《膜分离技术》PPT幻灯片课件.ppt

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1、6 膜分离技术膜分离技术(membrane separation)第一讲第一讲1本讲的主要内容p膜分离技术概述膜分离技术概述p膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造p表征膜性能的参数表征膜性能的参数p各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技术及其分离机理2膜是什么？膜是什么？指在一种流体相内或是在两种指在一种流体相内或是在两种流体相流体相之间有一层薄的之间有一层薄的凝凝聚相聚相，把流体相分隔为互不相通的两部分，使这两部分，把流体相分隔为互不相通的两部分，使这两部分之间产生传质作用。可以是固态、液态或气态的。之间产生传质作用。可以是固态、液态或气态的。压力压力膜包括最简单的滤纸过膜包括最简单的滤纸过滤到

2、高选择性的生物膜。滤到高选择性的生物膜。3什么是膜分离技术？什么是膜分离技术？概念：用天然或人工制备的、具有选择性透过的膜，概念：用天然或人工制备的、具有选择性透过的膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。推动力：推动力：压力差压力差 浓度差浓度差 电位差电位差4概概 述述人类认识到膜的功能源于人类认识到膜的功能源于17481748年，然而用于为人类服年，然而用于为人类服务是近几十年的事。务是近几十年的事。19601960年年LoebLoeb和和S

3、ourirajanSourirajan制备出制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜不对称膜，是，是膜分膜分离技术发展的一个里程碑。离技术发展的一个里程碑。5年代年代科学家科学家主要内容主要内容1748Abbe Nollet水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象渗透现象1827Dutrochet名词渗透作用（名词渗透作用（Osmosis）的引入）的引入1831J.V.Mitchell气体透过橡胶膜的研究气体透过橡胶膜的研究1855Fick发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制

4、备了早期的人工半渗透膜制备了早期的人工半渗透膜18611966Graham发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现渗析（渗析（Dialysis）现象）现象18601977Vant Hoff，Tranbe，Preffer渗透压定律渗透压定律1906Kahlenbery观察到烃观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜乙醇溶液选择透过橡胶薄膜1917Kober引入名词渗透气化（引入名词渗透气化（Pervaporqtion）膜科学的发展史膜科学的发展史61911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布，

5、布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象电渗析和伴生传递的平衡现象1922Zsigmondy Bachman Fofirol.etc微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维）为赛璐玢和再生纤维）1920Mangold，Michaels.Mobain.etc用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象透现象1930Teorell，Meyer，Sievers进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础1944Willi

6、am Kolff初次成功使用了人工肾初次成功使用了人工肾1950Juda，Mcrae合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离工程离工程1960Loeb-Sourirajan相转化法制出了非对称反渗透膜相转化法制出了非对称反渗透膜1968N.N.Li发明了液膜发明了液膜1980Cadotte制出了界面反应聚合复合膜制出了界面反应聚合复合膜续表：续表：7分离过程分离过程年代年代目前主要厂商目前主要厂商应用应用微滤微滤1925Millipore Corp，Pall corp.，Asahi Chemical微电子、医学、微电子、医学、食品、

7、化工等食品、化工等电渗析电渗析1960Oonics Ins.，Tokuyama Soda，Asahi Glass苦咸水脱盐、水苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业分解、氯碱工业反渗透反渗透1965Film Tech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，Ddu Pont海水脱盐、饮用海水脱盐、饮用水生产、食品工水生产、食品工业、造纸工业等业、造纸工业等渗析渗析1965Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical血液渗析、工业血液渗析、工业废液等废液等超滤超滤1970Amicon Corp.，Koch Eng.Inc.，Nittl Denko制药工业、乳品制药工

8、业、乳品工业等工业等气体分离气体分离1980Permea/Air Prod.，Ube Ind.，Hoechst/Celanese医疗、燃烧过程医疗、燃烧过程等等渗透汽化渗透汽化1990GFT GmbH无水乙醇生产无水乙醇生产膜工业的发展史膜工业的发展史81950 1950 荷兰荷兰人工肾人工肾血液透析血液透析人工肾91955 1955 美国美国电渗析电渗析海水脱盐淡化海水脱盐淡化1011电渗析除盐装置电渗析除盐装置121965 1965 美国美国反渗透反渗透海水脱盐、饮用水生产海水脱盐、饮用水生产13膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行；操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；是物

9、理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；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。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因而在生物产品的处理中占有重要地位概概 述述14膜分离技术的重要性膜分离技术的重要性l膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点有使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、选择适当的膜分离技术，可

10、替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。传统的分离与过滤方法。l膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。l膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近3030年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。手段之一

11、。概概 述述15膜分离技术的重要性评论：膜分离技术的重要性评论：美国官方文件曾说美国官方文件曾说“18世纪电器改变了整个世纪电器改变了整个工业进程，而工业进程，而20世纪世纪膜技术将改变整个面貌膜技术将改变整个面貌”，又说，又说“目前没有一种技术，能像膜技术这么目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用广泛地被应用”。国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命第三次工业革命”日本则把日本则把膜分离技术作为膜分离技术作为21世纪的基础技术世纪的基础技术进行研究和开发。进行研究和开发。16在在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，年日本东京国际膜与

12、膜过程会议上，明确指出明确指出“在在21世纪多数工业中，世纪多数工业中，膜过程扮演着膜过程扮演着战略的角色战略的角色”。世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会会长黎念之博士在院士，北美膜学会会长黎念之博士在 1994年应年应邀访问我国化工部及所属大学时说：邀访问我国化工部及所属大学时说：“要想发展要想发展化工就必须发展膜技术化工就必须发展膜技术”。国际上流行的说法国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来掌握了化工的未来”176.1 膜材料与膜的制造18膜材料的特性膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求

13、：耐压：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在高的压力，一般模操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为，反渗透膜的压力更高，约为0.110MPa耐高温耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；水解；化学相容性：化学相容性：保持膜的稳定性；保持膜的稳定性；生物相容性：生物相容性：防止生物大分子的变性；防止生物大分子的变性；成本低；成本低；19（一）膜材料天然材料天然材料：各种纤维素衍生物：各种纤

14、维素衍生物人造材料人造材料：有机高分子材料有机高分子材料 纤维素酯类纤维素酯类 缩合系聚合物缩合系聚合物聚砜聚砜类类 聚烯烃聚烯烃及其共聚物及其共聚物 脂肪族或芳香族脂肪族或芳香族聚酰胺聚酰胺类聚合物类聚合物 全氟全氟磺酸共聚物、全氟羧酸共聚物磺酸共聚物、全氟羧酸共聚物 聚碳酸酯聚碳酸酯 无机材料无机材料20目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约中约40多种已被用于工业和实验室中。多种已被用于工业和

15、实验室中。211、纤维素酯类膜材料、纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个葡萄糖基通过纤维素是由几千个葡萄糖基通过1,4-糖苷链连接起来糖苷链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：的天然线性高分子化合物，其结构式为：22从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。此外，醋酸丙酸纤维

16、素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。23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，清洗困难易受微生物侵袭易受微生物侵袭醋酸纤维素的特点醋酸纤维素的特点242、非纤维素酯类膜材料、非纤维素酯类膜材料(1)非纤维素酯类膜材料的基本特性非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团；分子链中含有亲水性的极性基团；主链上应有苯环、杂环等刚性基团，主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压性和耐热性；使之有高的抗压性和耐热性；化学稳定性

17、好；化学稳定性好；25pH值适应范围为值适应范围为113，最高使用温度，最高使用温度达达120，抗氧化性和，抗氧化性和抗氯性都十分优良。抗氯性都十分优良。已成为重要的膜材料已成为重要的膜材料之一。之一。这类树脂中，目这类树脂中，目前的代表品种有：前的代表品种有：主要的非纤维素酯类膜主要的非纤维素酯类膜材料材料i、聚砜类、聚砜类 聚砜结构中的特征基团为聚砜结构中的特征基团为 26聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基团（团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为）的高分子化合物。英文为polyamide，缩写为缩写为PA。早期使用的聚酰胺是早期使用的聚

18、酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龙，如尼龙-4、尼龙尼龙66等制成的中空纤维膜。等制成的中空纤维膜。以后发展了以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，用它们制成的分离膜，pH适用范围为适用范围为311。长期使用稳定性好。长期使用稳定性好。ii、聚酰胺类、聚酰胺类27脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替链接而成。mpmpmpmp型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺。p p p p型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺型脂肪族聚酰胺28芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺 分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳香

19、族聚酰胺。目前工业化的有两大类：聚间苯二甲酰间苯二胺聚间苯二甲酰间苯二胺聚间苯二甲酰间苯二胺聚间苯二甲酰间苯二胺（NomexNomex）聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯二甲酰胺聚对苯二甲酰胺聚对苯二甲酰胺聚对苯二甲酰胺全对全对全对全对位聚位聚位聚位聚芳酰芳酰芳酰芳酰胺胺胺胺29u聚酰胺含有酰胺基团（聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-CO-NH-）,亲水性好亲水性好,且且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好,是是最典型的反渗透膜材料之一最典型的反渗透膜材料之一，不耐氯。，不耐氯。u与醋酸纤维素反渗透

20、膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、通量大、操作压力要求低、pH pH 范围广（范围广（4-114-11）。）。30用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯醇、用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、聚四氟乙烯等。聚丙烯、聚四氟乙烯等。共聚物包括：聚丙烯醇共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯苯乙烯磺酸、聚乙烯/乙烯乙烯醇等。醇等。iii、聚烯烃类、聚烯烃类聚乙烯醇聚乙烯醇 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚丙烯聚丙烯 31磺酸：磺酸：R-SO3H 羧酸：羧酸：RCOOH 全氟：全氟：R中氢原子全被中氢原子全被氟氟取代而成。取代而成。

21、共聚物：共聚物：e.g.全氟磺酸全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物聚四氟乙烯共聚物 iv、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物32分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等芳香族等多种类型多种类型。v、聚碳酸酯、聚碳酸酯33方法：烧结法、溶剂浇铸法、熔压法、径迹蚀刻法、拉伸法、相转化法方法：烧结法、溶剂浇铸法、熔压法、径迹蚀刻法、拉伸法、相转化法等。等。（1）烧结法烧结法 将一定大小颗粒的粉末进行压缩，然后在高温下烧结。将一定大小颗粒的粉末进行压缩，然后

22、在高温下烧结。烧结过程中，颗粒间的界面消失。可采用这种制备方法的材料有，聚合烧结过程中，颗粒间的界面消失。可采用这种制备方法的材料有，聚合物粉末（聚乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯），金属（不锈钢，钨），陶瓷物粉末（聚乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯），金属（不锈钢，钨），陶瓷（氧化铝，氧化锆），石墨（碳）和玻璃（氧化硅）。（氧化铝，氧化锆），石墨（碳）和玻璃（氧化硅）。（2）溶剂浇铸法）溶剂浇铸法用浇铸刀或压延棒将制膜液在平整玻璃板或钢板上流用浇铸刀或压延棒将制膜液在平整玻璃板或钢板上流延成膜，然后使溶剂蒸发，在板上即可形成均匀的聚合物薄膜。延成膜，然后使溶剂蒸发，在板上即可形成均匀的聚合物薄膜。（3）熔压

23、法熔压法将碾细的聚合物置于两块平板间，加热使之熔化，并在高将碾细的聚合物置于两块平板间，加热使之熔化，并在高压下保持几分钟，冷却后即可制得。（适用于聚乙烯、聚丙烯、尼龙等压下保持几分钟，冷却后即可制得。（适用于聚乙烯、聚丙烯、尼龙等不溶于流延液的膜材料）不溶于流延液的膜材料）（二）膜的制备34（4）径迹蚀刻法径迹蚀刻法膜片接受高能粒子辐射，聚合物膜片接受高能粒子辐射，聚合物受到损伤形成径迹，再将此膜片浸入腐蚀性溶液中，受到损伤形成径迹，再将此膜片浸入腐蚀性溶液中，径迹处即被腐蚀而形成圆柱形的孔，且分布均匀。径迹处即被腐蚀而形成圆柱形的孔，且分布均匀。（孔径（孔径0.02-10m，由浸蚀的时间决

24、定），由浸蚀的时间决定）（5）拉伸法拉伸法在接近熔点的温度下把膜材料压紧，在接近熔点的温度下把膜材料压紧，冷却后进行拉伸，使聚合物的结晶结构被破坏，产生冷却后进行拉伸，使聚合物的结晶结构被破坏，产生孔隙。孔隙。（6）相转化法相转化法通过适当途径使聚合物通过适当途径使聚合物制膜液由液制膜液由液态转化为固态态转化为固态即可。即可。途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀等。途径有：溶剂蒸发、溶剂沉淀等。35相转化制膜工艺相转化制膜工艺相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。变为固相

25、的过程。相转化制膜工艺中最重要的相转化制膜工艺中最重要的方法是方法是L-S型制膜法。加拿大人劳勃和索里拉金型制膜法。加拿大人劳勃和索里拉金发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。36聚合物聚合物溶剂溶剂添加剂添加剂均质制膜液均质制膜液流延法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维流延法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂蒸出部分溶剂凝固液浸渍凝固液浸渍水洗水洗后处理后处理非对称膜非对称膜L-SL-S法相转化制膜工艺流程框图法相转化制膜工艺流程框图将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄

26、层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成由液相转化为制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成由液相转化为固相的膜，工艺框图如下：固相的膜，工艺框图如下：37膜材料的改性方法膜材料的改性方法接枝接枝具有某种性能的基团或聚合物支链接到膜材料具有某种性能的基团或聚合物支链接到膜材料的高分子链上。的高分子链上。溶剂化处理溶剂化处理在一定时间一定温度下，用某种溶剂对在一定时间一定温度下，用某种溶剂对聚合膜进行预处理，以提高膜的分离性能。聚合膜进行预处理，以提高膜的分离性能。放射刻蚀放射刻蚀利用放射线对膜的表面进行处理，以提高利用放射线对膜的表面进行处理，以提高膜的分离性能。膜的分离

27、性能。交联改性交联改性利用交联剂使高分子链形成网状机构，提利用交联剂使高分子链形成网状机构，提高稳定性和机械强度。高稳定性和机械强度。386.2 表征膜性能的参数39膜（膜（Membrane）是膜分离过程的核心部件，）是膜分离过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。设备的大小。膜的性能主要包括两个方面：膜的性能主要包括两个方面：透过性能透过性能 分离性能分离性能 401透过性能透过性能能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基能使待分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的参数是本条件。表征膜透过性能的参数是

28、透过速率透过速率。透过速率透过速率指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以以J表示表示。J 透过速率，透过速率，m3/(m2h)或或 kg/(m2h)；V透过组分的体积或质量，透过组分的体积或质量，m3或或kg；A膜有效面积，膜有效面积，m2；t 操作时间，操作时间，h。41水通量：水通量：纯水在一定压力、温度纯水在一定压力、温度(0.35MPa(0.35MPa，25)25)下透过膜的速度，下透过膜的速度，L/hL/h m m2 2。p同类膜，孔径同类膜，孔径，水通量，水通量JwJ

29、w。p由由JwJw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。422分离性分离性能能 不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示不同分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如方法，如截留率截留率、截留分子量截留分子量、分离因数分离因数等。等。43（1）截留率）截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。截留率截留率反反映膜对溶质的截留程度，以映膜对溶质的截留程度，以R表示，定义为表示，定义为 原料中溶质的浓度，原料中溶质的浓度，kg/m3；渗透物液中溶质的浓度，渗透物液中溶质的浓度，kg/m3。100截留率表示溶质全

30、部被膜截留；截留率表示溶质全部被膜截留；0 截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。44截断曲线截断曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线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；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。反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。45浓差极化：由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层边界层，它对水的透过起

31、着阻碍作用。当水透过膜并截留盐时，在膜表面会形成一个流速非常低的边界层边界层，边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化的现象叫做浓差极化。浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。46 分子形状：分子形状：线状分子易透过，线状分子易透过，R R线线 0.02m人工肾人工肾 0.005m59透析原理图透析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜60透析法的应用蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液u常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分

32、子杂质。小分子杂质。u由于透析过程以浓度差为传质推动力，膜的透过量很小，不由于透析过程以浓度差为传质推动力，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。u透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。612.2.微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛筛分分原理使不溶性粒子（原理使不溶性粒子（0.02-10um0.02-10um）得以分离的操作。）得以分离的操作。操作压力操作压力0.05-0.1MPa0.05-0.1MPa。62MF作用

33、相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低（0.05-0.1MPa）MFMF主要主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、污染物等，以达到净化、分离和浓缩的目的。MF滤除微粒和微生物的效率滤除微粒和微生物的效率测试微粒球形SiO2球形聚苯乙烯细菌热原直径/m脱除率/%0.2199.990.03899.990.0851000.10.41000.00199.99763 MF 的特点的特点 与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比，与深层过滤介质如硅藻土、沙、无纺布相比，MFMF膜有以下几个特点：膜有以下几个特点

34、：孔径均匀，过滤精度高孔径均匀，过滤精度高厚度薄，厚度薄，普通深层过滤介质的普通深层过滤介质的1/101/10。大多数。大多数MFMF膜的膜的厚度一般为厚度一般为90-150m90-150m。吸附少，过滤速率大。吸附少，过滤速率大。通量大。由于通量大。由于MFMF膜的孔隙率高，因此在同等过滤精度膜的孔隙率高，因此在同等过滤精度下，流体的过滤速度比常规过滤介质高几十倍。下，流体的过滤速度比常规过滤介质高几十倍。过滤时无介质脱落，不产生二次污染。过滤时无介质脱落，不产生二次污染。颗粒容纳量小，易堵塞。颗粒容纳量小，易堵塞。64FMF分离机理（1 1）膜表面层截留膜表面层截留：又分有：又分有筛分截留

35、（机械截留），筛分截留（机械截留），指指MFMF膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；膜将尺寸大于其孔径的微粒等杂质截留；吸附吸附截留截留，指，指MFMF膜将尺寸小于其孔径的微粒通过物理或化膜将尺寸小于其孔径的微粒通过物理或化学作用吸附而截留；学作用吸附而截留；架桥截留，架桥截留，指固体颗粒在膜的指固体颗粒在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。微孔入口因架桥作用而被截留。（2 2）膜内部截留（膜内部截留（也称为网络截留），这种截留发生在也称为网络截留），这种截留发生在膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而形成。膜的内部，往往是由于膜孔的曲折而形成。除上述截留之外，某些情况下，还有静电截留。除上述截留之外，

36、某些情况下，还有静电截留。65（a）膜表面层截留）膜表面层截留（b）膜内部截留）膜内部截留（网络中截留）（网络中截留）66微滤与常规过滤在许多方面有相似之处。微滤与常规过滤在许多方面有相似之处。u根据微粒被膜截留在表面层或膜深层的现象，将微根据微粒被膜截留在表面层或膜深层的现象，将微滤分成：滤分成：表面过滤：表面过滤：微粒直径与膜孔径相近时，微滤过程中微粒直径与膜孔径相近时，微滤过程中微粒被截留在膜表面并堵塞膜孔。微粒被截留在膜表面并堵塞膜孔。深层过滤：深层过滤：微孔膜孔径大于被滤微粒的粒径时，在微孔膜孔径大于被滤微粒的粒径时，在微滤过程中，微粒能进入膜深层并被除去。微滤过程中，微粒能进入膜深

37、层并被除去。u根据微滤过程操作方式：根据微滤过程操作方式：终端过滤终端过滤错流过滤错流过滤67（A）终端过滤或死端过滤）终端过滤或死端过滤（Deal-end filtration or In-line filtration）终端过滤：终端过滤：待澄清的流体在压差推动力下透过膜，待澄清的流体在压差推动力下透过膜，而微粒被膜截留在膜表面并形成滤饼，随时间而增厚。而微粒被膜截留在膜表面并形成滤饼，随时间而增厚。68（B）错流过滤（）错流过滤（Cross-flow filtration）错流过滤：错流过滤：用泵将滤液打入具有多孔膜壁的管道或薄用泵将滤液打入具有多孔膜壁的管道或薄层道内，滤液沿膜表面的切

38、线方向流动，在压差推动层道内，滤液沿膜表面的切线方向流动，在压差推动下，使渗透液错流通过膜。下，使渗透液错流通过膜。69两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系终终端端过过滤滤错错流流过过滤滤70微滤应用微滤应用1)1)除去水除去水/溶液中的细菌和其它微粒；溶液中的细菌和其它微粒；2)2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；质等多种溶液中的菌体；3)3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。悬浊物、微生物和异味杂质。713.3.超超 滤滤

39、是以压力差为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。孔径为2-20nm，操作压0.1-1MPa。72UF的特点的特点属于属于压力差驱动压力差驱动 型膜过程；型膜过程；分离机理一般认为是分离机理一般认为是筛分筛分原理；原理；UFUF膜的形态为膜的形态为不对称结构不对称结构；过滤的方式一般为过滤的方式一般为错流过滤错流过滤；膜皮层厚度小于膜皮层厚度小于1m1m，操作压力较低；，操作压力较低；易于工业化，应用范围广易于工业化，应用范围广73 UF膜结构及截留方式膜结构及截留方式结构特征结构特征：一般为非对称膜，由一层极薄的（：一般为非对称膜，由一层极薄的（0.11m）具有一定孔

40、径的）具有一定孔径的表皮层表皮层和一层较厚和一层较厚的（的（125m左右）具有海绵状或指状结构的左右）具有海绵状或指状结构的多多孔层孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。组成，前者起分离作用，后者起支撑作用。UF过程中溶质的截留包括：在膜表面上的过程中溶质的截留包括：在膜表面上的机械机械截留截留（筛分）、在膜孔中的（筛分）、在膜孔中的停留停留（阻塞）、在（阻塞）、在膜表面及膜孔内的膜表面及膜孔内的吸附吸附等三种方式。等三种方式。74MFMF：多数是：多数是除杂除杂，产物是过滤液（渗透液）。，产物是过滤液（渗透液）。UFUF：着重：着重分离分离，产物既可以是渗透液，产物既可以是渗透液，也可以

41、是截留液。也可以是截留液。UF和和MF的功能区别的功能区别75超滤膜中存在的问题超滤膜中存在的问题 浓差极化浓差极化 在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或临近膜界面溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高。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，形在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成成边界层边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂通量下降。溶剂通量下降。当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质向膜面流动速

42、当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质向膜面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，度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为为浓差极化边界层浓差极化边界层，这一现象称为，这一现象称为浓差极化浓差极化。76 压力驱动膜过程中压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图各种传质阻力示意图通量随时间变化趋势通量随时间变化趋势通量随时间变化趋势通量随时间变化趋势77浓差极化的危害浓差极化的危害1.使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而从而减小减小传质驱动力

43、；传质驱动力；2.当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉淀层或凝胶层，膜表面形成沉淀层或凝胶层，增加增加透过阻力；透过阻力；3.当有机溶质在膜表面达到一定浓度时有可能对当有机溶质在膜表面达到一定浓度时有可能对膜发生溶胀或膜发生溶胀或恶化恶化膜的性能；膜的性能；概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降。通量下降。78克服浓差极化的方法错流过滤错流过滤提高进料流速，增加湍流提高进料流速，增加湍流提高温度提高温度提高膜面粒子的反向传递，降低膜表面的浓度提高膜面粒子的反向传递，降低膜表面的浓度79超滤

44、应用超滤应用u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/蛋白质纯化蛋白质纯化u中药生产中滤除分子量大的杂质中药生产中滤除分子量大的杂质80804 纳滤纳滤Z纳滤纳滤 (NF(NF，Nanofiltration)Nanofiltration)：介于反渗透和：介于反渗透和超滤之间超滤之间Z压力差压力差驱动膜分离过程驱动膜分离过程Z纳滤截留物相对分子量范围约为纳滤截留物相对分子量范围约为 2002001000 1000，能透过无机盐和水，能透过无机盐和水。81纳滤膜的特点u纳滤膜纳滤膜对一价离子的截留率低，对二价或高价离子截对一价离子的截留率低，对二价或高价离子截留率较高。留率较高。u

45、从结构上看纳滤膜大多是从结构上看纳滤膜大多是复合膜复合膜，即膜的表面分离层，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。解质构成。u多数纳滤膜为多数纳滤膜为荷电膜荷电膜，截留特性，截留特性膜孔尺寸膜孔尺寸&静电作静电作用用u去除直径去除直径1nm1nm左右的溶质粒子左右的溶质粒子，截留物相对分子量，截留物相对分子量200-200-10001000。821.1.溶解溶解-扩散模型扩散模型2.2.道南（道南（DonnanDonnan）效应）效应纳滤膜的分离机理纳滤膜的分离机理831分离分离非电解质溶液非电解质溶液时的传质模型

46、时的传质模型 溶溶 解解 扩扩 散散 模模 型型 溶溶 解解-扩扩 散散 模模 型型 是是 由由Lonsdale等人提出的，其过程可概括为等人提出的，其过程可概括为3步：步：溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解；溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解；溶溶质质和和溶溶剂剂之之间间没没有有相相互互作作用用，它它们们在在各各自自化化学学位位差差的的推推动动下下仅仅以以分分子子扩扩散散方方式式(不不存存在在溶溶质和溶剂的对流传递质和溶剂的对流传递)通过膜层；通过膜层；溶质和溶剂在膜的透过侧表面解吸。溶质和溶剂在膜的透过侧表面解吸。842分离分离电解质溶液电解质溶液时的传质模型时的传质模型 Donn

47、an平衡模型：平衡模型：将将荷荷电电基基团团的的膜膜置置于于含含盐盐溶溶剂剂中中时时，溶溶液液中中的的反反离离子子（所所带带电电荷荷与与膜膜内内固固定定电电荷荷相相反反的的离离子子）在在膜膜内内浓浓度度大大于于其其在在主主体体溶溶液液中中的的浓浓度度，而而同同名名离离子子在在膜膜内内的的浓浓度度则则低低于于其其在在主主体体溶溶液液中中的的浓浓度度。由由此此开开成成的的Donnan位位差差阻阻止止了了同同名名离离子子从从主主体体溶溶液液向向膜膜内内的的扩扩散散，为为了了保保持持电电中中性性，反离子也被膜截留。反离子也被膜截留。85（1 1）小分子量的有机物质的分离；）小分子量的有机物质的分离；（

48、2 2）有机物与小分子无机物的分离；）有机物与小分子无机物的分离；（3 3）溶液中一价盐类与二价或多价盐）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；类的分离；86纳滤的应用纳滤的应用86世博园直饮水确定由我国膜企业龙头世博园直饮水确定由我国膜企业龙头立昇立昇提供提供超滤膜超滤膜和百个饮水台和百个饮水台 世博组委会与技术提供方签署了合作协议。世博园将世博组委会与技术提供方签署了合作协议。世博园将设立设立100个直饮台，直饮台设计方案也已确定，所有个直饮台，直饮台设计方案也已确定，所有园区直饮台于园区直饮台于3月安装到位。月安装到位。世博园直饮水将采用世界领先的世博园直饮水将采用世界领先的“活性炭活性

49、炭PVC合金合金超滤膜紫外线超滤膜紫外线”处理工艺，超滤膜和直饮台均由处理工艺，超滤膜和直饮台均由国国内著名膜企内著名膜企立昇企业立昇企业提供。该技术细菌去除率达提供。该技术细菌去除率达到到99.9999%，病毒去除率达到，病毒去除率达到99.99%，水资源利用，水资源利用率达率达99%，水质卫生标准优于欧盟标准。，水质卫生标准优于欧盟标准。世博会期间，各国观众将高达世博会期间，各国观众将高达7000万，解决园区直饮万，解决园区直饮水问题，可以方便观众饮水，也可减少瓶装水供应量，水问题，可以方便观众饮水，也可减少瓶装水供应量，与与“低碳世博低碳世博”的理念相符。的理念相符。87n n立昇饮水台

50、立昇饮水台 据了解，世博园据了解，世博园A A、B B、C C、D D四个区域，将设立四个区域，将设立100100个个直饮水台，每相隔直饮水台，每相隔100100米设置一个直饮台，每个直饮米设置一个直饮台，每个直饮台有台有8 81212个不等出水口，可保证个不等出水口，可保证10001000多观众同时饮多观众同时饮水，每天可为水，每天可为4545万人提供优质直饮水。万人提供优质直饮水。885 5 反渗透反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）的性质，以利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实膜两侧静压差为推动力，克服