河北农业大学生物分离工程 第七章 膜分离过程.ppt

第七章 膜分离技术(membrane separation) 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。 概 述 1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用 30年代 微滤 40年代 透析 50年代 电渗析 60年代 反渗透 70年代 超滤 80年代 纳滤 90年代 渗透汽化 概 述 膜分离的特点 ①操作在常温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高； ⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可以分批或连续操作。 因而在生物产品的处理中占有重要地位 膜分离技术的重要性 膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点 选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。 膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。 膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。 膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜 多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发 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） 电渗析（Electrodialysis，ED） 渗透气化（Pervaporation，PV） 膜分离法与物质大小（直径）的关系 膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个基本要求： 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； 化学相容性：保持膜的稳定性； 生物相容性：防止生物大分子的变性； 成本低； （一）膜材料 按材料分 天然高分子膜 合成有机聚合物膜 无机材料膜 天然高分子膜 醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。 其中醋酸纤维膜截盐能力强，常用作反渗透膜，也可用作微滤膜和超滤膜。 它的最高使用温度和pH范围有限，一般使用温度低于45～50℃，pH3～8。 醋酸纤维特点： ①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备 ④来源丰富 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 ⑨适合作反渗透膜 合成高分子膜 聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚烯类以及含氟聚合物等。 按材料种类： 任何纤维素酯类--纤维素酯膜 缩合系聚合物（聚砜类） 聚烯烃及其共聚物 脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物 全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物 聚碳酸酯 聚砜膜的特点 （1）温度范围广 （2）pH 范围广 （3）耐氯能力强 （4）孔径范围宽 （5 ) 操作压力低 （6）适合作超滤膜 无机材料膜 主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。 目前实用化的无机膜主要是孔径0.1?m以上的微滤膜和截留相对分子质量10kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。 多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。 无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。 膜材料 - 不同的膜分离技术 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 电渗析：离子交换树脂 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺 (二）膜的制造 要求： （1）透过速度 （2）选择性 （3） 机械强度 （4） 稳定性 相转变制膜 不对称膜通常用相转变法(phase inversion method)制造，其步骤如下： 1．将高聚物溶于