第六章-膜分離選編課件

納米膜過濾

是介于反滲透與超濾之間的液相膜處理新技術。其特點為：（1）能截留小分子的有機物并可同時透析除鹽，集濃縮透析為一體；（2）操作壓力遠比反滲透低，具有節(jié)約動力的優(yōu)點。納米膜過濾是介于反滲透與超濾之間的液相膜處理新技第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件納濾膜的性質與特點

大多數的納濾膜是由多層聚合物薄膜組成?；钚詫油ǔШ韶撾娀瘜W基團。一般認為納濾膜是多孔性的，其平均孔徑為2nm。作為一般規(guī)律，通常分子量截留范圍為100一200道爾頓，納濾膜具有良好的熱穩(wěn)定性，pH穩(wěn)定性和有機溶劑的穩(wěn)定性。納濾膜的性質與特點大多數的納濾膜是由多層聚合物薄納米過濾的分離機理

納濾膜不僅具有依靠篩分作用進行分離，也顯示有建立在離子電荷密度基礎上的選擇性，因為膜的離子選擇性，對于含有不同自由離子的溶液，透過膜的離子分布是不相同的(透過率隨離子濃度的變化而變化)，這就是Donnan效應。

納米過濾的分離機理納濾膜不僅具有依靠篩分作Donnan平衡模型對于荷電膜脫鹽，多用Donnan平衡模型來解釋。水相膜相溶液相平衡前H2ONa+(x)Na+(C0)P-(x)Cl-(C0)Donnan平衡模型對于荷電膜脫鹽，多用Donnan平衡模型

水相膜相溶液相平衡后Na+(C1+)Na+(C2+)Na+(C0-C3+)Cl-(C1-)

P-(x)Cl-(C0-C3-

)Cl(C2-)Na+(C1+)Na+(C2+)當系統(tǒng)達到平衡時，膜相、水相、溶液相的離子的化學電位應該達到平衡態(tài)。雖然，利用Donna平衡理論來說明荷電膜的脫鹽機理有所依據，而對于在壓力下透過膜的機理，還不能從膜、進料及傳質過程等多方面來定量描述。當系統(tǒng)達到平衡時，膜相、水相、溶液相的離子第二節(jié)膜材料及其特性

膜材料膜組件及其操作特性第二節(jié)膜材料及其特性膜材料膜材料纖維素衍生物醋酸纖維素：由纖維素和醋酸反應制得。是反滲（CA）透膜、微濾和超濾的膜材料。優(yōu)點：價格便宜，膜的分離和透過性能良好；缺點：pH使用范圍窄（pH=4~8），容易被微生物分解以及在高壓操作下時間長了容易產生壓密，引起透量下降。膜材料纖維素衍生物硝酸纖維素：由纖維素和硝酸反應制得。價格便（CN）宜，廣泛用作透析膜和微濾膜材料。為了增加膜的強度，一般與醋酸纖維素混合使用。再生纖維素：纖維素溶于某些溶劑如銅氨溶液并在溶解過程中發(fā)生降解，在成膜過程中又回復到纖維素的結構，稱為再生纖維素。廣泛用于人工腎透析膜材料和微濾、超濾膜材料。硝酸纖維素：由纖維素和硝酸反應制得。價格便

聚砜類是一類具有高機械強度的工程塑料。是目前最重要、生產量最大的高分子聚合膜。用途：超濾和微濾的膜材料，多種商品復合膜的支撐層膜材料。優(yōu)點：耐酸、耐堿缺點：耐有機溶劑的性能差。

聚砜類材料可以通過化學反應，制成帶有負電荷或正電荷的膜材料或膜。荷電聚砜可以直接用作反滲透膜材料。用它制成的荷電超濾膜抗污染性能特別好。經磺化的聚砜醚（SPES-C）可用于制造均相離子交換膜。聚砜類聚酰胺類及雜環(huán)含氮高聚物類型：芳香聚酰胺（APA）、芳香聚酰胺-酰肼（APAH）、聚苯砜酰胺（APSA）、聚苯并咪唑（PBI）、聚苯并咪唑酮（PBIL）用途：反滲透膜材料，目前最好的反滲透復合膜超薄皮層都是芳香含氮化合物，脫鹽率可達99.99%.優(yōu)點：分離透過性能好、耐高壓。缺點：耐氯性能差。聚酰胺類及雜環(huán)含氮高聚物

乙烯類高聚物聚丙烯腈（PAN）：是僅次于聚砜和醋酸纖維的超濾和微濾膜材料，也用來作為滲透汽化復合膜的支撐體。聚乙烯醇（PVA）：是目前唯一獲得應用的滲透汽化膜，由聚乙烯醇與聚丙烯腈制成的滲透汽化復合膜的透量遠遠大于聚乙烯醇與聚砜支撐體制成的復合膜。乙烯類高聚物膜組件目前常用的膜組件分為以下三種形式：平板式螺旋卷式中空纖維式膜組件目前常用的膜組件分為以下三種形式：第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件膜分離過程中的質量傳遞問題過濾模型（1）在微濾、超濾等高孔率膜的過濾過程中，水在膜中的流動一般是層流，可應用Hagen-poiseuille公式，其過濾流速可表示如下：

膜分離過程中的質量傳遞問題過濾模型（1）其中：JV—過濾流率

--多孔率--溶液黏度

--擴散曲折率，為實際毛細管長度和膜厚之比

--有效膜厚此公式成立的條件是流體為牛頓、不可壓縮流體，層流流動，流速與時間無關，忽略邊界效應。

其中：JV—過濾流率過濾模型2

和化工原理中過濾操作一樣，透過膜的通量（ms-1）可表示為：

其中，Rm為純粹由膜產生的阻力此公式適用于新膜，Rm以水進行試驗求得。由于過濾過程中，溶質會吸附在膜上，或形成濃差極化層，也會形成阻力，所以有

過濾模型2膜過程的濃差極化和膜污染

目前，膜在使用過程中存在的一個突出問題是，膜的透過量隨運行時間延長而降低，其影響因素有：（1）濃差極化（2）膜污染膜過程的濃差極化和膜污染目前，膜在使用過程中存在的濃差極化在分離過程中，料液中溶劑在壓力驅動下透過膜，溶質被截留，于是在膜表面與鄰近膜面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下，溶質由膜面向本體溶液擴散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導致溶液透過流量下降。溶劑向膜面流動(對流)引起溶質向膜面流動，當溶質向膜面的流動速度與濃度梯度使溶質向本體溶液擴散速度達到平衡時，在膜面附近存在一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，這一區(qū)域稱為濃度極化邊界層，這一現象稱為濃差極化。濃差極化在分離過程中，料液中溶劑在壓力驅動下透過膜，溶質被截濃差極化濃差極化第六章-膜分離(選編課件

取膜面上一單元薄層，對此單元薄層作物料衡算。當達到穩(wěn)態(tài)時，溶質因對流進入單元薄層的速度等于透過膜的速度和反擴散之和。邊界條件為將這一方程沿邊界層進行積分

取膜面上一單元薄層，對此單元薄層作

如果溶質分子在膜上完全被截留，則上式可簡化為：當凝膠層穩(wěn)定時，如果溶質分子在膜上完全被截留，則上式可簡化為：當

或被成為極化膜數。

以上模型僅在與壓力無關的范圍內是有效的。

Kd可以使用準數關系式估算。

不同膜過程濃差極化的特點微濾：膠體溶液和大顆粒懸浮液的錯流微濾比錯流超濾更為復雜，存在著不同的機制，不可能用單一的方程預測其透過量。膠體溶液中的過濾通量一般要比模型預測值高幾倍，主要原因是：（1）大分子溶質和細胞之間的大小不同，形成的凝膠層不夠致密；（2）主體溶液中的大尺寸顆粒對凝膠層的破壞作用。不同膜過程濃差極化的特點微濾：膠體溶液和大顆粒懸浮液的錯流微反滲透和納濾濃差極化方程：當U

時，幾乎不存在濃差極化現象。而在通常的反滲透過程中，流速不能太高，因為隨著流速的增加，流動阻力增加，能耗增加，通常采用合適的流速，這樣就存在一定的濃差極化，即膜表面的滲透壓增加。反滲透和納濾濃差極化方程：濃差極化對反滲透的影響（1）降低脫鹽率；（2）降低水通量；（3）導致膜上沉淀污染和增加流道阻力。降低濃差極化的途徑（1）合理設計膜組件，使其流體分布均勻，湍流促進等；（2）適當控制操作流速，降低濃差極化度，極化度一般控制為1.2;（3）適當提高溫度，降低流體黏度和提高擴散系數。濃差極化對反滲透的影響影響超濾速度的各種因素

濃差極化是影響超濾速度的主要因素，因此，在超濾中，為減少濃差極化，通常采用錯流操作。在錯流操作中，影響超濾通量的因素有以下幾個因素。

影響超濾速度的各種因素濃差極化是影響超濾速度的主要因素水通量滲透壓截留率液質截留率＝100%水通量或截留率△Ｐ(1)壓力的影響水通量滲透壓截留率液質截留率＝100%水通量或截留率△Ｐ(1（2）當形成凝膠層后，透量J與lnCb成反比。（3）溫度的影響因為溫度升高使物料的粘度降低和擴散系數增大。所以操作溫度的選擇原則是：在不影響料液的活性和膜的穩(wěn)定性范圍內，盡量選擇較高的溫度。（4）流速的影響

增大流速，會減少濃差極化層厚度，使傳質系數增大因而通量增大。

（2）當形成凝膠層后，透量J與lnCb成反比。膜污染

膜污染是指處理物料中的微粒、膠體離子或溶質分子與膜發(fā)生物理、化學的相互作用或因濃差極化使某些溶質在膜表面濃度超過其溶解度及機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附，使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化的現象。低流速、高溶質濃度、高濃縮比最容易造成膜污染，需要及時清洗，恢復其性能。膜污染膜污染是指處理物料中的微粒、膠體離子或影響膜污染的因素1粒子或溶質的尺寸、形態(tài)

粒子或溶質的大小與膜孔相近時，由于壓力的作用，易產生堵塞，球形蛋白質、支鏈聚合物及支鏈線性聚合物也會導致膜污染；2溶質和膜的相互作用

盡量避免溶質和膜的吸附作用3膜的結構和性能

雙皮層的中空纖維膜比單皮層的中空纖維膜更易污染，且不好清洗。影響膜污染的因素1粒子或溶質的尺寸、形態(tài)4溶液特性

鹽的種類與濃度，pH值、溫度、黏度等。多價鹽類對反滲透和超濾污染可能性增大。5膜的物理性質

膜面光滑，孔徑分布窄耐污染6操作參數

壓力、流速、溫度4溶液特性減少或防止膜污染的方法1料液預處理熱處理物料：目的是滅菌

pH調節(jié)：對于蛋白質，要注意等電點問題和離子化問題；離子交換：主要去除多價離子；預過濾：去除顆粒物，防止堵塞管道或損傷膜；

2膜材料的選擇親水膜及膜材料電荷與溶質電荷相同的膜較耐污染。3膜孔徑或截留分子量的選擇

選擇膜孔徑小于粒子或溶質尺寸的膜。減少或防止膜污染的方法1料液預處理第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件4膜結構的選擇

對于錯流微濾，不對稱膜比對稱膜更耐污染4膜結構的選擇5組件結構選擇

對于截留物是產物，且要高倍濃縮，選組件結構要慎重，錯流過濾的中空纖維膜更為適合。6溶液pH

盡量將溶液的pH值調離蛋白質的等電點。7溶液中鹽濃度的影響

通過兩條途徑產生影響，一是無機鹽及其復合物會在孔內沉積污染膜；二是無機鹽改變了溶液的離子強度，影響到蛋白質的構形與懸浮狀態(tài)，從而影響凝膠層的疏密程度，鹽濃度的提高對某些蛋白質和酶的分離有利。5組件結構選擇8溶液溫度的影響

對不同的物料，有不同的影響。對某些蛋白質溶液，溫度升高，使蛋白質溶解度下降，在膜表面的吸附量增大。9溶質濃度、料液流速與壓力控制8溶液溫度的影響

壓力、流速對脫脂牛奶（19.1%的固含量）對透水率的影響流速：-1.97m/s,-1.53m/s-1.11m/s,-0.71m/s,-0.34m/s第六章-膜分離(選編課件第六章-膜分離(選編課件膜清洗A機械方法

加海綿球，增大流速，逆洗(對中空纖維超