第六章膜分离过程讲解.ppt

第五章 膜分离过程Membrane Separation Process 膜分离的概念 利用膜的选择性(孔径大小)，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。 主要内容 概述 膜分离过程的类型 膜及其组件 压力特性 浓差极化 膜的污染 膜的截留能力 过程条件 膜科学的发展史 人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是近几十年的事。 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。 1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用 30年代 微滤 40年代 透析 50年代 电渗析 60年代 反渗透 70年代 超滤 80年代 纳滤 90年代 渗透汽化 5.1 概述 膜分离技术特点 不发生相变，能耗低； 是物理过程，不需加入化学试剂； 常温下进行，条件比较温和，适用范围广，特别适用于对热敏感的物质如果汁、酶、药品等的分离、浓缩与富集； 浓缩和纯化可在一个步骤内完成； 设备易放大，可以分批或连续操作; 分离装置简单，操作方便，易自控、维修。 因而在生物产品的处理中占有重要地位 存在的问题 膜面会发生污染、膜面清洗方法; 目前膜的性能，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限; 膜分离工艺与其他分离工艺的结合。 5.2 膜分离过程的类型 膜分离过程是一种物质被透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的，故可按分离粒子或分子的大小予以分类 5.2 膜分离过程的类型 5.2 膜分离过程的类型 以静压力差为推动力的过程； 以蒸气分压差为推动力的过程； 以浓度差为推动力的过程； 电位差为推动力的过程 5.2.1以静压力差为推动力的过程 微滤(Microfiltration)是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程，其原理与普通过滤相类似。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子被截留于膜面上。 微滤Microfiltration 微孔膜平均孔径0.02-10μm，能截留直径0.05-10μm的微粒或分子量大于106的高分子。原料液在压差作用下，其中水(包括尺寸小于膜孔的大分子和微粒)透过膜孔流到膜的低压侧，为透过液。大于膜孔的大分子和微粒被截留，从而达到分离的目的。因此微滤对微粒的截留机理是筛分作用。 决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的大小和形状。 超滤Ultrafiltration 超滤所分离的组分直径为0.001～0.02μm，相对分子质量大于500的大分子和胶体，这种液体的渗透压很小，可忽略。 超滤可分离溶液中的大分子、胶体、蛋白质和微粒等。 所用的膜常为非对称膜。微孔过滤膜一般为对称膜。 超滤 超滤的分离机理与微滤相似，主要有： 在表面和微孔内吸附 在孔中停留（阻塞） 在膜表面的机械截留（筛分） 一般认为超滤是一种筛分过程，可以用微孔模型表示超滤的传递过程。聚合物膜的化学性质对膜的分离特性影响不大。 反渗透 Reverse Osmosis 反渗透是正常渗透的逆过程，即浓溶液中的溶剂通过膜向稀溶液流动。如下图所示当盐水一侧施加压力大于水的渗透压时，盐水中的水则透过半透膜，从而获得淡水。 反渗透膜的透过机理，目前仍未成熟。 5.2.1以静压力差为推动力的过程 微滤 特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等的截留和浓缩。 超滤 适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质，如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质(亲和超滤)、多糖、抗生素以及热原，也可以用来回收细胞和处理胶体悬浮液。 反渗透 海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。 纳滤 介于反渗透和超滤之间，膜孔径为1~10nm,截留分子质量100~1000Da，膜上带电荷，可分离低分子量有机物和多价离子，多用于半咸水脱盐、水软化、生物制药、微污染物脱除及废水治理等。 5.2.2以蒸气分压差为推动力的过程 膜蒸馏 是在不同温度下分离两种水溶液的膜过程，已经用于高纯水的生产，溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离，如丙酮和乙醇等。使用的膜是疏水性微孔膜。 渗透蒸发 是以蒸气压差为推动力的过程，但是在过程中使用的是致密(无孔)的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。 5.2.3以浓度差为推动力的过程 渗析 最主要的应用是血液(人工肾)的解毒，也用在实验室规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如胶膜管。 酶的传统纯化办法是使用渗析袋，从样品中除去无用的低相对分子