食品工程原理-第十章-膜分離資料課件

第十章膜分離第十章膜分離1本章學(xué)習(xí)目的與要求了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機(jī)理和各種分離膜的構(gòu)造與特性了解膜組件的構(gòu)成、膜分離裝置及典型流程。了解各種因素對(duì)膜分離的影響。掌握膜分離過(guò)程中濃差極化與膜污染的產(chǎn)生原因與消除方法。重點(diǎn)掌握膜分離裝置的選用。本章學(xué)習(xí)目的與要求了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機(jī)理和各210-1概述按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理膜分離過(guò)程過(guò)程孔徑推動(dòng)力傳遞機(jī)制微濾0.02~10μm壓力差約為105Pa篩分超濾0.001~0.02μm相對(duì)分子質(zhì)量103~106壓力差105~106Pa篩分納濾>1nm相對(duì)分子量200~1000壓力差5×105~1.5×106Pa溶解擴(kuò)散Donnan效應(yīng)反滲透0.1~1nm壓力差106~107Pa優(yōu)先吸附、毛細(xì)管流動(dòng)、溶解-擴(kuò)散氣體分離無(wú)孔壓力差106~107Pa溶解-擴(kuò)散滲析1~3nm濃度差篩分加上擴(kuò)散度差電滲析相對(duì)分子質(zhì)量<200電位差反離子遷移滲透蒸發(fā)無(wú)孔分壓差、濃度差溶解-擴(kuò)散10-1概述按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理膜分離過(guò)程過(guò)程孔3按動(dòng)力本質(zhì)分以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程微濾（microfiltration,MF)超濾（ultrafiltration,UF）反滲透（reverseosmosis,RO)納濾（nanofiltration,NF)以蒸汽分壓為推動(dòng)力的過(guò)程膜蒸餾（membranedistillation,MD)滲透蒸發(fā)（pervaporation,PV）以濃度差為推動(dòng)力的過(guò)程滲析（dialysis,D)以電位差為推動(dòng)力的過(guò)程電滲析（electrodialysis,ED)按動(dòng)力本質(zhì)分以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程4膜的分類膜的分類5

常用的膜分離類型有以下幾種：

1．微濾在壓力差作用下，將溶液通過(guò)孔徑為0.02~10.00μm的多孔膜來(lái)除去其中微粒的過(guò)程。通常，微濾操作的跨膜壓差為0.1~0.5MPa?？捎糜诜蛛x淀粉離子、細(xì)菌等。

2．超濾

在壓力差作用下，應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾溶液，使大分子或微粒從溶液中分離的過(guò)程。一般超濾操作的跨膜壓差為0.3~1.0MPa。主要用于大分子物質(zhì)的分離。常用的膜分離類型有以下幾種：63．納濾又稱納米過(guò)濾，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的介于超濾和反滲透之間的膜分離方法。適于分離相對(duì)分子質(zhì)量在200以上，分子大小約為1nm的組分。其跨膜壓差為0.5~3.0MPa。

4．反滲透在高于溶液滲透壓的壓強(qiáng)作用下，通過(guò)反滲透膜將溶液中溶質(zhì)包括無(wú)機(jī)鹽類截流在膜內(nèi)，而使溶劑（通常是水）壓至膜外。其跨膜壓差為1~15MPa，主要用于海水淡化。

5．電滲析在外加電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜對(duì)離子具有不同的選擇透過(guò)性而使溶液中的陰、陽(yáng)離子與溶液分離。主要用于制備去離子水、去除溶液中的無(wú)機(jī)鹽類等。3．納濾5．電滲析7

各種膜分離過(guò)程具有不同的機(jī)理和適用范圍，與其他分離方法相比，有許多顯著特點(diǎn)：①膜分離過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，能耗通常較低；②一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，從而可以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境；③可以實(shí)現(xiàn)分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，從而大大提高過(guò)程的效率；④通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級(jí)、濃縮與富集；各種膜分離過(guò)程具有不同的機(jī)理和適用范圍，與其他分離方8

⑤膜分離的使用范圍廣泛。不僅適用于從病毒、細(xì)菌到微粒廣泛范圍的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物的分離，而且還適用于許多特殊溶液體系的分離，如共沸物或近沸物的分離；⑥膜的性能可以靈活調(diào)節(jié)；⑦膜組件簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，易與其他分離過(guò)程或反應(yīng)過(guò)程耦合，易于控制、維修和放大。因此食品在膜分離過(guò)程中風(fēng)味和香味成分不易失散；易保持食品的某些功效，如蛋白的泡沫穩(wěn)定性；另外與蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮不同，它不存在相變過(guò)程，故經(jīng)濟(jì)性好。⑤膜分離的使用范圍廣泛。不僅適用于從病毒、細(xì)菌到微粒9膜性能分離透過(guò)性分離效率滲透通量通量衰減系數(shù)物化穩(wěn)定性膜強(qiáng)度壓力溫度pH耐受性膜性能分離透過(guò)性10常見膜均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜常見膜均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜11常見膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜常見膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜1210-2反滲透反滲透的基本原理滲透與反滲透圖6-23滲透和反滲透示意圖（a）滲透（b）滲透平衡（c）反滲透10-2反滲透反滲透的基本原理滲透與反滲透圖6-23滲13反滲透的傳質(zhì)機(jī)理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過(guò)膜；溶質(zhì)通過(guò)高分子鏈間空穴，以空穴型擴(kuò)散透過(guò)膜。反滲透的傳質(zhì)機(jī)理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過(guò)膜14優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動(dòng)模型溶解擴(kuò)散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原料一側(cè)膜表面，然后以擴(kuò)散的方式通過(guò)膜，在膜另一側(cè)表面解吸?？捎糜谕ㄟ^(guò)致密均質(zhì)膜的傳質(zhì)過(guò)程，不要求致密是有孔的。優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動(dòng)模型溶解擴(kuò)散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原15反滲透的濃差極化現(xiàn)象濃差極化現(xiàn)象反滲透的濃差極化現(xiàn)象濃差極化現(xiàn)象16濃差極化對(duì)反滲透的影響食品工程原理-第十章-膜分離資料課件17反滲透的滲透通量影響滲透通量的因素：操作壓差操作溫度料液速度料液的濃縮程度膜材料與結(jié)構(gòu)反滲透的滲透通量影響滲透通量的因素：18浙江玉環(huán)海水淡化項(xiàng)目船用海水淡化設(shè)備浙江玉環(huán)海水淡化項(xiàng)目船用海水淡化設(shè)備1910-3超濾超濾原理10-3超濾超濾原理20超濾是應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾含有大分子或微粒的溶液，使大分子或微粒從溶液中分離出來(lái)的過(guò)程。超濾的推動(dòng)力是壓力差，在溶液側(cè)加壓，一定大小的溶質(zhì)分子將隨溶劑一起透過(guò)超濾膜。超濾對(duì)大分子的截留機(jī)理主要是篩分作用。決定截留效果的主要是膜表面活性層上孔的大小與形狀。除了篩分作用外，膜表面、微孔內(nèi)的吸附和粒子在膜孔中的滯留也使大分子被截留。有些情況下，膜表面的物化性質(zhì)對(duì)分離也有重要影響。由于超濾處理的是大分子溶液，溶液的滲透壓對(duì)過(guò)程也有一定的影響。超濾是應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾21超濾過(guò)程的傳質(zhì)模型篩子模型溶劑的滲透通量：溶質(zhì)的滲透通量：水的滲透通量：細(xì)孔模型超濾過(guò)程的傳質(zhì)模型篩子模型溶劑的滲透通量：水的滲透通量：細(xì)孔22超濾的濃差極化現(xiàn)象超濾的濃差極化現(xiàn)象減輕差極化的方法回收率的控制

（單個(gè)組件<15%,整機(jī)<50％）流動(dòng)型態(tài)和流程的控制

（壓降控制在3.92－4.9MPa）提高溫度攪拌法擴(kuò)大擴(kuò)散系數(shù)法超濾的濃差極化現(xiàn)象超濾的濃差極化現(xiàn)象23影響超濾滲透通量的因素及控制方法影響因素：操作壓差料液濃度料液流速溫度截留液濃度操作時(shí)間控制方法選擇合適的膜材料料液的預(yù)處理膜的清洗影響超濾滲透通量的因素及控制方法影響因素：24超濾和反滲透的主要設(shè)備主要設(shè)備

反滲透和超濾操作的基本設(shè)備包括預(yù)處理過(guò)濾器、高壓泵、膜組件。其中膜組件是反滲透和超濾操作的主體設(shè)備。膜組件板式管式螺旋卷式中空纖維式超濾和反滲透的主要設(shè)備主要設(shè)備25平板式膜組件平板式膜組件26管式膜組件管式膜組件27螺卷式膜組件螺卷式膜組件28中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件2910-4電滲析基本原理10-4電滲析基本原理30

電滲析的基本原理

電滲析在外電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜對(duì)具有不同的選擇透過(guò)性而使溶液中陰、陽(yáng)離子與其溶劑分離。由于溶液的導(dǎo)電是靠溶液中離子的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其導(dǎo)電性取決于溶液中離子濃度和離子的絕對(duì)速率。離子濃度越高，離子絕對(duì)速率越大，則溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，即溶液的電阻越小。純水的主要特征，一是不導(dǎo)電，二是極性較大。當(dāng)水中有電解質(zhì)（鹽類離子等）存在時(shí)，其電阻率就比純水小，即導(dǎo)電性強(qiáng)。電滲析正是利用含離子的溶液在通電時(shí)發(fā)生離子遷移者一特點(diǎn)。

3110-4電滲析電滲析中的傳遞過(guò)程與伴隨過(guò)程10-4電滲析電滲析中的傳遞過(guò)程與伴隨過(guò)程3210-4電滲析離子交換膜的選擇透過(guò)性空隙作用磺酸型陽(yáng)膜的空隙結(jié)構(gòu)作用靜電作用和擴(kuò)散作用離子交換膜的選擇透過(guò)性10-4電滲析離子交換膜的選擇透過(guò)性空隙作用磺酸型陽(yáng)膜的空330-4電滲析電滲析中的電化學(xué)過(guò)程電滲析的推動(dòng)力－電位差電極反應(yīng)膜電位電阻電流陽(yáng)極陰極0-4電滲析電滲析中的電化學(xué)過(guò)程電滲析的推動(dòng)力－電位差陽(yáng)極3410-4電滲析濃差極化濃差極化和極限電流密度防治極化的方法極限電流密度的計(jì)算極化時(shí)的濃度分布和離子遷移電流極限密度：Z和DA分別是陽(yáng)離子A的價(jià)數(shù)和擴(kuò)散系，F(xiàn)法拉第常數(shù)10-4電滲析濃差極化濃差極化和極限電流密度極化時(shí)的濃度分3510-4電滲析電滲析裝置基本結(jié)構(gòu)10-4電滲析電滲析裝置基本結(jié)構(gòu)36電滲析的主要部件膜堆極區(qū)其他部件濃、淡水隔板（a）有回路（b）無(wú)回路1，6—料液流道；2，5—進(jìn)水孔；3，8—出水孔；4，7—隔網(wǎng)電滲析的主要部件膜堆濃、淡水隔板37膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用3810-5液膜分離技術(shù)析液膜的分類與組成乳狀液膜支撐液膜乳狀液膜示意圖支撐液膜示意圖液膜的組成

包括膜溶劑、表面活性劑和活性載體等。10-5液膜分離技術(shù)析液膜的分類與組成乳狀液膜乳狀液膜示意39液膜分離機(jī)理無(wú)載體液膜分離機(jī)理選擇型滲透機(jī)理選擇性滲透與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合機(jī)理萃取與吸附機(jī)理有機(jī)載體液膜分離機(jī)理逆相遷移和同相遷移逆相遷移同相遷移液膜分離機(jī)理無(wú)載體液膜分離機(jī)理逆相遷移同相遷移40第十章膜分離第十章膜分離41本章學(xué)習(xí)目的與要求了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機(jī)理和各種分離膜的構(gòu)造與特性了解膜組件的構(gòu)成、膜分離裝置及典型流程。了解各種因素對(duì)膜分離的影響。掌握膜分離過(guò)程中濃差極化與膜污染的產(chǎn)生原因與消除方法。重點(diǎn)掌握膜分離裝置的選用。本章學(xué)習(xí)目的與要求了解膜分離的基本原理、各種膜分離的機(jī)理和各4210-1概述按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理膜分離過(guò)程過(guò)程孔徑推動(dòng)力傳遞機(jī)制微濾0.02~10μm壓力差約為105Pa篩分超濾0.001~0.02μm相對(duì)分子質(zhì)量103~106壓力差105~106Pa篩分納濾>1nm相對(duì)分子量200~1000壓力差5×105~1.5×106Pa溶解擴(kuò)散Donnan效應(yīng)反滲透0.1~1nm壓力差106~107Pa優(yōu)先吸附、毛細(xì)管流動(dòng)、溶解-擴(kuò)散氣體分離無(wú)孔壓力差106~107Pa溶解-擴(kuò)散滲析1~3nm濃度差篩分加上擴(kuò)散度差電滲析相對(duì)分子質(zhì)量<200電位差反離子遷移滲透蒸發(fā)無(wú)孔分壓差、濃度差溶解-擴(kuò)散10-1概述按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理膜分離過(guò)程過(guò)程孔43按動(dòng)力本質(zhì)分以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程微濾（microfiltration,MF)超濾（ultrafiltration,UF）反滲透（reverseosmosis,RO)納濾（nanofiltration,NF)以蒸汽分壓為推動(dòng)力的過(guò)程膜蒸餾（membranedistillation,MD)滲透蒸發(fā)（pervaporation,PV）以濃度差為推動(dòng)力的過(guò)程滲析（dialysis,D)以電位差為推動(dòng)力的過(guò)程電滲析（electrodialysis,ED)按動(dòng)力本質(zhì)分以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程44膜的分類膜的分類45

常用的膜分離類型有以下幾種：

1．微濾在壓力差作用下，將溶液通過(guò)孔徑為0.02~10.00μm的多孔膜來(lái)除去其中微粒的過(guò)程。通常，微濾操作的跨膜壓差為0.1~0.5MPa?？捎糜诜蛛x淀粉離子、細(xì)菌等。

2．超濾

在壓力差作用下，應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾溶液，使大分子或微粒從溶液中分離的過(guò)程。一般超濾操作的跨膜壓差為0.3~1.0MPa。主要用于大分子物質(zhì)的分離。常用的膜分離類型有以下幾種：463．納濾又稱納米過(guò)濾，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的介于超濾和反滲透之間的膜分離方法。適于分離相對(duì)分子質(zhì)量在200以上，分子大小約為1nm的組分。其跨膜壓差為0.5~3.0MPa。

4．反滲透在高于溶液滲透壓的壓強(qiáng)作用下，通過(guò)反滲透膜將溶液中溶質(zhì)包括無(wú)機(jī)鹽類截流在膜內(nèi)，而使溶劑（通常是水）壓至膜外。其跨膜壓差為1~15MPa，主要用于海水淡化。

5．電滲析在外加電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜對(duì)離子具有不同的選擇透過(guò)性而使溶液中的陰、陽(yáng)離子與溶液分離。主要用于制備去離子水、去除溶液中的無(wú)機(jī)鹽類等。3．納濾5．電滲析47

各種膜分離過(guò)程具有不同的機(jī)理和適用范圍，與其他分離方法相比，有許多顯著特點(diǎn)：①膜分離過(guò)程無(wú)相變發(fā)生，能耗通常較低；②一般無(wú)需從外界加入其他物質(zhì)，從而可以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境；③可以實(shí)現(xiàn)分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，從而大大提高過(guò)程的效率；④通常在溫和條件下進(jìn)行，因而特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級(jí)、濃縮與富集；各種膜分離過(guò)程具有不同的機(jī)理和適用范圍，與其他分離方48

⑤膜分離的使用范圍廣泛。不僅適用于從病毒、細(xì)菌到微粒廣泛范圍的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物的分離，而且還適用于許多特殊溶液體系的分離，如共沸物或近沸物的分離；⑥膜的性能可以靈活調(diào)節(jié)；⑦膜組件簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，易與其他分離過(guò)程或反應(yīng)過(guò)程耦合，易于控制、維修和放大。因此食品在膜分離過(guò)程中風(fēng)味和香味成分不易失散；易保持食品的某些功效，如蛋白的泡沫穩(wěn)定性；另外與蒸發(fā)濃縮、冷凍濃縮不同，它不存在相變過(guò)程，故經(jīng)濟(jì)性好。⑤膜分離的使用范圍廣泛。不僅適用于從病毒、細(xì)菌到微粒49膜性能分離透過(guò)性分離效率滲透通量通量衰減系數(shù)物化穩(wěn)定性膜強(qiáng)度壓力溫度pH耐受性膜性能分離透過(guò)性50常見膜均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜常見膜均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜51常見膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜常見膜鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜5210-2反滲透反滲透的基本原理滲透與反滲透圖6-23滲透和反滲透示意圖（a）滲透（b）滲透平衡（c）反滲透10-2反滲透反滲透的基本原理滲透與反滲透圖6-23滲53反滲透的傳質(zhì)機(jī)理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過(guò)膜；溶質(zhì)通過(guò)高分子鏈間空穴，以空穴型擴(kuò)散透過(guò)膜。反滲透的傳質(zhì)機(jī)理輕鍵模型水分子逐漸從膜面進(jìn)入膜內(nèi)，最后透過(guò)膜54優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動(dòng)模型溶解擴(kuò)散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原料一側(cè)膜表面，然后以擴(kuò)散的方式通過(guò)膜，在膜另一側(cè)表面解吸。可用于通過(guò)致密均質(zhì)膜的傳質(zhì)過(guò)程，不要求致密是有孔的。優(yōu)先吸附－毛細(xì)孔流動(dòng)模型溶解擴(kuò)散模型溶質(zhì)先溶解（或吸附）在原55反滲透的濃差極化現(xiàn)象濃差極化現(xiàn)象反滲透的濃差極化現(xiàn)象濃差極化現(xiàn)象56濃差極化對(duì)反滲透的影響食品工程原理-第十章-膜分離資料課件57反滲透的滲透通量影響滲透通量的因素：操作壓差操作溫度料液速度料液的濃縮程度膜材料與結(jié)構(gòu)反滲透的滲透通量影響滲透通量的因素：58浙江玉環(huán)海水淡化項(xiàng)目船用海水淡化設(shè)備浙江玉環(huán)海水淡化項(xiàng)目船用海水淡化設(shè)備5910-3超濾超濾原理10-3超濾超濾原理60超濾是應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾含有大分子或微粒的溶液，使大分子或微粒從溶液中分離出來(lái)的過(guò)程。超濾的推動(dòng)力是壓力差，在溶液側(cè)加壓，一定大小的溶質(zhì)分子將隨溶劑一起透過(guò)超濾膜。超濾對(duì)大分子的截留機(jī)理主要是篩分作用。決定截留效果的主要是膜表面活性層上孔的大小與形狀。除了篩分作用外，膜表面、微孔內(nèi)的吸附和粒子在膜孔中的滯留也使大分子被截留。有些情況下，膜表面的物化性質(zhì)對(duì)分離也有重要影響。由于超濾處理的是大分子溶液，溶液的滲透壓對(duì)過(guò)程也有一定的影響。超濾是應(yīng)用孔徑為10-2~10-3μm的超濾膜來(lái)過(guò)濾61超濾過(guò)程的傳質(zhì)模型篩子模型溶劑的滲透通量：溶質(zhì)的滲透通量：水的滲透通量：細(xì)孔模型超濾過(guò)程的傳質(zhì)模型篩子模型溶劑的滲透通量：水的滲透通量：細(xì)孔62超濾的濃差極化現(xiàn)象超濾的濃差極化現(xiàn)象減輕差極化的方法回收率的控制

（單個(gè)組件<15%,整機(jī)<50％）流動(dòng)型態(tài)和流程的控制

（壓降控制在3.92－4.9MPa）提高溫度攪拌法擴(kuò)大擴(kuò)散系數(shù)法超濾的濃差極化現(xiàn)象超濾的濃差極化現(xiàn)象63影響超濾滲透通量的因素及控制方法影響因素：操作壓差料液濃度料液流速溫度截留液濃度操作時(shí)間控制方法選擇合適的膜材料料液的預(yù)處理膜的清洗影響超濾滲透通量的因素及控制方法影響因素：64超濾和反滲透的主要設(shè)備主要設(shè)備

反滲透和超濾操作的基本設(shè)備包括預(yù)處理過(guò)濾器、高壓泵、膜組件。其中膜組件是反滲透和超濾操作的主體設(shè)備。膜組件板式管式螺旋卷式中空纖維式超濾和反滲透的主要設(shè)備主要設(shè)備65平板式膜組件平板式膜組件66管式膜組件管式膜組件67螺卷式膜組件螺卷式膜組件68中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件中空纖維膜組件聚偏乙烯膜組件6910-4電滲析基本原理10-4電滲析基本原理70

電滲析的基本原理

電滲析在外電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜對(duì)具有不同的選擇透過(guò)性而使溶液中陰、陽(yáng)離子與其溶劑分離。由于溶液的導(dǎo)電是靠溶液中離子的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)