第六章膜分离1教学文稿.ppt

第六章 膜分离 (Membrane Separation)n膜分离是指借助膜的选择渗透作用,在外界能量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的过程膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，从而达到分离目的的技术）n膜是一种具有选择性分离功能的材料可以认为膜分离法是一般过滤法的发展和延续一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相的不同将固体从液体或气体中分离出来；而膜分离是分子级水平的分离方法，该法关键在于过程中使用的过滤介质：膜 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，这一凝聚相物质就是膜 膜的特性： 不管膜多薄, 它必须有两个界面这两个界面分别与两侧的流体相接触 膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过1.膜是什么？有何特性？材质：天然膜：生物膜（生命膜）与天然物质改性或者再生而制成的膜合成膜：无机膜或者高分子聚合物膜结构：多孔膜（porous membrane）：指每平方厘米含有一千万至一亿个孔，孔隙率占总体积7080，孔径均匀，孔径范围在0.0220m之间的分离膜。

当膜的孔径大于5nm时称为微孔膜(microporous membrane)；孔径在15nm时称细孔膜(fine-pored membrane)，包括超滤膜和反渗透膜致密膜：非多孔膜(nonporous membrane)孔径在0.51nm，孔隙率小于10，厚度为0.11.25m具有透过性的无机物或聚合物膜膜的孔结构已难于用电子显微镜分辨，只能用气体渗透法和液体渗透法或气体吸附法测定其模型功能： 离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤膜、反渗透 膜、渗透汽化膜和气体渗透膜膜分离过程的效率 常用来表示分离效率的指标有两种：一、是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示；二、是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例， 常用截留率表示（指溶液经超滤处理后，被膜截留的溶质 量占溶液中该溶质总量的百分率 ） 选择性系数或截留率表示了分离的质的方面对于分离的量的方面，一般用通量，即单位时间内单位分离面积上的流量来表示在大多数膜分离操作中，截留率和通量是表征过程的两个最重要指标膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。

通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游膜上游 透膜 膜下游选择性透膜膜分离过程5.2 膜分离的推动力 压力差浓度差 分压差 电位差膜分离过程 的形式 料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离-渗析和电渗析； 由于组分分子的大小和性质有别，它们透过膜的速率有差别，透过部分和留下部分的组成不同，实现组分分离-超滤、微滤、反渗透和气体渗透；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 渗透气化：溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通 过膜的同时发生气化，且各组分的透过速 率不同气体渗透：利用混合气体中各组分通过膜的速率不同 而使组分分离渗析： 在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的 溶液，从而与原溶液分离电渗析： 以电位差为推动力，利用离子交换膜的选 择透过性，从溶液中脱除或富集电解质微滤、超滤和纳滤 微滤、超滤和纳滤都是以压力差为推动力的膜分离过程 1) 微滤、超滤都是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，而这在原理上并没有本质的区别即均为在一定的压力作用下，当含有高分子溶质和低分子溶质的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质透过膜，成为渗透液被收集。

大于膜孔的高分子溶质（如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收2）纳滤有所不同，除了截留筛分之外，由于纳滤膜的表面分离层由聚电介质构成，对离子有静电相互作用，因此对无机盐有一定的截留率微滤（MF) 微滤（MF） 又称微孔过滤，是一种与粗滤十分相似的魔分离过程，基本属于固液分离其基本原理是筛孔分离过程，即是利用微孔膜孔的筛分作用，在静压差的推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的 微孔滤膜一般具有比较整齐、均匀的多孔结构，材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等无机膜材料有陶瓷和金属等 对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.11微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌 超滤(UF) 超滤原理：超滤是指外源加压的膜分离，其原理与过滤一样超滤过程是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径0.05um至1000um分子量之间超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

超滤所用的膜为非对称性膜,膜孔径为1 20nm,能够截留分子量500以上的大分子和胶体微 粒,操作压力一般为0.10.5MPa 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等 超滤广泛用于化工、医药、食品、轻工、机械、电子、环保等工业部门 超滤技术应用的历史不长,只是近30年才在工业上大规模地应用,但因其具有独特的优点,使之成为当今世界分离技术领域中一种重要的单元操作超滤技术的应用 利用超滤膜的“筛分”机理可以将中药体系中的有效成分进行分离提纯，其应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面,也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质矿泉水的制造矿泉水的水源必须是地下水,而这种水在地下流动时会溶入某些无机盐采用超滤和微滤组合工艺可制造合乎饮用水标准的矿泉水, 超滤设备纳滤纳滤（NF）是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术，其截留分子量在801000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在6090%，相应截留分子量范围在1001000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

纳滤膜传质机理和模型纳滤多为荷电膜，分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响，传质机理比较复杂它具有几个基本特征：（1）具有纳米级孔径，分离对象主要为粒径1nm左右的物质，特别适于分子量为数百至2000的物质分离；（2）操作压力低，一般低于1MPa，远小于反渗透所需操作压力（几个到几十个MPa);（3）功能多样化，例如水的软化，一次性就将钙镁以及有机物去除4）较好的耐压密性和较强的抗污染能力由于钠滤膜多为复合膜和荷电膜，因而耐压密性和抗污染能力较强纳滤基本原理对盐的截留性能：主要依靠离子与膜之间的静电作用 价态不同，截留程度不同大致分离规律； 对于阴离子，截留率按下列顺序递增； NO3-, Cl-, OH-, SO42-, CO32- 对于阳离子，截留率递增顺序为： H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cu2+ 一价离子渗透，多价阴离子滞留（高截留率）多肽和氨基酸的分离 离子与荷电膜之间存在道南(Donnan) 效应,即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用氨基酸和多肽在等电点时是中性的, 当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷由于一些纳滤膜带有静电官能团, 基于静电相互作用, 对离子有一定的截留率, 可用于分离氨基酸和多肽。

纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零, 因为溶质是电中性的并且大小比所用的膜孔径要小而对于非等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率表现出较高的截留率, 因为溶质离子与膜之间产生静电排斥, 即Donnan 效应而被截留反渗透（Reverse Osmosis） 是20世纪60年代发展起来的一项膜分离技术，主要用于从海水制取淡水、纯水和超纯水的制造、电镀等工业废水处理、乳品加工、抗菌素浓缩等 反渗透，英文为Reverse Osmosis，它所描绘的是一个自然界中水分自然渗透过程的反向过程 1950年美国科学家DR.S.Sourirajan 为什么海鸥就可以饮用海水呢？这位科学家把海鸥带回了实验室，经过解剖发现在海鸥囔嗉位置有一层薄膜，该薄膜构造非常精密海鸥正是利用了这薄膜把海水过滤为可饮用的淡水，而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外这就是以后逆渗透法（Reverse Osmosis 简称 R.O）的基本理论架构 反渗透（RO）： 是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点 ，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。

反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛 反渗透法（Reverse Osmosis 简称 R.O）的基本理论架构是借助半透膜能透过溶剂而截留溶质的作用,在高于溶液渗透压的压力推动下,使溶剂透过膜,使溶质保留于溶液中,从而达到溶剂与溶质分离的过程 渗透压：当溶液与溶剂之间,被一个能让溶剂(水)分子通过,而不允许溶质通过的半透膜隔开时,由于在恒温、恒压条件下纯水的化学位活度高于溶液中水的化学位,于是水分子从溶剂一侧通过膜向溶液一侧渗透当渗透达到平衡时,膜两侧存在着一定的压力差,通常称为溶液的渗透压 溶液的渗透压用下式表示: = RTci 式中:ci为溶液的浓度,相当于溶质的体积摩尔浓度; 透析 渗析透析是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法利用具有一定大小孔径、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液（左侧）与纯水或缓冲液（右侧）分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析透析膜小分子大分子水透析原理可以这样理解透析： 用一层半透膜将容器分成两部分，膜一侧放置溶液，另一侧放置纯水，液体中的大分子物质因不能通过半透膜而不能相互交换，液体中的小分子物质可以穿过半透膜而相互渗透，水分自渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动，电解质及其他小分子物质从浓度高侧向浓度低侧方向移动，这就是透析现象。

利用小分子经过半透膜扩散到水（或缓冲液）的原理，将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术透析与超滤的异同： 透析与超滤的共同点是都可以从高分子溶液中去除小分子溶质不同之处在于，透析的驱动力为膜两侧溶液的浓度差，而超滤为膜两侧的压力差 透析过程透过膜的是小分子溶质本身的净流，超滤过程透过膜的是小分子溶质和溶剂结合的混合流 应用实例 血液透析，血液透析器，俗称人工肾，它采取的是空心纤维系统的膜装置，空心纤维的管壁即为透析膜，空心纤维系统有1-1.5万根空心纤维组成血液透析时，血液流入每根空心纤维内，而透析液在每根空心纤维外流过，血液流动的方向与透析液流动的方向相反，通过半透膜原理清除毒素，通过超滤和渗透除去水分血液透析： 将患者血液与透析液同时引进透析器，在透析膜两侧呈反方向流动，凭借半透膜两侧的溶度梯度、渗透梯度和水压梯度，通过弥散、对流、吸。