17 第13章-4 膜分离.pptx

第1页：第四节膜分离

第四节膜分离

第2页：膜分离法实际上

是一般过滤法的发展和延续。一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相的不同将固体从液体或气体中分离出来；而膜分离是分子级水平的分离方法，该法关键在于过程中使用的过滤介质：膜。

第3页：膜分离的分类及原理

• 膜的种类
• 膜分离设备
• 影响膜分离的因素
• 膜分离在发酵工程中的应用

第4页：概述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。4

第5页：膜分离技术

概念：用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。5

第6页：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

第7页：概述★膜分离

• 的特点
• ①操作在常温下进行；
• ②是物理过程，不需加入化学试剂；
• ③不发生相变化（因而能耗较低）；
• ④在很多情况下选择性较高；
• ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；
• ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。
• 因而在生物产品的处理中占有重要地位7

第8页：膜的分类

• 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜
• 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜
• 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜
• 多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发8概述

第9页：常见膜分离方法

按分离粒子大小分类：①透析（Dialysis，DS）②微滤（Microfiltration，MF）③超滤（Ultrafiltration，UF）④纳滤（Nanofiltration，NF）⑤反渗透（Reverse osmosis，RO）⑥电渗析（Electrodialysis，ED）⑦渗透气化（Pervaporation，PV）9概述

第10页：02～10μm透析3000 Dalt

截留分子量：微滤0.02～10μm透析3000 Dalton～几万Dalton超滤50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton纳滤200～1000Dalton或1nm反渗透200Dalton

第11页：分离范围

分离范围

第12页：膜分离法与物质大小

（直径）的关系12概述RONFUFMFF

第13页：

第14页：一、膜分离的分类及原理

• 1、透析（Dialysis，DS）
• 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液（左侧）与纯水或缓冲液（右侧）分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析

第15页：超滤和微滤

• 2、超滤和微滤：
• 超滤和微滤都是利用膜的筛分性质，以压差微传质推动力，用于截留高分子溶质或固体微粒。
• 超滤：处理不含固形成分的料液，它是根据高分子溶质间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的差别机械分离的方法
• 微滤：用于悬浮粒的过滤，主要用于菌体的分离和浓缩

第16页：反渗透

• 3、反渗透
• 促使水分子透过的推动力称为渗透压
• 操作压力：几十个大气压
• 适用于1nm以下小分子的浓缩渗透和反渗透

第17页：电渗析

• 4、电渗析
• 利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；
• 电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。

第18页：渗透气化

• 5、渗透气化
• 疏水膜的一侧通入料液，另一侧抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。
• 发生了相变
• 适用于：高浓度混合物的分离，特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离

第19页：液膜分离技术

• 6、液膜分离技术
• 液膜通常由膜溶剂、表面活性剂、流动载体、膜增强添加剂组成。膜溶剂：成膜的基体物质、一般为水或有机溶剂表面活性剂：降低液膜的表面张力，对液膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜的重复使用有直接影响。流动载体：选择性迁移指定溶质或离子，常为某种萃取剂。
• 液体固定成膜状用于选择性分离的技术
• 乳化液膜：O/W/O, W/O/W，多重乳化液系统。
• 支撑液膜：液膜牢固地吸附在多孔支撑体的微孔之中，在膜的两侧是与膜互不相溶的料液相和反萃相。待分离的组分自料液相经多孔支撑体中的膜相向反萃相传递

第20页：分离机理

• 单纯迁移：溶解度和扩散度不同
• 促进迁移：和溶质发生反应

第21页：二、膜的种类及特性

• 1、膜的种类
• 选择膜应考虑的因素：分离能力；分离速度；抵抗化学、细菌和机械力的稳定性；膜材料的成本
• （1）均质膜或致密膜
• （2）微孔膜
• （3）非对称膜
• （4）复合膜
• （5）离子交换膜

第22页：（1）孔道结构

• 2、膜的结构特性
• （1）孔道结构：不对称膜（表面活性层和惰性层）
• （2）膜的孔道特性：孔径、孔径分布、空隙率
• （3）水通量:在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20℃）通过测量透过一定量纯水所需的时间来测定

第23页：表征膜性能的参

• 数
• 截断分子量、
• 水通量、
• 孔的特征、
• pH适用范围、
• 抗压能力、
• 对热和溶剂的稳定性等。制造商通常提供这些数据，23

第24页：三、膜分离设备

三、膜分离设备

第25页：平板式膜组件这类膜器件的结构与常

1)平板式膜组件这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。浓缩液从另一孔道流出收集。优点:组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。缺点:需密封的边界线长

第26页：截留液透过液料液膜支撑板隔板平板式膜

组件

第27页：平板式构造

平板式构造

第28页：板式膜实验室设备图

(millipore公司)

第29页：卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔

2)卷式膜组件将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组。料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；缺点:清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。

第30页：卷式膜组件

2)卷式膜组件

第31页：透析液浓缩液料液膜组件与外壳之间的密

封多孔收集管膜的保护层隔离网透析液的收集系统膜螺旋卷式膜的内部结构

第32页：卷式纳滤膜浓缩设备

(生产型)

第33页：卷式膜反渗透工业设备图

卷式膜反渗透工业设备图

第34页：管式膜组件管式膜组件由管式膜制成

3)管式膜组件管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。缺点:管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,一般仅为33～330，保留体积大，压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。

第35页：内压管式

多孔管膜料液外压管式：料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件

第36页：组件的进出料示意图多通道组件组件

组件的进出料示意图36多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗余液渗透液垫圈

第37页：管式膜结构图管式

管式膜结构图管式

第38页：管式膜工业设备图

管式膜工业设备图

第39页：中空纤维膜组件有

4)中空纤维膜组件有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，内径为40-80um膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm膜称毛细管膜。前者耐压，常用于反渗透。后者用于微、超滤料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。优点:设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大(高达16000～30000 )缺点:中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。

第40页：中空纤维构造中空纤维式膜组件

中空纤维构造中空纤维式膜组件

第41页：中空纤维膜管中空纤维超滤膜无菌水装置

(生产型)

第42页：管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式

缺点优点型式保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换管式料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件保留体积小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低中空纤维式料液需预处理，压力降大,易污染,清洗困难单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易螺旋卷绕式死体积大保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式平板式

第43页：四、操作特性

四、操作特性

第44页：浓差极化

• 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在膜的高压侧表面上，造成膜面浓度，
• 于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中，
• 这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。
• 在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路虎。44

第45页：浓差极化透过快的组分透过慢的组分推动

力膜浓度极化示意图

第46页：进料浓差极化

进料浓差极化

第47页：浓差极化边界层中的浓度分布生物料

浓差极化边界层中的浓度分布47生物料液透过通量的浓差极化模型方程令K＝D/δ为传质系数，上式成为

第48页：凝胶层的形成在超滤中

凝胶层的形成48在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。凝胶层透过通量的浓差极化模型方程

第49页：*改善浓差极化对策

提高膜面剪切力，减少边界层厚度，KmKm与流速、液体黏度、通道的水力直径和长度有关措施：①错流；②进料流速↑；③湍流程度提高，设备改进：a.小型设备装搅拌；b.装湍流促进器；c.对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料;④温度不要太低。49浓差极化-凝胶层模型

第50页：克服浓差极化的方法浓差极化

的减少降低压力降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜的混合排除膜表面的浓集物桨式混合器静态混合器边界层减薄机械清洗提高膜面粒子反向传递增加流速短的液流周期增加扩散细的通道

第51页：超滤膜的分子截留作用

• 2.超滤膜的分子截留作用（阻力模型）
• 真实截留率：R0=1-Cp/Cm
• 表观截留率：R=1-Cp/Cb
• 分子特性：线状R小，支链状R大，球型R最大；膜电相反的R大；膜有吸附，R大
• 其他高分子溶质的影响：两种的R高于单独的
• 操作条件：温度、pH、流速

第52页：四、影响膜分离速度的因素

• 1、操作形式错流与垂直
• 2、流速
• 3、压力
• 4、料液浓度

第53页：五、膜的污染与清洗

• 1、膜污染的原因（1）凝胶极化引起的凝胶层（2）溶质在膜表面的吸附层（3）膜孔堵塞（4）膜孔内的溶质吸附膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染
• 2、常用的清洗剂
• 水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂、酶液

第54页：料液浓缩液透过液超滤循环清洗反洗液出

口清洗液入口清洗液出口反洗反洗液入口反洗液出口膜污染的清洗方式利用膜的不对称性和膜组件的结构特点进行清洗