1、第四章 膜别离8 4.1 各种膜别离法及其原理 4.2 膜材料及其特性 4.3 膜组件 4.4 操作特性 4.5 影响膜别离速度的主要因素 4.6 膜别离过程 4.7 膜的污染与清洗 4.8 应用 膜别离的概念：利用膜的选择性膜别离的概念：利用膜的选择性孔径大小孔径大小，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液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别离的一种中各组分透过膜的迁移率不同而实现别离的一种技术。技术。膜别离 膜的概念膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两局部，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构
2、成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否那么不能称其为膜 膜别离 优点优点:1)、能耗低能耗低。膜别离不涉及相变膜别离不涉及相变，对能量要求低对能量要求低，与蒸馏与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异；结晶和蒸发相比有较大的差异；2)、别离条件温和别离条件温和，对于热敏感物质的别离很重要；对于热敏感物质的别离很重要；3)、操作方便操作方便，结构紧凑结构紧凑、维修本钱低维修本钱低、易于自动化易于自动化。缺点缺点 1)、膜面易发生污染膜面易发生污染，膜别离性能降低膜别离性能降低，故需采用与工艺相故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；适应的膜面清洗方法；2)、稳定性稳定
3、性、耐药性耐药性、耐热性耐热性、耐溶剂能力有限耐溶剂能力有限，故使用范故使用范围有限；围有限；3)、单独的膜别离技术功能有限单独的膜别离技术功能有限，需与其他别离技术连用需与其他别离技术连用。膜别离技术的类型 以推动力的过程分类以推动力的过程分类 以浓度差为推动力的过程：以浓度差为推动力的过程：A、透析技术(Dialysis,DS)以电场力为推动力的过程：以电场力为推动力的过程：A、电透析，B、离子交换电透析 以静压力差为推动力的过程以静压力差为推动力的过程：A、微滤(microfiltration)，B、超滤(untrafiltration)，C、反渗透(reverse osmosis)以蒸
4、气压差为推动力的过程：A、膜蒸馏，B、渗透蒸馏 膜别离技术的类型 以别离应用领域过程分类以别离应用领域过程分类 微滤微滤 (micro-filtration,MF)超滤超滤 (untra-filtration,UF)反渗透反渗透 (reverse osmosis,RO)透析透析 (Dialysis,DS)电透析电透析 (electro-dialysis,ED)纳米膜别离纳米膜别离 (Selective,RO)亲和过滤亲和过滤 (affinity filtration,AF)渗透气化渗透气化 (pervaporation,PV)膜别离技术的类型 膜别离法与物质大小的关系。4.1 各种膜别离法及其
5、原理 4.1.1 反渗透 4.1.2 超滤和微滤 4.1.3 透析 4.1.4 电渗析 4.1.5 渗透气化 4.1.1 反渗透 (RO)渗透现象渗透现象 当当B侧与侧与A侧之间的压差等于渗透压时侧之间的压差等于渗透压时，膜两侧的化学势相膜两侧的化学势相等等，到达平衡到达平衡 4.1.1 反渗透(RO)渗透压差渗透压差 条件：极稀溶液。v1为溶剂水的摩尔体积(m3/mol)；aA和aB分别为A、B两侧溶剂的活度；当A为纯水，aA=1 为B的渗透压 如果溶液B为稀溶液 4.1.1 反渗透(RO)根据不可逆过程热力学原理，非离子型溶剂的摩尔通量N1和化学位梯度成正比 在膜厚度 方向上化学位的变化速
6、率为 4.1.1 反渗透(RO)溶剂的质量通量J1 溶剂的体积通量稀溶液 4.1.1 反渗透(RO)浓差是溶质传质的主要推动力 溶质的摩尔通量N2 与 成正比 4.1.1 反渗透(RO)溶质的质量通量 4.1.1 反渗透(RO)透过液溶质浓度(c2p)方程：为膜两侧的渗透压差;c2 为溶质在膜两侧浓度差；p 为膜两侧压力差 J2 溶质的质量通量 JV 溶剂的体积通量 LP 溶剂的透过系数 溶质的透过系数 意义：A、膜的选择性。B、压力的选择性。压力越高，透过液中溶质的浓度越低。因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。4.1.1 反渗透(RO)以上表达式较适用于无机盐
7、的反渗透过程以上表达式较适用于无机盐的反渗透过程，对于有机溶质对于有机溶质，可以用下面的表达式可以用下面的表达式 理想反射理想反射，膜对溶质的截留作用最强膜对溶质的截留作用最强，与溶解与溶解-扩散模型推导结果一致扩散模型推导结果一致 溶剂透过通量不受渗透压影响溶剂透过通量不受渗透压影响，与压差成正比与压差成正比 4.1.1 反渗透(RO)应用：应用：A、海水淡化，B、超纯水制备，C、抗生素和氨基酸等浓缩，D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。4.1.2 微滤(MF)原理：筛分原理：筛分，同一般过滤有很大重叠同一般过滤有很大重叠。操作：同一般过滤操作：同一般过滤。膜两侧的渗透压可忽略膜两侧的渗
8、透压可忽略，操作压在操作压在0.05-0.5Mpa。用途：除去用途：除去0.1um10um的颗粒的颗粒，用于细胞用于细胞、细菌细菌、细胞器的别离细胞器的别离。透过流通量Jv(kg m-2 s-1)计算：Carman-Kozeny方程 ：膜的孔隙率，：滤液黏度，K：为与孔道结构有关的无因次常数，S0 为孔道比外表积。意义：透过流通量Jv与压力差p成正比，与滤液的黏度成反比，这是分析微滤过程的理论根底。4.1.2 超滤(UF)原理：筛分原理：筛分 操作：一般采用切向流体操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积以减少固相沉积。膜两膜两 侧的渗透压很小侧的渗透压很小，操作压在操作压在0.1-1.0MPa
9、。应用：应用：A、高分子溶质之间高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之以及高分子与小分子溶质之间的别离；间的别离；B、Pro浓缩浓缩，C、病毒的别离和富积病毒的别离和富积，D、回收细胞回收细胞，处理胶体悬浮液处理胶体悬浮液。计算：计算：Carman-Kozeny方程(见上)。优点：优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤 4.1.3 透析(DS)原理：浓差扩散原理：浓差扩散 操作：操作：用途：用途：A、人工肾人工肾，腹膜透析；腹膜透析；B、样品脱电解质；样品脱电解质；C、浓缩富积；浓缩富积；D、气体别离气体别离(利用透析袋对不同气利用透析袋
10、对不同气体的通透性体的通透性)优点：优点：A、方法和设备简单方法和设备简单，价格低廉；价格低廉；B、实验室最常用的样品脱盐方法实验室最常用的样品脱盐方法 缺点：缺点：A、透析的速度缓慢；透析的速度缓慢；B、溶质稀释溶质稀释。4.1.4 电透析(ED，IEED)电透析电透析(Electro-dialysis,ED)原理：在透析的根底上加上直流电，极原理：在透析的根底上加上直流电，极大加快离子的透析速度。大加快离子的透析速度。操作：操作：用途：样品快速脱盐。用途：样品快速脱盐。优点：优点：A、设备简单，、设备简单，B、透析速度极快、透析速度极快提高几十倍提高几十倍，C、电流直接指示电透析终点，、电
11、流直接指示电透析终点，D、减轻溶质的稀释。、减轻溶质的稀释。终点判断：终点判断：A、Cl-+Ag+=AgCl;B、电导恒定、电导恒定.4.1.4 离子交换电透析(IEED)机理：机理：透析膜 经化学处理后带有正电荷(如季铵基N+R3)或负电荷基团如(磺酸基SO2-3)。操作：操作：几百对 用途：用途：A、海水淡化海水淡化，B、苦水淡化苦水淡化，C、血浆血浆、IgG、其他蛋白质的别离其他蛋白质的别离，D、氨基酸和有机酸别离纯化氨基酸和有机酸别离纯化。优点：可大规模生产优点：可大规模生产 缺点：能耗高缺点：能耗高 4.1.5渗透气化 渗透气化pervaporation,PV)是根据溶质间透过膜的速
12、度不同,使混合物得到别离.渗透气化示意图 渗透蒸发渗透蒸发膜蒸馏膜蒸馏原理原理 它是利用膜与被别离有机液体混合物中各组分的亲合力它是利用膜与被别离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度不同，来到达别离的目的。因此它不存在蒸馏法中扩散速度不同，来到达别离的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续别离、浓缩，直至得到纯有机物。中的共沸点的限制，可连续别离、浓缩，直至得到纯有机物。别离过程是用一张渗透蒸发膜别离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气相分将进料液相和透过气相分隔开隔开,
13、并在气相侧抽真空或通以惰性气流并在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗透组分的蒸气把渗透组分的蒸气压控制到接近零压控制到接近零 ,液相中产生的化学位梯度液相中产生的化学位梯度溶质分压差溶质分压差作为传质推动力的膜别离过程。作为传质推动力的膜别离过程。渗透蒸发膜类型类型 A、优先透水膜优先透水膜 材料：材料：主要由亲水材料 制成。如亲水聚合物：含氮原子的壳聚糖衍生物、聚烯丙基胺、交联聚乙烯醇复合物；壳聚糖、纤维素及衍生物、钴交联藻朊酸、磺化聚乙烯离子膜和玻璃纸等。结构特点：结构特点：这些膜具有很强的脱水能力，主要在于其高聚物结构上存在着大量的亲水基团，如羟基、胺基、铵基阳离子等。这些基团的存在使得膜
14、具有很高的吸附水和扩散水的能力。应用：应用：有机溶液的脱水(有机物为主体，水含量少)。渗透蒸发膜类型类型 B、优先透有机物膜优先透有机物膜 材料：材料：主要由憎水高聚物 制成。如含憎水的氟原子和硅原子的改性硅橡胶。结构特点：结构特点：聚合物中含憎水的氟原子和硅原子等。这些结构对有机溶剂的亲和力很大，但对水的无亲和力。应用：应用：主要用于水的纯化、污染控制和有机物的回收等(水为主体，有机物含量少)。渗透蒸发的特点 有优点有优点，也有缺点也有缺点 A、单级单级 选择性好选择性好 是渗透蒸发的最大特点是渗透蒸发的最大特点。从理论从理论上讲上讲，渗透蒸发的别离度是无限的渗透蒸发的别离度是无限的，适合别
15、离沸适合别离沸点相近的物质点相近的物质，尤其是尤其是 恒沸物恒沸物 的别离的别离，对于回对于回收含量低的溶剂也是一种好方法收含量低的溶剂也是一种好方法。B、过程操作简单过程操作简单，易于掌握易于掌握，有局部相变有局部相变，故能故能耗较低耗较低。C、由于操作中进料侧原那么上不须加压，所以不会导致膜的压密，渗透率不会随时间的延长而下降；并且在操作过程中形成的膜的溶胀活性层将会自动转化为非对称膜，对膜的透过率和使用寿命有益。D、与反渗透等过程相比，渗透蒸发的通量要小 得多，一般在200g/(m2 h)以下，而且高选择性的渗透蒸发膜，通量往往在100g/(m2 h)左右。E、与反渗透相比，渗透气化过程
16、中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此消除了渗透压的作用，从而使渗透气化的 操作压较低，适合于高浓度混合物的别离。渗透蒸发的应用 应用优势：应用优势：PV在别离有机物是非常有用的在别离有机物是非常有用的，因因PV破坏了共沸混合物或挥发度破坏了共沸混合物或挥发度差异小带来的干扰差异小带来的干扰，别离因素取别离因素取决于膜和化合物的性质决于膜和化合物的性质。思考一下，如何脱去啤酒中的酒精？低醇啤酒 B、从水溶液中脱除有机物：如从啤酒和酒中脱除乙醇，最终使乙醇浓度降低到0.7%以下，目前最低可达0.1%。病人和司机用。如何使低度酒变为高度酒？渗透蒸发的应用 C、从有机物中脱除水分:如水-乙醇体系脱水制无水酒精 4.2 膜材料及其特性 4.2.1 膜材料膜材料 生物别离过程中生物别离过程中，对膜料要有如下要求：对膜料要有如下要求：A、起过滤作用的有效膜厚度小起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤的孔超滤和微滤的孔隙率高隙率高，过滤阻力小；过滤阻力小；B、不吸附被别离物质不吸附被别离物质，从而膜不易污染和堵塞；从而膜不易污染和堵塞；C、使用的使用的pH和温度范围广和温度范围广，耐高温灭菌耐
