页数：76页文件大小：8.63 MB来源： 乳品技术装备ppt课件
本课件介绍膜分离技术的发展简史与分类，说明微滤、超滤、纳滤和反渗透的截留机理与操作压力范围，讲解板式、管式、螺旋卷式和中空纤维等膜组件结构，并分析浓差极化、膜污染清洗及膜技术在乳品工业中的应用。
膜分离的基本原理和方法
第一节膜分离的概述
膜分离技术的发展简史：人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布(Loeb)和索里拉简(Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得到重视和发展。
膜分离技术：在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式：无化学变化：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；膜分离技术在分离工程中的重要作用
选择性好可：在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。
膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程：称之为膜分离。膜分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。
膜分离的基本原理：一.膜分离的基本原理在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的溶剂透过膜向稀溶液侧移动.渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）
在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）大分子的浓缩。微滤（MF）除去细菌，大分子分离。
Reverse Osmosis (R：O)Nanofiltration (NF)Ultrafiltration (UF)Microfiltration (MF)Membrane Filtrationhttp://www.gea-filtration.com/html/filtration/fpdfs/modbrch5.pdf
膜分离技术的特点：以下列出本页要点。
存在的问题：以下列出本页要点。
在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）－除去水，使溶液浓缩。毫微过滤(NF)－通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）－大分子的浓缩。微滤（MF）－除去细菌，大分子分离。以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。
反渗透是一种高压：一、反渗透反渗透是一种高压、高性能的技术。适用于液体脱水、低分子量化合物浓缩、废污清洁等过程。通常应用在蒸发前乳制品的预浓缩。
超滤是一项选择性分离：二、超滤超滤是一项选择性分离步骤，可以将溶液浓缩并净化为高分子量聚合物，适用于乳蛋白、碳水化合物和酶。超滤是使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜。超滤（UF）典型地应用于牛乳蛋白的浓缩，乳清蛋白的浓缩和用于生产干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白标准化。
电渗析在直流电场的作用：三、电渗析在直流电场的作用下，溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用
电渗析的过程
分离用的膜主要是：二.分离用的膜主要是由高分子材料制成的聚合物膜
| 膜层结构 | 孔径 |
|---|---|
| 表皮层 | （8~10）×10-10 m |
| 过渡层 | 200×10-10 m |
| 多孔层 | （1000~4000）×10-10 m |
说明：原文孔径写作「×10－10m」，已规范为 10-10 m；图中 99% 与 1% 为膜层厚度比例标注。
膜分离法传质推动力分离原理应用：举例微滤（MF）压差0.05～0.5筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差0.1～1.0筛分蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差1.0～10筛分盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造渗析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机酸分离渗透气化压差、温差溶质与膜的亲和作用有机溶剂与水的分离，共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范围
膜分离法包含着非常丰富的内容：在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration，UF)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析(Dialysis，DS)、电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化(Pervaporation，PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。
反渗透如图所示：三.反渗透如图所示，一个容器中间用一张可透过溶剂(水)，但不能透过溶质的半透膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低(水浓度高)的一侧(纯水)向浓度高的一侧(水溶液)透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。当B侧与A侧之间的压差等于渗透压时，两侧的化学位相等达到平衡状态。
超滤:使大分子或微细粒子：四.超滤超滤:使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜
电渗析（electrodialysi：五.电渗析（electrodialysis，简称ED）1．电渗析的基本原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。
++阳极－－－阴极Cl-Na＋阳膜：++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图
离子交换膜是一种：由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。离子交换膜为什么具有选择透过性呢？注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。
离子交换膜功能
实际应用的电渗析器
Electrodialysis st：acks for nitrate removal in drinking water (3320 m3/day).http://ameridia.com/html/elep.html
膜分离装置
平板式组件：一.平板式组件
板框式反渗透膜组件：（板框式反渗透膜组件装配图
进水透过水浓缩水耐压容器：透水板半透膜板框式膜组件工作过程示意图特点：结构简单，体积比管式的小。缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。
1×20㎡板式超滤膜装置
管式反渗透膜组件：二.管式反渗透膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式
内压式管式膜组件的内部结构示意图特点：水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。淡水淡水膜表皮层玻璃纤维管进水
MItsubishi Rayon H：ydrophilic Hollow Fiber Membranehttp://www.sterapore.com/eigo0/fiber.html
螺旋卷式反渗透膜组件：三.螺旋卷式反渗透膜组件
密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构：密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层
膜叶透水网状材料：透过水浓水进水螺旋卷式膜组件组合示意图
膜组件的组装示意图进水口耐压容器：连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液
http：//domino.pall.com/www/weblib.nsf/pub/E921365E248899B7852568BD0054096E?opendocument
工业应用的反渗透装置
中空纤维式反渗透膜组件：四.中空纤维式反渗透膜组件中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50―200m，内径2542m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。
进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水：出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器中空纤维反渗透组件简图
膜断面图
中空纤维超滤膜设备
乳清的大致成分%
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