第六章-膜分離過程課件

第六章膜分離過程

Membraneseparation

1ppt課件完整膜分離技術(shù)膜分離的概念：利用膜的選擇性（孔徑大小），以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離的一種技術(shù)。用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它組份，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。2ppt課件完整膜料液水小分子大分子滲透液定義：

在流體相之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)稱為膜。

“21世紀(jì)的多數(shù)工業(yè)中，膜技術(shù)扮演著戰(zhàn)略的角色”“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了21世紀(jì)的未來”一、膜的簡介3ppt課件完整膜的用途濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。4ppt課件完整膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒5ppt課件完整膜分離的特點：無相變、低能耗高效率、污染小工藝簡單、操作方便濃縮與純化同時進行濃縮液進料液滲透液6ppt課件完整(1)對稱膜：結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜，孔經(jīng)可一致，結(jié)構(gòu)可不規(guī)則；(2)非對稱膜：分離層很薄，較致密，為活性膜，孔徑的大小和表皮的性質(zhì)決定分離特性，厚度決定傳遞速度，朝向待分離濃縮液；多孔的支持層只起支撐作用，使膜具有必要的機械強度。(3)復(fù)合膜：選擇性膜層(活性膜層)沉積于具有微孔的底膜(支撐層)表面上，表層與底層是不同的材料，膜的性能不僅取決于有選擇性的表面薄層而且受微孔支撐層的影響。(4)荷電膜：離交膜，含有高度的溶脹膠載著固定電荷的對稱膜。(5)液膜：將在有關(guān)章節(jié)中討論。(6)微孔膜：孔徑為0.05—20微米的膜。(7)動態(tài)膜：在多孔介質(zhì)(如陶瓷管)上沉積一層顆粒物(如氧化鋯)作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動態(tài)平衡。膜的分類7ppt課件完整圖1對稱膜圖2非對稱膜8ppt課件完整圖3對稱膜圖4非對稱膜9ppt課件完整二、膜分離過程的類型膜分離過程的實質(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，故而可以按分離粒子大小進行分類。10ppt課件完整膜分離過程的類型1.透析：用具有一定孔徑大小的、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將溶質(zhì)溶液與純水分隔，在濃差的作用下，小分子溶質(zhì)透向水側(cè)，水透向溶液一側(cè)。透析膜：孔徑5-10nm,實驗室中常用透析袋應(yīng)用：脫鹽，血液透析特點：以濃差為推動力，膜透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，多在實驗室中應(yīng)用。11ppt課件完整蛋白質(zhì)透析12ppt課件完整透析袋透析簡單裝置。A:透析夾，B:透析，C:透析示意圖

13ppt課件完整2.微濾（Microfiltration,MF）：

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0.025~14μm之間，截留直徑為0.02μm~10μm大小的粒子。

可應(yīng)用于消毒、澄清、細(xì)胞收集等。如培養(yǎng)基液菌體分離與濃縮，產(chǎn)品消毒。14ppt課件完整

微濾(Microfiltration，MF)一種靜態(tài)過濾，隨過濾時間延長，膜面上截流沉積不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞；15ppt課件完整3.超濾（Ultrafiltration,UF）：分離介質(zhì)同上，但孔徑更小，為0.001-0.02μm，分離推動力仍為壓力差，截斷分子量可變化。適合于酶、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的分離、濃縮，超濾親和純化，血漿分離，脫鹽，去熱原，在生物工程中應(yīng)用最廣。16ppt課件完整一種動態(tài)過程，由泵提供推動力，在膜表面產(chǎn)生兩個分力：一個是垂直于膜面的法向分力，使水分子透過膜面，另一個是于膜面平行的切向力，把膜面截流物沖掉。

超濾原理的示意圖

17ppt課件完整常規(guī)過濾(A)和超濾(B)的示意圖

AB18ppt課件完整4.反滲透（Reverseosmosis,RO）:

滲透和滲透壓：滲透：膜（不能透過溶質(zhì)）兩側(cè)壓力相等時，在濃度差作用下，溶劑從溶質(zhì)濃度低的一側(cè)向溶質(zhì)濃度高的一側(cè)透過的現(xiàn)象。滲透壓：滲透現(xiàn)象中，促使水分子透過的推動力。19ppt課件完整反滲透：定義：在溶質(zhì)濃度高的一側(cè)施加超過滲透壓的壓力，使溶劑透過膜的操作。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0.1~1nm之間。20ppt課件完整其基本原理為溶解擴散。在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機物及無機物全被截留住。主要用于海水脫鹽，純水制造以及小分子產(chǎn)品如乙醇、糖及氨基酸濃縮等。21ppt課件完整膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10幾種分離方法能耗比較22ppt課件完整嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置23ppt課件完整24ppt課件完整巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水25ppt課件完整

微濾超濾反滲透○:微粒子●:大分子＋:小分子……..：水26ppt課件完整27ppt課件完整5.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。在直流電場的作用下，由于離子交換膜的阻隔作用，實現(xiàn)溶液的淡化和濃縮，分離推動力是靜電引力。28ppt課件完整1-半透膜2-攪拌器3-溶液4-鉑電極5,6-進出水管電滲析的應(yīng)用：海水和苦水的淡化、廢水處理，氨基酸和有機酸等小分子的分離純化29ppt課件完整6.氣體滲透：氣體膜分離是利用膜對某些氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化的目的。其滲透機理為：氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴散、脫溶、逸出。應(yīng)用:空氣中各種氣體在透過膜壁時具有不同的滲透速率，使得當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過濾器進入分離器時，氧氣、水蒸氣及少量的二氧化碳快速透過膜的高壓側(cè)，而氮氣透過膜的相對速率慢而滯留在膜的內(nèi)側(cè)被富集，從而產(chǎn)生干燥的氮氣。30ppt課件完整氣體滲透分離空氣中的氮31ppt課件完整32ppt課件完整膜分離過程的類型生物分離中最常用的膜分離技術(shù)是：超濾、微濾和反滲透。33ppt課件完整三、膜材料膜材料的特性對于不同種類的膜都有一個基本要求：（1）耐壓：膜孔徑小，要保持高通量就必須施加較高的壓力，一般膜操作的壓力范圍在0.1-0.5MPa，反滲透膜的壓力更高，約為1-10MPa；（2）耐高溫:高通量帶來的溫度升高和清洗的需要；（3）耐酸堿：防止分離過程中以及清洗過程中的水解；（4）化學(xué)相容性：保持膜的穩(wěn)定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的變性；（6）成本低。34ppt課件完整不同膜材料的特點與應(yīng)用

醋酸纖維素和聚砜應(yīng)用最廣35ppt課件完整

膜的制造方法1．相轉(zhuǎn)變法：澆鑄液→支持物上鋪開→蒸發(fā)部分溶劑→凝膠形成→熱處理(退火)；2．燒結(jié)法：膜材料粉→模具內(nèi)→嚴(yán)格控制溫度和壓力→由軟變?nèi)邸纬啥嗫左w→機械加工；3．核徑跡法：厚為5-15m薄膜→粒子(如a粒子或中子)照射→

化學(xué)鍵斷裂形成徑跡→酸堿液腐蝕→形成孔道；4．拉伸法：晶態(tài)聚烯烴→在低熔融溫度下擠壓成膜→延伸得到高的熔融應(yīng)力→無張力條件下退火→拉伸；5．復(fù)合膜的制備：是相轉(zhuǎn)變膜的繼續(xù)發(fā)展，制造非常薄的特征分離層。在多孔支撐層上制作聚合物膜。36ppt課件完整37ppt課件完整四、各種膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元。目前市售商品膜組件主要有：管式、中空纖維、螺旋卷繞式、平板式共同的特點盡可能大的膜表面積可靠的支撐裝置可引出透過液膜表面濃度差極化達(dá)到最小38ppt課件完整1、管式膜組件特點：結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、壓力損失少，處理量大、清洗安裝方便、可耐受高壓，用途較板式廣泛。結(jié)構(gòu)：將膜固定在圓管狀支撐體上構(gòu)成管式膜，管式膜并聯(lián)或串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。39ppt課件完整管式陶瓷超濾膜組件40ppt課件完整2、平板式膜組件結(jié)構(gòu)：與板式換熱器或加壓葉濾機相似。由多枚平板膜間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾液流動。特點：過濾板相對獨立、過濾面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、便于清洗、檢修和換膜。但耐受壓力低，適于超濾單元操作。41ppt課件完整板式膜組件42ppt課件完整3、螺旋卷式膜組件結(jié)構(gòu)：將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上，兩端密封，膜上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)，卷繞在空心管上構(gòu)成。特點：

優(yōu)點：比表面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格較便宜；

缺點：處理懸浮物濃度較高的料液時易堵塞。43ppt課件完整超濾超濾微濾卷式膜組件44ppt課件完整

特點是膜堆積密度大、結(jié)構(gòu)緊湊，適合低粘度、滲透產(chǎn)量大、濃縮倍數(shù)較低的料液處理和水處理。卷式膜分離器（工業(yè)用）45ppt課件完整4、中空纖維式膜組件結(jié)構(gòu)：由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜（內(nèi)徑40－80m)或毛細(xì)管膜（內(nèi)徑0.25~2.5mm）固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成。特點：優(yōu)點：比表面積最大，可方便地進行反洗，造價低，工業(yè)上普遍使用

。缺點：易堵塞，對料液要求高。46ppt課件完整

中空纖維膜分離器（工業(yè)用）47ppt課件完整5、納米膜過濾技術(shù)介于反滲透與超濾膜之間，能截留有機小分子而使大部分無機鹽通過。特點：（1）在過濾分離過程中，能截留小分子有機物，并可以同時透析除鹽，集濃縮與透析為一體；（2）操作壓力比反滲透低很多。48ppt課件完整納濾的應(yīng)用行業(yè)處理對象行業(yè)處理對象制藥工業(yè)母液中有效成分的回收抗菌素的分離純化維生素的分離純化氨基酸的脫鹽與純化化工行業(yè)酸堿純化、回收電鍍液中銅的回收食品工業(yè)乳清脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備超高純水水的脫鹽地下水的凈化染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收廢水處理印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化49ppt課件完整6、膜親和過濾法膜親和過濾法是傳統(tǒng)膜分離技術(shù)與親和分離技術(shù)的集成，是一種十分有效的分離方法。內(nèi)容：包括兩個分支（1）親和膜分離：制備帶有親和配基的分離膜，直接進行產(chǎn)物分離；（2）親和-錯流膜過濾：將水溶性或非水溶性的高分子親和載體與產(chǎn)物進行特異性反應(yīng)，然后進行錯流過濾。50ppt課件完整親和膜分離技術(shù)要點分離膜的改性：通過化學(xué)改性，在載體表面連接上一條“手臂鏈”（大于三個碳原子）；親和膜制備：選用合適的配基，與手臂鏈相連，構(gòu)成帶有親和配基的分離介質(zhì)；親和絡(luò)合：將混合物緩慢地通過膜，使要分離的物質(zhì)與親和配基產(chǎn)生特異性作用，形成配基與配位物的復(fù)合體；洗脫：改變條件（洗脫液組成、pH、離子強度、溫度等），使復(fù)合物解離；親和膜再生：洗滌、再生、平衡，以備下次操作使用。51ppt課件完整親和膜分離操作方式親和超濾過程（分離目標(biāo)物的同時，濃縮其他成分）52ppt課件完整五、膜分離過程在生物工程中的應(yīng)用過程應(yīng)用對象實例微濾消毒、澄清收集細(xì)胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細(xì)胞收集超濾大分子物質(zhì)分離酶及蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純化，血漿分離、脫鹽、去熱原，膜反應(yīng)器納濾小分子物質(zhì)分離糖，二價鹽、游離酸的分離反滲透小分子物質(zhì)濃縮單加鹽、非游離酸的分離透析小分子有機物和無機離子脫除小分子有機物或無機離子53ppt課件完整六、膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題1、截留分子量(MWCO)截留曲線：測定分子量不同的球形蛋白質(zhì)或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率與溶質(zhì)分子量之間關(guān)系的曲線。

MWCO只是表征膜特性的一個參數(shù)，不能作為選擇膜的唯一標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)從多方面(如孔徑分布、耐污染能力等)綜合考慮。

一般將在截留曲線上截留率為0.90的溶質(zhì)分子量定義為膜的截留分子量。54ppt課件完整實際膜分離過程中影響截留率的因素：溶質(zhì)分子量分子特性不同分子截留率大小順序：球形＞帶支鏈＞線性；對于荷電膜，與膜相反電荷的分子截留率較低；若膜對溶質(zhì)有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶質(zhì)的影響其他高分子溶質(zhì)的存在使溶質(zhì)截留率增大。操作條件膜面流速提高，截留率降低；55ppt課件完整膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題2、濃差極化:在膜分離過程中，膜表面上溶質(zhì)濃度高于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。如下圖：56ppt課件完整濃差極化:它對水的透過起著阻礙作用。所以濃差極化會降低膜的透水率；結(jié)垢阻塞。

為了減少濃差極化，通常采用錯流操作，使懸浮液在過濾介質(zhì)表面作切向流動，利用流體的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體移走。57ppt課件完整3、污染:由于溶質(zhì)與膜的相互作用而在膜表面和孔內(nèi)吸附，或因濃差極化，溶質(zhì)在膜表面產(chǎn)生沉淀或結(jié)晶，形成“凝膠層”引起膜性能變化的現(xiàn)象。是一個不可逆過程。通常它受到膜的化學(xué)特征、蛋白質(zhì)種類、溶液的pH值、無機鹽濃度、溫度等因素的影響。影響:透過通量大幅度下降；降低目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。膜污染是膜技術(shù)應(yīng)用的最大限制因素。膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題58ppt課件完整

防止或減輕膜污染的措施：對料液進行預(yù)處理；對膜進行預(yù)處理；改變操作條件。59ppt課件完整4、膜的清洗:

膜污染造成膜透水量隨運行時間增長而下降。清洗的方法通常可分為物理方法與化學(xué)方法。

物理方法：一般指用高速流水沖洗。

化學(xué)清洗：通常是用化學(xué)清洗劑對膜進行清洗。膜分離技術(shù)應(yīng)考慮的問題60ppt課件完整清洗劑：水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、醇、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等。清洗劑選用要求：優(yōu)先考慮水；溫水具有良好的去污能力；不損害膜的過濾性能。61ppt課件完整中空纖維膜組