膜分離和電泳

膜分離和電泳本章主要知識點膜分離技術(shù)的概念。膜分離技術(shù)的分類。各種膜的分離特性。對于膜材料的基本要求。主要的膜組件類型。超濾和反滲透過程中滲透壓的影響第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天超濾的基本方程了解親和膜分離技術(shù)了解電滲析的工作原理第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜分離技術(shù)膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大小），以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術(shù)。第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜的概念在一種流體相間有一層薄的凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜本身是均一的一相或由兩相以上凝聚物構(gòu)成的復合體被膜分開的流體相物質(zhì)是液體或氣體膜的厚度應在0.5mm以下，否則不能稱其為膜第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜分離技術(shù)的類型和定義膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達到物質(zhì)分離的目的，故而可以按分離粒子大小進行分類：微濾（MF）：以多孔細小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推動力，使不溶性物質(zhì)得以分離的操作，孔徑分布范圍在0.025~14μm之間；超濾（UF）：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.001~0.02μm，分離推動力仍為壓力差，適合于分離酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)；第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天反滲透（RO）：是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑范圍在0.0001~0.001μm之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透）；納濾：以壓力差為推動力，從溶液中分離300~1000小分子量的膜分離過程，孔徑分布在平均2nm；電滲析：以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作；第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天微濾超濾納濾反滲透懸浮顆粒大分子有機物糖類等小分子有機物，二價鹽或多價鹽單價鹽水各種膜的分離特性第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天原理第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

ROmembraneNFmembraneUFmembraneMFmembrane原理動漫第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2、膜的分類按形狀可分為：平板膜、管式膜、中空膜等。按功能分：離子交換膜、滲析膜、超濾膜、滲透氣化膜、反滲透膜等。按相態(tài)分：固體膜和液體膜。按來源分：天然膜和合成膜?，F(xiàn)在應用的膜主要是合成膜。按膜結(jié)構(gòu)、固體膜分為：致密膜和多孔膜，多孔膜又有微孔和大孔之分。第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

膜的種類根據(jù)膜的材質(zhì)固體膜液體膜根據(jù)材料來源天然膜合成膜無機材料膜有機高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜致密膜離子交換膜滲析膜微孔過濾膜超過濾膜反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)根據(jù)固體膜的形態(tài)對稱膜不對稱膜復合膜平板膜管式膜中空纖維膜核徑蝕刻膜第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜材料種類高分子分離膜材料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機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”液體充實固體化“動態(tài)原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化鋯膜復合固體氧化膜多孔負載膜多孔金屬膜，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）具體分類第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜材料的特性對于不同種類的膜都有一個基本要求：耐壓：膜孔徑小，要保持高通量就必須施加較高的壓力，一般模操作的壓力范圍在0.1~0.5MPa，反滲透膜的壓力更高，約為1~10MPa耐高溫:高通量帶來的溫度升高和清洗的需要耐酸堿：防止分離過程中，以及清洗過程中的水解；化學相容性：保持膜的穩(wěn)定性；生物相容性：防止生物大分子的變性；成本低；第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天各種膜組件平板式中空纖維管式螺旋卷繞式不論何種形式其使用和設(shè)計的共同要求是：①盡可能大的有效膜面積；②為膜提供可靠的支撐裝置，這是因為膜很薄，其中還臺有百分之幾十的水分，僅僅靠膜本身是不能承受很高壓力。因此，除了增加膜本身強度外，還必須采用輔助支撐裝置；③提供可引出透過液的方法；④使膜表面的濃差極化達最小值。第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天平板式(板框式)膜組件第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天管式膜組件第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天螺旋卷式膜組件第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天中空纖維式膜組件第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天各種膜組件的優(yōu)缺點比較

組件優(yōu)點缺點板框式保留體積小，操作費用低的壓力降，液流穩(wěn)定，比較成熟投資費用大，大的固含量會堵塞進料液通道，拆卸比清潔管道更費時間螺旋卷式設(shè)備投資低，操作費用也低，單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易料液需經(jīng)預處理，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，對液流易控制，無機組件可在高溫下用有機溶劑進行操作并可用化學試劑來消毒高的設(shè)備投資和操作費用，保留體積大，單位體積中所含有過濾面積較小，壓力降大中空纖維式保留體積小，單位體積中所含過濾面積大，可以逆流操作，壓力較低，設(shè)備投資低料液需要預處理，單根纖維管損壞時，需調(diào)換整個組件，不夠成熟第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜過濾的基本概念和理論超濾和反滲透目的：將溶質(zhì)通過一層具有選擇性的薄膜，從溶液中分離出來。分離時的推動力都是壓強，由于被分離物質(zhì)的分子量和直徑大小差別及膜孔結(jié)構(gòu)不同，其采用的壓強大小不同。反滲透膜的操作壓力高達10MPa。第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天超濾和反滲透操作中的滲透壓由于超濾和反滲透過程都是用一種半透膜把兩種不同濃度的溶液隔開（淡水或鹽水），因此都存在滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的種類、濃度和溫度；一般說來，無機小分子的滲透壓要比有機大分子溶質(zhì)的滲透壓高得多。第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天滲透與反滲透第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天實現(xiàn)超濾和反滲透的條件超濾：需要增加流體的靜壓力，改變天然過程的方向，才可能發(fā)生含有低分子量化合物的溶劑流通過膜，此時的推動力是流體靜壓力與滲透壓的壓差；反滲透：過程類似于超濾，只是純?nèi)軇┩ㄟ^膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作壓力比超濾大得多。

因此，超濾和反滲透通常又被稱之為“強制膜分離過程”第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜過濾的基礎(chǔ)理論通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細管內(nèi)流動的毛細管理論。水通量（Jw）

W—透水量，A—膜的有效面積，τ—時間表示超濾膜基本參數(shù)的是水通量與截留率，水通量是指一定壓力下單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水量。水通量的大小取決于膜的物理特性（如厚度、化學成分、孔隙度）和系統(tǒng)的條件（如溫度、膜兩側(cè)的壓力差、接觸膜的溶液的鹽濃度及料液平行通過膜表面的速度）。第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天也可用Jw=*⊿P表示---穿透度：單位時間、單位膜面積的處理量⊿P---施加的外壓，Pa超濾的基本方程滲透壓膜對溶質(zhì)的排斥系數(shù)，若膜對所有溶質(zhì)都排斥，則α＝1；反之，若膜可讓溶質(zhì)和溶劑自由通過，則α＝0。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天和截留率（R）把待分離物質(zhì)超濾除去的百分數(shù)稱作截留率，即：式C1一料液中目的溶質(zhì)的濃度；C2——透過液中目的溶質(zhì)的濃度一般將在截留率為90%的最小被截留溶質(zhì)分子量定義為膜的截留分子量(molecularweightcutoff,MWCO)。MWCO只表征膜特征的一個參數(shù)，不能作為唯一指標。膜的優(yōu)劣應從孔徑分布、透過通量、耐污染能力、穩(wěn)定性、溫度、pH、機械強度等多方面考察。第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納米膜過濾技術(shù)介于反滲透與超濾膜之間，能截留有機小分子而使大部分無機鹽通過；特點：在過濾分離過程中，能截留小分子有機物，并可以同時透析除鹽，集濃縮與透析為一體；操作壓力低第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納濾膜的性質(zhì)與特點有多層聚合薄膜組成，濾膜為多孔性材料，平均孔徑為2nm，截留分子量范圍在100~200道爾頓之間；同樣要求其具有良好的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性、有機溶劑穩(wěn)定性；主要產(chǎn)品：MembraneproductsKiryatWeizmann，MPW(以色列)DesalinationSystem(美國)SelRO,DESAL-5,FT-40等系列膜，F(xiàn)ilmtech公司（美國，明尼蘇達）第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納米過濾的分離機理納濾分離機理與反滲透膜了類似，同樣遵循，基本的膜傳遞方程：第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納濾膜的技術(shù)應用世界水資源專家認為：納濾水是最佳飲用水納濾膜最大應用領(lǐng)域是飲用水軟化和有機物脫除。(1)較低單價鹽的截留率(2)不同價態(tài)的離子的分離(3)高/低分子量有機物分離納濾膜應用13第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納濾膜的技術(shù)應用飲用水軟化和有機物脫除受污染的地下水處理含金屬廢水的處理

造紙廢水處理能脫除85%~95%硬度以及70%單價離子

脫除97％有機鹵,降低總有機碳（TOC）90％回用廢水,濃縮回收重金屬除深色木質(zhì)素和氯化木質(zhì)素

14第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納濾的應用行業(yè)處理對象行業(yè)處理對象制藥工業(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)乳清脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備超高純水水的脫鹽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39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天納濾膜的技術(shù)應用15第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜親和過濾法膜親和過濾法是傳統(tǒng)膜分離技術(shù)與親和分離技術(shù)的集成，是一種十分有效的分離方法。內(nèi)容：包括兩個分支親和膜分離：制備帶有親和配基的分離膜，直接進行產(chǎn)物分離；親和-錯流膜過濾：將水溶性或非水溶性的高分子親和載體與產(chǎn)物進行特異性反應，然后進行錯流過濾；第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天親和膜分離技術(shù)分離膜的改性：通過化學改性，在載體表面連接上一條“手臂鏈”（大于三個碳原子）；親和膜制備：選用合適的配基(Ligand)，與手臂鏈相連，構(gòu)成帶有親和配基的分離介質(zhì)；親和絡合：將混合物緩慢地通過膜，使要分離的物質(zhì)與親和配基產(chǎn)生特異性作用，形成配基與配位物（Ligate）的復合體；洗脫：改變條件（洗脫液組成、pH、離子強度、溫度等），使復合物解離；親和膜再生：洗滌、再生、平衡，以備下次操作使用；第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天需解決的關(guān)鍵問題膜表面要有足夠多的并可利用的化學基團；表面積和孔徑要足夠大孔分布要窄而均勻，以獲得高的通透量和分離效率：機械強度要高：要耐酸堿和高溫；第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天親和膜分離操作方式親和超濾過程（分離目標物的同時，濃縮其他成分）第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天微孔親和過濾過程（僅分離目標物）第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天親和膜過濾純化伴刀豆蛋白A的實驗裝置第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天親和配基固定在膜孔表面，流體在對流透過膜的過程中目標蛋白質(zhì)與配基接觸而被吸附。親和膜吸附原理示意圖第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天電滲析技術(shù)電滲析技術(shù)是在直流電場的作用下，由于離子交換膜的阻隔作用，實現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，分離推動力是靜電引力。第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天膜分離過程在生物工程中的應用過程應用對象實例微濾消毒、澄清收集細胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細胞收集超濾大分子物質(zhì)分離酶及蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純化，血漿分離、脫鹽、去熱源，膜反應器納濾小分子物質(zhì)分離糖，二價鹽、游離酸的分離反滲透小分子物質(zhì)濃縮單加鹽、非游離酸的分離透析