《膜分离技术及机理说课讲解.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《膜分离技术及机理说课讲解.ppt（59页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、膜分离技术及机理一、扩散渗析（一、扩散渗析（diffusion dialysis）1 1、渗析：把水溶液中溶剂透过半透膜而溶质被截、渗析：把水溶液中溶剂透过半透膜而溶质被截留的现象称为渗析。留的现象称为渗析。半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。半透膜：起渗析作用的薄膜，对溶质具有选择性。半透膜的发展：半透膜的发展：动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸；动物的膀胱膜、肠膜、羊皮纸；离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜离子交换膜：阳离子交换膜、阴离子交换膜 2 2、扩散渗析的原理扩散渗析的原理 利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动力来实现利用离子交换膜的选择透过性，以浓度差为推动力来实现酸与
2、盐或者碱与酸的分离。酸与盐或者碱与酸的分离。扩散渗析回收酸原理示意图扩散渗析回收酸原理示意图(1)原液室；原液室；(2)回收液室；回收液室；A 阴离子交换膜阴离子交换膜残液残液/渗析液渗析液H2O回收液回收液/扩散液扩散液废酸液废酸液A（2）（1）H+H+SO42-H+H+SO42-Fe2+SO42-v 扩散渗析法回收酸的原理扩散渗析法回收酸的原理 3 3、优缺点：、优缺点：优点：能耗小，设备结构简单，操作方便，优点：能耗小，设备结构简单，操作方便，不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需不需要对膜进行酸碱再生，分离过程中不需要加入其它化学药剂。要加入其它化学药剂。缺点渗析速度慢，分离效率低。缺
3、点渗析速度慢，分离效率低。4 4、应用：、应用：在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有是血液渗析法（又称为人工肾），此外还有人工肺。人工肺。在工业方面的应用在工业方面的应用从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液中回收硝酸等；中回收硝酸等；从化工厂人造丝浆压液中回收从化工厂人造丝浆压液中回收NaOHNaOH二、电渗析（二、电渗析（electrodialysis，简称，简称ED）1 1 1 1电渗析的基本原理电渗析的基本原理电渗析的基本原理电渗析的基本原理 电渗析是在直流电场的
4、作用下，以电位电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。一种膜过程。正极正极 阴离子交换膜阴离子交换膜 负极负极+固定离子固定离子Cl-Na+-电渗析分离原理示意图电渗析分离原理示意图72 2离子交换膜离子交换
5、膜v离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，含离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合阳膜、阴膜、复合膜膜等等。v阳膜阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。并使其通过。v阴膜阴膜(anion exchange membran
6、e)含有阴离子交换基含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。子并使其通过。v复合膜复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。的网布做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。低，膜两侧相应的离子进入膜中。离子交换膜和
7、离子交换树脂的区别：离子交换膜和离子交换树脂的区别：作用机理作用机理使用方法使用方法树脂树脂 离子间交换离子间交换 RSO3H+选择互换作用选择互换作用 Na+H+解吸后须再生，并恢解吸后须再生，并恢复成原来的离子型式，复成原来的离子型式，才能继续使用。才能继续使用。膜膜选择透过作用，选择透过作用，RSO3Na+膜上反离子是膜上反离子是 H2O 什么，无关紧什么，无关紧 Na+Na+要要，主主要要是是骨骨 Cl 架的电荷作用。架的电荷作用。可连续使用，可连续使用，是透过，不是交是透过，不是交换。换。电渗析应用电渗析应用u工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处
8、理u生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱盐和分离纯化。盐和分离纯化。三、反渗透三、反渗透（RO）Reverse Osmosis 利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，留离子物质性质，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现对液体混合物进行分离的过程。使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。操作压差一般为操作压差一般为1.510.5MPa，截留组分为小分子物质。截留组分为小分子物质。v反渗透孔径很小，对分子量反渗
9、透孔径很小，对分子量300300的电解质、非电解质都可有效的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量在的除去，其中分子量在100100300300之间的去除率为之间的去除率为9090以上。还以上。还可去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病可去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒等。已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮毒等。已广泛用于海水或苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用蒸馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。用蒸馏水、太空水的生产，还应用于生物、医学工程。v特点特点常温条件下，可以对溶质和水进行分离或浓缩，因而能耗低；常温条件下，可以对溶质和
10、水进行分离或浓缩，因而能耗低；杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质；杂质去除范围广，可去除无机盐和各类有机物杂质；较高的水回用率；较高的水回用率；分离装置简单，容易操作和维修。分离装置简单，容易操作和维修。v 应用范围应用范围海水和苦咸水脱盐制饮用水；海水和苦咸水脱盐制饮用水；太太空空水水、纯纯净净水水、蒸蒸馏馏水水、医医药药、化化学学工工业业中中所需的超纯水等制备；所需的超纯水等制备；用用于于造造纸纸、电电镀镀、印印染染等等行行业业用用水水及及重重金金属属废水处理。废水处理。用用于于浓浓缩缩过过程程，不不会会破破坏坏生生物物活活性性，不不会会改改变变风风味味、香香味味。包包括括：食食
11、品品工工业业中中果果汁汁、糖糖、咖咖啡啡的的浓浓缩缩；电电镀镀和和印印染染工工业业中中废废水水的的浓浓缩缩；奶品工业中牛奶的浓缩。奶品工业中牛奶的浓缩。2 2、反渗透的原理、反渗透的原理渗透和反渗透原理示意图渗透和反渗透原理示意图半透膜半透膜开始时两边液开始时两边液面相面相同同由于浓度差存在，半透膜由于浓度差存在，半透膜又不允许溶质通过，所以又不允许溶质通过，所以水透过膜，使浓水一边液水透过膜，使浓水一边液面升高，产生渗透压面升高，产生渗透压在浓水边加压，当压力在浓水边加压，当压力超过渗透压时，则水透超过渗透压时，则水透过半透膜，即反渗透，过半透膜，即反渗透，实现净化过程。实现净化过程。一种只
12、能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。当把溶剂和溶液当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜分别置于此膜 的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或或 从低浓度溶液向高浓度溶液从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透。一侧流动，这种现象叫做渗透。此时单位面积上的推动力称为该溶液的渗透压此时单位面积上的推动力称为该溶液的渗透压 。=icRT 或 =n/VRT 若在溶液的液面上再施加一个大于若在溶液的液面上再施加一个大于 的压力的压力P P时，溶剂时，
13、溶剂将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就将与原来的渗透方向相反，开始从溶液向溶剂一侧流动，这就是所谓的是所谓的反渗透。反渗透。式中：式中：c c为溶液的摩尔浓度；为溶液的摩尔浓度；i i 为溶质分子电离生成的离子数；为溶质分子电离生成的离子数；是溶液的渗透压（是溶液的渗透压（kPakPa）；）；V V是溶液的体积（是溶液的体积（dmdm3 3)；n n是溶质是溶质的物质的量；的物质的量；R R是摩尔气体常数；是摩尔气体常数；T T为绝对温度。为绝对温度。3 3反渗透膜及其透过机理反渗透膜及其透过机理（1 1）反渗透膜的性能要求）反渗透膜的性能要求v选择性好，单位膜面积上透水量
14、大，脱盐率高；选择性好，单位膜面积上透水量大，脱盐率高；v机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；机械强度好，能抗压、抗拉、耐磨；v热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生热和化学的稳定性好，能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；物侵蚀，耐水解、辐射和氧化；v结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。结构均匀一致，尽可能地薄，寿命长，成本低。（2 2）反渗透膜的分类）反渗透膜的分类v按成膜材料按成膜材料可分为可分为有机膜有机膜和和无机高聚物膜无机高聚物膜；v按膜的形状按膜的形状可分为可分为平板状平板状、管状管状、中空纤维状中空纤维状膜；膜；v按膜结构按膜结构可分为多孔性和致密性膜，或可分为多
15、孔性和致密性膜，或对称牲对称牲(均匀性均匀性)和和不对称性不对称性(各向异性各向异性)结构膜；结构膜；v按应用对象按应用对象可分为海水淡化用的可分为海水淡化用的海水膜海水膜、咸水、咸水淡化用的淡化用的咸水膜咸水膜及用于及用于废水处理废水处理、分离提纯分离提纯等等的膜。的膜。1 1）氢键理论）氢键理论v该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点该理论认为，水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。形成氢键及断开氢键的过程。v即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点即在高压作用下，溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的缔合，原活化点上的结合水
16、解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。结合水。v水分子通过一连串的缔合解离过程，依次从一个水分子通过一连串的缔合解离过程，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进活化点转移到下一个活化点，直至离开表皮层，进入多孔层。入多孔层。（3 3）反渗透的分离机理）反渗透的分离机理2)2)优先吸附毛细管流理论优先吸附毛细管流理论v该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质，它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。特性。v当水溶液同
17、膜接触时，膜表面优先吸附水分子，当水溶液同膜接触时，膜表面优先吸附水分子，在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，其在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层，其厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分厚度视界面性质而异，或为单分子层或为多分子层。子层。v在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管在外压作用下，界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。流连续地透过膜。3 3）溶解）溶解-扩散机理扩散机理 溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂溶剂与溶质透膜的机理是由于溶剂与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差与溶质在膜中的溶解，然后在化学位差的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行的推动力下，从膜的一侧向另一侧进行扩散，
18、直至透过膜。扩散，直至透过膜。优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型压力压力主体溶主体溶液液界面界面水水 在膜表面处的流动在膜表面处的流动如果毛细孔直径恰等于如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐大程度的脱盐。四、超滤（四、超滤（Ultrafiltration)Ultrafiltration)是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质是以压力为推动力，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。其截断分子量一进行分
19、离的物理筛分过程。其截断分子量一 般为般为60006000到到 5050万，孔径为几十万，孔径为几十nmnm，操作压，操作压0.2-0.6MPa0.2-0.6MPa。1 1、超滤与反渗透的异同、超滤与反渗透的异同v超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用超过滤简称超滤，它同反渗透一样，都是利用膜来分离废水中溶解的物质。膜来分离废水中溶解的物质。两种方法的共同点在于：两种方法的共同点在于：v两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压两种过程的动力同是溶液的压力，在溶液的压力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被力下，溶剂的分子通过薄膜，而溶解的物质被阻滞在膜表面上。阻滞在膜表面上。两者区别在于：两
20、者区别在于：两者区别在于：两者区别在于：（1 1）膜膜不不同同：超超过过滤滤所所用用的的膜膜(超超滤滤膜膜)较较疏疏松松，透透水水量量大大，除除盐盐率率低低，一一般般用用超超过过滤滤分分离离高高分分子子和和低低分分子子有有机机物物以以及及无无机机离离子子等等，能能够够分分离离的的溶溶质质分分子子至至少少要要比比溶溶剂剂的的分分子子大大1010倍倍，在在这这种种系系统统中中渗透压已经不起作用了。渗透压已经不起作用了。v反反渗渗透透所所用用的的膜膜 (反反渗渗透透膜膜)致致密密，透透水水量量低低，除除盐盐率率高高，具具有有选选择择透透过过能能力力，用用以以分分离离分分子子大大小小大致相同的溶剂和溶
21、质，大致相同的溶剂和溶质，（2 2）机理不同：）机理不同：超过滤的去除机理主要是筛滤超过滤的去除机理主要是筛滤作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、作用。在反渗透膜上分离过程伴随有半透膜、溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。溶解物质和溶剂之间复杂的物理化学作用。（3 3）工作压力不同：）工作压力不同：超过滤的工作压力低超过滤的工作压力低(0.07(0.070.7MPa)0.7MPa)。反渗透反渗透所需的工作压力高所需的工作压力高(大于大于2.8MPa)2.8MPa)。v超滤装置与反渗透装置类似，目前我国试验研超滤装置与反渗透装置类似，目前我国试验研究及生产中普遍用管式装置。究及生产中普遍用
22、管式装置。2、超滤的原理、超滤的原理 超滤又称为超过滤，通过膜表面的微孔结构对物质进超滤又称为超过滤，通过膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离。当液体混合物在一定压力下流经膜表行选择性分离。当液体混合物在一定压力下流经膜表面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子面时，小分子溶质透过膜（称为超滤液），而大分子物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为物质则被截留，使原液中大分子浓度逐渐提高（称为浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化浓缩液），从而实现大、小分子的分离、浓缩、净化的目的。的目的。用于去除废水中大分子物质和微粒（分子量用于去除废水中大分子物质和微粒（分子量50050
23、0）。）。超滤截留大分子物质的超滤截留大分子物质的机理机理是：是：膜表面的孔径膜表面的孔径机械筛分机械筛分作用；作用；膜孔阻塞、阻滞作用；膜孔阻塞、阻滞作用；膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。进口料液透过膜的溶液超滤膜出口溶液被截留物质透过膜的物质超过滤原理示意图超过滤原理示意图3 3超滤膜及膜组件超滤膜及膜组件 超滤膜超滤膜一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超一般用于制备反渗透膜的材料也可用于制备超滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。滤膜，只是制膜液的组分配比和成膜工艺不同。超滤膜有多种，最常用的是：超滤膜有多种，最常用的是：醋酸纤维素膜、醋酸纤维素膜、聚
24、砜膜。聚砜膜。超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤超滤膜组件：有板式、管式、卷式和中空纤维式四种。维式四种。4 4超滤的基本工艺流程超滤的基本工艺流程 重过滤操作重过滤操作：常用于小分子和大分子的分离。：常用于小分子和大分子的分离。间歇操作间歇操作：常用于小规模生产。从保证膜透过：常用于小规模生产。从保证膜透过通量来看，这种方式效率最高，因为膜始终可保通量来看，这种方式效率最高，因为膜始终可保证在最佳浓度范围内进行操作。在低浓度时，可证在最佳浓度范围内进行操作。在低浓度时，可得到很高的膜透过通量。得到很高的膜透过通量。连续操作连续操作：常用于大规模生产。由于需要分离：常用于大规模生产。由于需
25、要分离物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量物料的生产量常比控制浓差极化所需的最小流量还小，因此运行时采用部分循环方式，而且循环还小，因此运行时采用部分循环方式，而且循环量常比料液量大得多。量常比料液量大得多。蛋白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超滤膜超滤膜 P出出背压阀背压阀超滤过程示意图：超滤过程示意图：P进进透出液透出液截留液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白
26、质、病毒、细菌、胶结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。5 5、超滤的特点及应用领域、超滤的特点及应用领域v 特特 点点 分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能分离过程在常温和较低压力的条件下进行，能耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、耗低，不需加热，不需加药即可达到分离、浓缩、分离、纯化分级的目的。分离、纯化分级的目的。装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于装置结构简单，占地面积小，附属设备少，易于扩容和增加组件。扩容和增加组件。装置操作简单，启动快，易于
27、维护，容易控制。装置操作简单，启动快，易于维护，容易控制。v应用领域应用领域应用领域应用领域 工业废水的处理工业废水的处理 城市污水处理城市污水处理 饮用水的生产饮用水的生产 蛋白质的过滤、回收蛋白质的过滤、回收 果汁的澄清果汁的澄清 食用油精练食用油精练 医药产品的除菌医药产品的除菌 激素的提取激素的提取 酒类酿制酒类酿制 电泳涂漆废水中涂料的回收电泳涂漆废水中涂料的回收 可用超滤处理的工业废水可用超滤处理的工业废水：电泳涂漆废水电泳涂漆废水含油废水含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油清洗废水等）洗废水等）摄影显影液废水摄影显影液废水
28、造纸工业废水造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色废水等）水等）纺织工业废水纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、涤纶纤维油剂废水等）纶纤维油剂废水等）光学玻璃研磨排水光学玻璃研磨排水放射性废水放射性废水食品工业废水，食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。回收蛋白质、淀粉等。五、微五、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，利用筛分原理使不溶性粒子（筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um0.1-10um）得以分离的）得以分离的操作。操作压力操作。操
29、作压力0.05-0.5MPa0.05-0.5MPa。v微滤应用微滤应用1)1)1)1)除去水除去水除去水除去水/溶液中的细菌和其它微粒；溶液中的细菌和其它微粒；溶液中的细菌和其它微粒；溶液中的细菌和其它微粒；2)2)2)2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；种溶液中的菌体；种溶液中的菌体；种溶液中的菌体；3)3)3)3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、除去饮料、
30、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。微生物和异味杂质。微生物和异味杂质。微生物和异味杂质。六、六、透透 析析v利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）分子溶质（如无机盐）透过膜向透过膜向水水透透渗透，这就渗透，这就是透析。是透析。v透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩
31、散的透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。形式移动。38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39透析法的应用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、还原剂之类的小分子杂质，的小分子杂质，u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。u由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不由于透析过程以浓差为传质推动力，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
32、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。40七、纳滤七、纳滤Z纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。而来的。Z膜组器于膜组器于8080年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。衍化而来。Z纳滤纳滤 (NF(NF，Nanofiltration)Nanofiltration)是一种
33、介于反渗透和超是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。滤之间的压力驱动膜分离过程。Z纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为围约为 MWCO300MWCO3001000 1000，能截留透过超滤膜的那部，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水分有机小分子，透过无机盐和水。纳滤膜的特点纳滤膜的特点u纳滤膜的纳滤膜的截留率大于截留率大于95%95%的最小分子约为的最小分子约为nm,nm,故称故称之为纳滤膜。之为纳滤膜。u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，即膜的表面分离层和它的支撑层
34、的化学组成不同。其表面分离层由层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚合电解质构成。聚合电解质构成。u能透过一价无机盐，能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低渗透压远比反渗透低，故操作，故操作压力很低。压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用比用RORO膜低膜低0.50.53 MPa3 MPa，因此纳滤又被称作，因此纳滤又被称作“低压低压反渗透反渗透”或或“疏松反渗透疏松反渗透”(Loose RO)(Loose RO)。1.1.筛分：筛分：对对Na+Na+和和Cl-Cl-等单价离子的截留率较低，等单价离子的截留率较低，但对但对CaCa2+2+、Mg
35、Mg2+2+、SOSO4 42-2-截留率高，对色素、染料、截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（00-00-10001000）物质可进行分级分离，实现高相对分子）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，量和低相对分子量有机物的分离，2.2.道南（道南（DonnanDonnan）效应：）效应：纳滤膜本体带有纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子具有较高的截留率。电荷性，对相同电荷的分子具有较高的截留率。特点：特点：u低压力下仍具有较高脱盐性能；低压力下仍具有较高脱盐性能；u分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子分离分子量
36、相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。（短肽、氨基酸、抗生素）。纳米膜的分离机理纳米膜的分离机理纳滤膜分离机理示意图纳滤膜分离机理示意图(纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在在DonnanDonnan效应，广泛应用于制药、食品等行业中。效应，广泛应用于制药、食品等行业中。(同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在要对低浓度的二价离子和分子量在500500到数千的溶质进行到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。截留时
37、，选择纳滤比使用反渗透经济。(应用：应用：（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；（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类的分离；）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4 4）盐与其对应酸的分离。）盐与其对应酸的分离。纳滤的应用纳滤的应用纳滤的应用纳滤的应用行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业制药工业母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化
38、、回收电镀液中铜的回收电镀液中铜的回收食品工业食品工业脱盐与浓缩脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备水的脱盐、高纯水、水的脱盐、高纯水、地下水的净化地下水的净化染料工业染料工业活性染料的脱盐与回收活性染料的脱盐与回收废水处理废水处理印染厂废水脱色印染厂废水脱色造纸厂废水净化造纸厂废水净化纳滤应用纳滤应用v螺旋霉素的提取：螺旋霉素的提取：vSPMSPM发酵滤液发酵滤液微滤和超滤（去除蛋白质等大分子）微滤和超滤（去除蛋白质等大分子）纳纳 滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和水，滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和水，浓缩浓缩SPMSPM。v 操作条件：进料流量操作条件：进料流量55L/h55
39、L/h；操作压力；操作压力1.5MPa1.5MPa。结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；膜的透过通量可高达膜的透过通量可高达30L/h30L/h；浓缩倍数和得率高。；浓缩倍数和得率高。几种膜分离技术的分离范围几种膜分离技术的分离范围八、渗透蒸发八、渗透蒸发v渗透蒸发原理渗透蒸发原理v它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的的亲合力不同（料液侧为疏水膜）亲合力不同（料液侧为疏水膜），而有选择，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度扩散速度不同，在
40、不同，在膜两侧分压差膜两侧分压差的作用下达到的作用下达到分离分离的目的。的目的。渗透蒸发原理示意图渗透蒸发原理示意图渗透蒸发膜混合液渗透蒸发膜混合液疏水膜疏水膜抽真空抽真空特点：特点：u不存在蒸馏法中的共沸点的限制，适合共沸点和不存在蒸馏法中的共沸点的限制，适合共沸点和挥发相差小的双组分分离。挥发相差小的双组分分离。u与反渗透相比，渗透蒸发透过侧组分以气体形式与反渗透相比，渗透蒸发透过侧组分以气体形式存在，消除了渗透压的作用，可在低压下进行，存在，消除了渗透压的作用，可在低压下进行，适合高浓度混合物的分离。适合高浓度混合物的分离。渗透应用：渗透应用：有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离，低醇
41、有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离，低醇酒生产。酒生产。渗透蒸发特点及应用渗透蒸发特点及应用传统的研究中，膜分离和亲和分离是传统的研究中，膜分离和亲和分离是2 2个平行发展个平行发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离速度快，可连续操作，但选择性低；而亲和分离速度快，可连续操作，但选择性低；而亲和分离的选择性和特异性较强，但不宜放大。的选择性和特异性较强，但不宜放大。由膜与亲和分离
42、相结合的亲和膜分离技术，可发由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离技术，可发挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于放大等显著优点。放大等显著优点。九、膜亲和过滤技术九、膜亲和过滤技术膜亲和过滤法膜亲和过滤法包括两种情况：包括两种情况：1.1.将亲和配基（与产物具特异亲和力）将亲和配基（与产物具特异亲和力）与膜化学结与膜化学结合，制得亲和膜，合，制得亲和膜，膜过滤时，产物与膜孔壁上的配基膜过滤时，产物与膜孔壁上的配基结合被截留，未结合的杂质透过，膜经洗涤后在适宜结合被截留，未结合的杂质透过，膜经洗涤后在适宜的条件下洗脱，使复合物解离，产物透过膜，达到分的条
43、件下洗脱，使复合物解离，产物透过膜，达到分离和浓缩目的。离和浓缩目的。2.2.将产物结合到亲和载体（具特异亲和能力的高分将产物结合到亲和载体（具特异亲和能力的高分子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子复合物，子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子复合物，在合适孔径的膜上被截留，未结合的杂质透过，然后在合适孔径的膜上被截留，未结合的杂质透过，然后再将产物从聚合物上洗脱下来，透过膜，而亲和载体再将产物从聚合物上洗脱下来，透过膜，而亲和载体被截留循环使用。被截留循环使用。亲和膜的作用机理亲和膜的作用机理亲亲和和膜膜亲和膜分离亲和膜分离v亲和超滤过程分离目标物的同时，浓缩其他成分亲和超滤过程分离目
44、标物的同时，浓缩其他成分亲和超滤过程分离目标物的同时，浓缩其他成分亲和超滤过程分离目标物的同时，浓缩其他成分55水溶性亲和聚合物：水溶性亲和聚合物：含含m m氨基苯甲脒的亲和聚合物，是胰蛋氨基苯甲脒的亲和聚合物，是胰蛋白酶的强抑制剂。该亲和聚合物分子量白酶的强抑制剂。该亲和聚合物分子量1010万，以万，以N N丙烯酰丙烯酰m m氨基苯甲脒（即氨基苯甲脒（即m mABAB）为单体，加丙烯酰胺在一定条件下）为单体，加丙烯酰胺在一定条件下聚合而得。聚合而得。亲和聚合物与胰蛋白酶结合：亲和聚合物与胰蛋白酶结合：胰蛋白酶胰蛋白酶(含胰凝乳蛋白酶含胰凝乳蛋白酶)溶溶液置于液置于TrisTris缓冲液缓冲液
45、(含含10mM CaCl2)10mM CaCl2)中，加入聚合物溶液，保温中，加入聚合物溶液，保温2hr2hr。超滤：超滤：用截断分子量用截断分子量1010万的万的milliporemillipore膜，透析过滤法超滤，膜，透析过滤法超滤，保持超滤系统体积不变，胰蛋白酶与亲和聚合物结合物为大分保持超滤系统体积不变，胰蛋白酶与亲和聚合物结合物为大分子被截留在膜上，胰凝乳蛋白酶不与聚合物结合，为小分子，子被截留在膜上，胰凝乳蛋白酶不与聚合物结合，为小分子，透过膜。超滤透过膜。超滤3hr3hr后测得：后测得：例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：白酶的分离：洗脱
46、：洗脱：用用L L精氨酸作洗脱剂，它是胰蛋白酶底物的竞争精氨酸作洗脱剂，它是胰蛋白酶底物的竞争性抑制剂。将含胰蛋白酶的聚合物溶液用透析过滤法超滤，性抑制剂。将含胰蛋白酶的聚合物溶液用透析过滤法超滤，以与超滤相等的速度加入洗脱剂溶液，胰蛋白酶从聚合物上以与超滤相等的速度加入洗脱剂溶液，胰蛋白酶从聚合物上被洗脱分解后，即透过膜流出，达到纯化。被洗脱分解后，即透过膜流出，达到纯化。解离后的高分子聚合物纯化，然后反复使用。解离后的高分子聚合物纯化，然后反复使用。保留液酶活保留液酶活 透过液酶活透过液酶活 胰蛋白酶胰蛋白酶 9090 1010 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 2 2 9595 过程过程膜结构膜
47、结构驱动力驱动力应用对象应用对象实实 例例微滤微滤对称微孔膜对称微孔膜0.0510m压力差压力差消毒、澄清收消毒、澄清收集细胞集细胞培养悬浮液除菌，产品消培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集毒，细胞收集超滤超滤不对称微孔膜不对称微孔膜0nm压力差压力差大分子物质分大分子物质分离离蛋白质的分离蛋白质的分离/浓缩浓缩/纯化纯化/脱盐脱盐/去热源去热源纳滤纳滤复合膜复合膜1nm 压力差压力差Donna效应效应小分子物质分小分子物质分离离糖糖/二价盐二价盐/游离酸的分离游离酸的分离反渗透反渗透 致密膜、复合致密膜、复合膜膜1nm压力差压力差小分子物质浓小分子物质浓缩缩单价盐单价盐/非游离酸的分离非游离酸
48、的分离透析透析对称的或不对对称的或不对称的膜称的膜浓度差浓度差小分子有机物小分子有机物/无机离子无机离子除小分子有机物或无机离除小分子有机物或无机离子子电渗析电渗析 离子交换膜离子交换膜电位差电位差离子脱除、氨离子脱除、氨基酸分离基酸分离海水淡化，纯水制备，生海水淡化，纯水制备，生产工艺用水产工艺用水渗透蒸渗透蒸发发致密膜致密膜气压差气压差小分子有机物小分子有机物与水的分离与水的分离醇醇/乙酸与水分离，有机乙酸与水分离，有机液体混合物分离（如脂烃液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等与芳烃的分离等几种膜分离技术的适用范围几种膜分离技术的适用范围此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢