第五講-膜材料和膜分離PPT課件

1、第五講 膜材料和膜分離 目錄第一節(jié) 膜的分類第二節(jié) 膜分離技術(shù)第三節(jié) 膜組件第四節(jié) 膜過濾的基本概念和理論第五節(jié) 膜的污染1. 膜的概念膜的概念在一種流體相間有一層薄的凝聚相物質(zhì)，把流體在一種流體相間有一層薄的凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜膜。膜本身是膜本身是均一的一相均一的一相或由或由兩相以上兩相以上凝聚物構(gòu)成的凝聚物構(gòu)成的復(fù)合體復(fù)合體被膜分開的流體相物質(zhì)是被膜分開的流體相物質(zhì)是液體液體或或氣體氣體膜的厚度應(yīng)在膜的厚度應(yīng)在0.5mm以下，否則不能稱其為膜以下，否則不能稱其為膜第一節(jié)第一節(jié) 膜的分類膜的分類天然膜（生命膜）天然膜

2、（生命膜）：是天然物質(zhì)改性或再生而：是天然物質(zhì)改性或再生而成的膜，如膀胱膜。成的膜，如膀胱膜。人工膜人工膜：按材料的性質(zhì)不同，又可分為：按材料的性質(zhì)不同，又可分為無機(jī)膜無機(jī)膜和有機(jī)膜（高聚物膜）和有機(jī)膜（高聚物膜）。高聚物膜通常是用纖。高聚物膜通常是用纖維素類、聚砜類、聚酰胺類、聚酯類、含氟高維素類、聚砜類、聚酰胺類、聚酯類、含氟高聚物等材料制成。無機(jī)分離膜包括陶瓷膜、玻聚物等材料制成。無機(jī)分離膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等。璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等。2. 膜的分類膜的分類多孔膜：又稱微孔膜多孔膜：又稱微孔膜，具有多孔性結(jié)構(gòu)。膜內(nèi)，具有多孔性結(jié)構(gòu)。膜內(nèi)的孔形成通道，孔道是傾斜或彎

3、曲的，從而形的孔形成通道，孔道是傾斜或彎曲的，從而形成類似于濾布的過濾介質(zhì)。常見孔徑在成類似于濾布的過濾介質(zhì)。常見孔徑在0.0520m。工業(yè)上多用作微濾膜或用作復(fù)合。工業(yè)上多用作微濾膜或用作復(fù)合膜的支撐層。膜的支撐層。致密膜致密膜：為一層均勻的薄膜，無多孔性結(jié)構(gòu)。：為一層均勻的薄膜，無多孔性結(jié)構(gòu)。透過速率一般較低。目前均質(zhì)膜多用于氣體分透過速率一般較低。目前均質(zhì)膜多用于氣體分離、滲透汽化、電滲析等。離子交換膜和液膜離、滲透汽化、電滲析等。離子交換膜和液膜也屬于致密膜。也屬于致密膜。均質(zhì)膜非對稱性膜高分子分離膜材料纖維素衍生物類聚砜類聚酰胺類聚酰亞胺類聚酯類聚烯烴類乙烯類聚合物含硅聚合物含氟聚合

4、物甲殼素類無機(jī)膜致密膜多孔膜致密的金屬膜致密的固體電解質(zhì)膜致密的”液體充實固體化“動態(tài)原位形成的致密膜Pd膜及Pd合金膜Ag膜及Ag合金膜氧化鋯膜復(fù)合固體氧化膜多孔負(fù)載膜多孔金屬膜，多孔不銹鋼膜多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜（多孔玻璃膜分子篩膜，包括碳分子篩）具體分類膜材料種類種類具體分類纖維素衍生物類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維素，三醋酸纖維素，乙基纖維素，其他纖維素衍生物聚砜類雙酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺類脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交聯(lián)芳香聚酰胺聚酰亞胺類脂肪族二酸聚酰亞

5、胺，全芳香聚酰亞胺，含氟聚酰亞胺聚酯類滌綸，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烴類聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯乙烯類聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲殼素類無2.1 天然高分子材料天然高分子材料主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維素等。其中醋酸纖維膜的截鹽能維和再生纖維素等。其中醋酸纖維膜的截鹽能力強(qiáng)，常用作反滲透膜、也可用作微濾膜和超力強(qiáng)，常用作反滲透膜、也可用作微濾膜和超濾膜。濾膜。醋酸纖維膜使用最高溫度和醋酸纖維膜使用最高溫度和pHpH范圍

6、有限，一般范圍有限，一般使用溫度低于使用溫度低于45455050，pH 3pH 38 8。再生纖維。再生纖維素可制造透析膜和微濾膜。素可制造透析膜和微濾膜。2.2 合成高分子材料合成高分子材料 主要有聚酰胺類、聚酰亞胺類、聚砜類、聚乙烯酸類、丙烯類衍生物聚合物及纖維素類等，有關(guān)的共聚物和共混物也可作為膜材料用。各種高分子分離膜已廣泛用于核燃料及金屬提煉，氣體及烴類分離，海水及苦咸水淡化，純水及超純水制備，環(huán)境保護(hù)和污水處理，人工臟器的制造，生物制品提純以及醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、化工等各個領(lǐng)域中。類 別膜材料舉 例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚

7、醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等 其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超濾膜。于制造超濾膜。聚砜膜聚砜膜的特點是耐高溫的特點是耐高溫( (一般為一般為70708080，有，有些可高達(dá)些可高達(dá)125125度度) )，適用，適用pHpH范圍廣范圍廣(pH1(pH113)13)，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)孔徑范圍寬耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)孔徑范圍寬(1(120nm)20nm)。但聚砜膜耐壓能力較低，一般平板膜

8、的操作力但聚砜膜耐壓能力較低，一般平板膜的操作力極限為極限為0.50.51.0MPa1.0MPa。聚酰胺膜聚酰胺膜的耐壓能力較高，對溫度和的耐壓能力較高，對溫度和pHpH都有很都有很好的穩(wěn)定性，使用壽命較長，常用于反滲透。好的穩(wěn)定性，使用壽命較長，常用于反滲透。2.3 無機(jī)材料無機(jī)材料主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實用化的無機(jī)膜主要有孔徑前實用化的無機(jī)膜主要有孔徑0.1m0.1m以上的微以上的微濾膜和截留相對分子質(zhì)量濾膜和截留相對分子質(zhì)量l0kDl0kD以上的超濾膜，以上的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最為常用。其中以陶瓷材料的微濾膜最為常用

9、。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向不對稱。鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向不對稱。無無機(jī)膜的特點機(jī)膜的特點是機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫、耐化學(xué)試是機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫、耐化學(xué)試劑和耐有機(jī)溶劑，但缺點是不易加工，造價較劑和耐有機(jī)溶劑，但缺點是不易加工，造價較高。高。 另一類另一類無機(jī)微濾膜為動態(tài)膜無機(jī)微濾膜為動態(tài)膜(dynamic (dynamic membrane)membrane)，是將含水金屬氧化物，是將含水金屬氧化物( (如氧化鋯如氧化鋯) )等膠體微?；蚓郾┧岬瘸练e在陶瓷管等多孔等膠體微粒或聚丙烯酸等沉積在陶瓷管等多孔

10、介質(zhì)表面形成的膜，其中沉積層起篩分作用。介質(zhì)表面形成的膜，其中沉積層起篩分作用。動態(tài)膜的特點動態(tài)膜的特點是透過通量大，通過改變是透過通量大，通過改變pH值值容易形成或除去沉積層，因此清洗比較容易，容易形成或除去沉積層，因此清洗比較容易，但缺點是穩(wěn)定性較差。但缺點是穩(wěn)定性較差。第二節(jié) 膜分離技術(shù)概念：概念：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選利用膜的選擇性（孔徑大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能量差擇性（孔徑大小），以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，作為推動力，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。 膜分離技術(shù)已被國際上公認(rèn)為膜分離技術(shù)已被國際上公認(rèn)為20世紀(jì)末至世紀(jì)末至21世紀(jì)

11、中期最有世紀(jì)中期最有發(fā)展前途、甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革命的重大生產(chǎn)技術(shù)，所以發(fā)展前途、甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革命的重大生產(chǎn)技術(shù)，所以可稱為前沿技術(shù)，是世界各國研究的熱點。如果將可稱為前沿技術(shù)，是世界各國研究的熱點。如果將20世紀(jì)世紀(jì)50年代初視為現(xiàn)代高分子膜分離技術(shù)研究的起點，截止現(xiàn)在，年代初視為現(xiàn)代高分子膜分離技術(shù)研究的起點，截止現(xiàn)在，其發(fā)展致可分為四個階段：其發(fā)展致可分為四個階段：2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代年代 由于過濾微生物和其它微小顆粒的需要，德國建立了世界由于過濾微生物和其它微小顆粒的需要，德國建立了世界上首座生產(chǎn)微濾膜的工廠。上首座生產(chǎn)微濾膜的工廠。1 1. .膜分離技術(shù)發(fā)展的歷史膜分離

12、技術(shù)發(fā)展的歷史 20 20世紀(jì)世紀(jì)5050年代為奠定基礎(chǔ)階段年代為奠定基礎(chǔ)階段 由于發(fā)展原子能工業(yè)的需要，離子交換膜應(yīng)運(yùn)而生，由于發(fā)展原子能工業(yè)的需要，離子交換膜應(yīng)運(yùn)而生，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了電滲析工業(yè)并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了電滲析工業(yè) 6060年代和年代和7070年代為發(fā)展階段年代為發(fā)展階段 由于海水淡化的需要，人們用一種新的方法相由于海水淡化的需要，人們用一種新的方法相轉(zhuǎn)化制膜法成功地制備了世界上第一張實用的反滲透轉(zhuǎn)化制膜法成功地制備了世界上第一張實用的反滲透膜。膜。 這一重大突破震動了整個世界，使膜分離技術(shù)受這一重大突破震動了整個世界，使膜分離技術(shù)受到了全世界的廣泛關(guān)注，各種新型膜材料、膜工藝、

13、到了全世界的廣泛關(guān)注，各種新型膜材料、膜工藝、膜裝置、膜過程和應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)，膜分離技術(shù)從膜裝置、膜過程和應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)，膜分離技術(shù)從此走上了飛速發(fā)展的新階段。此走上了飛速發(fā)展的新階段。8080年代至今為發(fā)展深化階段。年代至今為發(fā)展深化階段。 膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾以及過程簡能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾以及過程簡單。易于自動化控制等特性，目前，已廣泛應(yīng)用于水單。易于自動化控制等特性，目前，已廣泛應(yīng)用于水處理、電子、食品、環(huán)保、化工、冶金、醫(yī)藥、生物處理、電子、食品、環(huán)保、化工、冶金

14、、醫(yī)藥、生物、能源、石油、仿生等領(lǐng)域。、能源、石油、仿生等領(lǐng)域。 據(jù)初步統(tǒng)計，據(jù)初步統(tǒng)計，20012001年全世界膜和膜組件的銷售額年全世界膜和膜組件的銷售額已接近已接近8080億美元，成套設(shè)備和膜工程的市場則已達(dá)到億美元，成套設(shè)備和膜工程的市場則已達(dá)到數(shù)百億美元，而且每年還在以數(shù)百億美元，而且每年還在以10-2010-20的幅度遞增，顯的幅度遞增，顯示出這一新興產(chǎn)業(yè)的廣闊前景。示出這一新興產(chǎn)業(yè)的廣闊前景。我國膜分離技術(shù)發(fā)展史 我國膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是從我國膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是從19581958年年研究離子交換膜開始的。研究離子交換膜開始的。6060年代年代進(jìn)入進(jìn)入開創(chuàng)階段。開創(chuàng)階段。196519

15、65年年著手反滲透的探索，著手反滲透的探索，19671967年年開始的全國海水淡化會戰(zhàn)，開始的全國海水淡化會戰(zhàn)，大大促進(jìn)了我國膜科技的發(fā)展。大大促進(jìn)了我國膜科技的發(fā)展。7070年代年代進(jìn)入開發(fā)階段。這時期，微濾、電進(jìn)入開發(fā)階段。這時期，微濾、電滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發(fā)出來，滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發(fā)出來，8080年代年代跨入跨入了推廣應(yīng)用階段。了推廣應(yīng)用階段。8080年代年代又是氣體分離和其他新膜開發(fā)階段。又是氣體分離和其他新膜開發(fā)階段。 與世界主要膜產(chǎn)品生產(chǎn)國相比，我國的膜產(chǎn)業(yè)還比較弱小，膜品種與世界主要膜產(chǎn)品生產(chǎn)國相比，我國的膜產(chǎn)業(yè)還比較弱小，

16、膜品種少、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量不穩(wěn)定，裝置和應(yīng)用技術(shù)還比較落后，尤其是在少、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量不穩(wěn)定，裝置和應(yīng)用技術(shù)還比較落后，尤其是在反滲透、納濾和人工臟器等方面，幾乎被進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷。但是，我國反滲透、納濾和人工臟器等方面，幾乎被進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷。但是，我國的微濾、超濾和電滲性產(chǎn)品已形成了自己的特色，不僅牢牢地占據(jù)著中的微濾、超濾和電滲性產(chǎn)品已形成了自己的特色，不僅牢牢地占據(jù)著中、低檔產(chǎn)品的國內(nèi)市場，還打進(jìn)了國外市場。、低檔產(chǎn)品的國內(nèi)市場，還打進(jìn)了國外市場。1、膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)過程中不涉及相變，對能量要求低，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過程有很大差異；2、膜分離的條件一般都較溫和，對

17、于熱敏性物質(zhì)復(fù)雜的分離過程很重要，這兩個因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式。3、它操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低、易于自動化，因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段，在生化分離工程中具有重要作用。2 2. .膜分離技術(shù)在分離工程中的重要作用膜分離技術(shù)在分離工程中的重要作用在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法; ;從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、耐熱性、從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限;

18、;單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來使用。分離工藝與其他分離工藝組合起來使用。3 3. . 存在的問題存在的問題4 常見膜分離方法按分離粒子大小分類： 透析（Dialysis，DS） 微濾（Microfiltration，MF） 超濾（Ultrafiltration，UF） 納濾（Nanofiltration，NF） 反滲透（Reverse osmosis，RO） 膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，于

19、篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故而可以按故而可以按分離粒子大小分離粒子大小進(jìn)行分類：進(jìn)行分類：微濾：以多孔細(xì)小薄膜為過濾介質(zhì)，壓力為推動力，使不溶性物質(zhì)得以分離的操作，孔徑分布范圍在0.02514m之間；超濾：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.0010.02 m，分離推動力仍為壓力差，適合于分離酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)；反滲透：是一種以壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的膜分離操作，孔徑范圍在0.00010.001 m之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透）；納濾：以壓力差為推動力，從溶液中分離3001000小分子量的膜分離過程，孔徑分布在平

20、均2nm；電滲析：以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)的膜分離操作；膜分離法與物質(zhì)大小膜分離法與物質(zhì)大小( (直徑直徑) )的關(guān)系的關(guān)系膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型微濾壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物顆粒纖維多孔膜超濾壓力差分子特性大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過截留分子量的分子非對稱性膜納濾壓力差離子大小及電荷水、一價離子、多價離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、鹽非對稱性膜復(fù)合膜膜過程推動力傳遞機(jī)理透過物截留物膜類型滲析濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、離子溶劑非對稱性膜電滲析電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，

21、大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜、復(fù)合膜，非對稱膜液膜分離濃度差反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜、支撐液膜膜分離過程原理膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力推動力（如濃度差、壓力差或電壓差等）（如濃度差、壓力差或電壓差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游膜上游，透過側(cè)稱為膜下游膜下游。膜上游膜上游 透膜透膜 膜下游膜下游選擇性透選擇性透過過膜膜在生物技術(shù)中應(yīng)用的膜分離過程，根據(jù)推動力本質(zhì)

22、的不同，可具體分為四類：以靜壓力差為推動力的過程；以蒸氣分壓差為推動力的過程；以濃度差為推動力的過程；以電位差為推動力的過程以靜壓力差為推動力的膜分離過程(1)微濾：特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他在和其他在“微米級微米級”范圍的粒子如范圍的粒子如DNADNA和病毒等的截留和病毒等的截留和濃縮。和濃縮。(2)超濾：適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)( (親和超濾親和超濾) )、多糖、抗生素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處、多糖、抗生

23、素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理膠體懸浮液。理膠體懸浮液。(3)反滲透：海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等?！昂Y篩”出海洋中的淡水出海洋中的淡水 ！以蒸氣分壓差為推動力的膜分離過程 (1)膜蒸餾：是在不同溫度下分離兩種水溶液的膜過程是在不同溫度下分離兩種水溶液的膜過程，已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮發(fā)性有，已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮發(fā)性有機(jī)溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。機(jī)溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。 (2)滲透蒸發(fā)：是以蒸氣壓差為推動力的過程，

24、但是在是以蒸氣壓差為推動力的過程，但是在過程中使用的是致密過程中使用的是致密( (無孔無孔) )的聚合物膜。液體擴(kuò)散能的聚合物膜。液體擴(kuò)散能否透過膜取決于它們在膜材料中的擴(kuò)散能力。否透過膜取決于它們在膜材料中的擴(kuò)散能力。以濃度差為推動力的膜分離過程滲析：是一種重要的、以濃度差為推動力的膜分離過是一種重要的、以濃度差為推動力的膜分離過程，它最主要的應(yīng)用是血液程，它最主要的應(yīng)用是血液( (人工腎人工腎) )的解毒，也用在的解毒，也用在實驗室規(guī)模的酶的純化上，使用的是微孔膜如膠膜管實驗室規(guī)模的酶的純化上，使用的是微孔膜如膠膜管。酶酶的傳統(tǒng)純化辦法是使用滲析袋，從樣品中除去無用的傳統(tǒng)純化辦法是使用滲析

25、袋，從樣品中除去無用的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)和置換存在于滲透液中的緩沖的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)和置換存在于滲透液中的緩沖液，由于在樣品中鹽和有機(jī)溶劑的濃度高，滲透壓的液，由于在樣品中鹽和有機(jī)溶劑的濃度高，滲透壓的結(jié)果導(dǎo)致水向滲透袋內(nèi)遷移，體積增加，所以滲透在結(jié)果導(dǎo)致水向滲透袋內(nèi)遷移，體積增加，所以滲透在除去多余的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進(jìn)了一個除去多余的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進(jìn)了一個新的緩沖溶液。新的緩沖溶液。以電位差為推動力的膜分離過程離子交換膜電滲析，簡稱，簡稱電滲析，在該膜分離過程過，在該膜分離過程過程中，離子在電勢的驅(qū)動下，通過選擇性滲透膜，從程中，離子在電勢的驅(qū)動下，通過選擇性滲透

26、膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。一種溶液向另一種溶液遷移。用于該過程的膜，只有共價結(jié)合的陰或陽離子交換基用于該過程的膜，只有共價結(jié)合的陰或陽離子交換基團(tuán)。陰離子交換膜只能透過陰離子，陽離子交換膜則團(tuán)。陰離子交換膜只能透過陰離子，陽離子交換膜則只能透過陽離子。將離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液，并只能透過陽離子。將離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液，并在膜的兩側(cè)通以電流時，則只有與膜上固定電荷相反在膜的兩側(cè)通以電流時，則只有與膜上固定電荷相反的粒子才能通過膜。的粒子才能通過膜。各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍膜膜 分分 離離 法法傳質(zhì)推動傳質(zhì)推動力力分分 離離 原原 理理應(yīng)應(yīng) 用用 舉舉

27、例例微微 濾濾 （MFMF）壓差壓差0.050.5篩篩 分分除菌，回收菌，分離病除菌，回收菌，分離病毒毒超超 濾濾壓差壓差0.11.0篩篩 分分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮回收和濃縮反反 滲滲 透透壓差壓差1.010篩篩 分分鹽、氨基酸、糖的濃縮、鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造淡水制造滲滲 析析濃濃 差差篩篩 分分脫鹽，除變性劑脫鹽，除變性劑電電 滲滲 析析電電 位位 差差電荷、篩分電荷、篩分脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸分離分離滲透氣滲透氣 化化壓差、溫壓差、溫差差溶質(zhì)與膜的親溶質(zhì)與膜的親和作用和作用有機(jī)溶劑與水的分離，有機(jī)溶劑與水的分離，共沸物的分離共沸物的

28、分離應(yīng)用水的脫鹽和凈化食品工業(yè)醫(yī)療、衛(wèi)生方面石油、化工方面環(huán)境工程其他方面海水與苦咸水淡化電廠鍋爐供水脫鹽超純水制備城市家庭飲用水的凈化乳品加工酒類生產(chǎn)果汁加工酶制劑生產(chǎn)醫(yī)療、衛(wèi)生用水藥品生產(chǎn)醫(yī)療應(yīng)用中藥提煉回收有機(jī)蒸氣制取富氧空氣無水乙醇生產(chǎn)膜與生物技術(shù)國防上的應(yīng)用交通、運(yùn)輸方面脫氣膜電泳漆廢水電鍍廢水纖維工業(yè)廢水造紙工業(yè)廢水其他廢水膜材料在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用膜材料在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用1.醫(yī)用純水制備輸液劑的制備 輸液劑：大量輸入人體的一種注射劑，是補(bǔ)充、調(diào)節(jié)病人人體內(nèi)水、電解質(zhì)及酸堿平衡的必備藥品。 去除水中的懸浮物、鹽類、微生物、熱原等會引起細(xì)菌感染，特別是熱原注入體內(nèi)會使人

29、產(chǎn)生發(fā)熱、發(fā)冷、發(fā)燒、惡心嘔吐甚至休克。醫(yī)用純水及注射用水的制備 在醫(yī)藥生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的用途，選用不同孔徑的微孔濾膜：一般采用0.002-0.01um孔徑膜用于超細(xì)過濾；0.22-0.45um用于無菌過濾；0.6um以上的濾膜用于除微粒過濾。2. 透析法用于人工腎 當(dāng)腎功能衰減或喪失時，由于代謝產(chǎn)物無法排出體外，造成血液成分比例失調(diào)，將使病人患尿毒癥，嚴(yán)重時會危及生命，此時必須用人工腎進(jìn)行援救。生物腎的主要功用：調(diào)節(jié)水、電解質(zhì)如水分、金屬離子、酸堿平衡。排出蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物（如尿素、肌酐、尿酸等）。排出藥物。調(diào)節(jié)血壓。調(diào)節(jié)紅血球數(shù)?；罨S生素D等。但人工腎只具有以上的、 、 三種功能，另三

30、種功能只能靠添加藥劑（配成透析液）來完成。血液凈化器流程示意圖 目前所用的膜材料：1.纖維素類：親水性高、三醋酸纖維素2.聚酰胺：總蛋白損失率低3.聚碳酸酯：優(yōu)良機(jī)械性能、熱性能4.聚丙烯腈：對中分子量物質(zhì)的去除率高、超濾速度大、機(jī)械性能低5.聚砜：機(jī)械性能高、化學(xué)性能穩(wěn)定、孔隙率高6.聚烯烴：定向拉伸致孔7.其它聚合物：聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚多肽等3. 膜氧合器 一般為微孔膜、孔徑僅允許氣體自由擴(kuò)散，而血液成分不能通過。對氧氣和二氧化碳的透過系數(shù)大，氧傳送快，二氧化碳擴(kuò)散好。目前所用材料：硅橡膠膜聚四氟乙烯膜聚丙烯膜4. 血液制品中的應(yīng)用 血液制品常用的分離純化和精制方法有沉淀、

31、薄膜蒸餾、透析、凍干。透析具有很多優(yōu)點：改善產(chǎn)品質(zhì)量：可以在常溫、低壓條件下進(jìn)行，過程不加熱、無相變，溶液的pH值、離子強(qiáng)度的調(diào)節(jié)控制彈性大，減輕蛋白質(zhì)的聚合或分解。增加產(chǎn)品收率，提高工作效率：超濾能在數(shù)小時內(nèi)把蛋白濃度提高數(shù)倍，并可同時完成脫鹽等處理。超濾在血液制品中的分離中，可以應(yīng)用的領(lǐng)域：人血漿經(jīng)低溫乙醇法分離后，可利用超濾膜進(jìn)一步濃縮精制乙醇。較冷凍干燥法省時、省料、省設(shè)備。血漿經(jīng)冷沉淀所含的抗血友病因子，可用超濾膜濃縮提純。以硫酸銨為沉淀劑的生產(chǎn)工藝中，如胎盤制劑及抗毒素等，用超濾法除硫酸銨，并可避免水中雜質(zhì)及細(xì)菌的污染。普通類毒素的超濾濃縮。用于病毒及病毒蛋白的濃縮精制，而無傳統(tǒng)的

32、離心、沉淀等方法所引起的活性改變。5. 制藥工業(yè)中脫熱原硫酸（雙氫）鏈霉素藥除熱原中藥制劑黃芪注射液的除熱原氨基酸產(chǎn)品的除熱原6. 超濾技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用主要包括：分離純化、降低藥效成分的損失，有效除去非藥效成分。濃縮，提高藥效成分濃縮，減少劑量制劑生產(chǎn)，包括制備注射液、口服液等有機(jī)溶劑回收，將萃取或其他分離過程所使用的有機(jī)溶劑能夠循環(huán)利用，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。應(yīng)用：提取中藥有效部位和有效成分制備中藥注射劑（去除熱原）制備中藥口服液制備中藥浸膏7. 控制釋放膜在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 在醫(yī)學(xué)上主要用于制造控制釋放藥物?？刂漆尫潘幬锏膽?yīng)用一般可以分口服、皮膚滲透、黏膜植入及皮下植入四種類型。1.高效：

33、由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過某些物質(zhì)，而阻擋另一些物質(zhì)的透過。選擇合適的膜，可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離，提純和濃縮。2.節(jié)能：多數(shù)膜分離過程在常溫下操作，被分離物質(zhì)不發(fā)生相變, 是一種低能耗，低成本的單元操作。3.過程簡單、容易操作和控制。4.不污染環(huán)境。特點（優(yōu)勢）第三節(jié)第三節(jié) 膜組件膜組件 管式、中空纖維、螺旋卷繞式、平板式管式、中空纖維、螺旋卷繞式、平板式概述概述由膜、固定膜的支撐體、間隔物由膜、固定膜的支撐體、間隔物(spacer)(spacer)以及以及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元(unit)(unit)稱稱為膜組件為膜組件(membrane

34、 module)(membrane module)或膜裝置，是膜或膜裝置，是膜分離的核心部分。分離的核心部分。膜組件的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的形式而異，目前市售商膜組件的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的形式而異，目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維空纖維( (毛細(xì)管毛細(xì)管) )式等四種，其中管式和中空纖式等四種，其中管式和中空纖維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式和外壓式。和外壓式。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的園管狀多孔支撐體上構(gòu)成的

35、，的園管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，l0l02020根管根管式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。即構(gòu)成管式膜組件。優(yōu)點：管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡單，適優(yōu)點：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較高的料液，分離操作完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。成后的清洗比較容易。缺點管式膜組件單位體積的過濾表面積缺點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。管式膜組件管式膜組件管式膜結(jié)構(gòu)圖管式管管式式膜膜組組件件內(nèi)壓管式：多孔管膜料液外壓管式：料

36、液內(nèi)壓式：膜涂在管內(nèi)，料液由管內(nèi)走；外壓式：膜涂在管外，料液由管外間隙走。管式膜組件管式膜組件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(jī)相似，平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機(jī)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左有的間隔左有的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾波流動。平板膜組件比管式膜組件比表面積濾波流動。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)常使用將一張平板膜大得多。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過濾器。固定在容器底部的攪拌槽式過濾器。平板膜組件平板膜組

37、件截留液截留液透透過過液液料液料液 膜膜支撐板支撐板隔板隔板平板式膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件如下圖所示。將兩張平板膜固螺旋卷式膜組件如下圖所示。將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上定在多孔性濾液隔網(wǎng)上( (隔網(wǎng)為濾液流路隔網(wǎng)為濾液流路) )，兩，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)( (為料液流路為料液流路) )，卷繞在空心管上，空心管用于，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。濾液的回收。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

38、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。螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件中空纖維中空纖維(毛細(xì)管毛細(xì)管)式膜組件式膜組件中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維中空纖維或毛細(xì)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。嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成。嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為404080um80um的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為0.250.252.5mm2.5mm的膜稱的膜稱毛細(xì)管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般毛細(xì)管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。將這

39、兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。返回 中空纖維膜的耐壓能力較高，用于超濾、反滲透。中空纖維膜的耐壓能力較高，用于超濾、反滲透。 由于中空纖維膜組件由許多極細(xì)的中空纖維構(gòu)成，由于中空纖維膜組件由許多極細(xì)的中空纖維構(gòu)成，采用外壓式操作采用外壓式操作( (料液走殼方料液走殼方) )時，流動容易形成溝時，流動容易形成溝流效應(yīng)流效應(yīng)( (channelling) )，凝膠吸附層的控制比較困難；，凝膠吸附層的控制比較困難；采用內(nèi)壓式操作采用內(nèi)壓式操作( (料液走腔內(nèi)料液走腔內(nèi)) )時，為防止堵塞，需時，為防止堵塞，需對料液進(jìn)行預(yù)處理，除去其中的微粒。對料液進(jìn)行預(yù)處理，除去其中的微粒。中空纖維超濾膜組件中空

40、纖維超濾膜組件超濾膜裝置超濾膜裝置各種膜組件的比較各種膜組件的比較組件優(yōu) 點缺 點平板平板式式保留體積小，操作費(fèi)用低的壓保留體積小，操作費(fèi)用低的壓力降，液流穩(wěn)定，比較成熟力降，液流穩(wěn)定，比較成熟投資費(fèi)用大，大的固含量會堵投資費(fèi)用大，大的固含量會堵塞進(jìn)料液通道，拆卸比清潔管塞進(jìn)料液通道，拆卸比清潔管道更費(fèi)時間道更費(fèi)時間螺旋螺旋卷式卷式設(shè)備投資低，操作費(fèi)用也低，設(shè)備投資低，操作費(fèi)用也低，單位體積中所含過濾面積大，單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易換新膜容易料液需經(jīng)預(yù)處理，壓力降大，料液需經(jīng)預(yù)處理，壓力降大，易污染，難清洗，液流不易控易污染，難清洗，液流不易控制制管管 式式易清洗，單根管子容易調(diào)換

41、，易清洗，單根管子容易調(diào)換，對液流易控制，無機(jī)組件可在對液流易控制，無機(jī)組件可在高溫下用有機(jī)溶劑進(jìn)行操作并高溫下用有機(jī)溶劑進(jìn)行操作并可用化學(xué)試劑來消毒可用化學(xué)試劑來消毒高的設(shè)備投資和操作費(fèi)用，保高的設(shè)備投資和操作費(fèi)用，保留體積大，單位體積中所含有留體積大，單位體積中所含有過濾面積較小，壓力降大過濾面積較小，壓力降大中空中空纖維纖維式式保留體積小，單位體積中所含保留體積小，單位體積中所含過濾面積大，可以逆流操作，過濾面積大，可以逆流操作，壓力較低，設(shè)備投資低壓力較低，設(shè)備投資低料液需要預(yù)處理，單根纖維管料液需要預(yù)處理，單根纖維管損壞時，需調(diào)換整個組件，不損壞時，需調(diào)換整個組件，不夠成熟夠成熟性能

42、及應(yīng)用范圍性能及應(yīng)用范圍4.1 透析4.2 超濾技術(shù)4.3 微孔膜過濾技術(shù)4.4 納濾4.5 反滲透4.6 電滲析第四節(jié)第四節(jié) 膜過濾的基本概念和理論膜過濾的基本概念和理論4.1 透析一、概述 1.原理：透析是采用半透膜作為濾膜,使試樣中的小分子經(jīng)擴(kuò)散作用不斷透出膜外,而大分子不能透過被保留在透析袋內(nèi)，從而達(dá)到大小分子分離的一種膜過濾方法。 0.5-10nm，3000 D 幾萬D蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽 無機(jī)鹽緩沖液透析原理圖水分子大分子小分子透析膜2.應(yīng)用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，常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類的小分子雜質(zhì)。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推

43、動力，膜的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實驗室中應(yīng)用較多。二、透析膜1.1.透析材料：獸類的膀胱、硝酸纖維素膜、透析材料：獸類的膀胱、硝酸纖維素膜、玻璃紙的。的。人工透析膜多為纖維素的衍生物。人工透析膜多為纖維素的衍生物。2.2.用于透析的半透膜應(yīng)具備的條件：用于透析的半透膜應(yīng)具備的條件：（1 1）在溶劑中能形成分子篩狀多孔薄膜，只允許?。┰谌軇┲心苄纬煞肿雍Y狀多孔薄膜，只允許小分子溶質(zhì)通過，而阻止大分子（如蛋白質(zhì)）通過；分子溶質(zhì)通過，而阻止大分子（如蛋白質(zhì)）通過；（2 2）化學(xué)惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中）化學(xué)惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩(wěn)定；穩(wěn)定；（3 3）良

44、好的物理性能：有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的）良好的物理性能：有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的再生性能再生性能（1）透析袋預(yù)處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時，再分別用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氫納溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次；（2）透析前，對裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏；（3）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過度膨脹使膜孔徑改變；（4）袋要扎緊以防流失。（5）熱敏性物質(zhì)應(yīng)置4冰箱透析以防變性。（6）攪拌；定期或連續(xù)更換外部溶劑可提高透析效果。 （7）透析袋的保存：短時間，儲存于4蒸餾水中，長時間，洗凈后置于甘油中（防菌）3.3.透析

45、過程注意點：透析過程注意點： 1 旋轉(zhuǎn)透析器 2 平面透析器 3 連續(xù)透析器 4 淺流透析器一、超濾的特征 定義：超過濾(簡稱超濾)是一項分子級膜分離手段，以壓力差為推動力將不同分子量的物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。一般用于液相分離，也可用于氣相分離。 其截斷分子量一 般為6000到 50萬，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。 蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜P出背壓閥超濾過程示意圖：P進(jìn)透出液透出液截留液截留液當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質(zhì)透過具有不對稱微孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達(dá)到分

46、離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。二、超濾膜（一）超濾膜的構(gòu)造各向同性膜：膜的厚度較大，孔隙為一定直徑的圓柱形。 各向異性膜：膜質(zhì)分為兩層：功能層和支持層。喇叭口濾膜：孔隙不是圓柱體，而是梯形圓臺 （二）超濾膜的選用超濾的選用應(yīng)注意：1 分子量截留值： 阻留率達(dá)90%以上的最小被截留物質(zhì)的分子量。2 流動速率：在一定壓力下每分鐘通過單位面積膜的液體量來表示。3 其他（1）操作溫度（2）化學(xué)耐受性（3）膜的吸附性質(zhì)（4）膜的無菌處理三、超濾過程和裝置（一）濃差極化現(xiàn)象 外源壓力迫使分子量較小的溶質(zhì)通過薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐漸形成濃度梯度，這就是濃差極化現(xiàn)象。 造成：流速下降、影響膜的選擇性、甚

47、至堵塞 克服極化的措施：震動、攪拌、錯流、切流。（二）實驗用超濾器（1）無攪拌式裝置（2）攪拌或震動式裝置（3）小棒超濾器（4）淺道系統(tǒng)超濾裝置（5）中空纖維超濾濃差極化嚴(yán)重，流速慢，需較大壓力，適用于濃縮少量稀溶液攪拌可加快膜面大分子擴(kuò)散作用用于實驗室中處理少量濃度較稀的大分子樣液，可以同時處理多個試樣可用于大分子混合物的分級分離，以及細(xì)菌、病毒、熱原的濾除，也可用于大分子溶液的濃縮、脫鹽（三）工業(yè)用超濾裝置 設(shè)計要求：有效過濾面積大支撐裝置強(qiáng)度大極化現(xiàn)象小 典型裝置：板式、管式、螺旋卷式、中空纖維（四）影響超濾流速和選擇性的因素 溶質(zhì)分子性質(zhì)：大小、形狀和帶電性質(zhì)。 超濾膜的性質(zhì)：孔徑、結(jié)

48、構(gòu)、吸附性。 超濾裝置和操作：膜或組合膜的構(gòu)造、超濾器的結(jié)構(gòu)以及操作壓力、攪拌情況. 液體物料的溫度、粘度、pH、離子強(qiáng)度。 四、超濾的操作和應(yīng)用 （一）超濾膜和超濾器的處理超濾膜不能干燥和受污染洗凈，除菌，操作正確可用1-2年，暫時不用時，保存于30%甘油甲醛等溶液中 （二）過濾操作洗去保養(yǎng)液超濾洗滌保養(yǎng)（三）應(yīng)用 濃縮和脫鹽應(yīng)用最多不消耗試劑，無相轉(zhuǎn)移，可在低溫下進(jìn)行，簡便 分級分離和純化串聯(lián)式超濾 超濾分離與酶反應(yīng)連用廣泛用于纖維素糖化、蛋白酶對蛋白質(zhì)的水解、淀粉酶對淀粉的水解等分離。外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器膜組件截留酶或微膜組件截留酶或微生物菌體生物菌體,而使小分而使小

49、分子產(chǎn)物透過。子產(chǎn)物透過。外循環(huán)式膜生物反外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器適用于連續(xù)微應(yīng)器適用于連續(xù)微生物發(fā)酵和連續(xù)酶生物發(fā)酵和連續(xù)酶反應(yīng)過程。反應(yīng)過程。 中空纖維膜生物反應(yīng)器中空纖維膜生物反應(yīng)器培養(yǎng)基循環(huán)液高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜高分子產(chǎn)物（單抗）高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞細(xì)胞膜膜小分子產(chǎn)物u 用于動物細(xì)胞培養(yǎng)，動物細(xì)胞生長于中空纖維膜組件的殼內(nèi)，小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，可保證細(xì)胞長期穩(wěn)定并且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。細(xì)胞密度可達(dá)109/cm3。是工業(yè)培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)單克隆抗體的主要方法之一。4 除熱原熱源（熱源（pyrogenpyrogen）又稱細(xì)菌內(nèi)毒素，是細(xì)菌新陳）又稱細(xì)菌內(nèi)毒

50、素，是細(xì)菌新陳代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物，主要成分是脂多糖代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相對分子質(zhì)量較大。、脂蛋白等，相對分子質(zhì)量較大。熱源的致熱效能很強(qiáng)，人比動物對熱源要敏感，熱源的致熱效能很強(qiáng)，人比動物對熱源要敏感，在靜脈注射藥液時，如果將熱源帶進(jìn)血液，會對在靜脈注射藥液時，如果將熱源帶進(jìn)血液，會對人體造成相當(dāng)大的危害。人體造成相當(dāng)大的危害。傳統(tǒng)的針劑除熱源的方法是傳統(tǒng)的針劑除熱源的方法是活性炭吸附，活性炭吸附，造成產(chǎn)造成產(chǎn)品損失。品損失。用超濾法可有效的除去熱源，如產(chǎn)品分子量用超濾法可有效的除去熱源，如產(chǎn)品分子量10001000以下，可用截留分子量以下，可用截留分子

51、量1 1萬左右的膜比較合適。萬左右的膜比較合適。以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差壓力差為推動力，利用為推動力，利用篩分原理使篩分原理使不溶性粒子不溶性粒子（0.1-10um）得以分離）得以分離的操作。操作壓力的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。一、微孔膜的特點和應(yīng)用范圍 特點：設(shè)備簡單操作簡便、快速分辨率高、重現(xiàn)性好一些膜具有結(jié)合生物大分子的特殊能力，用于特殊測定應(yīng)用范圍：0.010.05m：噬菌體、病毒或大的膠體顆粒。0.1m：試劑的超凈、分離沉淀和膠體懸液。0.2m：高純水的制備、制劑除菌、細(xì)菌計數(shù)、空氣病毒定量測定等。0.45m：水的超凈化處理、色譜分析時流動相的處

52、理、放射免疫測定、光測介質(zhì)溶液的凈化以及鍋爐水中Fe(OH)3的分析等。 二、微孔濾膜 (一) 微孔濾膜的種類（了解） 再生纖維素 纖維素酯膜:硝酸纖維素酯膜 .醋酸纖維素酯膜 . 混合纖維素酯膜 聚四氟乙烯膜 聚氯乙烯膜 超細(xì)玻璃纖維濾膜（二）微孔濾膜的制備（了解）（1）自然蒸發(fā)凝結(jié)法（2）急速凝凍法（三）微孔濾膜的性質(zhì)與檢測1 孔徑孔徑的均一程度，一般相當(dāng)均一膜孔徑檢測方法：氣泡壓力法、細(xì)菌過濾法(最大孔徑)、水流量法(平均孔徑)、2 孔隙率一般較高，達(dá)80%-90%3 厚度及重量一般厚度120m-150m，密度小4 阻力和流速阻力小，防顆粒堵塞，膜表面堆積。三、微孔濾膜過濾設(shè)備和操作設(shè)備

53、：注射式過濾器、玻璃濾器、平板濾器、筒式濾器等。1 過濾系統(tǒng)的嚴(yán)密性2 濾膜的濕潤3 過濾速度4 過濾系統(tǒng)的清洗和消毒5 串濾技術(shù) 操作與注意事項（一）在生化中的應(yīng)用1溶液澄清2 結(jié)合測定3 蛋白質(zhì)及核酸含量測定（二）在制藥工業(yè)中的應(yīng)用1 藥液中微粒及細(xì)菌的濾除2 抗生素的無菌檢驗Z納濾膜大多從反滲透膜衍化而來。Z納濾 ( NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。Z原理：Z篩分作用：納濾膜能截留易透過超濾膜的那部分溶質(zhì)，同時又可使被反滲透膜所截留的鹽透過Z荷電效應(yīng)：納濾膜常帶電荷，荷電納濾膜可通過靜電斥力排斥溶液中與膜上所帶電荷相同的離子4.4 納濾

54、納濾膜分離機(jī)理示意圖納濾膜技術(shù)的特點：u 具有離子選擇性：由于在膜上或膜中常帶有荷電基團(tuán)，通過靜電相互作用，可實現(xiàn)不同價態(tài)離子的分離，故有時也稱“選擇性”反滲透（Selective RO）u 操作壓力低：通常比反滲透低，由于所施加的跨膜壓差比用反滲透達(dá)到同樣的滲透能量所必須施加的壓差低，有時也稱“低壓反滲透”。( 納濾應(yīng)用：（1）小分子量的有機(jī)物質(zhì)的分離；（2）有機(jī)物與小分子無機(jī)物的分離；（3）溶液中一價鹽類與二價或多價鹽類的分離；（4）鹽與其對應(yīng)酸的分離。4.5 反滲透(Reverse Osmosis)一、反滲透的基本概念1、滲透(osmosis) 定義定義：滲透（滲析）是指在壓力相同（：滲

55、透（滲析）是指在壓力相同（P1=P2）的條件下，）的條件下，水或溶劑分子通過水或溶劑分子通過半透膜半透膜從稀溶液（或純?nèi)軇┻M(jìn)入濃溶從稀溶液（或純?nèi)軇┻M(jìn)入濃溶液的液的擴(kuò)散擴(kuò)散現(xiàn)象。現(xiàn)象。機(jī)理機(jī)理：水的擴(kuò)散是從高自由能處向低自由能處移動，即水：水的擴(kuò)散是從高自由能處向低自由能處移動，即水是從溶質(zhì)濃度低處向溶質(zhì)濃度高處移動。更準(zhǔn)確一點說，是從溶質(zhì)濃度低處向溶質(zhì)濃度高處移動。更準(zhǔn)確一點說，是從蒸汽壓高處擴(kuò)散到蒸汽壓低處。是從蒸汽壓高處擴(kuò)散到蒸汽壓低處。P1P2P1P2反滲透法反滲透法圖圖1 滲透和反滲透滲透和反滲透1、反滲透、反滲透如如圖圖1 1所示，一個容器中間用一張可透過溶劑所示，一個容器中間

56、用一張可透過溶劑( (水水) )，但，但不能透過溶質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和含溶質(zhì)不能透過溶質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和含溶質(zhì)的水溶液。若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為的水溶液。若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低( (水濃度高水濃度高) )的一側(cè)的一側(cè)(A(A側(cè)，側(cè)，純水純水) )向濃度高的一側(cè)向濃度高的一側(cè)(B(B側(cè)，水溶液側(cè)，水溶液) )透過，這種現(xiàn)象透過，這種現(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推動力稱為滲透壓。當(dāng)稱為滲透。促使水分子透過的推動力稱為滲透壓。當(dāng)B B側(cè)與側(cè)與A A側(cè)之間的壓差等于滲透壓時，兩側(cè)的化學(xué)位相等側(cè)之間的壓差等

57、于滲透壓時，兩側(cè)的化學(xué)位相等達(dá)到平衡狀態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)( (圖圖1a1a) )。反滲透機(jī)理反滲透機(jī)理溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。如果欲使溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。如果欲使B B側(cè)溶液中的溶側(cè)溶液中的溶劑劑( (水水) )透過到透過到A A側(cè)，在側(cè)，在B B側(cè)所施加的壓力必須大于此滲側(cè)所施加的壓力必須大于此滲透壓，這種操作稱為反滲透透壓，這種操作稱為反滲透( (圖圖1b1b) )。一般反滲透的操作壓力常達(dá)到幾十個大氣壓。一般反滲透的操作壓力常達(dá)到幾十個大氣壓。RORO膜無膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)，其透過機(jī)理尚不十分清楚。目前多明顯的孔道結(jié)構(gòu)，其透過機(jī)理尚不十分清楚。目前多采用熱力學(xué)方法解釋采用熱力學(xué)方法解

58、釋RORO膜的透過機(jī)理，而不考慮膜的膜的透過機(jī)理，而不考慮膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴(kuò)散模型（也就是毛細(xì)孔流結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴(kuò)散模型（也就是毛細(xì)孔流學(xué)說）簡單實用。該模型假設(shè)溶劑或溶質(zhì)首先溶解在學(xué)說）簡單實用。該模型假設(shè)溶劑或溶質(zhì)首先溶解在膜中，然后擴(kuò)散通過膜中，然后擴(kuò)散通過RORO膜。膜。 “膜孔徑膜孔徑”為為1010到到100nm100nm。反滲透機(jī)理反滲透機(jī)理水分子離子大分子顆粒與膠體反滲透機(jī)理反滲透機(jī)理應(yīng)用：從水溶液中分離出水苦咸水與海水淡化純水生產(chǎn)廢水處理低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮如氨基酸，抗生素、維生素等的濃縮儀器工業(yè)中液體食品（牛奶、果汁等）的部分脫水一一. . 納濾技術(shù)的發(fā)展過

59、程納濾技術(shù)的發(fā)展過程 納濾膜（NF膜）介于RO膜和UF膜之間，近十幾年來發(fā)展迅速，是當(dāng)前膜分離技術(shù)研究與開發(fā)的熱點之一。 NF膜的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代J. E. Cadotte對N系列膜的開發(fā)。早期，有人稱納濾膜為“疏松的反滲透膜(Loose Reverse Osmosis Membrane)”，將介于反滲透和超濾之間的膜分離技術(shù)稱為“雜化過濾(Hybrid filtration)”。直到20世紀(jì)80年代，才漸趨統(tǒng)一，稱為納濾(Nanofiltration)。納濾是由反滲透膜發(fā)展而來的。 實驗證明，它能使90%的NaCl透過膜，而使99%蔗糖被膜截留。非對稱膜平均孔徑為2nm，故被命

60、名為“納濾膜”。1995年開發(fā)（1972年NS-100）CA-RO膜的開發(fā)RO復(fù)合膜的開發(fā)低壓高截留率RO膜超低壓RO膜NF膜(疏松型RO膜)NaCl截留率99%NTR-759H、BW-30(即FT-30)、SU-7001996年開發(fā)NaCl截留率99%NTR-729HF、 NTR-7250NTR-7400系、NF-45、NF-70、NF-90、SU-200SSU-600納濾膜的發(fā)展過程納濾膜的發(fā)展過程 它有兩個顯著特征：一個是其截留分子量介于RO和UF之間，為2002 000，因而推測NF的表面分離層可能有1nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，即具有納米級孔徑；另一個是NF膜對無機(jī)鹽有一定的截留率，因為它的