膜分離材料張媛媛

膜分離材料張媛媛第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.膜分離技術(shù)的概念

膜分離技術(shù)是指以膜兩側(cè)的能量差為推動(dòng)力，依靠膜的選擇性，將液體中的組分進(jìn)行分離的方法。膜分離法的核心是膜本身，膜必須是半透膜，即能透過(guò)一種物質(zhì),而阻礙另一種物質(zhì)。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.膜分離技術(shù)的發(fā)展歷程1748年，Nelkt發(fā)現(xiàn)誰(shuí)能自發(fā)的擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開(kāi)創(chuàng)了膜滲透的研究。19世紀(jì)，人們對(duì)溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)天然橡膠對(duì)某些氣體的不同滲透率，提出利用多孔膜分離氣體混合物的思路。1855年，F(xiàn)ick用陶瓷管侵入硝酸纖維素乙醚溶液制備囊袋型超濾半滲透膜，用以滲透生物學(xué)流體溶液。1907年，Bechhold指出濾膜孔徑可以用改變火膠棉溶液的溶度來(lái)控制，從而可制出不同孔徑的膜，并列出相應(yīng)過(guò)濾顆粒物質(zhì)梯級(jí)表。1918年，Zsigmondy等人提出了商品規(guī)模生產(chǎn)硝酸纖維素微孔濾膜的方法，1921年獲的專(zhuān)利。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一

30年代微孔過(guò)濾，分離和富集微生物和極細(xì)粒子。

40年代出現(xiàn)了基于滲析原理的人工腎。

50年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。

60年代研制成功醋酸纖維素非對(duì)稱(chēng)膜和中空醋酸膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個(gè)重大突破，對(duì)膜分離技術(shù)起了重要推動(dòng)作用使反滲透，超濾和氣體分離進(jìn)入實(shí)用性階段。70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.常見(jiàn)的膜分離方法3.1根據(jù)分離粒子大小分類(lèi)：①滲析（Dialysis，DS）②電滲析（Electrodialysis，ED

）③反滲透（Reverseosmosis，RO

）④微濾（Microfiltration，MF）⑤超濾（Ultrafiltration，UF

）⑥納濾（Nanofiltration，NF

）⑦滲透氣化（Pervaporation，PV）第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.2根據(jù)溶質(zhì)或溶液透過(guò)膜的推動(dòng)力分類(lèi)①以電動(dòng)勢(shì)為推動(dòng)力：電滲析和電滲透②以濃度差為推動(dòng)力：擴(kuò)散滲析和自然滲透③以壓力差為推動(dòng)力：壓滲析和反滲透、超濾其中常用的是電滲析、反滲透和超濾，其次是擴(kuò)散滲析和微孔過(guò)濾。第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.膜分離過(guò)程的類(lèi)型

分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒，分子，離子等?；蛘哒f(shuō)物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇透過(guò)性實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過(guò)程及傳遞機(jī)理如下：第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.膜材料5.1滲析

作用機(jī)理:滲析以濃度差為推動(dòng)力的膜分離操作，利用膜對(duì)溶質(zhì)的選擇透過(guò)性,實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)溶質(zhì)的分離。即利用半透膜能透過(guò)小分子和離子但不能透過(guò)膠體粒子的性質(zhì)從溶膠中除掉作為雜質(zhì)的小分子或離子。滲析過(guò)程中滲析膜內(nèi)無(wú)流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一滲析原理圖水分子大分子小分子滲析膜第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一·滲析法的應(yīng)用常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類(lèi)的小分子雜質(zhì)，有時(shí)也用于置換樣品緩沖液。由于滲析過(guò)程以濃差為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過(guò)量很小，不適于大規(guī)模生物分離過(guò)程、但在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。滲析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液滲析。第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.2電滲析作用機(jī)理：電滲析是一種電化學(xué)過(guò)程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過(guò)程。利用帶電離子或分子的傳導(dǎo)電流的能力；膜是導(dǎo)電的，允許帶正電荷通過(guò)的陽(yáng)離子交換膜、允許帶負(fù)電荷通過(guò)陰離子交換膜。第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一電滲析分離原理圖第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一

電滲析應(yīng)用

工業(yè)上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理生物分離中可用于氨基酸和有機(jī)酸等小分子的脫鹽和分離純化。第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.3反滲透作用機(jī)理：利用反滲透膜選擇性的只能通過(guò)溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服滲透壓，使溶劑通過(guò)反滲透膜實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的過(guò)程反滲透將料液分成兩部分：透過(guò)膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱(chēng)為滲透液；未透過(guò)膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱(chēng)為濃縮液。操作壓差一般為1.5～10.5MPa，截留組分為小分子物質(zhì)。第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一反滲透法分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用滲透和反滲透第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一反滲透法應(yīng)用：◆海水和苦咸水脫鹽制飲用水；◆制備醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水；◆用于處理重金屬?gòu)U水◆用于濃縮過(guò)程，不會(huì)破壞生物活性，不會(huì)改變風(fēng)味、香味。包括：食品工業(yè)中果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮；奶品工業(yè)中牛奶的濃縮。第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一反滲透膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.4微濾作用機(jī)理：微濾（MF）是利用微孔膜孔的篩分作用，在靜壓差的推動(dòng)下，將濾液中大于膜孔徑的微粒、細(xì)菌及懸浮物質(zhì)等截留下來(lái)，達(dá)到除去濾液中微粒與澄清溶液的目的。微濾的孔徑：0.05～10m，孔隙率達(dá)到70-80％操作壓差：0.01～0.2MPa第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一微濾應(yīng)用

1)除去水/溶液中的細(xì)菌和其它微粒；

2)除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等多種溶液中的菌體；

3)除去飲料、酒類(lèi)、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.5超濾作用機(jī)理：超濾又稱(chēng)超過(guò)濾，用于去除廢水中大分子物質(zhì)和微粒。超濾之所以能夠節(jié)流大分子物質(zhì)和微粒，其機(jī)理是：膜表面孔徑機(jī)械篩分作用，膜孔阻塞、阻滯作用和膜表面及膜孔對(duì)雜質(zhì)的吸附作用。而一般認(rèn)為主要是篩分作用。

超濾是以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對(duì)液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過(guò)程。其截?cái)喾肿恿恳话銥?000到50萬(wàn)，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一超濾應(yīng)用超濾從70年代起步，90年代獲得廣泛應(yīng)用,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。蛋白、酶、DNA的濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細(xì)胞、純化病毒除病毒、熱源第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.6納濾納濾技術(shù)是反滲透膜過(guò)程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來(lái)的。納濾(NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截?cái)喾肿恿糠秶s為MWCO300～1000，能截留透過(guò)超濾膜的那部分有機(jī)小分子，透過(guò)無(wú)機(jī)鹽和水。第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一納米膜的分離機(jī)理篩分：對(duì)Na+和Cl-等單價(jià)離子的截留率較低，但對(duì)Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，對(duì)色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２00-1000）物質(zhì)可進(jìn)行分級(jí)分離，實(shí)現(xiàn)高相對(duì)分子量和低相對(duì)分子量有機(jī)物的分離，道南（Donnan）效應(yīng)：納濾膜本體帶有電荷性，對(duì)相同電荷的分子（陽(yáng)離子）具有較高的截留率。低壓力下仍具有較高脫鹽性能；分離分子量相差不大但帶相反電荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一納濾膜分離機(jī)理示意圖第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一納濾的應(yīng)用行業(yè)處理對(duì)象行業(yè)處理對(duì)象制藥工業(yè)母液中有效成分的回收抗菌素的分離純化維生素的分離純化氨基酸的脫鹽與純化化工行業(yè)酸堿純化、回收電鍍液中銅的回收食品工業(yè)脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備水的脫鹽、高純水、地下水的凈化染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收廢水處理印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.7滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)原理它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同（料液側(cè)為疏水膜），而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴(kuò)散速度不同，在膜兩側(cè)分壓差的作用下達(dá)到分離的目的。第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一滲透蒸發(fā)原理示意圖滲透蒸發(fā)膜混合液疏水膜抽真空第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一滲透應(yīng)用：有機(jī)溶劑脫水、水的凈化、有機(jī)混合物分離，低醇酒生產(chǎn)。第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期一6.幾種膜分離技術(shù)的適用范圍過(guò)程膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用對(duì)象實(shí)例微濾對(duì)稱(chēng)微孔膜0.05~10μm壓力差消毒、澄清收集細(xì)胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細(xì)胞收集超濾不對(duì)稱(chēng)微孔膜１~５0nm壓力差大分子物質(zhì)分離蛋白質(zhì)的分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復(fù)合膜＜1nm壓力差Donna效應(yīng)小分子物質(zhì)分離糖/二價(jià)鹽/游離酸的分離反滲透致密膜、復(fù)合膜＜1nm壓力差小分子物質(zhì)濃縮單價(jià)鹽/非游離酸的分離滲析對(duì)稱(chēng)的或不對(duì)稱(chēng)的膜濃度差小分子有機(jī)物/無(wú)機(jī)離子除小分子有機(jī)物或無(wú)機(jī)離子