(6)-膜分离技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主 要 内 容,一、过滤技术概述,二、传统过滤技术及其工业应用,三、,膜分离技术及其应用,1,一、过滤技术概述,概念,：,过滤是利用多孔介质阻留固体而让液体通过，使固体和液体分离的技术。,通常将原悬浮液称为,滤浆,，滤浆中的固体颗粒称为,滤渣,，过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为,滤饼,，通过过滤介质的液体称为,滤液,。,目的：,（,1,）除去不溶性杂质得到所需清液；,（,2,）收集固体中间产物或结晶的成品。,应用范围,：,在粗分离和精制过程中都可以用到过滤技术。,2,3,分类,1,、,滤饼过滤,悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。,2,、,深层过滤,固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。,3,、,膜分离,(,类似过滤）,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技术。如微滤、超滤、反渗透、电渗析等。,过滤效率的影响因素,1,、,滤料的影响,（,1,）孔隙率 球形滤料的孔隙率与粒径关系不大，一般都在,0.43,左右。但角形滤料的孔隙率取决于粒径及其分布，一般约为,0.48,0.55,。,（,2,）厚度 滤床越厚，滤波越清，操作周期越长。,（,3,）表面性质 滤料表面的不带电荷或者带有与悬浮颗粒表面电荷相反的电荷有利于悬浮颗粒在其表面上吸附和接触凝聚。,6,指散粒状材料堆积体积中,颗粒之间的空隙体积占总体积的比例,。,2,悬浮物的影响,(,滤浆）,（,1,）,粒度,几乎所有过滤机理都受悬浮物粒度的影响。粒度越大，通过筛滤去除越易。,（,2,）,形状,角形颗粒因比表面积大，其去除效率比球形颗粒高。,（,3,）,密度,颗粒密度主要通过沉淀，惯性及布朗运动机理影响过滤率,（,4,）,浓度,过滤效率随料液浓度升高而降低，浓度越高，穿透越难，水头损失增加越快。,（,5,）,温度,温度影响密度及粘度，进而通过沉淀和附着机理影响过滤效率。降低温度，对过滤不利。,（,6,）,表面性质,悬浮物的絮凝特性，电动电位等主要取决于表面性质，因此，颗粒表面性质是影响过滤效率的重要因素。,7,过滤基本参数,处理量、生产能力、生产率、过滤面积、悬浮液固相浓度、滤饼含液量、滤饼与滤液的体积比、过滤速度。,8,二、传统过滤技术及应用,（一）过滤介质的选择,（二）过滤前物料的预处理,（三）助滤剂的选择和应用,（四）常用过滤设备,9,（一）过滤介质的选择,选择时应考虑的因素,（,1,）孔径大小适于截流被分离的微粒；,（,2,）孔的数量多，孔道短；,（,3,）耐酸碱，化学稳定性好；,（,4,）有一定机械强度，易于回收；,（,5,）工业上要求再生方便，成本低。,10,11,（二）过滤前物料的预处理,加热,加热可以使液体黏度降低，适用于对热较稳定的物质。,沉淀,常用于处理细胞及碎片、菌体及菌团等。,助滤剂,12,（三）助滤剂的选择和应用,助滤剂,是一种特殊性能的细粉或纤维，它能使某些难于过滤的物料变的容易过滤。,硅藻土和珍珠岩,是两种最常用的助滤剂。硅藻土是水生植物沉淀下的遗骸；珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。,13,14,15,助滤剂,特点,酸稳定性,碱稳定性,硅藻土,一般用于要求最高澄清度情况,微溶于弱酸,微溶于弱碱,珍珠岩,最适用于旋转真空过滤，也适用于加压过滤，真空过滤,微溶于弱酸,微溶于弱碱,混合助滤剂（硅藻土、或珍珠岩与石棉）,粗金属网滤材的被复用,微溶于弱酸,微溶于弱碱,纤维素,粗金属网滤材的被修复用，改善另一助滤剂的被复层性质用，吸附除去冷凝液中的油份,不溶于弱酸,微溶于弱碱,与强碱,活性炭,特别用于强性碱溶液过滤，需要助滤剂高化学稳定性,不溶于弱酸,弱碱强碱都不溶,各助滤剂的性能,硅藻土及其应用,硅藻土在酸碱条件下是稳定的，颗粒性状不规则，所形成的滤饼空隙率大，具有不可压缩性。,16,SiO,2,Al,2,O,3,Fe,2,O,3,CaO,MgO,其他,天然原矿,86.8,4.1,4.6,1.7,0.4,0.8,灼烧,91.0,4.6,1.9,1.4,0.4,0.1,白色,87.9,5.9,1.1,1.1,0.3,3.6,硅藻土助滤剂的化学组成（,%,）,17,根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂的品种,粗目滤网,石棉粉、纤维素,细目滤布,细硅藻土,滤饼较厚时（,50-100mm),，可加入,1%-5%,纤维素或活性炭。,采用纤维素预涂层可以使滤饼易于剥开，防止堵塞。,粒度选择,做预试验，根据料液中的颗粒和滤出液的澄清度而定。,用量选择,间歇操作时纤维素预涂层厚度一般为,2mm,细粒硅藻土,500 g/m,3,；粗粒硅藻土,700-1000 g/m,3,；,助滤剂的三种用法,作为深层过滤介质,在支持介质表面作为预涂层,分散在过滤液中悬浮，使形成的滤饼具有多孔性，降低了滤饼的可压缩性。,18,（四）常用过滤设备,按照推动力不同分为四类：,重力过滤,加压过滤,真空过滤,离心过滤,19,间歇过滤,连续过滤,20,过滤推动力,过滤推动力是指滤饼和过滤介质两侧的压力差。此压力差可以是重力或人为压差。增加过滤推动力的方法有：,1,、增加悬浮液本身的液柱压力，一般不超过,50KN/m,2,，称为,重力过滤,。,2,、增加悬浮液液面的压力，一般可达,500KN/m,2,称为,加压过滤,。,3,、在过滤介质下面抽真空，通常不超过真空度,86.6KN/m,2,，称为,真空过滤,。,此外，过滤推动力还可以用离心力来增大，称为,离心过滤,。,21,22,优点,1.,过滤速度过快，每单位过滤面积所占安装面积小,2.,多数是间歇式，使过滤装置具有一定的通用性,3.,过滤装置的价格便宜,缺点,1.,由于是间歇式，很难用作连续操作系统的过滤装置,2.,由于是间歇式，人工费用增加,3.,少数的连续式装置缺乏通用性，且价格昂贵,加压过滤设备的优缺点,过滤设备的选择,被过滤液体的特性,生产规模,操作条件,设备材料,23,24,普通漏斗。,垂熔玻璃滤器。,砂滤棒。,板框式压滤机。,微孔滤膜过滤器。,常用玻璃漏斗和布氏漏斗，常用滤纸、长纤维和脱脂棉以及绢布等作过滤介质。,其它。,超滤装置、钛滤器、多孔聚乙烯烧结管过滤器等。,25,一贴,普通漏斗。,26,二低,普通漏斗。,27,三靠,普通漏斗。,1,）实验室用抽滤装置,28,29,垂熔玻璃滤器,分为垂熔玻璃漏斗、滤球和滤棒三种。,系以硬质玻璃烧结成具有一定孔径的滤板，再粘连不规格的漏斗、滤球而成。,按滤板孔径大小分为,1,6,六种规格，由于厂家不同，代号不同。,1,2,号滤除大颗粒的沉淀，,3,4,号滤除细沉淀物，,5,6,号可滤除细菌。,应用时在板上面盖,1,2,层纸，以减压抽即可。,30,该滤器特点是性质稳定，除强酸与氢氟酸外，一般不受药液影响，不改变药液的,pH,；,过滤时不掉渣，吸附性低；,滤器可热压灭菌和用于加压过滤；,但价格贵，质脆易破碎，滤后处理也较麻烦。,垂熔玻璃滤器用后要用水抽洗，并用,12%,硝酸钠,-,硫酸溶液浸泡处理。,31,应用：由于垂熔玻璃的孔径较均匀，常作为精滤或膜滤前的预滤用。,32,砂滤棒,以,SiO,2,、,Al,2,O,3,、粘土、白陶土等材料经过,1000,以上的高温焙烧成空心的滤棒。,配料的粒度越细，则砂滤棒的孔隙越小，滤速也越低。,砂滤棒的微孔径约为,10m,左右，相同尺寸的砂滤棒依微孔径不同，可分为细、中、粗号几种规格。,由图可知，将砂滤棒的接口以密封接头与真空系统联接时，置于药液中的砂滤棒即可完成过滤作用。滤液在真空作用下透过管壁，经管内空间汇集流出。,应用：采用砂滤棒的过滤方法一般只作为不精细的过滤使用。,33,34,优点,过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，,对不同过滤特性的发酵液适应性强。,缺点,不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。,由多个中空滤框和实心滤板交替排列在支架上组成，是一种加压下间歇操作的过滤设备,。,广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量,1-10%,的悬浮液的分离。,板框式压滤机,35,包括板和框，多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。,板框压滤机,36,37,垂直叶片式过滤机,38,39,3,）真空转鼓过滤机,（,rotary-drum vacuum filter,）,真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力。生物工业中，用得较多的是转筒式真空过滤机和带式真空过滤机。,40,转筒真空过滤机的结构,转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布,圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间。,41,转筒真空过滤机结构：,转筒，扇形格,(18,格,),；,滤室；,分配头；,动盘,(18,个孔，分别与扇形格的,18,个通道相连,),；,定盘,(,三个凹槽：滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽，分别将动盘的,18,个孔道分成三个通道,),；,滤浆槽。,工作过程,转筒下部浸入滤浆槽中，浸没角约,900-1300,，圆筒缓慢旋转时,(,转速约,0.5-2r,min),，筒内每一空间相继与分配头中的,3,个室相通，可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。即整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区,3,个区域。,42,转筒真空过滤机,43,转筒真空过滤机,优点：,转筒真空过滤机可吸滤、洗涤、卸饼、再生连续化操作，生产能力大，劳动强度小，,缺点：,辅助设备多，投资大，,且由于真空过滤，推动力小（不超过,8104 Pa,），滤饼湿度大（,20,30,）。,主要适用霉菌发酵液，对菌体细小、黏度大铺助滤剂。对于滤饼阻力较大的物料适应能力较差。,44,带式真空过滤机,带式真空过滤机（是自动连续运转、并能按工艺要求进行无级调速以及操作方便和动力消耗低的一种新型高效的脱水设备。,45,带式真空过滤机流程,1,、进料过滤滤饼洗涤吸干卸料滤布清洗连续进行，配有,PLC,控制，自动化程度高。,2,、真空过滤盘分段设计，可满足不同物料过滤、洗涤、吸干的工艺要求，滤带运行速度采用变频无级调速，对不同物料有广泛的适应性。,3,、在同一设备上可采用多次逆流洗涤得到高浓度的滤液，也可采用并流洗涤或顺流洗涤获得高纯度的滤饼。,46,47,结构,：,转鼓,滤饼,滤布,滤网,离心过滤机工作原理图,转鼓,(,上有小孔，亦称悬框,),；,滤网；,滤布；,机架。,原理,：,由于离心力作用，液体产生径向压差，通过滤饼、滤网及滤筐而流出。,4,）,离心过滤机（,centrifugal filter,）,48,设备,主要结构,过程,特点,适用性,板框压滤机,滤板,/,滤框,/,夹紧机构,/,机架,装合,过滤,洗涤,卸渣,整理,加压过滤，推动力较大,结构简单，造价低；,过滤面积大，能耗少；,间歇操作；,洗涤时间长，生产效率低。,应用广泛。对原料的适应性强,转鼓真空过滤机,转筒,(,滤网、滤布,)/,分配头、滤浆槽,过滤,洗涤,吹干,卸渣,连续化生产，自动化程度高,真空过滤，推动力较小；，,滤饼湿度大，设备投资高,适于粒度中等，粘度不太大的物料,离心过滤机,转鼓,(,滤网、滤布,)/,机架,过滤,洗涤,卸渣,离心过滤，推动力最大；,滤液湿度小，设备成本高，,应用广泛，过滤面积小。,几种过滤设备的比较,5,）硅藻土过滤机,diatomite filter,硅藻土中的硅藻有许多不同的形状，由于硅藻土具有细腻、松散、质轻、多孔、吸水和渗透性强的特性，所以它是一种性能优良的工业滤剂。,硅藻土过滤是以硅藻土作为过滤介质，它是一种预涂型过滤器，预涂、过滤、反冲洗是硅藻土过滤的一般工艺过程。,在酿造、饮料、酒类和水处理等方面得到广泛应用。目前，国内主要用于酒类和饮料过滤,49,硅藻,50,51,硅藻土过滤机,52,微孔滤膜是用高分子材料制成的薄膜滤过介质。常用的有圆盘形和圆筒形两种。在薄膜上分布有大量的穿透性微孔，孔径从,0.025,14,m,，分成多种规格。微孔滤膜主要用于注射剂的精滤或末端滤过，也可用于除菌滤过，细菌、癌细胞、寄生虫等检验。,微孔滤膜滤器,53,1,3,5,7,1,54,其优点是：,孔径小、均匀、截留能力强；,质地轻薄,(0.1,0.15 mm),、孔隙率高,(,微孔体积占薄膜总体积的,80%,左右,),，药液通过薄膜时,阻力小、滤速快,，与同样截留指标的其它滤过介质相比，滤速快,40,倍；,滤过时无介质脱落也,不影响料液的,pH,值,；,滤膜吸附性少，不滞留料液,；,滤膜用后弃去，药液之间,不会产生交叉污染等。,但易堵塞及有些纤维素类滤膜稳定性不理想。,微孔滤膜滤器,错 流 过 滤,55,又称切向流过滤（,Cross-Flow Filtration,）,传统过滤时过滤液体垂直于过滤介质，过滤阻力主要来之滤饼。错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切。,在压力推动下，悬浮液以高速在管状滤膜的内壁作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体（滤饼）移走，而附着在滤膜上的滤饼很薄，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度,错 流 过 滤,56,微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼,57,错 流 过 滤,膜 分 离 技 术,Membrane Separation Technology,58,59,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。,膜是什么？有何特性？,60,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,膜分离的物理化学原理,61,截流机理和筛孔效应,渗透和渗透压,Donnan,效应,机械截留（筛孔效应）,物理作用或吸附截留,架桥作用,网络内部截流,渗透和渗透压,62,1885,年,Van,t Hoff,渗透压定律：,对稀溶液来说，渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常数就是气体状态方程式中的常数,R,。,渗透是在膜两边渗透压差,的作用下的溶剂流动；而反渗透、超滤是在一外加压力差,P,的作用下,溶剂逆向流动。,盐溶液 纯水,H,2,O,渗透,P,反渗透,63,将荷电基团的膜置于含盐溶液中，溶液中的反离子（所带电荷与膜内固定电荷相反的离子）在膜内浓度大于其在主体溶液中的浓度，而同名离子在膜内的浓度则低于其在主体溶液中的浓度。,Donnan,效应,64,膜分离包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜分离。从分离科学的角度看,超滤、渗析、反渗析、电渗析等分离过程是靠在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作用的界面时在速度上的差别来进的。,65,膜分离特点,膜的种类、孔径可以根据需要选择,不管流速有多强，膜对于阻止大的粒子或分子透过的能力是很强的。,把产物分在两侧，很容易收集样品,节能、环保,分离膜种类,66,分离膜,高分子膜,液体膜,生物膜,带电膜,非带电膜,阳离子膜,阴离子膜,过滤膜,精密过滤膜,超滤膜,反渗透膜,纳米滤膜,67,67,按膜的结构分类,按膜的结构分为：,对称膜,(Symmetric Membrane),非对称膜,(Asymmetric Membrane),复合膜,(Composite Membrane),68,膜分离技术的发展简史,:,人类对于膜现象的研究源于,1748,年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了,200,多年的漫长过程。,人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。,1950,年,W.Juda,试制出选择透过性能的,离子交换膜,，,奠定了电渗析的实用化基础。,1960,年洛布,(Loeb),和索里拉简,(Souriringan),首次研制成世界上具有历史意义的非对称,反渗透膜,，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。,69,其发展的历史大致为：,30,年代微孔过滤，,40,年代透析；,50,年代电渗析；,60,年代反渗透；,70,年代超滤和液膜；,80,年代气体分离；,90,年代渗透汽化。,此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程,(Integrated Membrane Process),也日益得到重视和发展。,70,各种膜技术的概念,1),反渗透,反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂,(,通常是水,),的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。,海水和苦咸水的淡化是其最主要的应用，,反渗透膜的制备技术相对比较成熟，其应用亦十分广泛。,71,2),超滤,应用孔径为,10,到,200,的超过滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤,。,3),微滤,微滤与超滤的基本原理相同，它是利用孔径大于,0.02m,直到,l0m,的多孔膜来过滤。应用领域极其广阔，目前的销售额在各类膜中占据首位。,72,4),渗析,渗析是最早发现、研究和应用的一种膜分离过程，它是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。,5),电,渗析,电渗析是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的。目前主要用于水溶液中除去电解质,(,如盐水的淡化等,),、电解质与非电解质的分离和膜电解等。,73,6),气体膜分离,气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，具有很大的发展前景。,7),渗透汽化,渗透汽化也称渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中组分的溶解和扩散性能的不同来实现其分离的新型膜分离过程,8),其它膜分离过程,其它膜分离过程尚有：膜蒸馏、膜萃取、膜分相、支撑液膜、生物膜分离等,静压差膜分离,74,微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。,1),微滤,2),超滤,3),纳滤,4,）反渗透,微孔过滤,75,用于从气相或液相物质中截留分离微粒、细菌、污染物等。,微过滤膜,:,孔径,0.025-3,m,，,特种纤维素酯、高分子聚合物制成。,三醋酸酯纤维素,聚四氟乙烯,尼龙,66,亲水型,憎水型,通用型,水、低级醇,有机溶剂*,微滤应用,1),除去水,/,溶液中的细菌和其它微粒；,2,),除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；,3,),除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。,76,滤膜溶解法,(Soluble Membrane Filter),77,对于微过滤膜富集,通常采用酸等溶剂将沉积物溶解进行后续测定。而可溶滤膜法将目标成分转变为憎水的适应收集的形式；抽滤于合适的可溶膜上；将滤膜及收集物溶于合适溶剂中；有机相可直接分光等直接测定。如用硝化纤维素膜过滤,可以用甲基溶纤剂和,DMF,或浓硫酸溶解,也可用丙酮、乙腈、,THF,等溶解。,超滤,78,超滤是在,1-10,大气压作用下分离分子量约大于,1000,的大分子和胶体粒子的方法。超滤膜是一种微孔结构的膜，分离是依靠孔径的分布来完成的。,超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为,：,R=(1,C,p,/C,f,)100%,C,p,和,C,f,分别是溶质在过滤产物中和原料中的浓度,。,2.,超 滤,79,是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一 般为,1000,到,50,万，孔径为几十,nm,，操作压,0.2-0.6MPa,。,80,蛋白酶液,恒流泵,平板式超滤膜,P,出,背压阀,超滤过程示意图：,P,进,透出液,截留液,当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。,超滤应用,81,超滤从上世纪,70,年代起步，,90,年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。,蛋白、酶、,DNA,的浓缩,脱盐,/,纯化,梯度分离（相差,10,倍）,清洗细胞、纯化病毒,除病毒、热原,纳滤,（,nanofiltration,NF,）,82,纳滤过滤是上世纪,80,年代末问世的新型膜分离技术。,纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜,(RO),和超滤膜,(UF),之间，因此称为,“,纳滤,”,。,纳滤膜能够截留分子量为几百的物质，对,NaCl,的截留率为,50%-70%,，对某些低分子有机物的截留率可达,90%,。,纳滤膜的表层较,RO,膜的表层要疏松得多，但较,UF,膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度，以形成大量具纳米级的表层孔。,83,纳滤截留的相对分子量为,100-1000,其操作压力较低,一般在,5-10atm,同时纳滤膜的通量高,与反渗透相比，纳滤具有能耗低的优点。因此,纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物,透析被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低,(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子,(90%),以上。,纳滤,纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。,膜组器于,80,年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。,纳滤,(NF,，,Nanofiltration),是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。,纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为,MW 300,1000,，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。,84,纳滤膜的特点,纳滤膜的截留率大于,95%,的最小分子约为,nm,故称之为纳滤膜,。,从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。,能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用,RO,膜低,0.5,3 MPa,，因此纳滤又被称作,“,低压反渗透,”,或,“,疏松反渗透,”,(Loose RO),。,85,纳米膜的分离机理,筛分：,对,Na,+,和,Cl,-,等单价离子的截留率较低，但对,Ca,2+,、,Mg,2+,、,SO,4,2-,截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（,00-1000,）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离,.,道南（,Donnan,）效应：,纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。,低压力下仍具有较高脱盐性能；,分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。,86,纳滤膜分离机理示意图,87,纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在,Donnan,效应，广泛应用于制药、食品等行业中。,同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在,500,到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。,应用：,（,1,）小分子量的有机物质的分离；,（,2,）有机物与小分子无机物的分离；,（,3,）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；,（,4,）盐与其对应酸的分离。,88,纳滤的应用,纳滤的应用,89,行 业,处理对象,行 业,处理对象,制药工业,母液中有效成分的回收,抗菌素的分离纯化,维生素的分离纯化,氨基酸的脱盐与纯化,化工行业,酸碱纯化、回收,电镀液中铜的回收,食品工业,脱盐与浓缩,苛性碱回收,纯水制备,水的脱盐、高纯水、,地下水的净化,染料工业,活性染料的脱盐与回收,废水处理,印染厂废水脱色,造纸厂废水净化,90,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。某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。,反渗透原理,91,反渗透（,Reverse Osmosis,）分离过程是使溶液在一定压力（,10-100 atm,）下通过一个多孔膜，在常压和环境温度下收集膜渗透液。溶液中的一个或几个组分在原液中富集，高浓度溶液留在膜的高压侧。,反渗透膜,(homogeneous membrane or skin,type membrane):,反渗透膜可截留,0.X-60 nm,的粒子,截留粒子分子量可达,500,以下。在分析上,反渗透膜可用于富集水溶液中微量有机物。,优先吸附毛细孔流动模型,92,(a),膜表面对水的优先吸附,压力,主体溶液,界面,水 在膜表面处的流动,93,如果毛细孔直径恰等于,2,倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐,。,（,1,）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化，制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。,94,应 用,95,95,工业应用的反渗透装置,（,2,）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。,（,3,）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。,96,静压差膜分离小结,97,MF,蛋白质,细菌,MW 1um,RO,UF,F,新型的,NF,正好介于,UF,和,RO,之间，截流分子量大概在,300-1000,。,NF,98,RO membrane NF membrane,UF membrane MF membrane,99,微滤,0.1,10,m,：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等,超滤,0.005,0.1,m,：,蛋白、颜料、多糖、大分子,纳滤,0.0005,0.005m,：,低聚糖、染料、多价离子,反渗透,0.0001,0.001m,：,电解质、大于,100u,的有机溶质,水、小于,100u,的有机溶质,膜的适用范围,100,Pressure,透析原理图,101,水分子,大分子,小分子,透析膜,透析法的应用,常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，,有时也用于置换样品缓冲液。,由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。,透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。,102,蛋白质、无机盐,无机盐,缓冲液,电渗析,(Electrodialysis),103,电渗析是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。,用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐；溶解的电离物质和中性物质的分离。,海水淡化,-,电渗析原理,104,1,离子在电场下的定向迁移,2,膜的选择性透过,3,分离对象,/,产品的去向,关注,+,-,极水,盐水,淡水,基本原理,105,在直流电场的作用下,溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。,电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的,离子交换膜,(Charged Membranes),。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。,106,为什么离子交换膜具有选择性呢？,离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用。,107,正极 阴离子交换膜 负极,+,固定离子,Cl,-,Na,+,-,108,在水溶液中,阴离子交换膜的活性基团会发生离解，留下的是带正电荷的固定基团，构成了强烈的正电场。在外加直流电场作用下，根据异电相吸原理，溶液中带负电的阴离子就可被它吸引、传递而通过离子交换膜到另一侧，而带正电荷的阳离子则由于离子膜上固定正电荷基团的排斥不能通过交换膜。,109,离子交换膜和离子交换树脂的区别：,作用机理,使用方法,树脂,离子间交换,RSO,3,H,+,选择互换作用,Na,+,H,+,解吸后须再生，并恢复成原来的离子型式，才能继续使用。,膜,选择透过作用，,RSO,3,Na,+,膜上反离子是,H,2,O,什么，无关紧,Na+,Na+,要，主要是骨,Cl,架的电荷作用。,可连续使用，,是透过，不是交换。,110,111,在电渗析过程中,膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用,而是对不同电性的离子起选择透过作用,因而离子交换膜实际上应称为离子选择性透过膜。,3.,电渗析技术应用领域,自电渗析技术问世后，其在,苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备,方面展示了巨大的优势。,随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的,1/3,。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供,200m,3,/d,规模的海水淡化装置。,112,中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。,电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。,113,114,主要的膜分离过程,过程,分离目的,透过组分,膜的类型,驱动力,分离机理,应用范围,电渗析（,ED,）,溶液脱小离子，小离子溶质的浓缩，小离子的分级,小离子组分,阳离子和阴离子交换膜,电势差,颗粒的电荷,从发酵液中除盐、酸和碱，氨基酸分离,微滤（,MF,）,溶液脱粒子，气体脱粒子,溶液气体,对称性多孔聚合膜（孔径,0.05m,）,静压（,50,200kPa,）,筛分机理，由颗粒直径和孔径决定,无菌过滤，澄清，收集细胞，细菌和病毒分离,反渗透（,RO,）,溶剂脱溶质浓缩,溶剂,由均质表面层和微孔亚结构或支撑结构所组成的不对称膜,静压（,1380 1890kPa,）,溶液扩散机理，在多聚物网格中各种成分的溶解度和扩散性决定分离特性,微小溶质的浓缩，如盐、糖、氨基酸，从微生物过程中回收水,透析（,DF,）,大分子溶质溶液脱小分子，小分子溶质溶液脱大分子,小分子溶质或较小的溶质,半透膜,浓度差,筛分原理,脱盐,纳米过滤（,NF,）,溶剂脱溶质浓缩,溶剂,多层聚合物膜组成，活性层带负电荷，多孔性,静压,与反渗透膜相似,母液中有效成分的回收；抗生素及维生素的分离纯化,超滤（,UF,）,溶液脱大分子，大分子溶液脱小分子，大分子分级,小分子溶液,不对称微孔多聚膜（孔径,1,50nm,）,静压（,200,1000kPa,）,筛分机理，孔径和颗粒直径决定分离特性,分离，浓缩，大分子物质的纯化，如蛋白质、酶和多肽,渗透汽化（蒸发）技术,1.,渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点,渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。,115,特点：,不存在蒸馏法中的共沸点的限制，适合共沸点和挥发相差小的双组分分离。,与反渗透相比，渗透蒸发透过侧组分以气体存在，消除了渗透压的作用，可在低压下进行，适合高浓度混合物的分离。,渗透应用：,有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离，低醇酒生产。,116,渗透蒸发,渗透蒸发原理示意图,117,渗透蒸发膜混合液,疏水膜,抽真空,118,渗透蒸发分离示意图,(,真空气化,/,惰性气体吹扫,),2.,渗透蒸发膜材料的选择,对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。,如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（,PVA,）和醋酸纤维素（,CA,）都是较好的膜材料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（,PDMS,）则是较理想的膜材料。,119,3.,渗透蒸发技术应用领域,渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。,目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比，可大大降低运行费用，且不受汽,液平衡的限制。,120,传统的研究中，膜分离和亲和分离是,2,个平行发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。,膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离速度快，可连续操作，但选择性低；而亲和分离的选择性和特异性较强，但不宜放大。,由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离技术，可发挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于放大等显著优点。,121,8,膜亲和过滤技术,122,膜亲和过滤法,包括两种情况：,1.,将亲和配基（与产物具特异亲和力）与膜化学结合，制得亲和膜，膜过滤时，产物与膜孔壁上的配基结合被截留，未结合的杂质透过，膜经洗涤后在适宜的条件下洗脱，使复合物解离，产物透过膜，达到分离和浓缩目的。,2.,将产物结合到亲和载体（具特异亲和能力的高分子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子复合物，在合适孔径的膜上被截留，未结合的杂质透过，然后再将产物从聚合物上洗脱下来，透过膜，而亲和载体被截留循环使用。,膜亲和过滤技术,亲和膜的作用机理,123,亲和膜,亲和膜分离,亲和超滤过程分离目标物的同时，浓缩其他成分,124,125,水溶性亲和聚合物,：,含,m,氨基苯甲脒，是胰蛋白酶的强抑制剂。该亲和聚合物分子量,10,万，以,N,丙烯酰,m,氨基苯甲脒（即,m,AB,）为单体，加丙烯酰胺在一定条件下聚合而得。,亲和聚合物与胰蛋白酶结合,：,胰蛋白酶,(,含胰凝乳蛋白酶,),溶液置于,Tris,缓冲液,(,含,10mM CaCl2),中，加入聚合物溶液，保温,2hr,。,超滤,：,用截断分子量,10,万的,millipore,膜，透析过滤法超滤，保持超滤系统体积不变，胰蛋白酶与亲和聚合物结合物为大分子被截留在膜上，胰凝乳蛋白酶不与聚合物结合，为小分子，透过膜。超滤,3hr,后测得：,例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：,126,洗脱,：,用,L,精氨酸作洗脱剂，它是胰蛋白酶底物的竞争性抑制剂。将含胰蛋白酶的聚合物溶液用透析过滤法超滤，以与超滤相等的速度加入洗脱剂溶液，胰蛋白酶从聚合物上被洗脱分解后，即透过膜流出，达到纯化。,解离后的高分子聚合物纯化，然后反复使用,。,例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：,保留液酶活 透过液酶活,胰蛋白酶,90,10,胰凝乳蛋白酶,2,95,过程,膜结构,驱动力,应用对象,实 例,微滤,对称微孔膜,0.0510m,压力差,消毒、