO2，從煙道氣中分離O2、從煤氣中分離H2S或CO2等等，均可采用氣體分離膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。832.氣體分離膜的應(yīng)用領(lǐng)域832.10液膜分離由于固體膜存在選擇性低和通量小的缺點(diǎn)，故人們?cè)噲D用改變固體高分子膜的狀態(tài)，使穿過(guò)膜的擴(kuò)散系數(shù)增大、膜的厚度變小,從而使透過(guò)速度躍增,并再現(xiàn)生物膜的高度選擇性遷移。這樣,1965年由美國(guó)?？松‥xssen）研究工程公司的黎念之博士提出的一種新型膜分離技術(shù)－液膜分離法(Liquidmembraneseparation),又稱液膜萃取法(Liquidmembraneextraction)，這是一種以液膜為分離介質(zhì)、以濃度差為推動(dòng)力的膜分離操作。它與溶劑萃取雖然機(jī)理不同、但都屬于液-液系統(tǒng)的傳質(zhì)分離過(guò)程。直到20世紀(jì)80年代中期，奧地利的J.Draxler等科學(xué)家采用液膜法從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液膜分離技術(shù)才進(jìn)入了實(shí)用階段。842.10液膜分離由于固體膜存在選擇性低和通量小的缺點(diǎn)，故人1液膜的定義及其組成

液膜是懸浮在液體中很薄的一層乳液微粒。它能把兩個(gè)組成不同而又互溶的溶液隔開(kāi)，并通過(guò)滲透現(xiàn)象起到分離的作用。乳液微粒通常是由溶劑(水和有機(jī)溶劑)、表面活性劑和添加劑制成的。溶劑：構(gòu)成膜基體；表面活性劑：起乳化作用，它含有親水基和疏水基，控制液膜的穩(wěn)定性。添加劑/流動(dòng)載體：用于控制膜的選擇性和滲透性。通常將含有被分離組分的料液作連續(xù)相，稱為外相；接受被分離組分的液體，稱內(nèi)相；處于兩者之間的成膜的液體稱為膜相，三者組成液膜分離體系。當(dāng)液膜為水溶液時(shí)(水型液膜)，其兩側(cè)的液體為有機(jī)溶劑；當(dāng)液膜由有機(jī)溶劑構(gòu)成時(shí)(油型液膜)，其兩側(cè)的液體為水溶液。851液膜的定義及其組成液膜是懸浮在液體中很薄的一層乳液液膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為多種，但具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的主要有以下三種。（1）乳狀液膜(emulsionliquidmembrane，ELM)

乳狀液膜根據(jù)成膜液體的不同，分為(W/O)/W(水-油-水)和(O/W)/O(油-水-油)兩種。在生物分離中主要應(yīng)用(W/O)/W型乳狀液膜。乳狀液膜的膜溶液中膜溶劑含量占90％以上，而表面活性劑和添加劑分別占1％～5％。表面活性劑起穩(wěn)定液膜的作用，是乳狀液膜的必需成分。因此，乳狀液膜又稱表面活性劑液膜(surfactantliquidmembrane)。2液膜的分類86液膜根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為多種，但具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的主要有(W/O)/W(水-油-水)

向溶有表面活性劑和添加劑的油中加入水溶液，進(jìn)行高速攪拌或超聲波處理，制成W/O(油包水)型乳化液，再將該乳化液分散到第二個(gè)水相(通常為待分離的料液)進(jìn)行第二次乳化即可制成(W/O)/W型乳狀液膜，此時(shí)第二個(gè)水相為連續(xù)相。W/O乳化液滴直徑一般為0.1～2mm，內(nèi)部包含許多微水滴，直徑為數(shù)μm,液膜厚度為1～10μm。乳狀液膜中表面活性劑有序排列在油水分界面處，對(duì)乳狀液膜的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用，并影響液膜的滲透性。87(W/O)/W(水-油-水)向溶有表面活性劑和添加劑的油(2)支撐液膜支撐液膜是由溶解了載體的液膜，在表面張力作用下，通過(guò)聚合凝膠層中的化學(xué)反應(yīng)或帶電荷材料的靜電作用，含浸在多孔支撐體的微孔內(nèi)而制得的。由于將液膜含浸在多孔支撐體上，可以承受較大的壓力；且由于溶解了載體具有更高的選擇性，因而，它可以承擔(dān)合成聚合物膜所不能勝任的分離要求。支撐液膜的性能與支撐體材質(zhì)、膜厚度及微孔直徑的大小密切相關(guān)。支撐體一般都要求采用聚丙烯、聚乙烯、聚砜及聚四氟乙烯等疏水性多孔膜，膜厚為25～50μm，微孔直徑為0.02～1μm。通?？讖皆叫∫耗ぴ椒€(wěn)定，但孔徑過(guò)小將使孔隙率下降，從而將降低透過(guò)速度。如下圖88(2)支撐液膜支撐液膜是由溶解了載體的液膜，在流動(dòng)液膜也是一種支撐液膜，是為彌補(bǔ)上述支撐液膜的膜相容易流失的缺點(diǎn)而提出的，液膜相可循環(huán)流動(dòng)，因此在操作過(guò)程中即使有所損失也很容易補(bǔ)充，不必停止萃取操作進(jìn)行液膜的再生。支撐液膜流動(dòng)液膜（3）流動(dòng)液膜89流動(dòng)液膜也是一種支撐液膜，是為彌補(bǔ)上述支撐液3液膜萃取機(jī)理液膜萃取機(jī)理根據(jù)待分離溶質(zhì)種類的不同，主要可分為如下幾種類型（1）單純遷移又稱物理滲透根據(jù)料液中各種溶質(zhì)在膜相中的分配系數(shù)(溶解度)和擴(kuò)散系數(shù)的不同進(jìn)行萃取分離。由于一般溶質(zhì)之間擴(kuò)散系數(shù)的差別不大，因此物理滲透主要是基于溶質(zhì)之間分配系數(shù)的差別實(shí)現(xiàn)分離的。

達(dá)到平衡時(shí)，溶質(zhì)遷移不再發(fā)生。這種萃取機(jī)理的液膜分離無(wú)溶質(zhì)濃縮反應(yīng)。903液膜萃取機(jī)理液膜萃取機(jī)理根據(jù)待分離溶質(zhì)種類的不同，主要可(2)反萃相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移例：在有機(jī)酸等弱酸性電解質(zhì)的分離純化方面，可利用強(qiáng)堿(如NaOH)溶液為反萃相。反萃相中含有NaOH，與料液中溶質(zhì)(有機(jī)酸)發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)生成不溶于膜相的鹽。因NaOH與酸的反應(yīng)速度很快,反萃相中有機(jī)酸的濃度接近于零,使膜相兩側(cè)保持最大濃度差,促進(jìn)有機(jī)酸的遷移，直到NaOH反應(yīng)完全。這種利用反萃相內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)遷移又稱I型促進(jìn)遷移。與上述單純遷移相比，溶質(zhì)在反萃相可得到濃縮，并且萃取速率快。91(2)反萃相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移速度很快,反萃相中有機(jī)酸的濃度接（3）膜相載體輸送在膜相加入可與目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)的萃取劑C，目標(biāo)產(chǎn)物與該萃取劑C在膜相的料液一側(cè)發(fā)生正向反應(yīng)生成中間產(chǎn)物。此中間產(chǎn)物在濃差作用下擴(kuò)散到膜相的另一側(cè)，釋放出目標(biāo)產(chǎn)物。這樣，目標(biāo)產(chǎn)物通過(guò)萃取劑C的搬運(yùn)從料液一側(cè)轉(zhuǎn)入到反萃相，而萃取劑C在濃差作用下從膜相的反萃液一側(cè)擴(kuò)散到料液相一側(cè)，重復(fù)目標(biāo)產(chǎn)物的跨膜輸送過(guò)程。因此，萃取劑C稱為液膜的流動(dòng)載體。利用膜相中流動(dòng)載體選擇性輸送作用的傳質(zhì)機(jī)理稱為載體輸送，又稱為Ⅱ型促進(jìn)遷移。92（3）膜相載體輸送這樣，目標(biāo)產(chǎn)物通過(guò)萃取劑C利用載體輸送的萃取過(guò)程可大大地提高溶質(zhì)的滲透性和選擇性。更為重要的是，載體輸送有能量泵的作用，使目標(biāo)溶質(zhì)從低濃度區(qū)沿反濃度梯度方向向高濃度區(qū)持續(xù)遷移。顯然，載體輸送需要能量。根據(jù)向流動(dòng)載體供能方式不同，載體輸送分為同向遷移和反向遷移兩種。(1)同向遷移液膜中含有非離子型載體時(shí),它所載帶的溶質(zhì)是中性鹽。它與陽(yáng)離子選擇性配位的同時(shí),又同時(shí)與陰離子結(jié)合形成離子對(duì)而一起遷移。93利用載體輸送的萃取過(guò)程可大大地提高溶質(zhì)的滲透性和選（2）反向遷移當(dāng)液膜中含有離子型載體時(shí)的溶質(zhì)遷移過(guò)程。由于液膜兩側(cè)要求電中性,在某一方向一種陽(yáng)離子移動(dòng)穿過(guò)膜,必須由相反方向的另一種陽(yáng)離子遷移來(lái)平衡,所以待分離組分與供能溶質(zhì)的遷移方向相反。外相

膜相

內(nèi)相(20%H2SO4)CuR2

2H+

2H+Cu2+

Cu2++Cu2++

2RH

Cu2+2H+Cu2+2H+

2H+++94（2）反向遷移當(dāng)液膜中含有離子型載體時(shí)的溶質(zhì)遷移過(guò)程。由4.液膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）在萃取分離方面的應(yīng)用液膜分離技術(shù)可用于萃取處理含鉻、硝基化合物、含酚等的廢水。我國(guó)利用液膜處理含酚廢水的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。（2）在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用液膜在醫(yī)學(xué)上用途也很廣泛。如液膜人工肺、液膜人工肝、液膜人工腎以及液膜解毒、液膜緩釋藥物等。（3）目前，液膜在青霉素及氨基酸的提純回收領(lǐng)域也較為活躍。其他如石油、氣體分離、礦物浸出液的加工和稀有元素的分離等方面也有應(yīng)用。954.液膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域95膜組件是指將膜、固定膜的支撐材料、間隔物等組裝成的一個(gè)基本單元。工業(yè)生產(chǎn)中可以將數(shù)個(gè)或數(shù)千個(gè)膜組件組成一個(gè)連續(xù)的系統(tǒng)，逐級(jí)濃縮，透過(guò)液可在各個(gè)單元收集，進(jìn)入中心容器排出。膜組件的結(jié)構(gòu)及形式取決于膜的形狀,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有平板式、管式、中空纖維式、螺旋卷式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種?！?膜分離裝置

——膜組件(MembraneModule)96膜組件是指將膜、固定膜的支撐材料、間隔物等組裝成的一個(gè)基本單97971平板式(Plate-and-Frame)膜組件

板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計(jì)類似于常規(guī)的板框過(guò)濾裝置,膜被放置在可墊有濾布的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個(gè)膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計(jì)的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。981平板式(Plate-and-Frame)膜組件982管式(Tubular)膜組件

管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式，單管式和管束式幾種。對(duì)內(nèi)壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過(guò),透過(guò)膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對(duì)外壓式膜組件,膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過(guò),滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過(guò)膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無(wú)論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。992管式(Tubular)膜組件993螺旋卷式(SpiralWound)膜組件

卷式膜組件的結(jié)構(gòu)：中間為多孔支撐材料，兩邊是膜，其中三邊被密封而粘貼成膜袋狀，另一個(gè)開(kāi)放邊與一根多孔中心產(chǎn)品收集管密封連結(jié)，在膜袋的外部原料液側(cè)再墊一層網(wǎng)眼型間隔材料。也就是把“膜-多孔支撐體-膜-原料液側(cè)間隔材料”依次疊合，繞中心產(chǎn)品收集管緊密的卷起來(lái)形成一個(gè)膜卷，再裝入圓柱型壓力容器內(nèi)，就成為一個(gè)卷式膜組件。1003螺旋卷式(SpiralWound)膜組件1004中空纖維(HollowFiber)式膜組件中空纖維式膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有其它組件大,最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量（幾十萬(wàn)根或更多）的中空纖維彎成U型或?qū)⒁欢嗣芊?，安裝在一個(gè)管狀耐壓容器內(nèi),中空纖維的開(kāi)口端以環(huán)氧樹(shù)脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流入,沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過(guò)液則滲透通過(guò)中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維束在環(huán)氧樹(shù)脂的固封頭的開(kāi)端引出,原液則從膜組件的另一端流出。1014中空纖維(HollowFiber)式膜組件101膜組件102膜組件102各種膜組件的優(yōu)缺點(diǎn)比較

組件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)板框式操作費(fèi)用低，液流穩(wěn)定，技術(shù)比較成熟投資費(fèi)用大，大的固含量會(huì)堵塞進(jìn)料液通道，拆卸比清潔管道更費(fèi)時(shí)間螺旋卷式設(shè)備投資低，操作費(fèi)用也低，單位體積中所含過(guò)濾面積大，換新膜容易料液需經(jīng)預(yù)處理，壓力降大，易污染，難清洗，液流不易控制管式易清洗，單根管子容易調(diào)換，對(duì)液流易控制，無(wú)機(jī)組件可在高溫下用有機(jī)溶劑進(jìn)行操作并可用化學(xué)試劑來(lái)消毒設(shè)備投資和操作費(fèi)用高，單位體積中所含有過(guò)濾面積較小，壓力降大中空纖維式單位體積中所含過(guò)濾面積大，可以逆流操作，壓力較低，設(shè)備投資低料液需要預(yù)處理，單根纖維管損壞時(shí)，需調(diào)換整個(gè)組件，不夠成熟103各種膜組件的優(yōu)缺點(diǎn)比較組件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見(jiàn)下表。104各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見(jiàn)下表。104§4濃差極化、膜污染及其控制105§4濃差極化、膜污染及其控制1051濃差極化在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均隨透過(guò)液傳送到膜表面上，不能完全透過(guò)膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，引起滲透壓和流體阻力增加。這種在膜表面附近溶液濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃差極化(concentrationpolarization)。它是一個(gè)可逆過(guò)程。只有在膜過(guò)程運(yùn)行中產(chǎn)生存在，停止運(yùn)行，濃差極化逐漸消失。后果：膜表面溶質(zhì)濃度增加導(dǎo)致界面上的滲透壓增加，引起膜兩側(cè)滲透壓差增大，使有效工作壓力減小，結(jié)果使膜的透過(guò)率降低。局部濃度的增高，通常會(huì)促進(jìn)溶液中部分溶質(zhì)成分的飽和，一定條件下甚至結(jié)晶析出而沉積，或變成膠狀物質(zhì)附著于膜表面，將膜孔堵塞，從而減少了膜的有效面積，使膜的透過(guò)率進(jìn)一步降低。1061濃差極化在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均隨透過(guò)液傳送到2膜污染膜分離過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是膜污染，其主要原因來(lái)自以下幾個(gè)方面：（2）膜孔堵塞;（3）膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附.（1）膜表面形成的附著層和凝膠層由料液（原水）中懸浮物堆積于膜表面（濾餅）。由溶解性有機(jī)物濃縮后黏附于膜表面（凝膠層）。由溶解性無(wú)機(jī)物生成的水垢沉積于膜表面（水垢層）由膠體物質(zhì)或微生物等吸附于膜表面（吸附層）1072膜污染膜分離過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是膜污染，3膜污染的控制膜污染會(huì)造成透過(guò)通量的大幅度下降，影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對(duì)膜分離過(guò)程采取有效控制及對(duì)膜進(jìn)行定期清洗除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物。（1）改善膜表面的流體力學(xué)條件①改變料液的流動(dòng)方向，采取錯(cuò)流過(guò)濾。

終端過(guò)濾污染嚴(yán)重錯(cuò)流過(guò)濾污染輕流體流動(dòng)平行于過(guò)濾表面，產(chǎn)生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動(dòng)態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過(guò)程，使過(guò)濾操作可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。1083膜污染的控制膜污染會(huì)造成透過(guò)通量的大幅度下降3膜污染的控制（1）改善膜表面的流體力學(xué)條件②提高進(jìn)水的流速，以增大膜表面的水流速度。③采用湍流促進(jìn)器和設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)?！e例：自制發(fā)酵罐的擋板（2）膜的定時(shí)或不定時(shí)清洗膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗劑。具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力，同時(shí)又不能損害膜的過(guò)濾性能。如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過(guò)性能，則不需使用其他清洗劑。1093膜污染的控制（1）改善膜表面的流體力學(xué)條件②提高進(jìn)水的流

清洗操作是膜分離過(guò)程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過(guò)程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時(shí)，也需采取必要的措施防止或減輕膜污染。此外，對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(如進(jìn)行預(yù)過(guò)濾、調(diào)節(jié)pH值)，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。（3）原料液的預(yù)處理是指在原料液過(guò)濾前向其中加入一種或幾種物質(zhì)，使原料液的性質(zhì)或溶質(zhì)的特性發(fā)生變化，進(jìn)行預(yù)絮凝、預(yù)過(guò)濾或改變?nèi)芤簆H值等方法，以脫除一些與膜相互作用的物質(zhì)。例：①在日常廢水處理中，先加入氫氧化鈣、明礬或高分子電解質(zhì)，使之產(chǎn)生蓬松無(wú)黏聚性的絮狀物，顯著降低膜污染。②在處理含金屬離子的廢水時(shí)，可預(yù)先加入堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)溶液的pH值或加入硫化物，使重金屬離子形成沉淀或難容物質(zhì)而事先出去。110清洗操作是膜分離過(guò)程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離技術(shù)的應(yīng)用回收有機(jī)蒸氣應(yīng)用水的脫鹽和凈化食品工業(yè)醫(yī)療、衛(wèi)生方面石油、化工方面環(huán)境工程其他方面海水與苦咸水淡化電廠鍋爐供水脫鹽超純水制備城市家庭飲用水的凈化乳品加工酒類生產(chǎn)果汁加工酶制劑生產(chǎn)醫(yī)療、衛(wèi)生用水藥品生產(chǎn)醫(yī)療應(yīng)用中藥提煉制取富氧空氣無(wú)水乙醇生產(chǎn)膜與生物技術(shù)國(guó)防上的應(yīng)用交通、運(yùn)輸方面脫氣膜電泳漆廢水電鍍廢水纖維工業(yè)廢水造紙工業(yè)廢水其他廢水回收有機(jī)蒸氣111膜分離技術(shù)的應(yīng)用回收有機(jī)蒸氣應(yīng)用水的脫鹽和凈化食品工業(yè)醫(yī)療、第三節(jié)膜分離技術(shù)112第三節(jié)膜分離技術(shù)1所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。

膜的特性：◆兩個(gè)界面分別與兩側(cè)的流體相接觸◆膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過(guò)，而不允許其它物質(zhì)透過(guò)。1.膜(Membrane)1.1基本概念§1膜技術(shù)概述113所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一2.膜分離技術(shù)（膜技術(shù)）：以天然或人工合成的選擇性薄膜為分離介質(zhì)，以外界能量或化學(xué)位差（如濃度差、壓力差或電位差等）為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離（分級(jí)、提純、富集濃縮）的技術(shù)。是一種分子水平的分離技術(shù)。選擇性透膜1142.膜分離技術(shù)（膜技術(shù)）：選擇性透膜3膜分離過(guò)程可概述為以下三種形式：①過(guò)濾式膜分離利用組分的大小和性質(zhì)及所表現(xiàn)出透過(guò)膜的速率差別，達(dá)到組分的分離。屬于過(guò)濾式膜分離的有超濾、微濾、反滲透等；②滲析式膜分離料液中的某些溶質(zhì)或離子在濃度差、電位差的推動(dòng)下，透過(guò)膜進(jìn)入接受液中，從而被分離出去。屬于滲析式膜分離的有透析和電滲析等；③液膜分離液膜與料液和接受液互不混溶，液液兩相通過(guò)液膜實(shí)現(xiàn)滲透，類似于萃取和反萃取的組合。溶質(zhì)從料液進(jìn)入液膜相當(dāng)于萃取，溶質(zhì)再?gòu)囊耗みM(jìn)入接受液相當(dāng)于反萃取。115膜分離過(guò)程可概述為以下三種形式：4膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：①成本低、能耗少、效率高、無(wú)污染并可回收有用物質(zhì)，特別適合于性質(zhì)相似組分、同分異構(gòu)體組分、熱敏性組分、生物物質(zhì)組分等混合物的分離，在某些應(yīng)用中能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等單元操作。并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合起來(lái)使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟(jì)。②膜分離過(guò)程(除滲透蒸發(fā)膜外)沒(méi)有相的變化，常溫下即可操作；由于避免了高溫操作，所濃縮和富集物質(zhì)的性質(zhì)不容易發(fā)生變化，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)使用具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。③膜分離裝置簡(jiǎn)單、操作容易，對(duì)無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及生物制品均可適用，并且不產(chǎn)生二次污染。116膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：5高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A.Nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。1.2膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史117高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（A.N1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超過(guò)濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過(guò)濾時(shí)，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過(guò)濾可稱為超過(guò)濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種過(guò)濾應(yīng)稱為微孔過(guò)濾。1181861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超過(guò)濾的然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水—丙酮—溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過(guò)濾膜。美國(guó)Amicon公司首先將這種膜商品化。119然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了反滲透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龍為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時(shí)期，丹麥DDS公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開(kāi)始工業(yè)化。12050年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開(kāi)始了反滲透膜的研究自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱UF膜）、微孔過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱MF膜）和反滲透膜（簡(jiǎn)稱RO膜）。以后又開(kāi)發(fā)了許多其它類型的分離膜。在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)—步提高。121自上世紀(jì)60年代中期以來(lái)，膜分離技術(shù)真正實(shí)1具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（Martin）在60年代初研究反滲透時(shí)發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項(xiàng)專利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動(dòng)載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。122具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初1.3膜材料

用作分離膜的材料包括廣泛的天然材料和人工合成的有機(jī)高分子材料和無(wú)機(jī)材料。原則上講，凡能成膜的高分子有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。1231.3膜材料用作分離膜的材料包括廣泛的天然膜材料種類高分子有機(jī)膜纖維素衍生物類聚砜類聚酰胺類聚酰亞胺類聚酯類聚烯烴類乙烯類聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲殼素類無(wú)機(jī)膜致密膜多孔膜致密的金屬膜致密的固體電解質(zhì)膜致密的”液體充實(shí)固體化“動(dòng)態(tài)原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化鋯膜復(fù)合固體氧化膜多孔負(fù)載膜多孔金屬膜，多孔不銹鋼膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜，分子篩膜，包括碳分子篩）具體分類124膜材料種類高分子纖維素衍生物類聚砜類聚酰胺類聚酰亞胺類聚酯類種類具體分類纖維素衍生物類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維素，三醋酸纖維素，乙基纖維素，其他纖維素衍生物聚砜類雙酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺類脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交聯(lián)芳香聚酰胺聚酰亞胺類脂肪族二酸聚酰亞胺，全芳香聚酰亞胺，含氟聚酰亞胺聚酯類滌綸，聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烴類聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯類聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲殼素類無(wú)高分子有機(jī)膜材料的具體分類125種類具體分類纖維素衍生物類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來(lái)說(shuō)，已有成百種以上的膜被制備出來(lái)，其中約40多種已被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可見(jiàn)纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。126目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯151.纖維素酯類膜材料

纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過(guò)1,4—β—甙鏈連接起來(lái)的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：1271.纖維素酯類膜材料16從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+