2023學(xué)年完整公開課版膜分離過(guò)程

藥物分離純化技術(shù)課程第4課時(shí)-第5章節(jié)

5.3.1膜分離過(guò)程第4課時(shí)-第5章節(jié)大綱1.微孔過(guò)濾2.超濾技術(shù)3.反滲透技術(shù)4.納濾技術(shù)（NF）5.透析6.電滲析7.滲透蒸發(fā)技術(shù)第4課時(shí)-第5章節(jié)膜分離過(guò)程的類型

分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過(guò)或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等。物質(zhì)的分離是通過(guò)膜的選擇性透過(guò)實(shí)現(xiàn)的。第4課時(shí)-第5章節(jié)幾種主要分離膜的分離過(guò)程膜過(guò)程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過(guò)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(guò)截留分子量的分子非對(duì)稱性膜納濾壓力差離子大小及電荷水、一價(jià)離子、多價(jià)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(duì)稱性膜復(fù)合膜第4課時(shí)-第5章節(jié)續(xù)上表膜過(guò)程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過(guò)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(duì)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)，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(duì)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(duì)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、支撐液膜第4課時(shí)-第5章節(jié)一、微孔過(guò)濾1.微濾膜特點(diǎn)

以多孔薄膜為過(guò)濾介質(zhì)，壓力差為推動(dòng)力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分離的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)為：

①

孔徑均勻，過(guò)濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；

②

孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過(guò)濾速度較常規(guī)過(guò)濾介質(zhì)快幾十倍；

③無(wú)吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之間，因而吸附量很少，可忽略不計(jì)。

④無(wú)介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過(guò)濾時(shí)沒(méi)有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。第4課時(shí)-第5章節(jié)微孔膜的缺點(diǎn)：

①顆粒容量較小，易被堵塞；

②使用時(shí)必須有前道過(guò)濾的配合，否則無(wú)法正常工作。第4課時(shí)-第5章節(jié)2.微孔過(guò)濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）微粒（0.45um）和細(xì)菌(0.22um)的過(guò)濾。水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過(guò)濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。（2）微粒和細(xì)菌的檢測(cè)。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)菌含量的測(cè)定。第4課時(shí)-第5章節(jié)二、超濾技術(shù)1.超濾和超濾膜的特點(diǎn)

以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對(duì)液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過(guò)程。其截?cái)喾肿恿恳话銥?000到50萬(wàn)，孔徑為幾十nm，操作壓0.1-1MPa。

第4課時(shí)-第5章節(jié)第4課時(shí)-第5章節(jié)第4課時(shí)-第5章節(jié)

超濾技術(shù)的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過(guò)膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。超濾膜均為不對(duì)稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。第4課時(shí)-第5章節(jié)

超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細(xì)孔孔徑一般小于10nm；中間的過(guò)渡層，具有大于10nm的細(xì)孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過(guò)度層。制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。第4課時(shí)-第5章節(jié)

第4課時(shí)-第5章節(jié)2.超濾膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域超濾膜的應(yīng)用十分廣泛，在作為反滲透預(yù)處理、飲用水制備、制藥、色素提取、陽(yáng)極電泳漆和陰極電泳漆的生產(chǎn)、電子工業(yè)高純水的制備、工業(yè)廢水的處理等眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。（1）純水的制備。超濾技術(shù)廣泛用于水中的細(xì)菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業(yè)超凈水和醫(yī)用無(wú)菌水等。（2）食品工業(yè)中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術(shù)可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。第4課時(shí)-第5章節(jié)（2）汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物質(zhì)），用超濾裝置可分離出清水重復(fù)用于清洗，同時(shí)又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。第4課時(shí)-第5章節(jié)（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應(yīng)用超濾技術(shù)可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質(zhì)，使果汁和酒在凈化處理的同時(shí)保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。（5）在醫(yī)藥和生化工業(yè)中用于處理熱敏性物質(zhì)，分離濃縮生物活性物質(zhì)，從生物中提取藥物等。（6）造紙廠的廢水處理。第4課時(shí)-第5章節(jié)超濾膜截留分子量的確定第4課時(shí)-第5章節(jié)中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)單內(nèi)皮層雙皮層第4課時(shí)-第5章節(jié)超濾膜裝置第4課時(shí)-第5章節(jié)三、反滲透技術(shù)1.反滲透原理及反滲透膜的特點(diǎn)圖4滲透與反滲透原理示意圖第4課時(shí)-第5章節(jié)如果用一張只能透過(guò)水而不能透過(guò)溶質(zhì)的半透膜將兩種不同濃度的水溶液隔開，水會(huì)自然地透過(guò)半透膜滲透從低濃度水溶液向高濃度水溶液一側(cè)遷移，這一現(xiàn)象稱滲透（圖a）。隨著水的滲透，高濃度水溶液一側(cè)的液面升高，壓力增大。當(dāng)液面升高至H時(shí)，滲透達(dá)到平衡，兩側(cè)的壓力差就稱為滲透壓（圖b）。滲透過(guò)程達(dá)到平衡后，水不再有滲透，滲透通量為零。第4課時(shí)-第5章節(jié)

如果在高濃度水溶液一側(cè)加壓，使高濃度水溶液側(cè)與低濃度水溶液側(cè)的壓差大于滲透壓，則高濃度水溶液中的水將通過(guò)半透膜流向低濃度水溶液側(cè)，這一過(guò)程就稱為反滲透（圖c）。第4課時(shí)-第5章節(jié)

所分離的物質(zhì)的分子量一般小于500，操作壓力為1～10MPa。反滲透膜大部分為不對(duì)稱膜，孔徑小于0.5nm第4課時(shí)-第5章節(jié)2.反滲透與超濾、微孔過(guò)濾的比較反滲透、超濾和微孔過(guò)濾都是以壓力差為推動(dòng)力使溶劑通過(guò)膜的分離過(guò)程，它們組成了分離溶液中的離子、分子到固體微粒的三級(jí)膜分離過(guò)程。第4課時(shí)-第5章節(jié)表3反滲透、超濾和微孔過(guò)濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較分離技術(shù)類型反滲透超濾微孔過(guò)濾膜的形式表面致密的非對(duì)稱膜、復(fù)合膜等非對(duì)稱膜，表面有微孔微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纖維素、PVC等操作壓力/MPa1～100.1～0.50.05～0.5分離的物質(zhì)分子量小于500的小分子物質(zhì)分子量大于500的大分子和細(xì)小膠體微粒0.1～10μm的粒子分離機(jī)理非簡(jiǎn)單篩分，膜的物化性能對(duì)分離起主要作用篩分，膜的物化性能對(duì)分離起一定作用篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對(duì)分離起決定作用水的滲透通量/(m3.m-2.d-1)0.1～2.50.5～520～200第4課時(shí)-第5章節(jié)3.反滲透膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域反滲透膜最早應(yīng)用于苦咸水淡化。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，反滲透技術(shù)已擴(kuò)展到化工、電子及醫(yī)藥等領(lǐng)域。反滲透過(guò)程主要是從水溶液中分離出水，分離過(guò)程無(wú)相變化，不消耗化學(xué)藥品，這些基本特征決定了它以下的應(yīng)用范圍。第4課時(shí)-第5章節(jié)（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備。（2）在醫(yī)藥、食品工業(yè)中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等。與常用的冷凍干燥和蒸發(fā)脫水濃縮等工藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產(chǎn)品的療效、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)等均不受影響。（3）印染、食品、造紙等工業(yè)中用于處理污水，回收利用廢業(yè)中有用的物質(zhì)等。第4課時(shí)-第5章節(jié)工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置第4課時(shí)-第5章節(jié)工業(yè)應(yīng)用的反滲透裝置的膜組件之間的連接第4課時(shí)-第5章節(jié)四、納濾技術(shù)（NF）1.納濾膜的特點(diǎn)納濾膜是八十年代在反滲透復(fù)合膜基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的，是超低壓反滲透技術(shù)的延續(xù)和發(fā)展分支，早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。納濾膜的孔徑為納米級(jí)，介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間，因此稱為“納濾”。第4課時(shí)-第5章節(jié)納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多，但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔納濾膜主要用于截留粒徑在0.1～1nm，分子量為1000左右的物質(zhì)，可以使一價(jià)鹽和小分子物質(zhì)透過(guò)，具有較小的操作壓（0.5～1MPa）。對(duì)Na+和Cl-等單價(jià)離子的截留率較低，但對(duì)Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，對(duì)色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２00-1000）物質(zhì)可進(jìn)行分級(jí)分離，實(shí)現(xiàn)高相對(duì)分子量和低相對(duì)分子量有機(jī)物的分離。第4課時(shí)-第5章節(jié)2.納濾膜及其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域（1）海水及苦咸水的淡化（2）溶液中一價(jià)鹽類與二價(jià)或多價(jià)鹽類的分離；（3）在食品業(yè)用于果汁生產(chǎn)；（4）在醫(yī)藥行業(yè)可用于氨基酸生產(chǎn)、抗生素回收等方面；（5）在石化生產(chǎn)用于催化劑分離回收第4課時(shí)-第5章節(jié)納濾應(yīng)用舉例螺旋霉素的提?。篠PM發(fā)酵濾液→微濾和超濾（去除蛋白質(zhì)等大分子）→納濾（聚酰胺型膜材料），透過(guò)無(wú)機(jī)鹽和水，濃縮SPM。操作條件：進(jìn)料流量55L/h；操作壓力1.5MPa。結(jié)果表明：發(fā)酵液中的螺旋霉素幾乎全部被截留；膜的透過(guò)通量可高達(dá)30L/h；濃縮倍數(shù)和得率高。第4課時(shí)-第5章節(jié)ROUFMFF蛋白質(zhì)細(xì)菌第4課時(shí)-第5章節(jié)五、透析1、原理是利用小分子經(jīng)過(guò)半透膜擴(kuò)散到水（或緩沖液）的原理，將小分子與生物大分子分開的一種分離純化技術(shù)。透析需要使用專用的半透膜，通常是將半透膜制成袋狀，就叫做透析袋。在生物大分子的制備過(guò)程中，除鹽、除少量有機(jī)溶劑、除去生物小分子雜質(zhì)和濃縮樣品等都要用到透析技術(shù)。透析過(guò)程中透析膜內(nèi)無(wú)流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。第4課時(shí)-第5章節(jié)透析原理圖大分子透析膜小分子水分子第4課時(shí)-第5章節(jié)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，主要用于大分子溶液的脫鹽。由于透析過(guò)程以濃差為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過(guò)量很小，不適于大規(guī)模生物分離過(guò)程、但在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。第4課時(shí)-第5章節(jié)第4課時(shí)-第5章節(jié)蛋白質(zhì)透析第4課時(shí)-第5章節(jié)六、電滲析1.離子交換膜的分類（1）按可交換離子性質(zhì)分類陽(yáng)離子交換膜：陽(yáng)離子透過(guò)陰離子交換膜：陰離子透過(guò)雙極離子交換膜：陰陽(yáng)離子透過(guò)第4課時(shí)-第5章節(jié)（2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類

按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對(duì)一價(jià)離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽(yáng)離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、有機(jī)物質(zhì)的分離等。第4課時(shí)-第5章節(jié)2.離子交換膜的工作原理

在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽(yáng)兩個(gè)電極，并施加電場(chǎng)，則溶液中的陽(yáng)離子將移向陰極，陰離子則移向陽(yáng)極，這一過(guò)程稱為電泳。如果在陰、陽(yáng)兩電極之間插入一張離子交換膜（陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜），則陽(yáng)離子或陰離子會(huì)選擇性地通過(guò)膜，這一過(guò)程就稱為電滲析。第4課時(shí)-第5章節(jié)+固定離子Cl-Na+-正極

陰離子交換膜

負(fù)極第4課時(shí)-第5章節(jié)電滲析過(guò)程原理圖++++++陽(yáng)極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽(yáng)膜陽(yáng)極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽(yáng)膜陰膜第4課時(shí)-第5章節(jié)3.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）苦咸水淡化（2）飲用水及工業(yè)用水制備（3）中草藥有效成分的分離和精制：通過(guò)電滲析一般可以把中草藥提取液分離分成無(wú)機(jī)陽(yáng)離子和生物堿、無(wú)機(jī)陰離子和有機(jī)酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

第4課時(shí)-第5章節(jié)實(shí)際應(yīng)用的電滲析器第4課時(shí)-第5章節(jié)七、滲透蒸發(fā)技術(shù)1.滲透蒸發(fā)技術(shù)和滲透蒸發(fā)膜的特點(diǎn)滲透蒸發(fā)是近十幾年中頗受人們關(guān)注的膜分離技術(shù)。滲透蒸發(fā)是指液體混合物在膜兩側(cè)組分的蒸氣分壓差的推動(dòng)力下，透過(guò)膜并部分蒸發(fā)，從而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法。可用于傳統(tǒng)分離手段較難處理的恒沸物及近沸點(diǎn)物系的分離。具有一次分離度高、操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、低能耗等特點(diǎn)。第4課時(shí)-第5章節(jié)上側(cè)為存放待分離混合物的液相室，下側(cè)是與真空系統(tǒng)相連接或用惰性氣體吹掃的氣相室。

其中某一組分滲透到膜的另一側(cè)。由于在氣相室中該組分的蒸氣分壓小于其飽和蒸氣壓，因而在膜表面汽化。蒸氣隨后進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，通過(guò)液氮將蒸氣冷凝下來(lái)即得滲透產(chǎn)物。滲透蒸發(fā)過(guò)程的推動(dòng)力是膜內(nèi)滲透組分的濃度梯度。

滲透蒸發(fā)分離示意圖(真空氣化)第4課時(shí)-第5章節(jié)滲透蒸發(fā)分離示意圖(惰性氣體吹掃)第4課時(shí)-第5章節(jié)滲透蒸發(fā)膜混合液抽真空第4課時(shí)-第5章節(jié)2.滲透蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

有機(jī)溶劑脫水、水的凈化、有機(jī)混合物分離，低醇酒生產(chǎn)。目前滲透蒸發(fā)膜分離技術(shù)已在無(wú)水乙醇的生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。與傳統(tǒng)的恒沸精餾制備無(wú)水乙醇相比，可大大降低運(yùn)行費(fèi)用，且不受汽—液平衡的限制。第4課時(shí)-第5章節(jié)八、氣體分離膜第4課時(shí)-第5章節(jié)第4課時(shí)-第5章節(jié)1.氣體分離膜的分離機(jī)理

氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜和多孔膜。它們的分離機(jī)理各不相同。第4課時(shí)-第5章節(jié)（1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴(kuò)散機(jī)理該理論認(rèn)為，氣體選擇性透過(guò)非多孔均質(zhì)膜分四步進(jìn)行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進(jìn)行活性擴(kuò)散，分子在膜的另一側(cè)逸出。第4課時(shí)-第5章節(jié)（2）多孔膜的透過(guò)擴(kuò)散機(jī)理

用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過(guò)膜中細(xì)孔時(shí)產(chǎn)生的速度差來(lái)進(jìn)行的。第4課時(shí)-第5章節(jié)1）H2的分離美國(guó)Monsanto公司1979年首創(chuàng)Prism中空纖維復(fù)合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞胺是近年來(lái)新開發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯(lián)苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學(xué)腐蝕、耐高溫和機(jī)械性能高等優(yōu)點(diǎn)。第4課時(shí)-第5章節(jié)

2）O2的分離富集制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產(chǎn)品和含三甲基硅烷基的高分子材料。

PDMS是目前工業(yè)