制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件

第五章制藥工程氣固分離設(shè)備需要?dú)夤谭蛛x的場(chǎng)合：（一）、發(fā)塵量大的設(shè)備：如粉碎、過(guò)篩、混合、制粒、干燥、壓片、包衣等設(shè)備。（二）、需要將固體粉末收集后再排空的氣體排放過(guò)程。（三）、氣體的凈化處理和過(guò)濾除菌。本章內(nèi)容：（一）旋風(fēng)分離器（二）袋濾器第五章制藥工程氣固分離設(shè)備需要?dú)夤谭蛛x的場(chǎng)合：1制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件2結(jié)構(gòu)及原理：適用場(chǎng)合：以切向?qū)胧叫L(fēng)分離器為例（一）捕集直徑5~10μm以上粉塵，粉塵顆粒較粗，含塵濃度較大。（二）作為硫化床反應(yīng)器的內(nèi)分離裝置，或作為預(yù)分離器使用。特點(diǎn)：（一）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作彈性大、效率較高、管理維護(hù)方便，價(jià)格低廉。（二）實(shí)際操作中應(yīng)注意控制風(fēng)速，風(fēng)速大易產(chǎn)生渦流及返混現(xiàn)象，風(fēng)速小分離效率低。其它形式：螺旋型、渦旋型、旁路型、擴(kuò)散型、旋流型、多管式等。結(jié)構(gòu)及原理：適用場(chǎng)合：以切向?qū)胧叫L(fēng)分離器為例3第六章制藥工程膜分離設(shè)備膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史⊙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?！?/p>

1861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(chēng)為超過(guò)濾。按現(xiàn)代觀(guān)點(diǎn)看，這種過(guò)濾應(yīng)稱(chēng)為微孔過(guò)濾。⊙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。第六章制藥工程膜分離設(shè)備膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史⊙高分子膜的分離4⊙

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?！?/p>

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。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(chēng)UF膜）、微孔過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱(chēng)MF膜）和反滲透膜（簡(jiǎn)稱(chēng)RO膜）。以后又開(kāi)發(fā)了許多其它類(lèi)型的分離膜。在此期間，除上述三大膜外，其他類(lèi)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?！?0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5⊙具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）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?！?/p>

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(zhuān)利?！?/p>

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⊙具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初6制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件7一、膜及其分理機(jī)理：1、定義：膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。膜是分離兩相的中間相。有分離作用的膜稱(chēng)之為分離膜，通常亦簡(jiǎn)稱(chēng)為膜。2、型態(tài)：可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。本章主要內(nèi)容為固體膜。3、結(jié)構(gòu)：可能是均質(zhì)的，也可能是非均質(zhì)的；可以是中性的，也可以是帶電的。4、傳遞過(guò)程：可以是主動(dòng)傳遞過(guò)程，也可以是被動(dòng)傳遞過(guò)程。5、推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等膜中間相相Ⅰ相Ⅱ原料透過(guò)物傳質(zhì)推動(dòng)力一、膜及其分理機(jī)理：1、定義：膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物8膜的分類(lèi)根據(jù)膜的材質(zhì)液體膜根據(jù)材料來(lái)源天然膜合成膜無(wú)機(jī)材料膜有機(jī)高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜無(wú)孔膜離子交換膜滲析膜微孔過(guò)濾膜超過(guò)濾膜反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能固體膜膜的分類(lèi)根據(jù)膜的材質(zhì)液體膜根據(jù)材料來(lái)源天然膜合成膜9

固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)對(duì)稱(chēng)膜不對(duì)稱(chēng)膜復(fù)合膜根據(jù)固體膜的形態(tài)平板膜管式膜中空纖維膜固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)對(duì)稱(chēng)膜不對(duì)稱(chēng)膜復(fù)合膜根據(jù)10制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件11膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過(guò)膜的遷移率不同而實(shí)現(xiàn)分離的一種技術(shù)。膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能12膜分離與尺寸的關(guān)系膜分離與尺寸的關(guān)系13制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件14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)。膜材料用作分離膜的材料包括廣泛的天然材料和人工合膜15膜材料種類(lèi)高分子有機(jī)膜纖維素衍生物類(lèi)聚砜類(lèi)聚酰胺類(lèi)聚酰亞胺類(lèi)聚酯類(lèi)聚烯烴類(lèi)乙烯類(lèi)聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲殼素類(lèi)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(lèi)膜材料種類(lèi)高分子纖維素衍生物類(lèi)聚砜類(lèi)聚酰胺類(lèi)聚酰亞胺類(lèi)聚酯類(lèi)16高分子有機(jī)膜材料的具體分類(lèi)高分子有機(jī)膜材料的具體分類(lèi)17目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)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(lèi)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(lèi)材料在膜材料中占主要地位。

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(lèi)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(lèi)（合成高分子類(lèi)）膜。目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯18制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件19顯微鏡下膜的照片顯微鏡下膜的照片20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%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21非纖維素酯類(lèi)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?；咎匦裕孩俜肿渔溨泻杏H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具有可溶性；非纖維素酯類(lèi)膜材料22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(lèi)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。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍—4、尼龍—623

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。離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子24§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?！斓湫偷哪し蛛x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25化工紡織海水淡化制藥和生物工程環(huán)境保護(hù)電子工業(yè)純水生產(chǎn)應(yīng)用化工紡織海水淡化制藥和生物工程環(huán)境保護(hù)電子工業(yè)純水生產(chǎn)應(yīng)用26制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件27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(lèi)，總計(jì)400多種。1）推動(dòng)力：壓力差（靜壓差），為0.01～0.2MPa2）膜類(lèi)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(chēng)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)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28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制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)。微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：29

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。④無(wú)介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，微302.1微孔過(guò)濾技術(shù)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

1.微孔過(guò)濾和微孔膜的特點(diǎn)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2.1微孔過(guò)濾技術(shù)3）透過(guò)組分：小于膜孔的物質(zhì)，如水、溶劑312.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。2.微孔過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域32（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(lèi)的精制。微孔膜對(duì)食糖溶液和啤、黃酒等酒類(lèi)進(jìn)行過(guò)濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類(lèi)中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類(lèi)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(lèi)產(chǎn)品變味。（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33（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(lèi)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)。（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34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)超濾技術(shù)超濾技術(shù)始于1861年，最早使用35

4）膜類(lèi)型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱(chēng)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)4）膜類(lèi)型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱(chēng)膜，其過(guò)36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(chǎng)中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。超濾是目前應(yīng)用最廣的膜分離過(guò)程之一，它的應(yīng)用37（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(chǎng)的廢水處理。2.超濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（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38中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)39超濾膜裝置超濾膜裝置40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)。反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)41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。圖4滲透與反滲透原理示意圖滲透和反滲透421）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(chēng)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)1）推動(dòng)力：壓力差，為1～10MPa1.反滲透原理及反滲透43①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。①溶解擴(kuò)散理論：1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)44制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件45②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)②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46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47制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件482.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。2.反滲透與超濾、微濾的比較49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503.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。3.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域51（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（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，52工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置53工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接54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(chēng)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(chēng)為“納濾”。1.納濾及納濾膜的特點(diǎn)納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）55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。納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）2）推動(dòng)力：564)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(chēng)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？4)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Ⅰ57電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)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(chēng)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(chēng)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。電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)足電中性條件內(nèi)相Ⅰ外相ⅡH582.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。2.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域59靜壓差膜分離小結(jié)MF蛋白質(zhì)細(xì)菌MW<5001000~3000000.0025~10um>1umROUFF新型的NF正好介于UF和RO之間，截流分子量大概在300-1000。靜壓差膜分離小結(jié)MF蛋白質(zhì)細(xì)菌MW<50060

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理動(dòng)漫ROmembran61制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件62umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERIAL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umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERI63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(lèi)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(lèi)型電滲析電滲析是在外加直流電場(chǎng)作用下，通過(guò)具有選644）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(chēng)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(chēng)為電滲析。電滲析1.電滲析原理及膜類(lèi)型4）分離原理——根據(jù)電解質(zhì)離子選擇傳遞進(jìn)行分離電滲析1.電65正極

陰離子交換膜

負(fù)極+固定離子Cl-Na+-正極陰離子交換膜負(fù)極+固定離子Cl-66++++++陽(yáng)極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽(yáng)膜陽(yáng)極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽(yáng)膜陰膜電滲析過(guò)程原理圖++++++陽(yáng)極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽(yáng)膜陽(yáng)極室Cl-67圖6—5電滲析器示意圖A：陰離子膜，K：陽(yáng)離子膜；D：稀室，C：濃室電滲析過(guò)程原理圖圖6—5電滲析器示意圖電滲析過(guò)程原理圖68

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?；顫姷某跎鷳B(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-

←→NaOH陽(yáng)極在陽(yáng)極，由于OH-減少，692.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。2.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域70

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。

中草藥有效成分的分離和精制：通過(guò)電滲析一般可71實(shí)際應(yīng)用的電滲析器實(shí)際應(yīng)用的電滲析器72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)原理滲透蒸發(fā)技術(shù)滲透蒸發(fā)(也叫滲透汽化)，是膜73滲透蒸發(fā)分離示意圖b惰性氣體吹掃a真空氣化滲透蒸發(fā)分離示意圖b惰性氣體吹掃a真空氣化74滲透蒸發(fā)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)原理滲透蒸發(fā)技術(shù)其分離機(jī)制可分為以下三步：1.滲透蒸發(fā)原752.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(lèi)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。2.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。3.滲透蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域77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。膜蒸餾技術(shù)膜蒸餾技術(shù)主要用于利用微孔高分子膜78

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。可用以從天然鹽水中結(jié)晶出食鹽等，是其它膜過(guò)程難以達(dá)到的。注：在以水溶液進(jìn)行膜蒸餾時(shí)，如果溶質(zhì)的揮發(fā)性79透析透析（也有稱(chēng)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(lèi)型：非對(duì)稱(chēng)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)散水滲透透析透析（也有稱(chēng)滲析）是指在濃度差推動(dòng)下，借助膜兩側(cè)的擴(kuò)散和80制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件81.血液透析機(jī).血液透析機(jī)82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)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83制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件841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(lèi)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。1平板式(Plate-and-Frame)膜組件852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。2管式(Tubular)膜組件863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。3螺旋卷式(SpiralWound)膜組件874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欢嗣芊猓惭b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。4中空纖維(HollowFiber)式膜組件88制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件89膜組件膜組件90膜組件膜組件91各種膜組件的優(yōu)缺點(diǎn)比較

各種膜組件的優(yōu)缺點(diǎn)比較92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。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。93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(chǎng)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(lèi)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、94第五章制藥工程氣固分離設(shè)備需要?dú)夤谭蛛x的場(chǎng)合：（一）、發(fā)塵量大的設(shè)備：如粉碎、過(guò)篩、混合、制粒、干燥、壓片、包衣等設(shè)備。（二）、需要將固體粉末收集后再排空的氣體排放過(guò)程。（三）、氣體的凈化處理和過(guò)濾除菌。本章內(nèi)容：（一）旋風(fēng)分離器（二）袋濾器第五章制藥工程氣固分離設(shè)備需要?dú)夤谭蛛x的場(chǎng)合：95制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件96結(jié)構(gòu)及原理：適用場(chǎng)合：以切向?qū)胧叫L(fēng)分離器為例（一）捕集直徑5~10μm以上粉塵，粉塵顆粒較粗，含塵濃度較大。（二）作為硫化床反應(yīng)器的內(nèi)分離裝置，或作為預(yù)分離器使用。特點(diǎn)：（一）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作彈性大、效率較高、管理維護(hù)方便，價(jià)格低廉。（二）實(shí)際操作中應(yīng)注意控制風(fēng)速，風(fēng)速大易產(chǎn)生渦流及返混現(xiàn)象，風(fēng)速小分離效率低。其它形式：螺旋型、渦旋型、旁路型、擴(kuò)散型、旋流型、多管式等。結(jié)構(gòu)及原理：適用場(chǎng)合：以切向?qū)胧叫L(fēng)分離器為例97第六章制藥工程膜分離設(shè)備膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史⊙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。⊙

1861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(chēng)為超過(guò)濾。按現(xiàn)代觀(guān)點(diǎn)看，這種過(guò)濾應(yīng)稱(chēng)為微孔過(guò)濾。⊙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。第六章制藥工程膜分離設(shè)備膜分離技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史⊙高分子膜的分離98⊙

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?！?/p>

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。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(chēng)UF膜）、微孔過(guò)濾膜（簡(jiǎn)稱(chēng)MF膜）和反滲透膜（簡(jiǎn)稱(chēng)RO膜）。以后又開(kāi)發(fā)了許多其它類(lèi)型的分離膜。在此期間，除上述三大膜外，其他類(lèi)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?！?0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99⊙具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）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?！?/p>

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(zhuān)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⊙具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初100制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件101一、膜及其分理機(jī)理：1、定義：膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物質(zhì)的屏障。膜是分離兩相的中間相。有分離作用的膜稱(chēng)之為分離膜，通常亦簡(jiǎn)稱(chēng)為膜。2、型態(tài)：可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。本章主要內(nèi)容為固體膜。3、結(jié)構(gòu)：可能是均質(zhì)的，也可能是非均質(zhì)的；可以是中性的，也可以是帶電的。4、傳遞過(guò)程：可以是主動(dòng)傳遞過(guò)程，也可以是被動(dòng)傳遞過(guò)程。5、推動(dòng)力：壓力差、濃度差、電位差等膜中間相相Ⅰ相Ⅱ原料透過(guò)物傳質(zhì)推動(dòng)力一、膜及其分理機(jī)理：1、定義：膜是分離兩相和作為選擇性傳遞物102膜的分類(lèi)根據(jù)膜的材質(zhì)液體膜根據(jù)材料來(lái)源天然膜合成膜無(wú)機(jī)材料膜有機(jī)高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜無(wú)孔膜離子交換膜滲析膜微孔過(guò)濾膜超過(guò)濾膜反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能固體膜膜的分類(lèi)根據(jù)膜的材質(zhì)液體膜根據(jù)材料來(lái)源天然膜合成膜103

固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)對(duì)稱(chēng)膜不對(duì)稱(chēng)膜復(fù)合膜根據(jù)固體膜的形態(tài)平板膜管式膜中空纖維膜固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)對(duì)稱(chēng)膜不對(duì)稱(chēng)膜復(fù)合膜根據(jù)104制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件105膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過(guò)膜的遷移率不同而實(shí)現(xiàn)分離的一種技術(shù)。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106膜分離與尺寸的關(guān)系膜分離與尺寸的關(guān)系107制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件108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)。膜材料用作分離膜的材料包括廣泛的天然材料和人工合膜109膜材料種類(lèi)高分子有機(jī)膜纖維素衍生物類(lèi)聚砜類(lèi)聚酰胺類(lèi)聚酰亞胺類(lèi)聚酯類(lèi)聚烯烴類(lèi)乙烯類(lèi)聚合物含硅聚合物含氟聚合物甲殼素類(lèi)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(lèi)膜材料種類(lèi)高分子纖維素衍生物類(lèi)聚砜類(lèi)聚酰胺類(lèi)聚酰亞胺類(lèi)聚酯類(lèi)110高分子有機(jī)膜材料的具體分類(lèi)高分子有機(jī)膜材料的具體分類(lèi)111目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)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(lèi)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(lèi)材料在膜材料中占主要地位。

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(lèi)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(lèi)（合成高分子類(lèi)）膜。目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯112制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件113顯微鏡下膜的照片顯微鏡下膜的照片114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%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115非纖維素酯類(lèi)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?；咎匦裕孩俜肿渔溨泻杏H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具有可溶性；非纖維素酯類(lèi)膜材料116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(lèi)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。早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍—4、尼龍—6117

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。離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子118§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。§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119化工紡織海水淡化制藥和生物工程環(huán)境保護(hù)電子工業(yè)純水生產(chǎn)應(yīng)用化工紡織海水淡化制藥和生物工程環(huán)境保護(hù)電子工業(yè)純水生產(chǎn)應(yīng)用120制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件121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(lèi)，總計(jì)400多種。1）推動(dòng)力：壓力差（靜壓差），為0.01～0.2MPa2）膜類(lèi)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(chēng)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)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122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制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)。微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：123

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。④無(wú)介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，微1242.1微孔過(guò)濾技術(shù)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

1.微孔過(guò)濾和微孔膜的特點(diǎn)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2.1微孔過(guò)濾技術(shù)3）透過(guò)組分：小于膜孔的物質(zhì)，如水、溶劑1252.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?、食品和飲料的除菌、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。2.微孔過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域126（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(lèi)的精制。微孔膜對(duì)食糖溶液和啤、黃酒等酒類(lèi)進(jìn)行過(guò)濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類(lèi)中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類(lèi)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(lèi)產(chǎn)品變味。（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127（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(lèi)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)。（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128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)超濾技術(shù)超濾技術(shù)始于1861年，最早使用129

4）膜類(lèi)型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱(chēng)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)4）膜類(lèi)型特點(diǎn)：超濾膜均為不對(duì)稱(chēng)膜，其過(guò)130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(chǎng)中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。超濾是目前應(yīng)用最廣的膜分離過(guò)程之一，它的應(yīng)用131（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(chǎng)的廢水處理。2.超濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（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132中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)133超濾膜裝置超濾膜裝置134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)。反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)135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。圖4滲透與反滲透原理示意圖滲透和反滲透1361）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(chēng)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)1）推動(dòng)力：壓力差，為1～10MPa1.反滲透原理及反滲透137①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。①溶解擴(kuò)散理論：1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)138制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件139②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)②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140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141制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件1422.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。2.反滲透與超濾、微濾的比較143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1443.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。3.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域145（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（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，146工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置147工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接148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(chēng)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(chēng)為“納濾”。1.納濾及納濾膜的特點(diǎn)納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）149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。納濾技術(shù)（nanofiltration,NF）2）推動(dòng)力：1504)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(chēng)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？4)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Ⅰ151電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)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(chēng)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(chēng)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。電解質(zhì)溶液平衡時(shí)，優(yōu)先滿(mǎn)足電中性條件內(nèi)相Ⅰ外相ⅡH1522.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。2.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域153靜壓差膜分離小結(jié)MF蛋白質(zhì)細(xì)菌MW<5001000~3000000.0025~10um>1umROUFF新型的NF正好介于UF和RO之間，截流分子量大概在300-1000。靜壓差膜分離小結(jié)MF蛋白質(zhì)細(xì)菌MW<500154

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理動(dòng)漫ROmembran155制藥設(shè)備第三部分-氣固分離及膜分離課件156umARELATIVESIZEOFCOMMONMATERIAL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Bac