化工單元操作任務(wù)五 膜分離技術(shù)

1、任務(wù)五 膜分離技術(shù)任課教師：蘇小莉任務(wù)五 膜分離技術(shù) 膜分離的原理 膜和膜組件 膜分離技術(shù)膜分離是借助于膜，在某種推動力的作用下，利用流體中各組分對膜的滲透速率的差別而實現(xiàn)組分分離的過程。（一）膜分離原理 將含有A、B兩種組分的原料液置于膜的一側(cè)，然后對該側(cè)施加某種作用力，若A、B兩種組分的分子大小、形狀或化學結(jié)構(gòu)不同，其中A組分可以透過膜進入到膜的另一側(cè)，而B組分被膜截留于原料液中，則A、B兩種組分即可分離開來。 一、膜分離的原理膜分離原理 1.1.膜的分類膜的分類 1)1)按膜的孔徑大小分按膜的孔徑大小分 微濾膜微濾膜0.0250.02510m10m；超濾膜超濾膜0.0010.0010.0

2、2m0.02m；反滲透膜；反滲透膜0.00010.00010.001m0.001m；納濾膜，平均直接；納濾膜，平均直接2nm2nm。 2)2)按膜結(jié)構(gòu)分按膜結(jié)構(gòu)分 對稱性膜、對稱膜、復合膜對稱性膜、對稱膜、復合膜 3)3)按材料分按材料分 合成聚合物膜、無機材料膜等合成聚合物膜、無機材料膜等 4)4)按來源和形態(tài)分類分按來源和形態(tài)分類分二、膜和膜組件二、膜和膜組件膜膜合成膜合成膜生物膜生物膜液膜液膜帶支撐層的液膜帶支撐層的液膜乳狀液膜乳狀液膜固膜固膜不對稱膜不對稱膜不對稱膜不對稱膜多孔膜多孔膜無孔膜無孔膜無機膜無機膜有機膜有機膜對稱膜對稱膜多孔膜多孔膜不對稱膜不對稱膜對稱膜對稱膜荷電膜荷電膜不

3、荷電膜不荷電膜復合膜復合膜轉(zhuǎn)相膜轉(zhuǎn)相膜復合膜復合膜轉(zhuǎn)相膜轉(zhuǎn)相膜(原生質(zhì)、細胞膜原生質(zhì)、細胞膜)分類依據(jù)分類依據(jù) 分類分類來源來源天然膜、合成膜天然膜、合成膜狀態(tài)狀態(tài)固體膜、液膜、氣膜固體膜、液膜、氣膜材料材料有機膜、無機膜有機膜、無機膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對稱膜（微孔膜、均質(zhì)膜）、非對稱膜、復合膜對稱膜（微孔膜、均質(zhì)膜）、非對稱膜、復合膜電性電性非荷電膜、荷電膜非荷電膜、荷電膜形狀形狀平板膜、管式膜、中空纖維膜平板膜、管式膜、中空纖維膜制備方法制備方法 燒結(jié)膜、延展膜、徑跡刻蝕膜、相轉(zhuǎn)換膜、動力燒結(jié)膜、延展膜、徑跡刻蝕膜、相轉(zhuǎn)換膜、動力形成墨形成墨分離體系分離體系 氣氣- -氣、氣氣、氣- -液、氣液、氣

4、- -固、液固、液- -液、液液、液- -固分離膜固分離膜分離機理分離機理 吸附性膜、擴散性膜、離子交換膜、選擇性膜、吸附性膜、擴散性膜、離子交換膜、選擇性膜、非選擇性膜非選擇性膜分離過程分離過程 反滲透膜、滲透膜、氣體分離膜、電滲析膜、滲反滲透膜、滲透膜、氣體分離膜、電滲析膜、滲析膜、滲透蒸發(fā)膜析膜、滲透蒸發(fā)膜膜的分類膜的分類 2. 膜材料的性能膜材料的性能 耐壓耐壓 耐溫耐溫 耐酸堿性耐酸堿性 化學相容性化學相容性 生物相容性生物相容性 低成本低成本3.3.膜組件膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物由膜、固定膜的支撐體、間隔物(spacer)(spacer)以及收納這些部件的容器構(gòu)以及收納這

5、些部件的容器構(gòu)成的一個單元成的一個單元(unit)(unit)稱為膜組件稱為膜組件(membrane module)(membrane module)或膜裝置或膜裝置。膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的形式而異，目前市售商的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的形式而異，目前市售商品品膜組件主要有平板式、管式、螺旋卷膜組件主要有平板式、管式、螺旋卷式和中空纖維式和中空纖維( (毛細管毛細管) )式等四種式等四種。 （1 1）平板膜組件）平板膜組件 平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機相似，平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機相似，由多枚圓形或長方形平板膜以由多枚圓形或長方形平板膜以1mm1mm左有的間左有的間隔重疊加工而成，膜間

6、襯設(shè)多孔薄膜，供料隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾波流動液或濾波流動( (圖圖b)b)。平板膜組件比管式膜。平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。在實驗室中，經(jīng)常使組件比表面積大得多。在實驗室中，經(jīng)常使用將一張平板膜固定在容器底部的攪拌槽式用將一張平板膜固定在容器底部的攪拌槽式過濾器。過濾器。 （2 2）管式膜組件）管式膜組件 管式膜組件是將膜固定在內(nèi)徑管式膜組件是將膜固定在內(nèi)徑101025mm25mm，長約，長約3m3m的圓管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，的圓管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，l0l02020根管根管式膜并聯(lián)式膜并聯(lián)( (圖圖8.10a)8.10a)，或用管線串聯(lián)，收納在，或用管線

7、串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。管式膜組件的筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡單，適合于處理懸浮物含量內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積但是管式膜組件單位體積的過濾表面積( (即比即比表面積表面積) )在各種膜組件中最小。在各種膜組件中最小。 （3 3）螺旋卷式膜組件）螺旋卷式膜組件 螺旋卷式膜組件如圖螺旋卷式膜組件如圖c c所示。將兩張平板膜固定所示。將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上在多孔性濾液隔網(wǎng)上( (隔網(wǎng)為濾液流路隔網(wǎng)為濾液流路)

8、)，兩端，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)( (為為料液流路料液流路) )，卷繞在空心管上，空心管用于濾液，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。的回收。 螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度較高的料格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度較高的料液時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。液時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。（4 4）中空纖維）中空纖維( (毛細管毛細管) )式膜組件式膜組件中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成空纖維膜固定在

9、圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成( (圖圖8.10d)8.10d)。嚴格地講，內(nèi)徑為嚴格地講，內(nèi)徑為404080m80m的膜稱中空纖維膜，的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為而內(nèi)徑為0.250.252.5mm2.5mm的膜稱毛細管膜。由于兩的膜稱毛細管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。中空纖維超濾膜組件中空纖維超濾膜組件膜斷面圖膜斷面圖 外壓式膜組件結(jié)構(gòu)外壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)型型 式式優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點管式管式易清洗，無死角適于處理易清洗，無死角適于處理含固體較多的料液，單根含固體較多

10、的料液，單根管子可以調(diào)換管子可以調(diào)換保留體積大，單位保留體積大，單位體積中所含過濾面體積中所含過濾面積較小，壓降大積較小，壓降大中空纖維式中空纖維式 保留體積小，單位體積中保留體積小，單位體積中所含過濾面積較大，可以所含過濾面積較大，可以逆洗，操作壓力較低，動逆洗，操作壓力較低，動力消耗較低力消耗較低料液需預(yù)處理，單料液需預(yù)處理，單根纖維損壞時，需根纖維損壞時，需調(diào)換整個膜件調(diào)換整個膜件螺旋卷式螺旋卷式單位體積中所含過濾面積單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易大，換新膜容易料液需預(yù)處理，壓料液需預(yù)處理，壓降大，溶液污染降大，溶液污染平板式平板式保留體積小，能耗介于管保留體積小，能耗介于管式和螺

11、旋卷式之間式和螺旋卷式之間死體積較大死體積較大各種膜組件的優(yōu)缺點各種膜組件的優(yōu)缺點三、膜分離技術(shù)三、膜分離技術(shù) 微濾微濾 超濾超濾 透析透析 電滲析電滲析 反滲透反滲透（一）微（一）微 濾濾 微濾的基本概念和分離范圍微濾的基本概念和分離范圍 微濾又稱微孔過濾，是以靜壓力差為推動力，微濾又稱微孔過濾，是以靜壓力差為推動力，利用膜的利用膜的“篩分篩分”作用進行分離的膜分離過程。作用進行分離的膜分離過程。微孔過濾膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截微孔過濾膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截流高分子溶質(zhì)或固體微粒。在靜壓差的作用下，流高分子溶質(zhì)或固體微粒。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，粒徑大于膜

12、孔徑的小于膜孔的粒子通過濾膜，粒徑大于膜孔徑的粒子則被阻攔在濾膜面上，使粒子大小不同的粒子則被阻攔在濾膜面上，使粒子大小不同的組分得以分離。組分得以分離。 1. 微濾的分離機理微濾的分離機理 一般認為，一般認為，MF的分離機理為篩分機理，的分離機理為篩分機理，膜的膜的物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)起決定作用。此外，吸附起決定作用。此外，吸附和電性能等因素對截留也有影響。和電性能等因素對截留也有影響。 通過電鏡觀察認為，微孔濾膜截留作用通過電鏡觀察認為，微孔濾膜截留作用大體可分為兩大類：大體可分為兩大類： 1) 表面層截留表面層截留 2) 膜內(nèi)部截留膜內(nèi)部截留 1) 1) 表面層截留表面層截留 (1)(1)機

13、械截留作用機械截留作用 (2)(2)物理作用或吸附截留作用物理作用或吸附截留作用 (3)(3)架橋作用架橋作用 2) 2) 膜內(nèi)部截留膜內(nèi)部截留 是指將微粒截留在膜內(nèi)部而不是在膜的表面，是指將微粒截留在膜內(nèi)部而不是在膜的表面，對于表面層截留而言，其過程接近于決定過濾，對于表面層截留而言，其過程接近于決定過濾，容易清洗，但雜質(zhì)捕捉量相當于內(nèi)部截留較少，容易清洗，但雜質(zhì)捕捉量相當于內(nèi)部截留較少，而對于膜內(nèi)部截留而言，雜質(zhì)捕捉量較多，但而對于膜內(nèi)部截留而言，雜質(zhì)捕捉量較多，但不容易清洗，多屬于一次性使用。不容易清洗，多屬于一次性使用。 2. 2. 微濾的操作模式微濾的操作模式 1) 1) 常規(guī)過濾常

14、規(guī)過濾( (靜態(tài)過濾或死端過濾靜態(tài)過濾或死端過濾) ) 原料液置于膜的上游，在壓差推動下，溶原料液置于膜的上游，在壓差推動下，溶劑和小于膜孔的顆粒透過膜，大于膜孔的劑和小于膜孔的顆粒透過膜，大于膜孔的顆粒則被膜截留，該壓差可通過上游加壓顆粒則被膜截留，該壓差可通過上游加壓或下游側(cè)抽真空產(chǎn)生。在操作中，或下游側(cè)抽真空產(chǎn)生。在操作中，隨時間隨時間的增長的增長，被截留顆粒會在膜表面形成污染，被截留顆粒會在膜表面形成污染層，使層，使過濾阻力增加過濾阻力增加，隨著過濾過程的進，隨著過濾過程的進行，污染層將不斷增厚和壓實。行，污染層將不斷增厚和壓實。常規(guī)過濾常規(guī)過濾(靜態(tài)過濾靜態(tài)過濾) 2) 2) 錯流過

15、濾錯流過濾( (動態(tài)過濾動態(tài)過濾) ) 原料液以原料液以切線方向切線方向流過膜表面。溶劑和小流過膜表面。溶劑和小于膜孔的顆粒，在壓力作用下透過膜，大于膜孔的顆粒，在壓力作用下透過膜，大于膜孔的顆粒則被膜截留而停留在膜表面于膜孔的顆粒則被膜截留而停留在膜表面形成一層污染層。與常規(guī)過濾不同的是，形成一層污染層。與常規(guī)過濾不同的是，料液流經(jīng)膜表面產(chǎn)生的高剪切力可使沉積料液流經(jīng)膜表面產(chǎn)生的高剪切力可使沉積在膜表面的顆粒擴散返回主體流在膜表面的顆粒擴散返回主體流，從而被，從而被帶出微濾組件，使污染層不能無限增厚。帶出微濾組件，使污染層不能無限增厚。錯流過濾操作中，料液的流動方向與膜面平行，錯流過濾操作中

16、，料液的流動方向與膜面平行，流動的剪切作用可大大減輕濃度極化現(xiàn)象或凝流動的剪切作用可大大減輕濃度極化現(xiàn)象或凝膠層厚度，使透過通量維持在較高水平膠層厚度，使透過通量維持在較高水平錯流過濾示意圖錯流過濾示意圖錯流過濾錯流過濾(動態(tài)過濾動態(tài)過濾) 3 3 微濾分離方法的選擇微濾分離方法的選擇 起決定作用的因素是要分離的懸浮物質(zhì)起決定作用的因素是要分離的懸浮物質(zhì)的尺寸大小，另外還包括懸浮物的物理特性的尺寸大小，另外還包括懸浮物的物理特性和濃度、所要求的分離率、產(chǎn)品產(chǎn)率和需要和濃度、所要求的分離率、產(chǎn)品產(chǎn)率和需要保持殺菌的條件等保持殺菌的條件等 4 4 微濾的應(yīng)用微濾的應(yīng)用 1.1.實驗室中的應(yīng)用實驗室

17、中的應(yīng)用 (1)(1)微粒子的檢測微粒子的檢測 (2)(2)微生物的檢測微生物的檢測 2.2.工業(yè)上的應(yīng)用工業(yè)上的應(yīng)用 (1)(1)制藥工業(yè)制藥工業(yè) (2)(2)生物領(lǐng)域生物領(lǐng)域 （二）超（二）超 濾濾 超濾首次出現(xiàn)在超濾首次出現(xiàn)在1919世紀末，世紀末，18611861年，年，SchmidtSchmidt用牛用牛心包膜截留阿拉伯膠被認為是世界上第一次心包膜截留阿拉伯膠被認為是世界上第一次UFUF實實驗，驗，19631963年年MichaelsMichaels開發(fā)成功了第一張不對稱超開發(fā)成功了第一張不對稱超濾膜。膜的截留相對分子質(zhì)量為濾膜。膜的截留相對分子質(zhì)量為10103 310106 6，膜

18、組件，膜組件的類型有管式、平板式、中空纖維式、毛細管式的類型有管式、平板式、中空纖維式、毛細管式及螺旋卷式。及螺旋卷式。2020世紀世紀8080年代開發(fā)成功了以陶瓷膜年代開發(fā)成功了以陶瓷膜為代表的無機膜。為代表的無機膜。 1 1 超濾的基本概念和分離范圍超濾的基本概念和分離范圍 超濾是一種在靜壓差為推動力的作用下，原料超濾是一種在靜壓差為推動力的作用下，原料液中大于膜孔的大粒子溶質(zhì)被膜截留，小于膜液中大于膜孔的大粒子溶質(zhì)被膜截留，小于膜孔的小溶質(zhì)粒子通過通過濾膜，從而實現(xiàn)分離孔的小溶質(zhì)粒子通過通過濾膜，從而實現(xiàn)分離的過程，其的過程，其分離機理一般認為是機械篩分原理分離機理一般認為是機械篩分原理

19、 超濾主要用于料液澄清、溶質(zhì)的截留濃縮及溶超濾主要用于料液澄清、溶質(zhì)的截留濃縮及溶質(zhì)之間的分離。其質(zhì)之間的分離。其分離范圍分離范圍為相對分子質(zhì)量為相對分子質(zhì)量5005001 110106 6的大分子物質(zhì)和膠體物質(zhì)，相對的大分子物質(zhì)和膠體物質(zhì)，相對應(yīng)粒子的直徑為應(yīng)粒子的直徑為0.0050.0050.1m0.1m。操作壓力操作壓力一般一般為為0.10.10.5MPa0.5MPa。2 2超濾原理超濾原理超濾過程的推動力是膜兩側(cè)的壓力差。當液體在壓力差的推動力下流過膜表面時，溶液叫直徑比膜孔小的分子將透過膜進入低壓側(cè)，而直徑比座孔大的分子則被截留下來，透過膜的液體稱為透過液，剩余的液體稱為濃縮液。 在

20、超濾過程中，單位時間內(nèi)通過膜的溶液體積稱為膜通量。由于膜不僅本身具有阻力，而且在超濾過程中還會因濃度極化、形成凝膠層、受到污染等原因而產(chǎn)生新的阻力。因此，隨著超濾過程的進行，膜通量將逐漸下降。 超濾膜的孔徑為(15)108m，膜表面有效截留層的厚度較小，一般僅為(1100)107m，操作壓力差一般為0.10.5MPa，可分離分子量500以上的大分子和膠體微粒。常用的膜材料有醋酸纖維、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。超濾可有效出去水中的微粒、膠體、細菌、熱原質(zhì)和各種有機物，但幾乎不能截留無機離子。3 3超濾操作超濾操作在超濾過程中，料液的性質(zhì)和操作條件對膜通量均有一定的影響。為提高膜通量應(yīng)

21、采取適當?shù)拇胧M可能減少濃差極化和膜污染等所產(chǎn)生的阻力。（1）料液流速 提高料液流速，可有效減輕膜表面的濃差極化。但流速也不能太快，否則會產(chǎn)生過大的壓力降，并加速膜分離性能的衰退。（2）操作壓力 在一定的范圍內(nèi)，膜通量隨操作壓力的增加而增大，但當壓力增加至某一臨界值時，膜通量將趨于恒定。此時的膜通量稱為臨界膜通量。一般情況下，實際超濾操作可維持在臨界膜通量附近進行。（3）操作溫度 溫度越高，料液粘度越小，擴散系數(shù)則越大。在膜允許的溫度內(nèi)，可采用相對高的操作溫度，以提高膜通量。（4）進料濃度 隨著超濾過程的進行，料液主體的濃度逐漸增高，粘度和邊界層厚度亦相應(yīng)增大。因此對超濾過程中料液主體的濃度

22、應(yīng)加以限制。 濃差極化濃差極化在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受送到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化象稱為濃度極化或濃差極化 4 4 超濾膜與膜材料超濾膜與膜材料 (1)(1)醋酸纖維素醋酸纖維素 這是研究最早的超濾膜，這是研究最早的超濾膜，是利用纖維素及其衍生物分子線性不容易彎曲是利用纖維素及其衍生物分子線性不容易彎曲的特點，來制備反滲透和超濾膜。具

23、有親水性的特點，來制備反滲透和超濾膜。具有親水性好、通量大、工藝簡單、成本低、無毒、操作好、通量大、工藝簡單、成本低、無毒、操作范圍窄、適用的范圍窄、適用的pHpH范圍窄范圍窄(3(36)6)、容易被生物、容易被生物將解等特點。將解等特點。 (2)(2)聚砜類超濾膜聚砜類超濾膜 具有化學穩(wěn)定性優(yōu)異、具有化學穩(wěn)定性優(yōu)異、適用的適用的pHpH范圍寬范圍寬(1(113)13)、耐熱性好、耐酸堿、耐熱性好、耐酸堿性好、抗氧化性和抗氯性能好等特點。適于制性好、抗氧化性和抗氯性能好等特點。適于制作超濾膜、微濾膜和復合膜的多孔支撐膜。作超濾膜、微濾膜和復合膜的多孔支撐膜。 (3)(3)聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜

24、聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜(PAN)(PAN)是常用來是常用來制備超濾膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或制備超濾膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或甲基丙烯酸甲酯的方法來增加它的柔韌性和親甲基丙烯酸甲酯的方法來增加它的柔韌性和親水性。水性。 (4)(4)聚酰胺類超濾膜聚酰胺類超濾膜 具體包括聚砜酰胺超具體包括聚砜酰胺超濾膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超濾膜有濾膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超濾膜有耐高溫、耐酸堿、耐有機溶劑等特性。芳香酰耐高溫、耐酸堿、耐有機溶劑等特性。芳香酰胺膜具有高吸水性、良好的機械強度、好的熱胺膜具有高吸水性、良好的機械強度、好的熱穩(wěn)定性、不耐氯離子和容易被污染等特點。穩(wěn)定性、不耐氯

25、離子和容易被污染等特點。(5)(5)其他類聚合物膜其他類聚合物膜 具體包括聚偏氟乙烯超具體包括聚偏氟乙烯超濾膜和再生纖維素膜等。聚偏氟乙烯超濾膜可濾膜和再生纖維素膜等。聚偏氟乙烯超濾膜可高溫消毒、耐一般溶劑、耐游離氯等。高溫消毒、耐一般溶劑、耐游離氯等。 (6)(6)復合超濾膜復合超濾膜 分別用不同材料制成致密分別用不同材料制成致密層和多孔支撐層，從而使兩者達到最優(yōu)化。層和多孔支撐層，從而使兩者達到最優(yōu)化。 (7)(7)無機膜無機膜 通常具有非常好的化學穩(wěn)定性，通常具有非常好的化學穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，但使用有限。熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，但使用有限。 5 5 超濾分離系統(tǒng)超濾分離系統(tǒng) 1

26、.1.前處理前處理 降低供給水的混濁度降低供給水的混濁度 懸浮物和交替物質(zhì)的懸浮物和交替物質(zhì)的去除去除 可溶性有機物的去除可溶性有機物的去除 微生物微生物( (細菌、細菌、藻類等藻類等) )去除去除 調(diào)整進水水質(zhì)調(diào)整進水水質(zhì)( (供水溫度、供水溫度、pH)pH)。 2.2.超濾系統(tǒng)工藝流程超濾系統(tǒng)工藝流程 超濾系統(tǒng)工藝流程設(shè)計有多種多樣，按運行方超濾系統(tǒng)工藝流程設(shè)計有多種多樣，按運行方式分為循環(huán)式、連續(xù)式和部分循環(huán)連續(xù)式。按式分為循環(huán)式、連續(xù)式和部分循環(huán)連續(xù)式。按組件組合排列形式分為一級一段、一級多段和組件組合排列形式分為一級一段、一級多段和多級等。多級等。 （1 1）間歇操作）間歇操作 閉式

27、回路間歇操作 （2 2）連續(xù)式操作）連續(xù)式操作 多級連續(xù)式操作流程 6.6.超濾的應(yīng)用超濾的應(yīng)用 超濾的技術(shù)應(yīng)用可分為三種類型：濃縮；小分子溶質(zhì)的分離；大分子溶質(zhì)的分級。絕大部分的工業(yè)應(yīng)用屬于濃縮這個方面，也可以采用與大分子結(jié)合或復合的辦法分離小分子溶質(zhì)。在制藥工業(yè)中，超濾常用作反滲透、電滲析、離子交換等裝置的前處理設(shè)備。在制藥生產(chǎn)中經(jīng)常用于病毒及病毒蛋白的精制。 7 7 超濾膜污染的防治超濾膜污染的防治 膜的污染是指膜過濾的過程中，被處理物料膜的污染是指膜過濾的過程中，被處理物料中的顆粒、膠體離子或溶質(zhì)大分子與膜發(fā)生中的顆粒、膠體離子或溶質(zhì)大分子與膜發(fā)生物理化學或機械的相互作用，從而吸附、沉

28、物理化學或機械的相互作用，從而吸附、沉積在膜表面或膜孔內(nèi)，使膜孔徑變小或堵塞，積在膜表面或膜孔內(nèi)，使膜孔徑變小或堵塞，使膜的透過流量與分離特性發(fā)生不可逆的變使膜的透過流量與分離特性發(fā)生不可逆的變化。污染使膜的滲透通量和截留率降低，影化。污染使膜的滲透通量和截留率降低，影響分離過程。響分離過程。 1.1.選擇合適的膜材料選擇合適的膜材料 膜的親疏水性和荷電性會影響膜的污染程度膜的親疏水性和荷電性會影響膜的污染程度 用表面活性劑等小分子化合物預(yù)處理膜面，用表面活性劑等小分子化合物預(yù)處理膜面，使膜覆蓋一層保護膜；使膜覆蓋一層保護膜；增加膜的親水性，可增加膜的親水性，可在膜表面改性引入親水基團，也可用

29、復合膜手在膜表面改性引入親水基團，也可用復合膜手段復合一層親水性分離層。段復合一層親水性分離層。 2.2.膜孔徑或截留相對分子質(zhì)量的選擇膜孔徑或截留相對分子質(zhì)量的選擇 離子或溶質(zhì)尺寸與膜孔相近時容易堵塞膜孔離子或溶質(zhì)尺寸與膜孔相近時容易堵塞膜孔 3.3.膜結(jié)構(gòu)的選擇膜結(jié)構(gòu)的選擇 不對稱結(jié)構(gòu)膜較耐污染不對稱結(jié)構(gòu)膜較耐污染 4.4.組件結(jié)構(gòu)選擇組件結(jié)構(gòu)選擇 毛細管式荷薄層管道式組件可減少污染毛細管式荷薄層管道式組件可減少污染 5.5.溶液中鹽濃度的影響溶液中鹽濃度的影響 一是鹽會強烈的吸附到膜面上；二是無機鹽改一是鹽會強烈的吸附到膜面上；二是無機鹽改變?nèi)芤旱碾x子強度，影響溶質(zhì)的溶解度、分散變?nèi)芤旱?/p>

30、離子強度，影響溶質(zhì)的溶解度、分散性、構(gòu)型與懸浮狀態(tài)，使得形成的沉積層疏密性、構(gòu)型與懸浮狀態(tài)，使得形成的沉積層疏密程度改變。程度改變。 6.pH6.pH pHpH的改變不僅改變蛋白質(zhì)的帶電狀態(tài)，也改變的改變不僅改變蛋白質(zhì)的帶電狀態(tài)，也改變膜的性質(zhì)，從而影響吸附，是膜污染的主要控膜的性質(zhì)，從而影響吸附，是膜污染的主要控制因素。制因素。 7.7.溫度溫度 溫度上升，料液的粘度下降，有利于擴散，但溫度上升，料液的粘度下降，有利于擴散，但溫度上升會導致料液中某些組分的溶解度下降溫度上升會導致料液中某些組分的溶解度下降 大多數(shù)超濾的應(yīng)用溫度范圍大多數(shù)超濾的應(yīng)用溫度范圍30306060。 8.8.膜面粗糙度

31、膜面粗糙度 膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。 9.9.其他影響因素其他影響因素 一般地，溶液與膜一般地，溶液與膜接觸時間接觸時間越長，越容易產(chǎn)生越長，越容易產(chǎn)生污染；污染；壓力與流速壓力與流速越大，越不容易產(chǎn)生污染；越大，越不容易產(chǎn)生污染；溶液濃度溶液濃度越大，越容易造成膜的吸附污染。越大，越容易造成膜的吸附污染。（三）（三） 透析技術(shù)透析技術(shù) 根據(jù)篩分和吸附擴散的原理，利用膜兩側(cè)的濃根據(jù)篩分和吸附擴散的原理，利用膜兩側(cè)的濃度差使小分子溶質(zhì)通過膜進行交換，而大分子度差使小分子溶質(zhì)通過膜進行交換，而大分子被截流的膜分離過程。被截流的膜分離過程。 透析法在臨床上

32、常用于腎衰竭患者的血液透析。透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實驗室中應(yīng)用較多。而在實驗室中應(yīng)用較多。透析 透析是一個濃度平衡過程透析是一個濃度平衡過程, ,即能通過半透膜的即能通過半透膜的小分子由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴散小分子由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴散. . 用半透膜制成一個袋，用半透膜制成一個袋，往這個袋里注入淀粉往這個袋里注

33、入淀粉膠體膠體10mL10mL和食鹽溶液和食鹽溶液5mL5mL的混合液體，然后的混合液體，然后如右圖所示用線把半如右圖所示用線把半透膜袋透膜袋 的上口縛好，的上口縛好，系在玻璃棒上，并把系在玻璃棒上，并把它懸掛在盛有蒸餾水它懸掛在盛有蒸餾水的燒杯里。的燒杯里。如圖所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)如圖所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液子溶質(zhì)的溶液( (左側(cè)左側(cè)) )與純水或緩沖液與純水或緩沖液( (右側(cè)右側(cè)) )分隔，分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，

34、在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)( (例如無機鹽例如無機鹽) )透透向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。圖圖透析原理透析原理透析原理透析原理 圖所示的透析操作中，通常將右側(cè)純水或緩沖圖所示的透析操作中，通常將右側(cè)純水或緩沖液稱為透析液，所用親水膜稱為透析膜。透析液稱為透析液，所用親水膜稱為透析膜。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴散的形過程中透析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴散的形式移動，摩爾透過通量式移動，摩爾透過通量N為為其中，其中， K0為包括膜內(nèi)擴散和膜兩側(cè)表面液膜傳為包括膜內(nèi)擴散和膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力

35、在內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)，質(zhì)阻力在內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)， c1和和c2分別為膜兩分別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度。側(cè)的溶質(zhì)濃度。N=K0(c1c2) 透析原理透析原理透析膜一般為孔徑透析膜一般為孔徑5 510nm10nm的親水膜，例的親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。如纖維素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。生化實驗室中生化實驗室中一般使用一般使用580mm的透析袋的透析袋，將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透析將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一定時間后即可完成透析，必要時液中，一定時間后即可完成透析，必要時需更換透析液。處理量較大時，為提高透需更換透析液。處理量較大時，為提高透析速度，常使用比表面積較

36、大的析速度，常使用比表面積較大的中空纖維中空纖維膜組件。膜組件。從樣品中脫鹽和置換存在于滲透液中的從樣品中脫鹽和置換存在于滲透液中的緩沖液，由于在樣品中鹽和有機溶劑的緩沖液，由于在樣品中鹽和有機溶劑的濃度高，透析的結(jié)果導致水向透析袋內(nèi)濃度高，透析的結(jié)果導致水向透析袋內(nèi)遷移，體積增加，所以透析在除去多余遷移，體積增加，所以透析在除去多余的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進了的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進了一個新的緩沖溶液。一個新的緩沖溶液。注意事項：注意事項： 裝袋前要對袋查漏，以防樣品流失。裝袋前要對袋查漏，以防樣品流失。 密封時透析袋內(nèi)樣品表面應(yīng)留有一定的空間，密封時透析袋內(nèi)樣品表面應(yīng)留有一定

37、的空間，并排除空氣，保證樣品在袋內(nèi)能適當流動。并排除空氣，保證樣品在袋內(nèi)能適當流動。 袋要扎緊以防流失。袋要扎緊以防流失。 熱敏性物質(zhì)應(yīng)置熱敏性物質(zhì)應(yīng)置4冰箱透析以防變性。冰箱透析以防變性。 應(yīng)經(jīng)常更換透析液應(yīng)經(jīng)常更換透析液(4h)，并不斷攪拌。，并不斷攪拌。 透析時間不能過長，以免樣品漏掉，一般透析時間不能過長，以免樣品漏掉，一般24h以以后即可檢查透析效果。后即可檢查透析效果。 要用相應(yīng)的方法檢查透析是否完全，如要用相應(yīng)的方法檢查透析是否完全，如AgNO3查查Cl-，BaCl2查查SO42-等。等。（四）（四）電滲析電滲析1電滲析原理 電滲析是一種專門用來處理溶液中的離子或帶電粒子的膜分離

38、技術(shù)，其原理是在外加直流電場的作用下，以電位差為推動力，使溶液中的離子作定向遷移，并利用離子交換膜的選擇透過性，使帶電離子從水溶液中分離出來。電滲析所用的離子交換膜可分為陽離子交換膜(簡稱陽膜)和陰離子交換膜(簡稱陰膜)，其中陽膜只允許水中的陽離子通過而阻擋陰離子，陰膜只允許水中的陰離子通過而阻擋陽離子。 電滲析原理2電滲析操作（1）在電滲析過程中，不僅存在反離子(與膜的電荷符號相反的離子)的遷移過程，而且還伴隨著同名離子遷移、水的滲透和分解等次要過程，這些次要過程對反離子遷移也有一定的影響。同名離子遷移 水的滲透 水的分解 （2）在實際操作中，可采取以下措施來減少濃差極化等因素對電滲析過程的

39、影響。盡可能提高液體流速，以強化溶液主體與膜表面之間的傳質(zhì)，這是減少濃差極化效應(yīng)的重要措施。膜的尺寸不宜過大，以使溶液在整個膜表面上能夠均勻流動。一般來說，膜的尺寸越大，就越難達到均勻的流動。采取較小的膜間距，以減小電阻。采用清洗沉淀或互換電極等措施，以消除離子交換膜上的沉淀。適當提高操作溫度，以提高擴散系數(shù)。嚴格控制操作電流，使其低于極限電流密度。3電滲析的流程 （1）電滲析器的構(gòu)成： 膜堆、極區(qū)和夾緊裝置（2）電滲析器的組裝方式 4電滲析在工業(yè)中的應(yīng)用電滲析技術(shù)目前已是一種相當成熟的膜分離技術(shù)，主要用途用是苦咸水淡化、生產(chǎn)飲用水、濃縮海水制鹽、從體系中脫除電解質(zhì)，還可用于重金屬污水處理，食

40、品工業(yè)牛乳的脫鹽、果汁的去酸及食品添加劑的制備以及制取維生素C等。 （五）（五） 反滲透反滲透 1 1 反滲透的基本概念和分離范圍反滲透的基本概念和分離范圍 反滲透反滲透是以膜兩側(cè)靜壓差為推動力是以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克，克服溶劑的滲透壓，通過反滲透膜的選擇服溶劑的滲透壓，通過反滲透膜的選擇透過性使溶劑透過性使溶劑( (通常是水通常是水) )透過而離子物透過而離子物質(zhì)被截留，從而實現(xiàn)對液體混合物進行質(zhì)被截留，從而實現(xiàn)對液體混合物進行分離的膜過程。反滲透同分離的膜過程。反滲透同NFNF、UFUF、MFMF、DSDS一樣，均一樣，均屬于壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)屬于壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)，其操作壓差一般

41、為其操作壓差一般為1.01.010.0MPa10.0MPa，截留，截留組分為組分為1 110m10m小分子溶質(zhì)。小分子溶質(zhì)。 2 2 反滲透的基本原理反滲透的基本原理 1.1.滲透滲透 用一張只透過溶劑而不透過溶質(zhì)的理想用一張只透過溶劑而不透過溶質(zhì)的理想半透膜把水和鹽水隔開，則出現(xiàn)水分子半透膜把水和鹽水隔開，則出現(xiàn)水分子由純水一側(cè)通過半透膜向鹽水一側(cè)擴散由純水一側(cè)通過半透膜向鹽水一側(cè)擴散的現(xiàn)象，這就是滲透現(xiàn)象。隨著滲透的的現(xiàn)象，這就是滲透現(xiàn)象。隨著滲透的進行，鹽水側(cè)的液面不斷升高，純水側(cè)進行，鹽水側(cè)的液面不斷升高，純水側(cè)的液面相應(yīng)的下降。的液面相應(yīng)的下降。 2.2.反滲透反滲透 3.3.滲透壓

42、滲透壓 2.2.反滲透反滲透 當體系處在滲透平衡狀態(tài)時，如果外界增加鹽當體系處在滲透平衡狀態(tài)時，如果外界增加鹽水側(cè)的壓力，則鹽水相中的化學勢增大，破壞水側(cè)的壓力，則鹽水相中的化學勢增大，破壞了已經(jīng)形成的滲透平衡，出現(xiàn)水分子從鹽水側(cè)了已經(jīng)形成的滲透平衡，出現(xiàn)水分子從鹽水側(cè)通過半透膜向純水側(cè)擴散滲透的現(xiàn)象。這時水通過半透膜向純水側(cè)擴散滲透的現(xiàn)象。這時水的擴散方向恰恰與滲透現(xiàn)象相反，稱為反滲透的擴散方向恰恰與滲透現(xiàn)象相反，稱為反滲透 3.3.滲透壓滲透壓 對滲透體系的要求，不但要有高的選擇性和高對滲透體系的要求，不但要有高的選擇性和高透過率，還必須使操作壓力高于溶液的滲透壓透過率，還必須使操作壓力高于溶液的滲透壓反滲透過程就是在壓力的推動下，借助于半透膜反滲透過程就是在壓力的推動下，借助于半透膜的截留作用，將溶液中的溶劑與溶質(zhì)分離開來。的截留作用，將溶液中的溶劑與溶質(zhì)分離開來。顯然，反滲透過程也屬于壓力推動過程。顯然，反滲透過程也屬于壓力推動過程。我國工我國工業(yè)上用的反滲透膜多為致密膜、非對稱膜