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第五章膜分离

本章主要知识点u膜分离技术的概念。u膜分离技术的分类。u各种膜的分离特性。u对于膜材料的基本要求。u主要的膜组件类型。u超滤和反渗透过程中渗透压的影响

u定义：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。u膜的功能：–物质的识别与透过；–界面；–反应场。

膜分离技术u膜分离的概念：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，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

膜的概念u在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。–膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体–被膜分开的流体相物质是液体或气体–膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜

第一节各种膜分离法及原理

膜分离技术分类：生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。

一、反渗透u渗透和渗透压：–渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。–渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。

u反渗透：–定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。–RO膜无明显的孔道结构，透过机理尚不十分清楚。

渗透与反渗透

二、超滤(UF)和微滤(MF)uUF膜和MF膜有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。

u超滤–膜孔径比MF膜小，用于处理不含固形成分料液，根据高分子溶质间或高分子溶质与小分子溶质间分子量差别进行分离；–膜两侧渗透压较小，操作压力较低。u微滤-MF膜孔径比UF大，用于悬浮液过滤，广泛用于菌体分离与浓缩；–膜两侧渗透压可忽略，甚至可在常压下操作。

三、透析u定义：利用透析膜（具有一定孔径大小，高分子溶质不能透过的亲水膜）将料液与透析液（纯水或缓冲液）分隔，在浓差作用下，料液中小分子溶质进入透析液，而透析液中的水进入料液。

u应用：临床上常用于血液透析；生物分离中主要用于生物大分子溶液的脱盐。u特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。

四、电渗析u定义：使用离子交换膜，利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。u应用：工业上多用于海水淡化及废水处理；生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的分离及溶液脱盐。

u以溶液脱盐为例介绍电渗析原理：u料液置于1、3、5、室，2、4加入适当电解液。u电场作用下：负电荷正极正电荷负极uu1、3、5脱盐室得到脱盐溶液。2、4室得到浓缩盐溶液。u电渗析可连续操作。料液连续通过脱盐室，1、3、5室低浓度的电解液连续通过2、4室。

电渗析技术u电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。

五、渗透气化u定义：通过渗透气化膜，在膜两侧溶质分压差的作用下，根据溶质间透过速度的不同，并在透过侧发生气化，使液体混合物得到分离的膜分离法。

u特点：–溶质发生相变，消除了渗透压的作用，可在较低压力下进行，适于高浓度混合物的分离；–特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。

第二节膜材料及其特性

一、膜材料u为实现高效分离，对膜材料的要求：–有效膜厚度小，UF和MF膜孔隙率高，过滤阻力小；–膜材料为惰性，不易污染和堵塞；–适用的pH和温度范围广，稳定性高，使用寿命长；–容易通过清洗恢复透过性能；–能满足实现分离目的的各种要求。

二、膜的结构特性u1、孔道结构–因膜材料和制造方法而异，对膜的透过通量和耐污染能力等操作性能有重要影响。

–对称膜和不对称膜的比较：?对称膜，即膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀，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；?不对称膜，由表面活性层(0.2~0.5?m)和惰性层(50~100?m)构成，透过通量大，膜孔不易堵塞，容易清洗，目前超滤和反渗透膜多为不对称膜。

思考题1、不对称膜与对称膜在膜分离性能上相比有何优点?

u2、孔道特性–包括孔径、孔径分布、孔隙率和平均孔径。–超滤和微滤膜的孔道特性可通过电子显微镜直接观察测定。–除核孔微滤膜孔径较均一外，其他膜的孔径均有较大的分布范围。

u3、水通量–定义：在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20℃)，单位时间透过单位膜面积的纯水体积。–膜材料、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。–实际操作中由于溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等原因会使透过通量大幅度降低。

第三节膜组件

u定义：由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。u目前市售商品膜组件主要有：

一、管式膜组件u结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或