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第六章 膜分离过程Membrane Separation 膜分离现象普遍存在，膜分离技术应用广泛 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 微孔过滤——人造 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透（1960年Loeb和Sourirajan） 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现代 EDI技术——电渗析(ED)+离子交换（IE) §6.1 概述 膜分离过程： 用具有选择透过性的膜为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差、浓度差等）作用下，原料液体或气体混合物中的某个或某些组分选择性地透过膜，使混合物达到分离、分级、提纯、富集、浓缩的过程。 膜分离过程 ★膜分离的特点——厚度0.5mm以下 ①操作在常温或低温下进行； ②是物理过程，不需加入化学试剂； ③多数不发生相变化（因而能耗较低）； ④膜性能可调，选择性较高、回收率较高； ⑤易与其他分离过程结合，浓缩和纯化可在一个步骤内完成； ⑥设备易放大，可变化范围大； ⑦膜组件结构紧凑，使用方便；系统可密闭。 因而在生物产品的处理中占有重要地位 6.1.2. 膜过程分类 膜分离法与物质大小（直径）的关系 对称膜，即膜截面的膜厚方向上孔道结构或传递特性均匀，传质阻力大，透过通量低，容易污染，清洗困难，微滤膜大多为对称膜 §6.2 压力驱动膜过程 微滤 MF Microfiltration 超滤 UF Ultrafiltration 纳滤 NF nanofiltration 反渗透 RO Reverse Osmosis （一）微滤 表面过滤：当膜孔径小于悬浮粒子的尺寸，粒子被膜阻挡于膜表面而与透过液分离 深层过滤：当膜的孔径相比粒子尺寸较大，则粒子进入膜孔内并粘附于孔壁而被滤除 表面过滤中被截留于膜表面的粒子可回收，膜可清洗再用； 深层过滤仅适合除去粒子，膜不再被利用。 透过通量与压差成正比、与滤液黏度成反比 用膜孔径大小描述截留性能 （二）超滤 截留——悬浮物、溶液中极细小粒子、可溶性大分子物质 用截留分子质量、截留率描述截留性能 截留率：指混合物中被膜截留的某物质的量占原料中该物质总量的比率。 表示膜对溶质的截留能力 截留分子量(MWCO) ：当截留率达到95%以上或90%以上时的标准物质的分子量 一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子量定义为膜的截留分子量。 （三）反渗透-较致密膜 通常无明显的膜孔道—仅透过水（或溶剂） 优先吸附-毛细孔流模型反渗透 纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图 道南（Donnan）效应-离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用 ——膜两侧电平衡-单侧电中性 （一）浓差极化与膜污染 浓差极化与膜污染 浓度(凝胶)极化模型-适用于反渗透、超滤和微滤 浓度极化：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象谓之浓度极化或浓差极化(concentration polarization)。 凝胶极化：膜表面附近溶质浓度升高，渗透压差增大，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层；分离含有菌体、细胞和其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象谓之凝胶极化(gel polarization)。 膜清洗 方法——反冲洗、化学清洗、物理擦洗；超声波清洗、电解等。 试剂——水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。 预防——膜预处理(乙醇浸泡聚砜膜)，料液预处理(调pH、预过滤)，开发抗污染膜，临界压力操作等。 ☆操作参数 加压过滤方式——切向流t 操作压差——选择中压区t 料液流速——适宜流速←料液黏度、溶质性质、操作压差、膜组件构型等 ☆料液性质 浓度 ——动植物细胞 5-10% ——蛋白质 10-20% ——多糖 1-10% 温度 ——允许情况下尽可能采用较高温度 ——酶25℃、蛋白质55℃ ☆膜性质 膜材料——选择亲水性膜 操作压差——减低浓差极化 ——反渗透 2-10MPa ——纳滤 0.5- 2MPa ——适当提高流速 料液性能——料液温度与黏度、溶质性质（分子量、离子浓度、半径、电价）、溶液pH等 ——允许情况下尽可能采用较高温度 ——确定合理的水回收率（浓缩程度上限） ——调节pH 膜材料与结构——溶剂亲和力 ——亲水膜