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第十章膜分离技术.ppt

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第十章膜分离技术分析

膜分离技术 膜分离技术 概念:用半透膜作为选择障碍层,利用膜的选择性(孔径大小),以膜的两侧存在的能量差作为推动力,允许某些组分透过而保留混合物中其它组分,从而达到分离目的的技术。 概 述 人类认识到膜的功能源于1748年,然而用于为人类服务是近几十年的事。 1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜,是膜分离技术发展的一个里程碑。 常见膜分离方法 按分离粒子大小分类: 透析(Dialysis,DS) 微滤(Microfiltration,MF) 超滤(Ultrafiltration,UF) 纳滤(Nanofiltration,NF) 反渗透(Reverse osmosis,RO) 膜分离法与物质大小(直径)的关系 本章内容 第一节 透析 第二节 超滤技术 第三节 微孔膜过滤技术 第一节 透析 一、概述 1.原理: 透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透过被保留在透析袋内,从而达到大小分子分离的一种膜过滤方法。 0.5-10nm,3000 D~ 几万D 透析原理图 2.应用 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。 在生物分离方面,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。 由于透析过程以浓差为传质推动力,膜的透过通量很小,不适于大规模生物分离过程,而在实验室中应用较多。 二、透析膜 1.透析材料:兽类的膀胱、硝酸纤维素膜、玻璃纸。 人工透析膜多为纤维素的衍生物。 2.用于透析的半透膜应具备的条件: (1)在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜,只允许小分子溶质通过,而阻止大分子(如蛋白质)通过; (2)化学惰性;在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定; (3)良好的物理性能:有一定的机械强度和良好的再生性能 三、超滤过程和装置 (一)浓差极化现象 外源压力迫使分子量较小的溶质通过薄膜,大分子被截留于膜表面,并逐渐形成浓度梯度,这就是浓差极化现象。 造成:流速下降、影响膜的选择性、甚至堵塞 克服极化的措施:震动、搅拌、错流、切流。 (三)应用 浓缩和脱盐 应用最多 不消耗试剂,无相转移,可在低温下进行,简便 分级分离和纯化 串联式超滤 超滤分离与酶反应连用 广泛用于纤维素糖化、蛋白酶对蛋白质的水解、淀粉酶对淀粉的水解等分离。 外循环式膜生物反应器 中空纤维膜生物反应器 4 除热原 热源(pyrogen)又称细菌内毒素,是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物,主要成分是脂多糖、脂蛋白等,相对分子质量较大。 热源的致热效能很强,人比动物对热源要敏感,在静脉注射药液时,如果将热源带进血液,会对人体造成相当大的危害。 传统的针剂除热源的方法是活性炭吸附,造成产品损失。 用超滤法可有效的除去热源,如产品分子量1000以下,可用截留分子量1万左右的膜比较合适。 (一) 微孔滤膜的种类(了解) 再生纤维素 纤维素酯膜:硝酸纤维素酯膜 .醋酸纤维素酯膜 . 混合纤维素酯膜 聚四氟乙烯膜 聚氯乙烯膜 超细玻璃纤维滤膜 2.反渗透 原理: 根据溶液的吸附扩散原理,以压力差为主要推动力的膜过程。 在浓溶液一侧施加一外加压力[(1000-10000)KPa],当此压力大于溶液的渗透压时,就会迫使溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1-1nm的非对称膜流向稀溶液一侧。 应用: 从水溶液中分离出水 苦咸水与海水淡化 纯水生产 废水处理 低分子量物质水溶液的浓缩 如氨基酸,抗生素、维生素等的浓缩 仪器工业中液体食品(牛奶、果汁等)的部分脱水 1.纳滤 纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。 纳滤 ( NF,Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。 原理: 筛分作用:纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质,同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过 荷电效应:纳滤膜常带电荷,荷电纳滤膜可通过静电斥力排斥溶液中与膜上所带电荷相同的离子 纳滤膜分离机理示意图 纳滤膜技术的特点: 具有离子选择性:由于在膜上或膜中常带有荷电基团,通过静电相互作用,可实现不同价态离子的分离,故有时也称“选择性”反渗透(Selective RO) 操作压力低:通常比反渗透低,由于所施加的跨膜压差比用反渗透达到同样的渗透能量所必须施加的压差低,有时也称“低压反渗透”。 纳滤应用:  (1)小分子量的有机物质的分离; (2)有机物与小分子无机物的分离; (3)溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离; (4)盐与其对应酸的分离。 3.膜的污染 (fouling) 膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染 沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度,就会在膜上形成沉淀或结垢。 普遍受人

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