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1、关于膜分离技术PPT现在学习的是第1页，共25页人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了膜的功能并用于为人类服务，却经历了200200多年的漫长过多年的漫长过程。大致历程（程。大致历程（2020世纪）：世纪）：3030年代：微孔过滤年代：微孔过滤 4040年代：透析年代：透析 5050年代：电渗析年代：电渗析 6060年代：反渗透年代：反渗透 7070年代：超滤和液膜年代：超滤和液膜 8080年代：气体分离年代：气体分离 9090年代：渗透汽化年代：渗透汽化 一、发展简史现在学习的是第2页，共25页国内研究历程19581958年开始研究年开
2、始研究离子交换膜离子交换膜；19651965年开始对年开始对反渗透膜反渗透膜进行探索；进行探索；19661966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产离子交换膜正式投产，为电渗析工业应用奠定了基础；为电渗析工业应用奠定了基础；7070年代相继对年代相继对电渗析、反渗透、超滤和和微滤膜及组件及组件进行研究开发，进而进入推广应用阶段；进行研究开发，进而进入推广应用阶段；8080年代中期我国年代中期我国气体分离膜气体分离膜的研究取得长足进步；的研究取得长足进步；9090年代国家科技部对无机陶瓷微滤膜无机陶瓷微滤膜的工业化技术组的工业化技术组织了科技攻关，推进了陶瓷微滤膜的工业化进程。织了科技攻关，
3、推进了陶瓷微滤膜的工业化进程。现在学习的是第3页，共25页二、基础知识1.1.膜（膜（membrane）（1 1）定义：在一定流动相（液体定义：在一定流动相（液体oror气体）中，有一薄层凝聚相物质，把流动相分隔成两部分，这一薄层即为膜。其厚度在0.5mm0.5mm以下。以下。（2 2）分类：按孔径不同（按孔径不同（oror截留分子量）截留分子量）:可分为可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜 按材料不同：按材料不同：无机膜无机膜(微滤膜，如：陶瓷膜和金属膜微滤膜，如：陶瓷膜和金属膜)有机膜（高分子材料做成，如醋酸纤维素高分子材料做成，如醋酸纤维素CACA、聚醚砜聚醚砜PESPES、芳香族聚酰
4、胺、聚氟聚合物等）。、芳香族聚酰胺、聚氟聚合物等）。现在学习的是第4页，共25页uu按结构分对称膜对称膜 （均相膜）（均相膜）：结构与方向：结构与方向无无关关 不对称膜（非均相膜）：结构与方向不对称膜（非均相膜）：结构与方向有有关关活性层：过滤作用（0.1-1um）支持层：支持作用(100200um)(3)膜性能参数膜性能参数 MWCO,MWCO,通量，抗压能力，通量，抗压能力，PHPH适用范围，对热和温度的稳定适用范围，对热和温度的稳定性等。性等。（4）膜的污染与清洗）膜的污染与清洗 污染污染：膜在使用过程中，尽管操作条件不变，但通量仍逐：膜在使用过程中，尽管操作条件不变，但通量仍逐渐降低的
5、现象。渐降低的现象。不可逆不可逆，必须清洗后才能消除。，必须清洗后才能消除。浓差极化：浓差极化：可逆可逆，改变操作条件可消除；，改变操作条件可消除；现在学习的是第5页，共25页清洗：清洗：NaOH:水解蛋白质，皂化脂肪，溶解某些生物大分子 酸：HNO3，H3PO4，HCl（去除无机物）表面活性剂：SDS（乳化，湿润，分散生物大分子等 氧化剂：NaClO(强氧化能力)酶：一般不用，但如要去除某些多糖，淀粉酶有一定 作用。有机溶剂：20%-50%的乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂等。但系统必须符合防爆要求。现在学习的是第6页，共25页2.原理：膜分离技术是以选择性多孔薄膜为分离介质，使分膜分离技术
6、是以选择性多孔薄膜为分离介质，使分离的溶液借助离的溶液借助某种推动力某种推动力（如：压力差、浓度差、电位差等）（如：压力差、浓度差、电位差等）通过膜，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留，以此来分离通过膜，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留，以此来分离溶液中不同分子量的物质，从而达到溶液中不同分子量的物质，从而达到分离、浓缩、纯化分离、浓缩、纯化目的。目的。示意图现在学习的是第7页，共25页3.膜分离过程类型推动力过程孔径机制静压力差MF，UF，NF，RO1000 dalton1000 dalton -10um -10um筛分浓度差渗析（透析）1 13nm3nm筛分+扩散蒸气分压差膜蒸馏（MD）
7、微孔微孔扩散渗透蒸发（PV）无孔无孔电位差电渗析200200 dalton dalton离子迁移现在学习的是第8页，共25页4.膜过滤方式：终端过滤终端过滤(dead end filtrationdead end filtrationdead end filtrationdead end filtration )以压力作为推动力，料液流动方向以压力作为推动力，料液流动方向 与滤膜表面与滤膜表面垂直垂直，并且透过液方向与料，并且透过液方向与料 液液一致一致。错流过滤（cross flow filtrationcross flow filtrationcross flow filtrationcr
8、oss flow filtration）透过液方向透过液方向垂直垂直于进料的方向，而于进料的方向，而 料液流动方向与滤膜表面料液流动方向与滤膜表面平行平行，进料以，进料以 一定流速一定流速冲刷冲刷膜表面膜表面,减小减小浓差极化效应浓差极化效应。以微滤为例，主要根据料液中固形物的含量多少来确定，以微滤为例，主要根据料液中固形物的含量多少来确定，0.1%0.5%0.5%则基本采用错流过滤。则基本采用错流过滤。现在学习的是第9页，共25页三、常用技术分类压力推动膜过程和各自分离特征现在学习的是第10页，共25页1.微滤（Microfiltration,MF）微滤的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒
9、、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在和其他在“微米级微米级”范围的粒子。范围的粒子。现在学习的是第11页，共25页2.超滤(Ultrafiltration,UF)原理：原理：以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质。在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及质。在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。浓缩的目的。分类：分类：一般分为板框式
10、（板式）、中空纤维式、管式、一般分为板框式（板式）、中空纤维式、管式、卷式等多种结构卷式等多种结构。应用：浓缩，脱盐，分离，纯化，去热原，缓冲液置换浓缩，脱盐，分离，纯化，去热原，缓冲液置换等。等。现在学习的是第12页，共25页两种压力差p=p进进-p出出（回流液的循环动力）回流液的循环动力）一般一般10 psi10 psi左右左右 调节方式：泵速，回流阀调节方式：泵速，回流阀pt t=(p进进-p0 0)+(p出出-p0 0)*1/2=(p进进+p出出)*1/2-p0 0(膜过滤推动力膜过滤推动力)轴向、侧向压力差轴向、侧向压力差ptptptpt对通量的影响对通量的影响对通量的影响对通量的影
11、响压力较低：通量随ptpt成正比增加，成正比增加，如a压力增大：形成浓差极化层，趋势变缓，如b压力继续增大：浓差极化层达凝胶层浓度，通 量不随ptpt改变，改变，如c膜两侧平均压力差现在学习的是第13页，共25页3.纳滤(Nanofiltration,NF)介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，孔径范围在几个纳米左右。与其他压力驱动型膜分离过程相比，出现较晚。与反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又被称作“低压反渗透”或或“疏松反渗透疏松反渗透”(Loose RO(Loose RO)。应用：应用：食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品深加工、生物医药、
12、生物发酵、精细化工、环保工业深加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保工业纳滤膜（纳滤膜（陶氏陶氏）现在学习的是第14页，共25页纳滤膜三大特点MWCO介于反渗透膜和超滤膜之间，一般为介于反渗透膜和超滤膜之间，一般为 150 150 1000 dalton；科学家推测其表面分离层可能拥有；科学家推测其表面分离层可能拥有 1nm 左右的微孔结构，故被称之为左右的微孔结构，故被称之为 “纳滤纳滤”。纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面表面分离层分离层是由是由聚电解质聚电解质聚电解质聚电解质所构成，对离子有静电相互作所构成，对离子有静电相互作用。用。超低压大通量，即在超低压下（超低压大通量，即
13、在超低压下（0.1Mpa 0.1Mpa 14.7psi）仍能工作，并有较大的通量。）仍能工作，并有较大的通量。现在学习的是第15页，共25页4.反渗透(ReverseOsmosis,RO)原理：依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。溶质进行分离的过程。应用:美国最早用于将航天员的尿液回收为纯水。美国最早用于将航天员的尿液回收为纯水。医学医学界还以反渗透法的技术用来界还以反渗透法的技术用来洗肾洗肾洗肾洗肾（血液透析）。工业上已应用（血液透析）。工业上已应用于海水脱盐，超纯水制备，从发酵液中分离溶剂等。于海水脱盐，超纯水制备，从发酵液中分离溶剂
14、等。特点：不需添加任何杀菌剂和化学物质，故不会发不需添加任何杀菌剂和化学物质，故不会发生化学相变。生化学相变。现在学习的是第16页，共25页示意图 现在学习的是第17页，共25页 Vivaflow 50 Vivaflow 50 回旋流回旋流/切向流超滤器切向流超滤器 VivaspinVivaspin系列系列超滤浓缩离心管超滤浓缩离心管25mm25mm可换膜针头式滤器可换膜针头式滤器（玻璃杯式）溶剂过滤器（玻璃杯式）溶剂过滤器四、设备简介：四、设备简介：现在学习的是第18页，共25页QuixStandQuixStand中空纤维柱系统中空纤维柱系统PelliconPellicon超滤系统超滤系统
15、不锈钢圆筒式正压滤器不锈钢圆筒式正压滤器0.1m0.1m2 2 陶瓷膜实验设备陶瓷膜实验设备现在学习的是第19页，共25页五、膜分离技术特点高效的分离过程高效的分离过程高效的分离过程高效的分离过程 低能耗低能耗低能耗低能耗接近室温的工作温度接近室温的工作温度接近室温的工作温度接近室温的工作温度 纯物理过程，品质稳定性好纯物理过程，品质稳定性好纯物理过程，品质稳定性好纯物理过程，品质稳定性好 连续化操作连续化操作连续化操作连续化操作 灵活性强灵活性强灵活性强灵活性强 环保，无污染环保，无污染环保，无污染环保，无污染投资少投资少投资少投资少现在学习的是第20页，共25页分离技术对比比较点传统技术膜
16、分离技术耗能多少分离效果较差好成本高/低首次投资高维护费用低举例筛分、离心、沉淀、过滤、筛分、离心、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、吸附、离子交蒸馏、结晶、吸附、离子交换换等MF、UF、NF、RO等现在学习的是第21页，共25页六、问题与展望膜材料研究薄弱，不少原材料需要进口膜组件性能低，品种少膜组件性能低，品种少膜技术种类少，当前膜多为化学制剂，易造成二次污膜技术种类少，当前膜多为化学制剂，易造成二次污染染产业规模小，应用领域窄产业规模小，应用领域窄技术成果产业化转化过程缓慢技术成果产业化转化过程缓慢现在学习的是第22页，共25页研究新的膜材料，开发研究新的聚合膜材料。，开发研究新的聚合膜材料。研究
17、开发新的成膜工艺新的成膜工艺，进一步制备超薄、高度均匀、，进一步制备超薄、高度均匀、无缺陷的非对称膜。无缺陷的非对称膜。将新兴的将新兴的膜分离技术膜分离技术与传统的与传统的工艺技术工艺技术有机的结合起来，有机的结合起来，不断将膜技术的研究成果不断将膜技术的研究成果从实验室推向产业化应用。从实验室推向产业化应用。将将无机膜无机膜的发展推向前。无机膜耐酸、碱、有机溶剂，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物污染能力强，在以后的发展过程中，研究无机膜的新材料、新工艺将是必然之趋势。现在学习的是第23页，共25页参考资料:俞俊棠，等俞俊棠，等.新编生物工艺学（下册）新编生物工艺学（下册）.北京北京:化学工业出版社，化学工业出版社，20032003，6 6（1 1）严希康编著严希康编著.俞俊棠主审俞俊棠主审.生化分离工程生化分离工程.北京北京:化学工业出版社，化学工业出版社，20012001，2 2（1 1） www.geno- 现在学习的是第24页，共25页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第25页，共25页