第二章膜分离技术.doc

《现代食品加工技术》教案（第 4次课 2 学时）一、授课题目第1节膜技术概述第2节膜分离装置二、教学目的和要求了解膜技术的历史及现状，掌握膜技术的概念及基本原理三、教学重点和难点教学重点：膜技术的原理,四、教学过程手段：PPT 、板书板书设计第1节 膜技术概述一.1.第二章 膜分离技术 第2节 膜分离装置一.(一).疑难字词第二章 膜分离技术2.1 膜技术概述2.2 膜分离装置2.3 极化、污染现象和控制2.4 典型的膜分离技术及应用第1节膜分离技术概述1.1基本概念所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，膜的孔径一般为微米级：根据孔径大小（或称为截留分子量）可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式切向流过滤则是指液体的流动方向是平行于膜表面的，在压力的作用下只有一部分的液体穿过滤膜进入下游，这种操作方式也有人称之为“错流过滤”）根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。

有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等膜的性质：膜是具有选择性分离功能的材料利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂膜分离技术是以选择性透过膜（通常为天然或人工合成的高分子薄膜）为分离介质，以外界能量（如浓度差、压力差或电位差等）为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的方法膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术1.2基本原理膜分离技术的工作原理膜分离技术，是利用一张特殊制造的，有选择透过性的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种新型分离技术，是根据混合物的物理性质的不同用过筛的方法将其分离，或根据混合物的不同化学性质分离开物质物质通过分离膜的速度（溶解速度）取决于进入膜的速度和进入膜的表面扩散到膜的龙眼、另一表面的速度（扩散速度）而溶解速度完全取决于被分离于膜材料之间化学性质的差异，扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关，速度越大，透过膜所需的时间越短，混合物中各组分透过膜的速度相差越大，则分离效率越高。

膜分离过程以选择透性膜为分离介质，通过在膜两侧施加一种或几种推动力（如浓度差、压力差、温度差或电位差等）时，原料侧组分可以选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游分离膜能混在一起的物质分开，主要有以下两种手段：（1）根据它们的物理性质不同——主要是质量、体积大小和几何形态差异，用过筛的办法将其分离微滤膜分离就是根据这一原理将水溶液中孔径大于50nm的固体杂质去掉的宋纪蓉书138页（2）根据混合物的不同化学性质物质通过分离膜的速度取决于两个步骤的速度，首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度（溶解/扩散速度），其次是进入膜内后从膜的表面扩散到另仪一表面的速度二者之和为总速度，总速度越大，透过膜所需的时间越短；总速度越小，透过膜所需的时间越长1.3分离膜应具备的条件宋纪蓉书139页（1）分离性（2）透过性（1、2）膜的分离透过性：虽然膜具对被分离物具有选择透过性，但它也不可能将某一组分百分之百完全阻挡，而对另一组分完全透过膜材料的化学特性、形态结构和分离过程中的一些操作条件等都会影响膜的分离能力膜的分离透过性是其处理能力的重要指标当膜达到所需的分离率后，其透量愈大愈好。

故膜的分离性能和透过性能是相互依赖的，当膜的分离性能高时其透量就会受到损失，反之其透过率高则分离率就会降低3）物理、化学性质稳定膜的物理稳定性：其主要体现在耐热性和机械强度等方面膜的耐热性取决于膜材料的化学结构故可以采取改变高分子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性等措施来提高膜的耐热性而膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现在外力作用下，膜产生剪切蠕变，使膜透过速度下降外力消失后，若再给膜施加相同外力，膜的透过速度暂时有所回升随后很快下降膜的化学稳定性:主要体现在抗氧化、抗水解性和耐酸碱性等膜的抗氧化、抗水解性和耐酸碱性既取决于膜材料的化学结构，又取决于被分离溶液的性质氧化、水解的最终结果使膜色泽变深，发硬变脆，使其化学结构与外观形态受到破坏溶液中的氧化物产生的初级自由基（）能与膜的高分子材料（键）反应：反应产物不稳定，经过一系列反应，由醇变成醛，再转化为酸，二氧化碳、水等，从而降低膜的分离效果[1]（4）经济性：主要是要求分离所用的膜材料和制造工艺等方面的价格合理，成本不高，便于制造，方便使用，否则就会严重制约膜分离技术在食品工业中的广泛使用1.4膜技术共同的优缺点：膜技术共同的优点⑴分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要：在常温下进行，有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离、分级、浓缩与富集。

⑵无相态变化：挥发性成分如芳香物质损失较少， 可保持原有的芳香及风味；与有相变化的其他分离法相比，能耗低，分离水分时，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8⑶无化学变化：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染 ⑷选择性好：可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能⑸适应性强，使用范围广：可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺 ⑹密闭系统中进行，被分离食品无色素分解和褐变反应，食品色泽变化小，能保持食品的自然状态　　⑺处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，膜组件可单独使用也可联合使用，工艺简单，操作简便，结构紧凑且构造简单、维修成本低易于实现自动化膜技术共同的缺点：1）膜面易发生污染，膜分离性能降低，产品被浓缩的程度有限，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；2）有时其实用范围受到限制，因加工温度、食品成分、PH、膜的稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂性等的不同，有时不能使用分离膜；3）单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用规模经济的优势较低，一般要与其他工艺相结合1.5膜分离技术发展简史[见幻灯片]1.6膜的分类1.6.1. 按膜的材料分类1.6.2. 按膜的分离原理及适用范围分类1.6.3. 按膜的形态分类1.6.4. 按膜的结构分类1.7膜分离过程的类型分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。

或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2所示1.8膜材料用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等此外，也取决于膜的制备技术目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位1）纤维素酯类膜材料（2）非纤维素酯类膜材料1.9膜的保存分离膜的保存对其性能极为重要主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。

当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩五、作业1.膜分离技术的分类2.膜分离技术的原理？3. 膜分离常用的材料有哪些？醋酸纤维膜的特点？4.膜分离技术的的特点？六、课后记《现代食品加工技术》教案（第5次课 2 学时）一、授课题目第2节膜分离装置第3节浓差极化、污染现象和控制二、教学目的和要求要求学生了膜组件的结构及型式并掌握其特点，掌握浓差极化、污染现象的概念,了解膜污染的主要原因及清洗方法三、教学重点和难点教学重点：膜组件的结构及型式并掌握其特点四、教学过程手段：多媒体板书设计第2节 膜分离装置第3节 浓差极化、污染现象和控制1.浓 差 极 化 定 义2.浓差极化特性3.膜污染的主要原因4.膜的清洗疑难字词第2节膜分离装置膜组件(Membrane Module)：将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件以便于使用、安装、维修膜面积愈大，单位时间透过量愈多，因此，当膜分离技术实际应用时，要求开发在单位体积内具有最大膜面积的组件膜组件的结构及型式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。

管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种 幻灯片：膜组件四种型式示意图9.2(1)板框式(Plate-and-Frame)膜组件板框式膜组件使用平板式膜，其设计类似于常规的板框过滤装置,这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由导流板、膜、支承板交替重叠组成板框式是最早使用的一种膜组件膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上优点: 组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，同一设备可视生产需要而组装不同数量的膜缺点: 需密封的边界线长 (2)管式(Tubular)膜组件管式膜组件由管式膜制成，它的结构原理与管式换热器类似，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等管式膜组件有外压式和内压式两种对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。

无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置优点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便能耐高压，可以处理高粘度的原水缺点: 管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,一般仅为33～330 m2/m3，装置体积大，而且两端要较多的联结装置除特殊场合外，一般不被使用3)、螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件螺旋卷式简称卷式，卷式膜组件也是用平板膜制成的，其结构与螺旋板式换热器类似膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起,然后将其装入能承受压力的外壳中制成膜组件这类膜组件的内部结构可被设计成多种不同的形式主要部件为多孔支撑材料，两侧是膜，三边密封，开放边与一根多孔的中心产品水收集管密封连接，在膜袋外部的原水侧垫一层网眼型间隔材料，把膜袋－隔网依次迭合，绕中心集水管紧密地卷起来，形成一个膜卷，装进圆柱形压力容器内，就制成了。