生物分离工程精品课程.ppt

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1、http:/ Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望http:/ 第一讲第一讲膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)http:/ 微孔过滤微孔过滤4040年代年代 渗析渗析5050年代年代 电渗析电渗析6060年代年代 反渗透反渗透7070年代年代 超滤超滤 8080年代年代 气体分离气体分离9090年代年代 渗透汽化渗透汽化现代现代 EDI EDI技术技术膜分离过程膜分离过程(membrane

2、separation)http:/ separation)http:/ separation)http:/ 对称膜与不对称膜对称膜与不对称膜有孔膜与无孔膜有孔膜与无孔膜膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ 常见膜分离过程常见膜分离过程微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤（超滤（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF）反渗透（反渗透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）透析（透析（DialysisDialysis，DSDS）电渗析（电渗析（

3、ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervaporation，PVPV）膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)http:/ m=101 m=10-3-3mmmm 人发直径人发直径 70-80 m 70-80 m裸眼可见最小颗粒裸眼可见最小颗粒40 m40 m金属颗粒金属颗粒 50 m 50 m酵母菌酵母菌 3 m 3 m假单胞菌假单胞菌 0.3 m 0.3 m小小RNA RNA 病毒病毒 0.03 m 0.03 m膜分离过程膜分离过程(membrane

4、 separation)http:/ 离子、分子量100的有机物 溶解扩散 渗透蒸发渗透蒸发0.50.5 离子、分子量100的有机物 溶解扩散 反渗透反渗透 离子、分子量100的有机物 溶解扩散 纳滤纳滤25025010001000,000Da的大分子 体积大小 超滤超滤50100005010000 0.0510m的固体粒子 体积大小 微滤微滤1000010000固体粒子 体积大小 粒子过滤粒子过滤孔径/nm分离对象 分离机理 膜过程各种膜分离范围各种膜分离范围膜分离过程的类型膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ 细粒子胶体去除可溶性中等细粒子胶体去除可溶

5、性中等或大分子分离或大分子分离不对称微孔膜不对称微孔膜（0nm)0nm)超滤超滤溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除物去除清毒、澄清、细胞收集清毒、澄清、细胞收集对称微孔膜对称微孔膜（0.0510m)0.0510m)微滤微滤示例应用对象 膜结构名称名称几种主要膜分离技术特征几种主要膜分离技术特征膜分离过程的类型膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)http:/ separ

6、ation)http:/ separation)http:/ separation)渗透蒸发渗透蒸发渗透蒸发原理渗透蒸发原理它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合亲合力不同力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中组分在膜中扩散速度扩散速度不同，来达到不同，来达到分离分离的目的。因此的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。缩，直至得到纯有机物。http:/ separation)分离过程是用一张渗透蒸发膜分

7、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,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,把把渗透组分的蒸渗透组分的蒸气压控制到接近零气压控制到接近零,液相中产生的化学位梯度作为传质推液相中产生的化学位梯度作为传质推动力的膜分离过程。动力的膜分离过程。http:/ separation)http:/ separation)利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水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它小分子溶质的溶液；与膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液；与水溶液，或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓

8、度不同，水溶液，或缓冲液分隔；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在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）（如无机盐）透向透向右侧，右侧的水右侧，右侧的水透向透向左侧，这就是左侧，这就是透析。透析。右侧纯水或缓冲溶液称为透析液；右侧纯水或缓冲溶液称为透析液；所用的亲水膜称为透析膜；所用的亲水膜称为透析膜；透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。移动。http:/ separation)http:/ separation)透析法在临床上常用于透析法在临床上常用于肾衰竭患者肾衰竭患者的血液透

9、析。的血液透析。在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。http:/ 17.2 膜的制造膜的制造膜的制造膜分离过程膜分离过程(membrane separation)要求：要求：（1 1）透过速度）透过速度（2 2）选择性）选择性（3 3）机械强度机械强度（4 4）稳定性稳定性http:/ separation)微滤膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维

10、，醋酸纤维：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维超滤膜超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维反渗透膜反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚醚：醋酸纤维素衍生物，聚醚 ，聚酰胺，聚酰胺天然材料天然材料：各种纤维素衍生物：各种纤维素衍生物人造材料人造材料：各种合成高聚物：各种合成高聚物 特殊材料特殊材料：复合膜，无机膜：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜不锈钢膜，陶瓷膜http:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)透过速度大透过速度大截留盐的能力强截留盐的能力强易于制备易于制备来源丰富来

11、源丰富不耐温（不耐温（3030）pH pH 范围窄，清洗困难范围窄，清洗困难与氯作用，寿命降低与氯作用，寿命降低微生物侵袭微生物侵袭适合作反渗透膜适合作反渗透膜http:/ separation)http:/ separation)（1 1）温度范围广）温度范围广（2 2）pH pH 范围广范围广（3 3）耐氯能力强）耐氯能力强（4 4）孔径范围宽）孔径范围宽（5)5)操作压力低操作压力低（6 6）适合作超滤膜）适合作超滤膜http:/ 芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类膜的制造膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)（1 1）耐热）耐热（2 2

12、）pH pH 范围广范围广（3 3）寿命较长）寿命较长（4 4）不耐氯）不耐氯http:/ separation)不对称膜通常用相转变法不对称膜通常用相转变法(phase inversion method)(phase inversion method)制造，制造，其一般步骤如下：其一般步骤如下：1 1将高聚物溶于一种溶剂中；将高聚物溶于一种溶剂中；2 2将得到溶液浇注成薄膜（如欲制造中孔纤维将得到溶液浇注成薄膜（如欲制造中孔纤维 膜，膜，则需用特制的喷丝头）；则需用特制的喷丝头）；3 3将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的高聚物溶液分离

13、成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。http:/ separation)聚氨基葡糖聚氨基葡糖在高分子材料中加入低分子液晶材料制成复合膜；在高分子材料中加入低分子液晶材料制成复合膜；无机多孔膜；无机多孔膜；功能高分子膜；功能高分子膜；纳米过滤膜。纳米过滤膜。不锈钢膜不锈钢膜 除此以外，改革膜体结构，加强除此以外，改革膜体结构，加强“超薄膜超薄膜”和和“复合复合膜膜”的研究也是当前发展的新动向。的研究也是当前发展的新动向。http:/ separat

14、ion)浓差极化与膜污染及清洗方法在膜分离过程中，浓差极化与膜污染是经常发生的两在膜分离过程中，浓差极化与膜污染是经常发生的两种现象，也是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路种现象，也是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路虎。虎。http:/ separation)在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导形成边界层，

15、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。致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动溶剂向膜面流动(对流对流)引起溶引起溶质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。边界层，这一现象称为浓差极化。浓差极化与膜污染及清洗方法http:/ separation)是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子由于与膜是指处理物料中的微粒，胶体或溶

16、质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象，生透过流量与分离特性的不可逆变化现象，膜污染与膜污染与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截然不同。然不同。浓差极化与膜污染及清洗方法http:/ separation)浓差极化与膜污染及清洗方法有多种，可以通过控制膜污染影响因素，大大减少膜有多种，可以通过控制膜污染影响因素，大大减少膜污染的危害，延长膜的

17、有效操作时间，减少清洗频率，污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:http:/ separation)浓差极化与膜污染及清洗方法进料液的预处理；进料液的预处理；选择合适的膜材料；选择合适的膜材料；改善操作条件。改善操作条件。http:/ 17.4 分离机理分离机理 膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理毛细管流动模型毛细管流动模型 溶解扩散模型溶解扩散模型 优先吸附模型优先

18、吸附模型http:/ separation)http:/ separation)http:/ 膜相中组分膜相中组分i的偏摩尔体积的偏摩尔体积p0 标准态压力标准态压力将式（将式（176）代入式（）代入式（175）中，得）中，得分离机理(17-6)膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)http:/ separation)分离机理式中式中JJ体积通量体积通量xx膜的厚度膜的厚度M M1 1溶剂（水）的分子量溶剂（水）的分子量溶剂的密度溶剂的密度pp为膜两侧压力差为膜两侧压力差为膜两侧渗透压差为膜两侧渗透压差http:/ 2）来说，其摩尔通

19、量为）来说，其摩尔通量为17-1017-11分离机理膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ J2 2JvJv 则可得到截留则可得到截留R R的的关系式：关系式：分离机理17-12膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ 优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型（Preferential-capillary flow modelPreferential-capillary flow model）膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理 由由SourirajanSourirajan于于19631

20、963年建立。他认为用于水溶液中脱年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小水分子的大小（见图（见图17179a9a）。在压力下，就可连续地使纯）。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。从图水层流经毛细孔。从图17-9b17-9b可想象可想象如果毛细孔直径恰等于如果毛细孔直径恰等于2 2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令

21、盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。SourirajanSourirajan根据这一想法，成功地选择了膜材料，合成了一根据这一想法，成功地选择了膜材料，合成了一定孔径的膜，以满足应用于不同系统的需要定孔径的膜，以满足应用于不同系统的需要 。http:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)分离机理溶质在膜中的迁移系服从溶质在膜中的迁移系服从FickFick定律定律 Jw=Ap Jw=Ap =Ap (xA2)(xA3)=Ap (xA2)(xA3)（17-1317-13）式中式中JwJw：水

22、的摩尔通量，：水的摩尔通量，P P操作压力，操作压力，A A：纯水透过系数，它表征膜的空隙度，：纯水透过系数，它表征膜的空隙度，与膜的种类无关；与膜的种类无关；xA2 xA2：溶质在高压侧膜面上液体中的浓度，摩尔分数；：溶质在高压侧膜面上液体中的浓度，摩尔分数；xA3xA3：溶质在透过液中的浓度，摩尔分数。：溶质在透过液中的浓度，摩尔分数。http:/ Hoffvat Hoff方程式：方程式：膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理i=RTCii=RTCi式中式中CiCi：摩尔浓度，：摩尔浓度，：渗透压系数，非理想溶液的：渗透压系数，非理想溶液的校正系数。校正系数

23、。但在实际应用中，把上式改写为下列形式，更为但在实际应用中，把上式改写为下列形式，更为方便：方便：i=Bi xi i=Bi xi http:/ ：高压侧膜面上浓度；：高压侧膜面上浓度；：低压侧膜面上浓度。：低压侧膜面上浓度。膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ =Ki ；=Ki ，代入上式中可得，代入上式中可得分离机理 称为溶质迁移参数。对于一定的膜-溶剂-溶质系统，当操作压力一定时，在相当大的浓度和流速范围内是一常数，所以可用来预测不同条件下膜的性能。膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)表征膜

24、性能的参数有孔的特征、表征膜性能的参数有孔的特征、截断分子量、水通量、截断分子量、水通量、抗压能力、抗压能力、pHpH适用范围、对热和溶剂的稳定性等。制适用范围、对热和溶剂的稳定性等。制造商通常提供这些数据，见表造商通常提供这些数据，见表17-117-1表表17-117-1中所列水通量数据采用纯水在一定条件下中所列水通量数据采用纯水在一定条件下（0.35MPa0.35MPa，2525）进行试验得到。）进行试验得到。http:/ 17.17.截留率和截断分子量截留率和截断分子量膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理 膜对溶质的截留能力以截留率膜对溶质的截留能力以截

25、留率R R（rejectionrejection）来表示，其定）来表示，其定义为义为 R R1 1 Cp CpCb Cb 式中式中CpCp和和CbCb分别表示在某一瞬间，透过液（分别表示在某一瞬间，透过液（PermeatePermeate）和截留）和截留液的浓度。液的浓度。如如R R1 1，则，则CpCp0 0，表示溶质全部被截留；如，表示溶质全部被截留；如R R 0 0，则，则CpCp Cb Cb，表示溶质能自由透过膜。对于超滤膜，制造商在出厂，表示溶质能自由透过膜。对于超滤膜，制造商在出厂前通常用已知分子量的各种物质进行试验，测定其截留率。得前通常用已知分子量的各种物质进行试验，测定其截留

26、率。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线（图到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线（图17-717-7）。但）。但到目前为止，对试验条件尚无统一规定。质量好的膜，应有陡到目前为止，对试验条件尚无统一规定。质量好的膜，应有陡直的截断曲线，可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦直的截断曲线，可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。的截断曲线会导致分离不完全。http:/ 10000002 210 10 0000005 5100 100 00000012121000 1000 0000002929膜分离过程膜分离过程(membrane separation)ht

27、tp:/ 留留率率截断曲线截断曲线分离机理膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ separation)分离机理分子的形状分子的形状吸附作用吸附作用温度温度流速流速pH pH 离子强度（影响蛋白构象离子强度（影响蛋白构象)http:/ separation)分离机理孔径孔径 （泡点法）（泡点法）孔径分布孔径分布空隙度空隙度http:/ separation)分离机理 孔径常用泡点法（孔径常用泡点法（bubble-point methodbubble-point method）测定，对微孔膜尤）测定，对微孔膜尤为适用。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通

28、入空气，为适用。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐增大空气的压力，当有稳定的气泡冒出时，称为泡点。由泡逐渐增大空气的压力，当有稳定的气泡冒出时，称为泡点。由泡点的压力，根据下式，即可计算出孔径：点的压力，根据下式，即可计算出孔径：d d4 COS4 COSP P （17-317-3）式中式中d d为孔径，为孔径，为液体的表面张力，为液体的表面张力，为液体与膜间的接触角，为液体与膜间的接触角，P P为泡点压力。由式（为泡点压力。由式（17-317-3）可见，对于较大的孔，泡点压力较低，）可见，对于较大的孔，泡点压力较低，因此用泡点法测得的是最大孔径。因此用泡点法测得的是最大孔

29、径。孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。http:/ separation)分离机理 本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏，某些本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏，某些厂商规定新膜要通过该项试验。将超滤器保留液出口厂商规定新膜要通过该项试验。将超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口处通入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气处通入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡逸出速度，如大于

30、规定值，表示膜不合格。泡逸出速度，如大于规定值，表示膜不合格。http:/ separation)http:/ 思考题思考题 膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理1 1 理解概念：截留分子量，截留率，体积浓缩倍理解概念：截留分子量，截留率，体积浓缩倍 数。数。2 2 微微滤滤，超超滤滤，反反渗渗透透分分离离技技术术在在分分子子尺尺寸寸上上有有何何区区别别？3 3 影响截留率的因素有哪些？影响截留率的因素有哪些？4 4 毛毛细细管管流流动动模模型型，溶溶解解扩扩散散模模型型，和和优优先先吸吸附附模模各各适适用于解释哪些膜过程用于解释哪些膜过程?http:/ se

31、paration)http:/ separation)http:/ 17.3.4 纳滤纳滤膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理.纳滤膜分离技术的特点纳滤膜分离技术的特点2020世纪世纪8080年代末期，随着新的制膜方法（如界面聚合年代末期，随着新的制膜方法（如界面聚合法）的出现和制膜工艺的不断改进，一批新型复合膜法）的出现和制膜工艺的不断改进，一批新型复合膜（疏松型反渗透膜和致密型超滤膜）（疏松型反渗透膜和致密型超滤膜）得以问世，并受得以问世，并受到人们的极大关注，现在人们习惯上将该类膜称为纳到人们的极大关注，现在人们习惯上将该类膜称为纳滤（滤（nanofil

32、tration,NFnanofiltration,NF）膜。膜。http:/ 1膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理纳滤膜分离过程中无任何化学反应；纳滤膜分离过程中无任何化学反应；无需加热，无相变；无需加热，无相变；不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于超纯水的制备和食品、医药等行越来越广泛地应用于超纯水的制备和食品、医药等行业中的各种分离和浓缩过程。业中的各种分离和浓缩过程。http:/ 2膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理作为一种新型分离技术，纳滤在其分

33、离应用中表现出作为一种新型分离技术，纳滤在其分离应用中表现出两个显著特征：两个显著特征：其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为20020002002000；纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面层纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。http:/ 3膜分离过程膜分离过程(membrane separation)分离机理从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。和它的支撑层的化学组成不同。

34、根据其第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥根据其第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥有有nmnm左右的微孔结构，故称左右的微孔结构，故称“纳滤纳滤”。书上讲：书上讲：由于其截留率大于由于其截留率大于95%95%的最小分子约为的最小分子约为nm,nm,故称之为纳滤膜。故称之为纳滤膜。http:/ separation)分离机理.道南（道南（DonnanDonnan）效应）效应离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。吸引的作用。氨基酸和多肽带有如氨基酸和多肽带有如羧基羧基或或氨基氨基等离子官能团，在等等离子官能团，在等电点时是

35、中性的，当高于或低于等电点时带负电荷或电点时是中性的，当高于或低于等电点时带负电荷或正电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团，基于静电正电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团，基于静电相互作用，对离子有一定的截留率，可用于分离氨基相互作用，对离子有一定的截留率，可用于分离氨基酸和多肽。酸和多肽。http:/ separation)http:/ separation)分离机理基于上述原理，基于上述原理，TsuruTsuru等通过调节等通过调节pHpH值，进行了某些多值，进行了某些多肽和氨基酸的混合体系的纳滤分离实验。肽和氨基酸的混合体系的纳滤分离实验。Garem Garem 等利用无机和高分子复合型的纳

36、滤膜进行了九等利用无机和高分子复合型的纳滤膜进行了九种氨基酸和三种多肽的分离实验，探讨了这种方法的种氨基酸和三种多肽的分离实验，探讨了这种方法的可行性。可行性。http:/ separation)分离机理纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在还存在DonnanDonnan效应，因此对低分子量有机物和盐的分效应，因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，并具有不影响分离物质的生物活性、离有很好的效果，并具有不影响分离物质的生物活性、节能、无公害等特点，在食品工业、发酵工业、制药节能、无公害等特点，在食品工业、发酵工业、制药工业、乳品工

37、业等行业越来越广泛的运用。工业、乳品工业等行业越来越广泛的运用。纳滤膜应用时注意的一些问题纳滤膜应用时注意的一些问题膜污染问题膜污染问题为满足食品和医药行业对卫生的要求膜要经常的杀为满足食品和医药行业对卫生的要求膜要经常的杀菌、清洗等处理。菌、清洗等处理。http:/ 17.4 传递理论传递理论膜分离过程膜分离过程(membrane separation)传递理论浓差极化一凝胶层模型（浓差极化一凝胶层模型（concentration concentration Polarization-gel layer modelPolarization-gel layer model）阻力模型（阻力模型（

38、resistance moddresistance modd）管状收缩效应管状收缩效应(Tubular Pinch effect)(Tubular Pinch effect)的影响的影响http:/ separation)http:/ separation)http:/ concentration Polarization-gel layer modelPolarization-gel layer model）膜分离过程膜分离过程(membrane separation)传递理论当溶剂透过膜而溶质留在膜上，因而使膜面上溶质浓当溶剂透过膜而溶质留在膜上，因而使膜面上溶质浓度增大，这种现象称为度增

39、大，这种现象称为浓差极化浓差极化，对通量的影响很大。，对通量的影响很大。在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。使有效压力差降低，而使通量减小。在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成浓度高时会在膜面上形成凝胶层凝胶层，增大了阻力而使通，增大了阻力而使通量降低。量降低。要减少浓差极化，通常采用错流操作。因深层过要减少浓差极化，通常采用错流操作。因深层过滤中液体主体流动方向和透过液一致，使截留溶质愈滤中液体主体流动方向和透过液一致，使截留溶质愈来愈多，而在

40、来愈多，而在错流过滤错流过滤中，两者互相垂直，截留溶质中，两者互相垂直，截留溶质为切向流所带走。为切向流所带走。http:/ separation)http:/ separation)传递理论根据流体力学，在膜面附近始终存在着一层边界层，根据流体力学，在膜面附近始终存在着一层边界层，当发生浓差极化后，浓度在边界层中的分布见上图。当发生浓差极化后，浓度在边界层中的分布见上图。膜面上浓度膜面上浓度 Cw Cw大于主体浓度大于主体浓度CbCb，溶质向主体反扩散。，溶质向主体反扩散。在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算。衡算。当达到稳态后，流出微元薄

41、层的溶质通量保持当达到稳态后，流出微元薄层的溶质通量保持不变，并等于透过膜的通量不变，并等于透过膜的通量Ji=JvCpJi=JvCp。随主体流动进入。随主体流动进入微元薄层的速度微元薄层的速度JvCJvC应等于透过膜的通量与反扩散速度应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有之和，故有http:/ 令令KmD/为传质系数，上式成为为传质系数，上式成为传递理论膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ Cp=o 上式就可以写成上式就可以写成 Cw/Cb称为极化模数（polarization modulus）或在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，在超

42、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或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CGCG。传递理论膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ JV V与主体浓度与主体浓度log Clog Cb b的关系的关系传递理论通通量量膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ moddresistance modd）传递理论和通常的过滤操作一样，把通量和通常的过滤操作一样，把通量Jv表示成推动力和阻力之比：表示成推动力和阻力之比：在反渗透中，通常不形成滤饼，在反渗透中，通常不形成滤饼，RC可

43、以忽略：可以忽略：在超滤或微滤中，在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计：渗透压可以忽略不计：膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ c 膜面上滤饼的阻力计算膜面上滤饼的阻力计算对于不可压缩滤饼，根据对于不可压缩滤饼，根据Carman-KozenyCarman-Kozeny方程式，方程式，RcRc可写成：可写成：对于可压缩滤饼、对于可压缩滤饼、滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数（对不可压缩滤饼，（对不可压缩滤饼，0；对完全可压缩滤饼；对完全可压缩滤饼1，通常在，通常在0.10.8之间，之间，W：单位体积料液中所含：单位体积料液中所含有的颗粒重量，有的颗粒重量，Vt

44、：到某一瞬间，滤液的总体积，：到某一瞬间，滤液的总体积，F：膜面积，：膜面积，：为常数，与滤饼性质有关。为常数，与滤饼性质有关。如果膜的阻力可以忽略如果膜的阻力可以忽略传递理论膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ 由上式可见，由上式可见，单位面积的处理量与单位面积的处理量与JvJv成反比。成反比。这个关系在实用上有一定的意义。这个关系在实用上有一定的意义。如要求体积流速如要求体积流速（m m3 3/h/h）一定，则在膜阻塞前所能处理的总体积和）一定，则在膜阻塞前所能处理的总体积和膜面积之平方成正比。因而膜面积增大膜面积之平方成正比。因而膜面积增大1 1倍（

45、投资费倍（投资费用增加用增加1 1倍）处理量可增加到倍）处理量可增加到4 4倍，膜的更换费用可倍，膜的更换费用可减少一半。减少一半。膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ Pinch effect)(Tubular Pinch effect)的影响的影响膜分离过程膜分离过程(membrane separation)传递理论人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要比用人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。原因就是原因就是管状收缩效应管状收缩效应 胶体溶液在管中流动时，颗粒

46、有离开管壁向中心运动的趋胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心运动的趋向，向，称为管状收缩效应。由于这个现象，使膜面上沉积的称为管状收缩效应。由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。通量增大。http:/ separation)传递理论实验结果和理论分析表明，横向移动速度实验结果和理论分析表明，横向移动速度VLVL和轴向速度和轴向速度 u u的的平方成正比，而和管径平方成正比，而和管径r r的立方成反比：的立方成反比：上式实际上表示上式实际上表示VLVL和和r r成反比，因此处理浑浊液体时，窄

47、通成反比，因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力的。道超滤器是有吸引力的。http:/ separation)http:/ 17.5 膜过滤装置的型式及其适用范围膜过滤装置的型式及其适用范围膜分离过程膜分离过程(membrane separation)膜过滤装置型式的及其使用范围 目目前前生生产产的的膜膜过过滤滤装装置置都都由由模模件件(Module)(Module)构构成成，所所以以研研究究装装置置的的性性能能只只要要研研究究模模件件的的性性能能即即可可。一一个个良良好好的的模模件件应应具具备备下下列列条条件件：1 1膜膜面面切切线线方方向向的的速速度度相相当当快快，或或有有较较高高的的

48、剪剪切切率率，以以减减少少浓浓差差极极化化；2 2膜膜的的装装载载密密度度，即即单单位位体体积积中中所所含含膜膜面面积积比比较较大大；3 3拆拆洗洗和和膜膜的的更更换换比比较较方方便便，4 4保保留留体体积积小小，且且无死角。无死角。常见的膜过滤装置有甲种类型：常见的膜过滤装置有甲种类型：管式管式 中空纤维式中空纤维式 平板式平板式 卷式（螺旋式）卷式（螺旋式）http:/ separation)膜过滤装置型式的及其使用范围平板式构造平板式构造http:/ separation)http:/ 2 膜过滤装置型式的及其使用范围膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http

49、:/ separation)http:/ separation)http:/ separation)膜过滤装置型式的及其使用范围动态压力过滤器动态压力过滤器操操作作：由由内内筒筒和和外外筒筒组组成成，内内筒筒以以2000-3000 2000-3000 r/minr/min旋旋转转，造造成成料料液液的的切切向向流流动动，消消除除浓差极差浓差极差应用：应用：MFMF、UFUF、RORO、酶反应等、酶反应等优优点点：A A、无无浓浓差差极极差差，局局部部混混合合十十分分好好，B B、高高渗渗透透流流，高的酶传递性。高的酶传递性。缺缺点点：单单位位体体积积的的过过滤滤面面积积小小，放大困难。放大困难。

50、动态压力过滤器动态压力过滤器http:/ separation)http:/ m2/m3)(400-600m2/m3)(800-1000 m2/m3)低低低低差差好好/一般一般中等中等中等中等好好/一般一般好好/一般一般中等中等中等中等好好最高最高/较高较高较高较高保留体积保留体积膜分离过程膜分离过程(membrane separation)http:/ 2/m/m3 3）很好很好（1600030000 1600030000 m m2 2/m/m3 3）好好/一般（一般（400600 400600 m m2 2/m/m3 3）好好8001000 m8001000 m2 2/m/m3 3）保留体