膜分离渗析PPT课件.ppt

内容•Introduction•Materials•Structure and properties结构及性能表征•Applications应用Introduction是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法 原理:溶质(低分子)由A侧通过扩散透过膜溶剂（水）由B侧根据渗透原理透过膜-进行相互移动经一段时间后，两侧液体中的小分经一段时间后，两侧液体中的小分子物质和水达到动态平衡子物质和水达到动态平衡-这种现象这种现象称为透析称为透析•透析的目的-借助这种扩散速度的差，使A侧两组分以上的溶质得以分离•这里所说的不是溶剂和溶质的分离（浓缩），而是溶质之间的分离•浓度差（化学位）是这种分离过程的唯一推动力 透析与超滤的共同点和不同点•共同点都可以从高分子溶液中去除小分子溶质•不同点1.驱动力(force) 透析-膜两侧溶液的浓度差 超滤-膜两侧的压力差2.透过物 透析过程-小分子溶质本身的净流 超滤-小分子溶质和溶剂结合的混合流因为透析过程的推动力是浓度梯度，故随透析过程的进行，其速度不断下降-必须提高被处理原液和透析液的循环量，其透析速度慢于以压力为驱动力的过程The characteristics of dialysis1. 分离目的分离目的- -大分子溶质溶液脱小分子；小分子溶质溶液脱大分大分子溶质溶液脱小分子；小分子溶质溶液脱大分子子2. 2. 截留物的尺寸截留物的尺寸- -0.001-10.001-1 m(m(工业工业>0.02μm,>0.02μm,人工肾人工肾>0.005μm>0.005μm ) )3.3. 透过膜的物质透过膜的物质: :微小溶质微小溶质, ,较小溶质较小溶质4. 4. 推动力推动力: : 浓度差浓度差5. 5. 传质传质/ /选择性机理选择性机理: :微孔膜中的筛分微孔膜中的筛分, ,受阻扩散受阻扩散6. 6. 供料和渗透物的相态供料和渗透物的相态: : 液体液体7. 7. 流动形式流动形式: : 多采用多采用“错流错流”8. 8. 膜类型：非对称膜、离子交换膜膜类型：非对称膜、离子交换膜•1913年Abel用火棉胶膜成功地进行了透析试验•1938年Thathimer以赛璐玢纸膜作为透析膜进行 了人工肾试验•1943年Kolff使用醋酸纤维素膜制成人工肾进行血 液透析治疗尿毒症获得成功•1965年Cordis-Dow公司研制成功乙基纤维素中空 纤维膜，使透析器大为小型化•1975年日本旭化成公司和西德的ENKA-Glanzstoff 公司均开发出了铜氨人造丝中空纤维膜， 使透析膜性能得到进一步改善。

development透析膜材料透析膜材料 理想透析膜材料的特点：理想透析膜材料的特点：•膜材料纯度高，不含有任何对生体有害的物质膜材料纯度高，不含有任何对生体有害的物质•具有优良的生物相容性，对蛋白质无特异吸附具有优良的生物相容性，对蛋白质无特异吸附•有稳定的物理、化学性能和良好的力学性能有稳定的物理、化学性能和良好的力学性能•能经受消毒处理而不影响结构、性能能经受消毒处理而不影响结构、性能•加工成型方便，膜表皮层及支撑层的孔隙率尽可加工成型方便，膜表皮层及支撑层的孔隙率尽可能高，以获得更高的通量能高，以获得更高的通量•孔径分布应尽可能窄，使膜对所有被希望脱除分孔径分布应尽可能窄，使膜对所有被希望脱除分子的筛分系数都接近于子的筛分系数都接近于1•透析器的封装材料不能含有亚甲基二苯胺、不会透析器的封装材料不能含有亚甲基二苯胺、不会释放环氧乙烷等释放环氧乙烷等荷电膜荷电膜Charged Membrane 高分子膜高分子膜非荷电膜非荷电膜Non Charged Membrane分类分类离子交换膜 利用溶质分子的大小差异 •目前用于制备透析膜的材料主要有天然纤维素及其衍生物与合成聚合物两大类•纤维素类有醋酸纤维素、再生纤维素等•合成聚合物类包括聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚砜、聚烯烃、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚醚嵌段共聚物等•由于透析膜主要用于医疗用途，对膜材料的要求非常苛刻，因此可临床应用的膜材料只有少数几种 HD-血液渗析；HF-血液过滤；HDF-血液渗析过滤。

 已商业化的人工肾使用的透析膜材料已商业化的人工肾使用的透析膜材料 1．纤维素类膜．纤维素类膜• 是研究开发最早、应用最广泛的血液透析膜是研究开发最早、应用最广泛的血液透析膜•将纤维素溶于氧化铜铵溶液中，然后挤压成膜，可制成含有铜铵基团的铜氨纤维素膜，其商品名称为铜仿膜铜仿膜是传统的血液透析膜，市场占有率最大，它的生物相容性和药理安全性以及可靠性已得到确认但由于膜激活补体，可造成白细胞暂时性下降，血中氧分压下降，出现过敏综合症等反应，长期使用此膜，血液中β2微球蛋白显著提高，因此其血液相容性有待提高 •目前已开发出内径为目前已开发出内径为200μm，壁厚为，壁厚为15μm的大孔径三醋酸纤维素中空纤维透析膜，的大孔径三醋酸纤维素中空纤维透析膜，该膜具有较高的超滤速率，能有效地去除该膜具有较高的超滤速率，能有效地去除β2微球蛋白及其它中低分子量的有害物质微球蛋白及其它中低分子量的有害物质•用叔胺基、羟基、磺酸基和磷酸酯基对纤用叔胺基、羟基、磺酸基和磷酸酯基对纤维素进行取代维素进行取代改性改性后制备的膜可降低白细后制备的膜可降低白细胞减少症，并提高膜的血液相容性胞减少症，并提高膜的血液相容性 2．聚丙烯腈膜．聚丙烯腈膜•聚丙烯腈膜对中等分子量物质的去除能力聚丙烯腈膜对中等分子量物质的去除能力强，超滤速度大，是目前少数已临床使用强，超滤速度大，是目前少数已临床使用的合成聚合物膜之一的合成聚合物膜之一•日本的日本的Asahi医学公司，首先将聚丙烯腈制医学公司，首先将聚丙烯腈制成中空纤维膜，并用于血液透析和血液透成中空纤维膜，并用于血液透析和血液透析过滤析过滤•东华大学用聚丙烯腈纺制出中空纤维膜，东华大学用聚丙烯腈纺制出中空纤维膜，并组装成血液透析器，已通过临床应用并组装成血液透析器，已通过临床应用2．聚丙烯腈膜．聚丙烯腈膜•缺点：膜的脆性较大，机械强度差、不耐缺点：膜的脆性较大，机械强度差、不耐高温消毒、干态膜的透水性能明显下降高温消毒、干态膜的透水性能明显下降•改进改进 日本东丽公司采用重均分子量为日本东丽公司采用重均分子量为20万的聚丙万的聚丙烯腈制备中空纤维膜，其机械强度有明显烯腈制备中空纤维膜，其机械强度有明显的提高，可耐反冲洗，从而提高了膜组件的提高，可耐反冲洗，从而提高了膜组件的使用寿命的使用寿命3．聚砜膜．聚砜膜•聚砜，化学稳定性好（硫原子处于最高的氧化价，聚砜，化学稳定性好（硫原子处于最高的氧化价，存在苯环）存在苯环）-可在可在pH值为值为1～～13的范围内使用；可的范围内使用；可在在128℃℃下进行热灭菌处理，可在下进行热灭菌处理，可在90℃℃下长期使用；下长期使用；具有一定的抗水解性和抗氧化性；具有较好的柔具有一定的抗水解性和抗氧化性；具有较好的柔韧性和足够的力学性能韧性和足够的力学性能•用于血液净化的聚砜膜主要为不对称中空纤维膜，用于血液净化的聚砜膜主要为不对称中空纤维膜，最早由美国最早由美国Amicom公司研制成功。

其致密层厚公司研制成功其致密层厚度可低于度可低于1μm，孔径为，孔径为2~4nm3．聚砜膜．聚砜膜•与铜仿纤维素膜相比，长期用聚砜膜进行与铜仿纤维素膜相比，长期用聚砜膜进行血液透析不会导致有关生化参数的改变，血液透析不会导致有关生化参数的改变，是极有潜力的长期血液透析用膜是极有潜力的长期血液透析用膜•聚醚砜用作血液透析膜材料对血液相容性聚醚砜用作血液透析膜材料对血液相容性更好、耐热性更高更好、耐热性更高4．聚碳酸酯膜．聚碳酸酯膜•聚碳酸酯的主链结构易于调整，与不同比率的聚聚碳酸酯的主链结构易于调整，与不同比率的聚醚缩聚形成嵌段共聚物所制备的膜，具有一定的醚缩聚形成嵌段共聚物所制备的膜，具有一定的亲亲-疏水特性疏水特性•对尿素、维生素对尿素、维生素B12和水的透过率均高于再生纤和水的透过率均高于再生纤维素膜，生物相容性介于铜仿纤维素膜和聚丙烯维素膜，生物相容性介于铜仿纤维素膜和聚丙烯腈膜之间腈膜之间•聚碳酸酯聚碳酸酯-聚醚嵌段共聚物最初用于血液透析膜，聚醚嵌段共聚物最初用于血液透析膜，后来由于改变了合成过程，提高了膜的过滤效率，后来由于改变了合成过程，提高了膜的过滤效率，也适用于血液过滤和超滤也适用于血液过滤和超滤-血液透析过程。

血液透析过程5.聚酰胺膜 •由于某些聚酰胺具有对蛋白质吸附的性质，因此将聚酰胺膜用于血液透析时必须有所选择•对水的通透性良好•机械强度好，具有优良的血液相容性，对补体激活小、蛋白吸附及凝血性小•可与聚乙烯吡咯烷酮共混制成一定亲-疏水性的血液透析、血液过滤膜•无论是低通量还是高通量聚酰胺系列膜，90%的内毒素都能扩散透过膜，对β2微球蛋白的透过量也比较高；对白蛋白的吸附量低于0.1%，在血液过滤过程中，总蛋白的损失仅为0.05g/L 6．聚烯烃膜•聚丙烯和聚乙烯是近年开发出血液净化用膜家族中的新秀，主要用于血浆分离过程 7．聚乙烯醇膜•聚乙烯醇通常由聚醋酸乙烯醇解制得，产品性能与分子量及残留的乙酰基团的含量有关•聚乙烯醇为水溶性聚合物，因此可通过先进行适当的交联或交联前先共聚的方法制备透析膜与其共聚的单体有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、乙烯等•最成功的是由日本开发的乙烯-乙烯醇共聚物非对称膜，其外层致密、内层多孔，孔径为10-70nm用该膜制成的血液透析器对β2微球蛋白的去除能力很强，常被应用于血液透析、血浆置换和洗滤（Diafiltration） 8. 其它•聚醚嵌段共聚物膜•聚乙烯吡咯烷酮膜•聚丙烯酸甲酯膜•聚苯乙烯膜•聚多肽膜•聚电解质膜等上述材料尚未获得较为广泛的应用 结构及性能表征结构及性能表征膜结构要求膜结构要求：：厚度厚度﹤50 μmμm 透析分子量透析分子量500：： 孔径孔径1.5 nm；； 中等分子量：中等分子量：7～～10 nm。

Ø传质阻力传质阻力Ø溶质透过系数溶质透过系数Ø过滤系数过滤系数Ø含水率含水率Ø渗透效率渗透效率性能表征：性能表征：生物相容性 •透析膜在使用过程直接与活体组织或血液接触，因此要求两者有良好的相互关系，即材料对于活体要有生物相容性•生物相容性是生物对材料的生化反应，主要包括血液相容性；组织相容性；免疫反应等生物相容性 •血液相容性包括的内容很广，主要指膜材料与血液接触时不引起凝血和血小板的粘着和凝聚，没有破坏血液中有形成分的溶血现象，也就是不产生凝血和溶血组织相容性是指活体与材料接触时活体组织不发生炎症和排拒，而材料本身不发生钙沉淀生物相容性 •广义上讲是指患者直接引起的一系列反应，其中血与膜的反应是决定生物相容性最重要的方面；膜的形式和通透性可促使或预防热源反应；透析液的成分和温度、抗凝血剂的种类，直接影响患者的血液动力学和膜介导反应的严重程度；交换率和交换方法也影响患者血液动力学的稳定性生物相容性 •狭义上讲，生物相容性是指血液和透析膜的相互作用，但反应轻微时，该膜材料为生物相容；反之，当反应严重时，影响患者健康或对患者有害称为生物不相容重要的是慢性血透患者，由于反应的反复发生，即使轻微，也可导致不良的临床效果。

应用应用•1．人工肾（血液透析装置）．人工肾（血液透析装置）•肾脏功能：对血液进行过滤，排泄尿素、肌酐、尿肾脏功能：对血液进行过滤，排泄尿素、肌酐、尿酸、胍的衍生物等代谢产物及某些毒物和药物，调酸、胍的衍生物等代谢产物及某些毒物和药物，调节体内水、电解质和酸碱平衡；调节血压，激活维节体内水、电解质和酸碱平衡；调节血压，激活维生素生素D；分泌血管活性物质和促红细胞生成素等分泌血管活性物质和促红细胞生成素等•肾功能衰竭可造成新陈代谢物质在体内沉积，产生肾功能衰竭可造成新陈代谢物质在体内沉积，产生代谢紊乱，从而引起尿毒症，危及人的生命代谢紊乱，从而引起尿毒症，危及人的生命•肾脏患者，治疗手段以人工肾和肾脏患者，治疗手段以人工肾和/或肾脏移植为主，或肾脏移植为主，并辅以药物治疗并辅以药物治疗•人工肾是临床上用于治疗急、慢性肾功能衰竭的最人工肾是临床上用于治疗急、慢性肾功能衰竭的最有效的常规肾脏替代疗法有效的常规肾脏替代疗法人工肾工作原理人工肾工作原理 • 血液透析是借助于血液透析机与患者建立血液透析是借助于血液透析机与患者建立体外循环的过程体外循环的过程•透析机依靠具有特殊通透性的透析膜分隔透析机依靠具有特殊通透性的透析膜分隔血液和透析液，利用膜两测液体溶质的浓血液和透析液，利用膜两测液体溶质的浓度差及膜孔径大小的差异，使血液中小于度差及膜孔径大小的差异，使血液中小于膜孔截留分子量的溶质扩散、渗透通过滤膜孔截留分子量的溶质扩散、渗透通过滤膜，以除去患者血液中的代谢小分子废物膜，以除去患者血液中的代谢小分子废物和毒物和毒物•调节水和电解质平衡以及酸碱平衡调节水和电解质平衡以及酸碱平衡•人工肾依靠透析膜，使血液中的代谢产物进入到由外界引入的已配制好的透析液中，并通过透析膜达到电解质的平衡，经过透析处理解毒后的血液回到人体的静脉中，而需排泄的物质则引出弃去，与人体肾脏相比，透析器起到了人工肾的作用 人工肾工作原理人工肾工作原理 人工肾构成•由透析器、透析液供给装置和自动监护装置三部分组成，通过血液回路把人体与透析型人工肾连接起来•透析器是人工肾的关键部件之一，血液透析过程就在透析器中进行 •在血液透析过程中，动脉中的在血液透析过程中，动脉中的血液通过半透膜与透析液相接血液通过半透膜与透析液相接触，凭借液体间的浓度差，血触，凭借液体间的浓度差，血液与透析液进行物质交换，即液与透析液进行物质交换，即尿毒症病因物质从血液中经半尿毒症病因物质从血液中经半透膜扩散进入透析液，而透析透膜扩散进入透析液，而透析液中含有的人体必需的物质则液中含有的人体必需的物质则扩散进入血液。

交换后的血液扩散进入血液交换后的血液经静脉返回体内，而有害物质经静脉返回体内，而有害物质则随透析液排出体外则随透析液排出体外 血液透析回路血液透析回路以血液透析过程为例，对血液净化过程作简单介绍 •中空纤维透析器的基本结构如图所示将一束中空纤维置于外壳中，组装成中空纤维透析器透析器上下共有四个管口，中间的两个进出口为血液通路，两旁的进出口为透析液通路透析时，血液在中空纤维内流动，透析液在纤维外侧流动，一般血液与透析液呈逆向流动，通过中空纤维管壁进行透析•压榨压榨(碱碱)液的回收液的回收•在粘胶纤维生产中，压榨液约为纤维产量的18～22倍，压榨液的碱浓度为16％～17％，还含有大量的半纤维素、树脂和机械杂质2.工业应用工业应用•透析法回收压榨液中NaOH 中空纤维透析器的膜材料由聚乙烯醇制成经预处理过的压榨液和软水分别由压榨液和软水进口管进入透析器，在膜的两侧反向流动，压榨液中的NaOH不断进入软水中残余液出透析器后进入废液槽，经处理后排放；压榨液的透析回收结果压榨液的透析回收结果软水出口管流出的水溶液中NaOH含量为4％~8％，经回收液槽后，进入调整槽调整浓度后作为浸渍液回用压榨液中NaOH的回收率可达98%。

3.钢铁酸洗废液中回收硫酸钢铁酸洗废液中回收硫酸 •钢材加工需要预先除去表面的氧化铁现在广泛采用硫酸（或盐酸）溶液酸洗法在酸洗过程中，溶液中硫酸亚铁含量不断增加，当达到200g/L以上时，酸洗效果明显降低，成为废液，而废液中硫酸含量高达50g/L，必须经过处理才能排放•目前，硫酸酸洗废液大都采用石灰中和后排放或者冷却结晶回收铁矾及硫酸的处理方法采用石灰中和法，不但不能回收有用物质，而且增加了废渣的处理问题用冷却结晶法虽可回收铁矾和硫酸，但处理的成本高，经济上不合算而采用扩散渗析和离子交换膜电解相结合的工艺是技术上、经济上可行的 采用扩散渗析法和离子交换膜电解组合工艺处理酸洗废液的流程如图所示在电解槽中，以稀硫酸溶液为阳极液，以透析液为阴极液在直流电场作用下，阳极室中硫酸浓度不断升高，而阴极上不断沉积出电解纯铁，这样可同时达到回收硫酸和铁的目的 4.酒精饮料脱醇酒精饮料脱醇 •中空纤维透析器可以进行啤酒脱醇啤酒在中空纤维内侧流过、透析液(水)通过中空纤维外侧逆向而流，醇的脱除率可达40％•该法虽优于精馏法，但在脱酒精的同时会把某些低分子组分一起脱除，而影响酒的芳香度和风味•有人建议在透析液中加人啤酒中的芳香成分，以保持啤酒的原有风味。

•由于透析过程的传质推动力是膜两侧物料中组份的浓度差，受体系本身条件的限制，透析过程的传质速度慢，且透析膜的选择性低，对于化学性质相似或分子大小相近的溶质体系很难用透析法分离，这是其发展受到了很大限制，透析过程逐渐被借助外力驱动的膜过程，如电渗析、超滤等所取代，应用范围日渐缩小•然而，对于某些高浓度的蛋白质溶液，由于浓差极化的原因，使用超滤方法进行分离较为困难，这种情况下使用透析方法较为合适，特别是使用人工肾处理浓度差较高的血液时，透析法无疑更具有优越性•目前透析法应用最大的市场是血液透析，现在血液透析已成为治疗肾病患者的常规疗法另外，对于少量物料的处理，由于透析不需要使用超滤那样的特殊器件和装置，所以迄今其应用仍较为广泛应用前景应用前景 。