第九章膜分離技術(shù)

1、第九章第九章 膜分離膜分離p了解膜分離的基本原理、各自膜分離的分離機能和傳遞特了解膜分離的基本原理、各自膜分離的分離機能和傳遞特性；性；p了解膜種類、材料及膜組件的構(gòu)成；了解膜種類、材料及膜組件的構(gòu)成；p掌握膜的結(jié)構(gòu)特性以及膜分離過程中濃差極化與膜污染的掌握膜的結(jié)構(gòu)特性以及膜分離過程中濃差極化與膜污染的消除方法；消除方法；p重點掌握各種膜技術(shù)應用的場合與特點及影響膜透過通量重點掌握各種膜技術(shù)應用的場合與特點及影響膜透過通量的因素。的因素。本章重點和難點本章重點和難點第九章第九章 膜分離膜分離第一節(jié)第一節(jié) 膜分離技術(shù)概述膜分離技術(shù)概述膜分離法膜分離法傳質(zhì)推動力傳質(zhì)推動力分離原理分離原理應用舉例應

2、用舉例微濾（微濾（MF） 壓差壓差（0.050.5MPa）篩分篩分除菌，回收菌，分離病毒除菌，回收菌，分離病毒超濾（超濾（UF）壓差壓差（0.11.0MPa）篩分篩分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮縮反滲透（反滲透（RO）壓差壓差（1.010MPa）篩分、溶解篩分、溶解-擴散擴散鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造造透析（透析（DS）濃差濃差篩分篩分脫鹽、除變性劑脫鹽、除變性劑電滲析（電滲析（ED）電位差電位差荷電、篩分荷電、篩分脫鹽，氨基酸和有機酸分離脫鹽，氨基酸和有機酸分離納濾（納濾（NF）壓差（壓差（0.51.5MPa）溶解溶解-擴散、擴散

3、、Donnan效效應應氨基酸和多價離子的回收和濃縮氨基酸和多價離子的回收和濃縮滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)（PV）壓差、溫差壓差、溫差溶質(zhì)與膜的親和作用溶質(zhì)與膜的親和作用有機溶劑與水的分離，乙醇分離有機溶劑與水的分離，乙醇分離氣體分離氣體分離(GS)濃度差濃度差氣體與膜的親和作用氣體與膜的親和作用氣調(diào)保鮮氣調(diào)保鮮一、按膜的孔徑、傳質(zhì)動力和傳遞機理一、按膜的孔徑、傳質(zhì)動力和傳遞機理二、按動力本質(zhì)分類二、按動力本質(zhì)分類v以靜壓力差為推動力的過程以靜壓力差為推動力的過程微濾微濾（Microfiltration, MF) )超濾超濾（Ultrafiltration, UF）反滲透反滲透（Reverse osmos

4、is, RO) )納濾納濾（Nanofiltration, NF) )v以蒸汽分壓為推動力的過程以蒸汽分壓為推動力的過程膜蒸餾膜蒸餾（Membrane distillation, MD) )滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)（Pervaporation, PV）v以濃度差為推動力的過程以濃度差為推動力的過程滲析滲析（Dialysis, D) )v以電位差為推動力的過程以電位差為推動力的過程電滲析電滲析（Electrodialysis, ED) )三、膜的分離范圍三、膜的分離范圍 四、常見物質(zhì)的相對分子尺寸四、常見物質(zhì)的相對分子尺寸截留相對分子質(zhì)量截留相對分子質(zhì)量10,000100,000的中空纖維超濾膜的微孔直

5、徑為的中空纖維超濾膜的微孔直徑為1.65nm常見物質(zhì)常見物質(zhì)相對尺寸相對尺寸（nm）常見物質(zhì)常見物質(zhì)相對尺寸相對尺寸（nm）常見物質(zhì)常見物質(zhì) 相對尺寸（相對尺寸（nm）糖類糖類0.82.5血紅細胞血紅細胞500010,000花粉花粉10,000100,000炭黑炭黑10100蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)10300面粉面粉1000100,000病毒病毒10100膠體硅粒子膠體硅粒子820金屬離子金屬離子0.20.7細菌細菌30010,000漆顏料漆顏料1005000氯離子氯離子0.18酵母細胞酵母細胞100050,000水溶性鹽水溶性鹽0.31.2五、膜的分類示意圖五、膜的分類示意圖第二節(jié)第二節(jié) 膜及其膜組件膜

6、及其膜組件用半透膜作為選擇障礙層，利用膜用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動力量差作為推動力允許某些組分透過而保留混允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達到分離目的的技術(shù)。合物中其它組分，從而達到分離目的的技術(shù)。一、膜的要求一、膜的要求 膜分離技術(shù)主要依靠推動力和分離膜，其中分離膜分離技術(shù)主要依靠推動力和分離膜，其中分離膜更是膜分離技術(shù)的核心。衡量標準如下：膜更是膜分離技術(shù)的核心。衡量標準如下： 高的高的分離系數(shù)分離系數(shù)和和滲透系數(shù)滲透系數(shù)； 足夠的足夠的機械強度和柔韌性機械強度和柔韌性，同時又要求，

7、同時又要求過濾阻力小過濾阻力小； 適用的適用的pH和溫度范圍廣和溫度范圍廣；較強的；較強的抗物理、化學和微生物侵蝕抗物理、化學和微生物侵蝕的的性能；性能；耐高溫滅菌，耐酸堿清洗劑耐高溫滅菌，耐酸堿清洗劑，穩(wěn)定性高，適用壽命長；，穩(wěn)定性高，適用壽命長； 通過清洗，通過清洗，恢復通過性能好恢復通過性能好； 制備方便，成本合理，便于工業(yè)化生產(chǎn)。制備方便，成本合理，便于工業(yè)化生產(chǎn)。二、膜的材料二、膜的材料1. 1. 膜材料的分類膜材料的分類類 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

8、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2. 2. 常用膜材料常用膜材料天然高分子材料天然高分子材料p種類：種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維（AC）、硝酸纖維和再生醋酸纖維p優(yōu)點優(yōu)點：醋酸纖維的阻鹽能力最強醋酸纖維的阻鹽能力最強，有一定的親水性，透過速度大。常用于反滲透膜常用于反滲透膜，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。p缺點缺點：醋酸纖維膜最高使用溫度和最高使用溫度和pH范圍有限，在范圍有限，在4550 C，pH46。p耐耐pH 范圍為范圍為211的芳香聚酰胺成為反滲透膜的

9、主要材料，幾乎全部替代了醋酸纖維材料幾乎全部替代了醋酸纖維材料。不過，其最大的缺點就是耐氯離子能力差。合成高分子材料合成高分子材料 聚砜（聚砜（PS）p優(yōu)點：耐高溫(70 80C， 最高可達125C)，pH113，耐氯能力強，可調(diào)節(jié)的孔徑寬(1 20nm)； 常用于超濾膜；多用于水質(zhì)較好的處理過程（如純水制備）、血液透析、氣體分離等領(lǐng)域 。p缺點：聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5 1.0MPa。 聚乙烯（聚乙烯（PE）p 聚乙烯是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子，也是應用最廣泛的高分子材料。它是由重復的CH2單元連接而成的。p 聚乙烯無臭，無毒，具有優(yōu)良的耐低溫性能聚乙烯無臭，無毒，具有優(yōu)良的耐低溫性能(最低

10、最低使用溫度可達使用溫度可達-70-100)，化學穩(wěn)定性好，能耐，化學穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿（鹽酸、檸檬酸等）的侵蝕。大多數(shù)酸堿（鹽酸、檸檬酸等）的侵蝕。p 耐氧化性能差，不耐氧化劑和具有氧化性質(zhì)的酸。常溫下可耐受一般溶劑（醇、烴等）；耐熱老化性差。聚丙?。猃埦郾。猃圥P）p 聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)為典型的主體規(guī)整結(jié)構(gòu)，為結(jié)晶聚合物，其相對分子質(zhì)量為10萬50萬。密度：0.9 0.91g/cm3；成型收縮率:1.0 % 2.5% ；成型溫度：160220 p 聚丙烯的特點：強度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓強度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯，可在聚乙烯，可在100左右使用左右使用，具有良好

11、的電性能和高頻絕緣性不受濕度影響，但低溫時變脆、不耐磨、易低溫時變脆、不耐磨、易老化，可耐一般的酸堿和化學溶劑，耐氧化劑性能差老化，可耐一般的酸堿和化學溶劑，耐氧化劑性能差。聚氯乙稀（聚氯乙?。≒VC）p 聚氯乙?。≒VC）是產(chǎn)量最大的三大合成樹脂之一，是一種非結(jié)晶態(tài)的熱塑性塑料，沒有明顯的熔點，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在80左右，常溫條件下韌性較差。p PVC可耐甲醇、乙醇、乙二醇、醇類、醋酸等，不耐可耐甲醇、乙醇、乙二醇、醇類、醋酸等，不耐丙酮、環(huán)己酮、硝基苯等有機溶劑丙酮、環(huán)己酮、硝基苯等有機溶劑。p PVC耐氧化性能與聚乙烯（耐氧化性能與聚乙烯（PE）接近）接近，在氧化物存在條件下，易發(fā)生部分分

12、解。同時，PVC分子中含有氯分子中含有氯元素，在長期使用過程中會發(fā)生析出，影響過濾水質(zhì)元素，在長期使用過程中會發(fā)生析出，影響過濾水質(zhì)。聚醚砜聚醚砜(PES) p 聚醚砜具有出色的熱性能和較強的氧化穩(wěn)定性具有出色的熱性能和較強的氧化穩(wěn)定性。p 聚醚砜連續(xù)使用溫度為180，聚醚砜耐應力開裂，不溶于極性溶劑如酮類和一些含鹵碳氫化合物。p 耐水解，耐大多數(shù)酸、堿、脂類碳氫化合物、醇、油耐水解，耐大多數(shù)酸、堿、脂類碳氫化合物、醇、油及脂類。及脂類。p 可以通過對其相對分子質(zhì)量的控制或添加各種增強材料、各種纖維，以提高聚合物的性能。p 該樹脂滿足美國該樹脂滿足美國FDA要求可使用于與食品接觸的制件要求可使

13、用于與食品接觸的制件。p 優(yōu)點：優(yōu)點： pH耐受范圍寬，可以達到210； 易加工成型，可制成多孔徑的膜，從1nm 0.2m； 耐多數(shù)化學溶劑性能較好。但不耐芳烴、酮、醚、酯等。p 缺點：缺點： 耐壓性能不好耐壓性能不好，平板膜低于7bar。聚砜中空纖維膜低于1.7bar。 疏水性疏水性，易于污堵。 耐氧化性較耐氧化性較PS強，但長期或者高濃度的氧化性清洗劑會強，但長期或者高濃度的氧化性清洗劑會對膜材料造成一定的破壞。對膜材料造成一定的破壞。聚偏氟乙烯（聚偏氟乙烯（PVDF） p 長期使用溫度范圍為長期使用溫度范圍為40150。p PVDF材料材料耐熱性、化學穩(wěn)定性、耐輻射性、物理機械耐熱性、化

14、學穩(wěn)定性、耐輻射性、物理機械性能良好。性能良好。p 它的突出優(yōu)點是它的突出優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好化學穩(wěn)定性好，在室溫下不易被酸、堿、，在室溫下不易被酸、堿、強氧化劑和鹵素所腐蝕，脂肪烴、醇、醛、酮等有機溶強氧化劑和鹵素所腐蝕，脂肪烴、醇、醛、酮等有機溶劑對它也無影響。劑對它也無影響。p PVDF的一個重要特點是的一個重要特點是韌性高韌性高，拉伸強度為，拉伸強度為500kg/cm2，沖擊強度和耐磨性沖擊強度和耐磨性能也都較好。能也都較好。p 同時它還具有極好的耐氣候性，在波長為同時它還具有極好的耐氣候性，在波長為200400nm的的紫外線下照射一年，其性能基本不變。紫外線下照射一年，其性能基本不變。

15、PVDF分離膜，已成功地應用于化工、電子、紡織、分離膜，已成功地應用于化工、電子、紡織、食品、生化等領(lǐng)域。食品、生化等領(lǐng)域。p 優(yōu)點：優(yōu)點： pH耐受范圍寬，可以達到耐受范圍寬，可以達到113甚至更寬；甚至更寬； 抗氧化能力極強抗氧化能力極強，可經(jīng)受苛刻的氧化清洗條件；，可經(jīng)受苛刻的氧化清洗條件； 可耐烴類、酯類、醇類、醚類等絕大多數(shù)化學溶劑；可耐烴類、酯類、醇類、醚類等絕大多數(shù)化學溶劑； 耐生物降解；耐生物降解； 與聚醚砜類似，與聚醚砜類似，PVDF的也是的也是疏水性疏水性，可以經(jīng)過多種方，可以經(jīng)過多種方式進行親水改性。式進行親水改性。改性后其親水性可以達到相當令人改性后其親水性可以達到相當

16、令人滿意的程度。滿意的程度。 常用合成高分子膜材料比較常用合成高分子膜材料比較 超濾用于地表水、工業(yè)水處理或反滲透預處理時，超濾用于地表水、工業(yè)水處理或反滲透預處理時，對于材質(zhì)的關(guān)心主要集中在兩個方面：對于材質(zhì)的關(guān)心主要集中在兩個方面： 首先是化學穩(wěn)定性，其次是親水性首先是化學穩(wěn)定性，其次是親水性。p化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性決定了材料在酸堿、氧化劑、微生物等的決定了材料在酸堿、氧化劑、微生物等的作用下的壽命，還直接關(guān)系到清洗可以采取的方法；作用下的壽命，還直接關(guān)系到清洗可以采取的方法；p親水性親水性則決定了膜材料對水中有機污染物的吸附程度，則決定了膜材料對水中有機污染物的吸附程度，直接影響膜的通量

17、。直接影響膜的通量。膜材料特性膜材料特性 由于地表水、市政污水、各種工業(yè)污水中多含有較由于地表水、市政污水、各種工業(yè)污水中多含有較多的藻類、細菌等微生物，必須考慮在膜系統(tǒng)中加入多的藻類、細菌等微生物，必須考慮在膜系統(tǒng)中加入次次氯酸鈉、二氧化氯、雙氧水等殺菌劑，以抑制微生物生氯酸鈉、二氧化氯、雙氧水等殺菌劑，以抑制微生物生長繁殖；長繁殖；p微生物和有機污染微生物和有機污染往往是造成膜污染的往往是造成膜污染的主要原因主要原因，氧氧化劑清洗化劑清洗是膜通量恢復的有效手段，是膜通量恢復的有效手段，p膜材料的耐氧化劑性能顯得尤為重要。膜材料的耐氧化劑性能顯得尤為重要。p與與PE、PAN、PES等膜材料相

18、比，等膜材料相比，PVDF膜材料具有膜材料具有優(yōu)良的耐氧化劑性能，其耐氧化劑（耐余氯可達優(yōu)良的耐氧化劑性能，其耐氧化劑（耐余氯可達4.8mg/(kgh)的能力是的能力是PES等材料的等材料的10倍以上。倍以上。膜材料污染源膜材料污染源p PVDF材料與材料與PES等材料相比，其耐受氧化劑清洗的能等材料相比，其耐受氧化劑清洗的能力更強。因而便于清洗，污堵后經(jīng)過清洗可以能夠更好的力更強。因而便于清洗，污堵后經(jīng)過清洗可以能夠更好的恢復性能并長期保持通量穩(wěn)定?；謴托阅懿㈤L期保持通量穩(wěn)定。p 對于常見的酸堿化學試劑的耐受能力依次為對于常見的酸堿化學試劑的耐受能力依次為PVDFPESPVCPEPPPS。p

19、 對于常見的氧化劑的耐受能力依次為對于常見的氧化劑的耐受能力依次為PVDFPESPVCPEPPPS。p 對于常見的有機溶劑的耐受能力依次為對于常見的有機溶劑的耐受能力依次為PVDFPESPVCPEPPPS。膜材料穩(wěn)定性比較膜材料穩(wěn)定性比較化學穩(wěn)定性的比較化學穩(wěn)定性的比較親水性比較親水性比較膜材料接觸角纖維素1245聚醚砜4481聚丙烯108聚砜3881PDVF3066不同公司超濾膜材料的接觸角數(shù)據(jù)注：不同產(chǎn)品，不同人測試結(jié)果差異較大。有些膜材料可能經(jīng)過親水改性。親水性親水性/非親水性膜的比較非親水性膜的比較非親水性膜非親水性膜膠體膠體油油蛋白蛋白膠體膠體油油蛋白蛋白雜質(zhì)在膜表面狀態(tài)雜質(zhì)在膜表面

20、狀態(tài): :附著附著膠體膠體油油蛋白蛋白過濾過濾反洗反洗親水性膜親水性膜膠體膠體油油蛋白蛋白膠體膠體油油蛋白蛋白雜質(zhì)在膜表面狀態(tài)雜質(zhì)在膜表面狀態(tài): :聚結(jié)成聚結(jié)成球狀球狀反洗反洗膠體膠體油油蛋白蛋白過濾過濾 無機材料無機材料p 種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前有孔徑種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前有孔徑 0.1um微濾膜和截留微濾膜和截留1萬相對分子質(zhì)量的超濾膜，其中萬相對分子質(zhì)量的超濾膜，其中以陶瓷以陶瓷 材料的微濾膜最常用。材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、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，膜厚方向上不對稱氧化鋯和鈦等陶瓷微

21、粒燒結(jié)而成，膜厚方向上不對稱p 優(yōu)點：機械強度高、耐高溫、耐化學試劑和有機溶劑。優(yōu)點：機械強度高、耐高溫、耐化學試劑和有機溶劑。p 缺點：不易加工，造價高。缺點：不易加工，造價高。復合材料復合材料p種類：如將含水種類：如將含水金屬氧化物金屬氧化物（氧化鋯）等（氧化鋯）等膠體微粒膠體微?；蚓郾┧峄蚓郾┧岬瘸恋碓谔沾晒艿亩嗫战橘|(zhì)表面形成膜，等沉淀在陶瓷管的多空介質(zhì)表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。其中沉淀層起篩分作用。p優(yōu)點：優(yōu)點：此膜的通透性大，通過改變此膜的通透性大，通過改變pH值容易形成和值容易形成和去除沉淀層，清洗容易。去除沉淀層，清洗容易。p缺點：缺點：穩(wěn)定性差穩(wěn)定性差。三、膜的性能

22、三、膜的性能 膜的分離透過性包括分離效率、滲透通量和通量分離效率、滲透通量和通量衰減系數(shù)衰減系數(shù)三個方面：1 . 分離效率分離效率式中：cb、cp、cm分別為料液、透過液、膜表面上溶質(zhì)的濃度，濃度單位為kg/m3。pb1cRc m0b1cRc 2. 滲透通量滲透通量 用單位時間內(nèi)通過單位膜面積的透過量表示。單位為kg/m2 s 。mJJ03 .通量衰減系數(shù)通量衰減系數(shù) 由于濃差極化、膜壓實及膜污染等原因，膜的滲透通量將隨時間的延長而減少。滲透通量與時間的關(guān)系可以用下式來表示： 式中：J0為初始時刻的滲透通量；J為時間的滲透通量；m為衰減系數(shù)。四、膜的結(jié)構(gòu)特性四、膜的結(jié)構(gòu)特性1 . 膜的孔道結(jié)構(gòu)

23、膜的孔道結(jié)構(gòu)按膜的結(jié)構(gòu)分為：按膜的結(jié)構(gòu)分為： 對稱膜對稱膜(Symmetric Membrane) 非對稱膜非對稱膜(Asymmetric Membrane) 復合膜復合膜(Composite Membrane)均質(zhì)膜非對稱性膜微孔對稱性膜常見膜結(jié)構(gòu)常見膜結(jié)構(gòu)鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜掃描電鏡圖表面表面 SEM橫切面橫切面 SEM過濾器類型過濾器類型: Pall Filtron Omega 系列系列 300 K2. 膜的孔道分布膜的孔道分布 膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾和微濾膜的孔徑、膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾和微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過孔徑分布和孔隙

24、率可通過電子顯微鏡直徑觀察電子顯微鏡直徑觀察。 孔徑分布 圖9-20 Millipore公司PTGC超濾膜的孔徑分布102030402468101214相對分布/%優(yōu)質(zhì)超濾膜的表征優(yōu)質(zhì)超濾膜的表征 孔分布窄（如圖中紅線），沒孔分布窄（如圖中紅線），沒有大孔缺陷（如圖中陰影部分）有大孔缺陷（如圖中陰影部分）p A：為質(zhì)量好的超濾膜；：為質(zhì)量好的超濾膜；p B：為質(zhì)量差的超濾膜實際應：為質(zhì)量差的超濾膜實際應用中的。用中的。 具體表現(xiàn)具體表現(xiàn)p A：膜形成表面污染，透量易：膜形成表面污染，透量易恢復；恢復；p B：膜易形成孔污染，透量不：膜易形成孔污染，透量不易恢復。易恢復。p A：膜透量衰減的慢；

25、：膜透量衰減的慢；p B：膜衰減的快。：膜衰減的快?？追植伎追植糀B50,000150,0000.2m 孔徑孔徑3. 水通量水通量 p 膜的另外一個特性是其純水的透過通量，統(tǒng)稱水通量。膜的另外一個特性是其純水的透過通量，統(tǒng)稱水通量。水通量是在一定條件下（一般壓力為水通量是在一定條件下（一般壓力為0.1MPa，溫度為，溫度為20）單位時間透過膜的純水量。）單位時間透過膜的純水量。p 影響膜的水通量因素有：影響膜的水通量因素有：1.膜污染膜污染2.膜孔徑（膜孔徑（MF膜）膜）或截留相對分子質(zhì)量（或截留相對分子質(zhì)量（UF膜）膜）3.膜材料透膜壓差膜材料透膜壓差4.不不同生產(chǎn)廠商同生產(chǎn)廠商水通量：大量

26、的實驗證明，膜孔徑越大，通量下降速度越快，大孔徑微濾膜的穩(wěn)定通量比小孔徑小，有時候甚至微濾通量比超濾膜還要小。 SDI:超濾膜也要比微濾膜要好的多，如下圖所示，隨著運行時間的延長，超濾后的水質(zhì)SDI（污染指數(shù)）指數(shù)均低壓微濾，這說明了超濾后的水質(zhì)在運行過程中均要好于微濾的水質(zhì)。4. 膜組件膜組件(1) 管式膜組件管式膜組件p 管式膜是將膜固定在管式膜是將膜固定在內(nèi)徑內(nèi)徑1025mm，長約長約3m的圓管狀的圓管狀多孔支撐體（支撐體的結(jié)構(gòu)一般為多孔的不銹鋼、陶多孔支撐體（支撐體的結(jié)構(gòu)一般為多孔的不銹鋼、陶瓷或塑料罐）上，瓷或塑料罐）上，1020根管式膜并聯(lián)，管式膜直徑通根管式膜并聯(lián)，管式膜直徑通常

27、為常為624mm，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)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。成管式膜組件。 (2 )中空纖維（毛細管）式膜組件中空纖維（毛細管）式膜組件 p 中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)萬根中空纖維膜固定在圓管形容器內(nèi)萬根中空纖維膜固定在圓管形容器內(nèi)構(gòu)成構(gòu)成，其最大的特點就是有，其最大的特點就是有極高的膜極高的膜填充密度。填充密度。p 嚴格地講，嚴格地講，內(nèi)徑為內(nèi)徑為4080m的膜稱為的膜稱為中空纖維膜中空纖維膜，而，而內(nèi)徑為內(nèi)徑為0.252.5mm的的膜稱為毛細管膜。膜稱為毛細管膜。p 由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故由于兩種膜組件

28、的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。膜組件。p 毛細管膜的耐壓能力在毛細管膜的耐壓能力在1.0MPa以下以下，主要用于超濾和微濾；主要用于超濾和微濾；中空纖維膜的中空纖維膜的耐壓能力較高，常用于反滲透耐壓能力較高，常用于反滲透。 中空纖維式膜組件(3)板框式膜組件板框式膜組件 p 平板膜組件與平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機相似板式換熱器或加壓葉濾機相似，由，由多枚多枚圓形或長方形平板膜以圓形或長方形平板膜以1mm左右的間隔重疊加工而成，左右的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾液流動膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或濾液流動。平板膜組

29、件。平板膜組件比管式膜組件比管式膜組件比表面積大很多比表面積大很多。 (4) 螺旋卷繞式膜組件螺旋卷繞式膜組件 p 在卷繞式膜組件中，一個（或者多個）膜袋與由塑料在卷繞式膜組件中，一個（或者多個）膜袋與由塑料制成的隔網(wǎng)配套，按制成的隔網(wǎng)配套，按螺旋形式圍著滲透物收集管卷繞螺旋形式圍著滲透物收集管卷繞。膜袋是由兩層膜構(gòu)成的，膜袋是由兩層膜構(gòu)成的，每兩層膜之間設(shè)有多孔的塑每兩層膜之間設(shè)有多孔的塑料網(wǎng)狀織物（滲透物隔網(wǎng)）料網(wǎng)狀織物（滲透物隔網(wǎng)）。p 膜袋有三面是封閉的，第四面膜袋有三面是封閉的，第四面(即敞開的那一面即敞開的那一面)接到帶接到帶有孔的滲透物收集管上。原料溶液從端面進入，按軸有孔的滲透

30、物收集管上。原料溶液從端面進入，按軸向流過膜組件，而滲透物在多孔支撐層中按向流過膜組件，而滲透物在多孔支撐層中按螺旋形式螺旋形式流進收集管流進收集管。 第三節(jié)第三節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)p 利用具有一定利用具有一定孔徑大小孔徑大小、高分子溶質(zhì)高分子溶質(zhì)不能透過不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩和其他小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，同，在濃差的作用下在濃差的作用下，高分子溶液中，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（例如無機鹽）透向純的小分子溶質(zhì)（例如無機鹽）透向純水或緩沖液的一側(cè)，另外一側(cè)中

31、的水水或緩沖液的一側(cè)，另外一側(cè)中的水透向高分子溶液的一側(cè)，這就是透析。透向高分子溶液的一側(cè)，這就是透析。p 透析與滲透最大的不同點在于透析與滲透最大的不同點在于，透析透析除了水分子可以通過以外，小分子物除了水分子可以通過以外，小分子物質(zhì)如無機鹽等也可以通過質(zhì)如無機鹽等也可以通過，然而，然而滲透滲透僅僅只有水分子能通過，小分子物質(zhì)僅僅只有水分子能通過，小分子物質(zhì)如離子等都會被截留。如離子等都會被截留。1. 透析透析(1)透析的原理透析的原理 mol/ ( m2s) 其中，其中，k0為包括膜內(nèi)擴散和膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力在內(nèi)為包括膜內(nèi)擴散和膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力在內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)，與操作的溫度、膜材

32、料及溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。的總傳質(zhì)系數(shù)，與操作的溫度、膜材料及溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。 c1和和c2分別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度。分別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度。 增加傳遞速率的方法：增加傳遞速率的方法： 適當?shù)奶岣邷囟葋碓黾觽髻|(zhì)系數(shù)；適當?shù)奶岣邷囟葋碓黾觽髻|(zhì)系數(shù)； 更換透析液，目的是降低更換透析液，目的是降低c2的濃度；的濃度； 比表面積較大的中空纖維透析裝置比表面積較大的中空纖維透析裝置。)(210ccSkN(2)透析的傳遞透析的傳遞(3)透析的應用透析的應用 目前透析法在臨床上常用于目前透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透腎衰竭患者的血液透析析。在生物分離方面，主要用于。在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫

33、生物大分子溶液的脫鹽鹽。如在蛋白質(zhì)的提取中，往往會用到鹽析法。如在蛋白質(zhì)的提取中，往往會用到鹽析法 。 常用的半透膜是常用的半透膜是玻璃紙或稱賽璐玢紙、火棉紙和玻璃紙或稱賽璐玢紙、火棉紙和其他改型的纖維素材料其他改型的纖維素材料。 圖9-7 透析裝置522. 超濾、微濾超濾、微濾PKpdJ1232 這個式子最重要的特征是這個式子最重要的特征是J與與P成正比，成正比，J與與1/成正比。成正比。其中的比例常數(shù)只由膜的特性決定，可以用水做實驗測定。其中的比例常數(shù)只由膜的特性決定，可以用水做實驗測定。 滲透通量與壓差幾乎滲透通量與壓差幾乎成正比，與上式較吻成正比，與上式較吻合，然而流速對通量合，然而流

34、速對通量幾乎無影響，說明濃幾乎無影響，說明濃差極化的影響很小。差極化的影響很小。(1)超濾、微濾的傳遞超濾、微濾的傳遞 【例例1】 對對XM100A超濾膜進行測定，測定其平均孔徑為超濾膜進行測定，測定其平均孔徑為1.7510-8m，每平方厘米上有孔，每平方厘米上有孔3109個，皮層厚個，皮層厚0.2m。試估。試估算膜的開孔率及在算膜的開孔率及在100kPa壓差、壓差、20下的水通量。下的水通量。 解：膜的開孔率水通量2982343.14 3 10(1.75 10 )7.21 1044 1 10ndS 28 23553263(1.75 10 )7.21 101 103.45 10 m /(m s

35、)3232 0.2 101 10dpJ (2) 超濾截留相對分子質(zhì)量超濾截留相對分子質(zhì)量p通過測定相對分子質(zhì)量不同的球形蛋白質(zhì)或水溶性聚合物得截留率，可獲得膜的截留率與溶質(zhì)相對分子質(zhì)量之間關(guān)系的曲線，即截留曲線。p一般將在截留曲線上截留率為一般將在截留曲線上截留率為0.90（90%）的溶質(zhì)相對分子質(zhì)量定義為膜）的溶質(zhì)相對分子質(zhì)量定義為膜的截留相對分子質(zhì)量（的截留相對分子質(zhì)量（MWCO）。）。p在理想的情況下，超濾膜的截留曲線應為通過橫坐標MWCO的一條垂直線，相對分子質(zhì)量小于MWCO的溶質(zhì)截留率為0，大于MWCO的溶質(zhì)截留率為1。但實際上，膜孔徑均有但實際上，膜孔徑均有一定的分布范圍，孔徑分布

36、范圍較小則截留一定的分布范圍，孔徑分布范圍較小則截留曲線較陡直，反之則斜坦。曲線較陡直，反之則斜坦。截留率R0.9 在選擇超濾膜濃縮時，最為重要的選擇就是對超濾膜截留相對分子質(zhì)量（MWCO）的選擇，應以下兩個因素：膜相對分子質(zhì)量的選擇曲線；使用一段時間后（一年左右），膜孔開始變大，分選曲線向右漂移情況。 膜MWCO選擇的常用因素如下： X=欲濃縮物質(zhì)平均相對分子質(zhì)量欲濃縮物質(zhì)平均相對分子質(zhì)量/濾膜截留相對分子質(zhì)量濾膜截留相對分子質(zhì)量 X一般取36，當處理物流價值很高時，即希望100%回收時，應盡量選用X=6。 【例例2】對白蛋白回收用濾膜對白蛋白回收用濾膜MWCO選擇時，白蛋白平均相對分子質(zhì)量

37、為選擇時，白蛋白平均相對分子質(zhì)量為67000道爾頓，取道爾頓，取X=6，則膜，則膜MWCO=67000/6=10000道爾頓，所以目前世界上道爾頓，所以目前世界上大部分著名的白蛋白生產(chǎn)廠家，如大部分著名的白蛋白生產(chǎn)廠家，如Baxter、Armour、Miles等選用等選用Pall公司的超公司的超濾膜，所選用的濾膜，所選用的MWCO=10000道爾頓。道爾頓。56蛋白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超濾膜超濾膜P P出出背壓閥背壓閥(3)(3)超濾的應用超濾的應用：P P進進透出液透出液截留液截留液 當溶液體系經(jīng)由水泵進入超濾器時，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)當溶液體系經(jīng)由水泵進入超濾器時，在濾器

38、內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其他小相對分子質(zhì)量溶質(zhì)透過具有不對稱微生分離，溶劑（水）和其他小相對分子質(zhì)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、細菌、膠體孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。等）被濾膜阻留，從而達到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。當系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力小時，膜片在當系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力小時，膜片在彈簧彈力的作用下堵塞管路；當系統(tǒng)彈簧彈力的作用下堵塞管路；當系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力大時，膜片壓縮彈簧，壓力比設(shè)定壓力大時，膜片壓縮彈簧，管路接通管路接通 外壓式： 主要針對雜質(zhì)較多的流體。

39、內(nèi)壓式： 方便清洗、控制3. 反滲透反滲透(1)反滲透的基本原理反滲透的基本原理滲透與反滲透 RO膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其透過機理尚不十分清楚。目前有優(yōu)先吸附、毛細管流動理論和溶解-擴散理論，其中以溶解-擴散模型最為簡單實用。 (2)反滲透的傳遞反滲透的傳遞 wwww()()D c VJPAPRT 式中：式中： A溶劑透過系數(shù)，它只與膜的特性和溫度有關(guān)。溶劑透過系數(shù)，它只與膜的特性和溫度有關(guān)。這個公式中的（這個公式中的（P-）可視作為有效壓差。）可視作為有效壓差。 溶質(zhì)的質(zhì)量流量：溶質(zhì)的質(zhì)量流量： 式中：式中：B為溶質(zhì)的擴散系數(shù)，為溶質(zhì)的擴散系數(shù)，B只與溶質(zhì)的性質(zhì)、膜材料只與溶質(zhì)的性質(zhì)、膜

40、材料的性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與壓力的相關(guān)性不大。的性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與壓力的相關(guān)性不大。c2為為膜兩側(cè)溶液中溶質(zhì)的濃度差。膜兩側(cè)溶液中溶質(zhì)的濃度差。溶劑的質(zhì)量流量：溶劑的質(zhì)量流量：s22pw()JB ccJAP 溶質(zhì)的濃度比：溶質(zhì)的濃度比： 因此，提高反滲透操作壓力有利于實現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮因此，提高反滲透操作壓力有利于實現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮 s122()JB ccB c Js和和Jw的關(guān)系可以由穩(wěn)定時溶質(zhì)的物料衡算得到。由滲透過膜的關(guān)系可以由穩(wěn)定時溶質(zhì)的物料衡算得到。由滲透過膜的滲透液（溶液）體積相等作為衡算的基準，即假設(shè)單位時間、單的滲透液（溶液）體積相等作為衡算的基準，即假設(shè)單位時間、單位面積

41、上流過的滲透體積量位面積上流過的滲透體積量(m3)相等：相等：式中：式中：V為透過液體積，為透過液體積，Cw2 為溶劑在透過液中的濃度為溶劑在透過液中的濃度(kg/m3)。如果透過液較稀，如果透過液較稀，Cw2 近似為溶劑的密度，特別是對于分離率近似為溶劑的密度，特別是對于分離率較高較高(R0.9)的膜，的膜，Cw2 更接近于溶劑的密度。更接近于溶劑的密度。sw2w2JJVcC2sww2cJJc212w2()()cB ccAPc221w211()ccAPcBcc )(1)(112PFPFccR 其中，F(xiàn)的單位為Pa-1，可由實驗測定。R值越大，反滲透對溶劑和溶質(zhì)的分離效果越好。令：w2AFBc

42、 【例例9-2】反滲透實驗中，原液為25的NaCl水溶液，濃度為3.5kg/m3，密度為999.5kg/m3，滲透壓為280kPa，反滲透壓差為3.0MPa。所得透過液密度為997kg/m3，滲透壓為8.10kPa。滲透率常數(shù)A=3.510-9kg/（Pam2s），B=2.510-7m/s。求水和NaCl透過膜的速率，溶質(zhì)分離率和透過液的濃度。解：溶劑水的透過膜速率)(1)(112PFPFccRA=3.510-9kg/（Pam2s）；p=3.0106Pa=0.281060.0081106=0.272106 PaJw=3.510-9（3.0-0.272）106=9.548 10-3kg/ (m2

43、s) 溶質(zhì)的分離率Cw2=997kg/m3(透過液密度)w()JAP 974. 0)(1)(112PFPFccR974. 0112ccR透過液的濃度已知： c1=3.5 kg/m3c2=0.091kg/m3溶質(zhì)的透過速率c2=(c1-c2)=3.409 kg/m35-1w21.4 10 PaAFBc772s22.5103.4098.5210kg / (ms)JBcss2()JB ccB c 一是操作的一是操作的pH，所控制，所控制的范圍為的范圍為3.010.0，最佳，最佳使用的使用的pH范圍為范圍為6.57.0； 二是操作時自由二是操作時自由氯含量氯含量，必須控制在必須控制在0.1mg/kg以

44、下以下，以延長膜的使用周期；以延長膜的使用周期； 三是進水溫度，一般不三是進水溫度，一般不能超過能超過50，最佳進水，最佳進水溫度為溫度為2025。 (3) 反滲透的應用反滲透的應用 反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點比較反滲透、超濾和微孔過濾技術(shù)的原理和操作特點比較分離技術(shù)類分離技術(shù)類型型反滲透反滲透超濾超濾微孔過濾微孔過濾膜的形式膜的形式表面致密的非對稱膜、復表面致密的非對稱膜、復合膜等合膜等非對稱膜，表面有非對稱膜，表面有微孔微孔微孔膜微孔膜膜材料膜材料纖維素、聚酰胺、纖維素、聚酰胺、PVDF等等聚丙烯腈、聚砜、聚丙烯腈、聚砜、 PVDF等等纖維素、纖維素、PVC等等操作壓力操作

45、壓力 /MPa210010.2分離的物質(zhì)分離的物質(zhì)相對分子質(zhì)量小于相對分子質(zhì)量小于500的的小分子物質(zhì)小分子物質(zhì)相對分子質(zhì)量大于相對分子質(zhì)量大于500的大分子和細小的大分子和細小膠體微粒膠體微粒0.110m的粒的粒子子分離機理分離機理非簡單篩分，膜的物化性非簡單篩分，膜的物化性能對分離起主要作用能對分離起主要作用篩分，膜的物化性篩分，膜的物化性能對分離起一定作能對分離起一定作用用篩分，膜的物篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對分離理結(jié)構(gòu)對分離起決定作用起決定作用水的滲透通水的滲透通量量 /m3/(m2d)520200 4. 電滲析電滲析 (1) 電滲析原理電滲析原理p 電滲

46、析是基于離子交換膜對陰陽離子的選擇型，在直電滲析是基于離子交換膜對陰陽離子的選擇型，在直流電場得作用下使陰陽離子分別透過相應的膜以達到流電場得作用下使陰陽離子分別透過相應的膜以達到分離的目的的一種分離方法。分離的目的的一種分離方法。p 電滲析的兩個基本條件：一是直流電的電勢差；二是電滲析的兩個基本條件：一是直流電的電勢差；二是具有選擇性透過的離子交換膜。具有選擇性透過的離子交換膜。 p 電滲析裝置電滲析裝置p基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)p 電滲析中的電化學過程電滲析中的電化學過程v電滲析的推動力電位差電極反應膜電位電阻電流+-222-1+-21HO = H+ O H ; 2 O H-2 e=O+ HO21

47、C l-e=C l ; H+ C l = H C l2+-+22+-H +OH =H O; 2H +2e=HNa +OH =NaOH陽極陰極5. 滲透汽化滲透汽化p 滲透汽化的原理是在滲透汽化膜（疏水膜）的一側(cè)通滲透汽化的原理是在滲透汽化膜（疏水膜）的一側(cè)通入料液，另外一側(cè)（透過側(cè)）抽真空或通入惰性氣體，入料液，另外一側(cè)（透過側(cè)）抽真空或通入惰性氣體，使兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中使兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通過膜，在透過側(cè)發(fā)生汽化，的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通過膜，在透過側(cè)發(fā)生汽化，汽化的溶質(zhì)被膜裝置內(nèi)外設(shè)置的冷凝器回收。汽化的溶質(zhì)被膜裝置內(nèi)外

48、設(shè)置的冷凝器回收。 1、控溫裝置（水浴循環(huán)，37）2、加料槽 3、電動攪拌器 4、發(fā)酵罐 5、恒流泵 6、轉(zhuǎn)子流量計 7、滲透汽化膜組件 8、冷凝器 9、干燥器和緩沖罐 10、真空計 11、油泵 乙醇發(fā)酵與滲透汽化在硅橡膠膜生物反應器中的耦合強化 6. 氣體分離氣體分離 氣體分離膜又稱為氣體分離膜又稱為致密膜致密膜，其結(jié)構(gòu)較為致密。，其結(jié)構(gòu)較為致密。 其分離原理與滲透汽化原理相似，兩者都是采用致密其分離原理與滲透汽化原理相似，兩者都是采用致密膜，無明顯的孔隙。對組分的分離都是利用其選擇透膜，無明顯的孔隙。對組分的分離都是利用其選擇透過性的不同而進行分離的。過性的不同而進行分離的。 氣體分離的特

49、點是分離系數(shù)較高，但滲透系數(shù)較低。氣體分離的特點是分離系數(shù)較高，但滲透系數(shù)較低。制膜的材料主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸制膜的材料主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸發(fā)，目前在食品工業(yè)中，主要用于氣調(diào)保鮮。發(fā)，目前在食品工業(yè)中，主要用于氣調(diào)保鮮。第四節(jié)第四節(jié) 影響膜透過通量的因素影響膜透過通量的因素p 傳統(tǒng)的過濾操作主要用濾布為過濾介質(zhì)，采用傳統(tǒng)的過濾操作主要用濾布為過濾介質(zhì)，采用終端過濾終端過濾(Dead-end filtration)形式回收或除去懸浮物，料液流向與形式回收或除去懸浮物，料液流向與膜面膜面垂直垂直，膜表面的，膜表面的濾餅阻力大，透過通量很低濾餅阻力大，透過通量很低

50、。p 目前的超濾和微濾操作主要采用圖所示的目前的超濾和微濾操作主要采用圖所示的錯流過濾錯流過濾(Crossflow filtration，CFF)形式。錯流過濾操作中，料形式。錯流過濾操作中，料液的流動方向與膜面平行，液的流動方向與膜面平行，流動的剪切作用可大大減輕濃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度極化現(xiàn)象或凝膠層厚度，使透過通量維持在較高水平。1. 操作形式操作形式 2. 流速流速 p 已有很多經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式描述傳質(zhì)系數(shù)與流速的關(guān)系，傳已有很多經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式描述傳質(zhì)系數(shù)與流速的關(guān)系，傳質(zhì)系數(shù)隨流速的增大而提高。因此，流速增大，透過質(zhì)系數(shù)隨流速的增大而提高。因此，流速增大，透