第5章-膜分离.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,*,Chapter 5,膜分离,Membrane separation,膜分离技术,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。,用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目的的技术。,膜的概念与功能,在流体相之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。,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。,膜在分离过程中的功能：物质的识别与透过，界面，反应场。,膜分离技术的类型,1.微滤,（Microfiltration,MF）,：,以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使,不溶性物质,得以分离的操作。,孔径分布范围在0.02514m之间，截留,直径为0.02 m,10 m大小的粒子。,可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液,菌体分离与浓缩,，产品消毒,。,膜分离技术的类型,2.超滤,（,Ultrafiltration,UF）,：,分离介质同上，但孔径更小，为,0.001-0.02 m,，,分离推动力仍为压力差，可分离分子量从,500,到,1,000,，,000,道尔顿的可溶性物质。,适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热原，,在生物工程中应用最广。,膜分离技术的类型,3.反渗透,（,Reverse osmosis,RO,）:,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。,膜分离技术的类型,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。,是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在,0.11,nm,之间。,3.反渗透（Reverse osmosis,RO）:,微滤,超滤 反渗透,:微粒子 :大分子 :小分子 .：水,膜分离技术的类型,4.透析：,用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。,透析膜：孔径,5-10nm,实验室中常用透析袋,应用：脱盐，血液透析,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。,膜分离技术的类型,5.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的膜分离操作。,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。,膜分离技术的类型,电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化,膜分离技术的类型,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜,按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜,按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜,各种膜材料,有机高分子膜：,纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；,无机多孔膜：陶瓷膜、微孔玻璃等,各种膜组件,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。,目前市售商品膜组件主要有：管式,、,中空纤维,、,螺旋卷绕式,、,平板式,共同的特点,尽可能大的膜表面积,可靠的支撑装置,可引出透过液,膜表面浓度差极化达到最小,管式膜组件,特点：,结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。,结构：,将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。,螺旋卷式膜组件,结构：,将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。,特点：,优点：比表,面积大，结,构简单，价,格较便宜；,缺点：处理,悬浮物浓度,较高的料液,时易堵塞。,特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、,浓缩倍数较低的料液处理和水处理。,螺旋卷式膜组件,中空纤维式膜组件,结构：,由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080,m),或毛细管膜（内径0.252.5mm）固定在圆筒形容器内构成。,优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用,。,缺点：易堵塞，对料液要求高。,纳米膜过滤技术,介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过。,特点：,（1）在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集,浓缩与透析,为一体；,（2）操作压力低,纳滤膜的性质与特点,有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为,2nm，,截留分子量范围在,100200,道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性。,主要产品,：,Membrane products Kiryat Weizmann，MPW(,以色列,),Desalination System(,美国,),SelRO,DESAL-5,FT-40,等系列膜,，Filmtech公司（,美国，明尼苏达,）,纳滤的应用,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,乳清脱盐与浓缩,苛性碱回收,纯水制备,超高纯水,水的脱盐,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,膜亲和过滤法,膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。,内容：包括两个分支,（1）亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离；,（2）亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤。,亲和膜分离技术,分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上一条“手臂链”（大于三个碳原子）；,亲和膜制备：选用合适的配基(Ligand)，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质；,亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（Ligate）的复合体；,洗脱：改变条件,（,洗脱液组成,、pH、,离子强度、温度等），使复合物解离；,亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用。,需解决的关键问题,膜表面要有足够多的并可利用的化学基团,表面积和孔径要足够大,孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和分离效率,机械强度要高,要耐酸碱和高温,亲和膜分离操作方式,亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）,微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）,膜分离技术应考虑的问题,截留分子量(,MWCO),截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。,MWCO,只是表征膜特性的一个参数，不能作,为选择膜的唯一标准。应从多方面,(,如孔径分,布、耐污染能力等,),综合考虑。,一般将在截留曲线上截留率为,0.90,的溶质分子,量定义为膜的截留分子量。,实际膜分离过程中影响截留率的因素：,溶质分子量,分子特性,不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性；,对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；,若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。,其他高分子溶质的影响,其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。,操作条件,温度升高，膜面流速提高，截留率降低；,pH=pI,时，对蛋白质高于其他,pH,下的截留率。,膜分离技术应考虑的问题,浓差极化:,在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增高,。,在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层。,膜分离操作中，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于料液主体浓度的现象。,浓差极化:,它对水的透过起着阻碍作用,。,所以浓差极化会降低膜的透水率。,为了减少浓差极化，通常采用错流操作。使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流体的剪切作用将过滤介质表面的固体移走。,污染:,由于溶质与膜的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或因浓差极化，溶质在膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”引起膜性能变化的现象。,是一个不可逆约过程。通常它受到膜的化学特征、蛋白质种类、溶液的pH值、无机盐浓度、温度等因素的影响。,影响,:,透过通量大幅度下降；降低目标产物的回收率。,膜污染是膜技术应用的最大限制因素。,膜分离技术应考虑的问题,防止或减轻膜污染的措施：,P187,对料液进行预处理；,对膜进行预处理；,改变操作条件。,膜的清洗:,膜污染造成膜透水量随运行时间增长而下降。清洗的方法通常可分为物理方法与化学方法。,物理方法,：一般指用高速流水冲洗。,化学清洗,：通常是用化学清洗剂对膜迸行清洗。,膜分离技术应考虑的问题,清洗剂：,水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、,醇、,络合剂、氧化剂和酶溶液等。,清洗剂选用要求：,优先考虑水；,温水,具有良好的去污能力；,不损害膜的过滤性能。,中空纤维膜组件常采用反洗和循环清洗。,膜分离技术的优点,处理效应高，设备易于放大；,可在室温或低温下澡作，适宜于热敏感物质的分高浓缩；,化学强度和机械损害最小，减小生物制品失活；,无相转变，节能；,有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；,选择合适的膜与操作参数，可得到较高回收率；,处理系统可密闭循环，防止外来污染；,不外加化学物质，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。,膜分离过程在生物工程中的应用,过程,应用对象,实例,微滤,消毒、澄清收集细胞,培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集,超滤,大分子物质分离,酶及蛋白质的分离、浓缩、纯化，血浆分离、脱盐、去热原，膜反应器,纳滤,小分子物质分离,糖，二价盐、游离酸的分离,反渗透,小分子物质浓缩,单加盐、非游离酸的分离,透析,小分子有机物和无机离子,脱除小分子有机物或无机离子,膜生物反应器,定义：,膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置。,应用于动植物细胞高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。,膜分离技术的前景,由于膜分高技木具有的高效、节能、设备简单、操作方便、适合生物制品处理筹优点，因而在下游技术中，其作用日益受到重视。,根据近几年膜工业发展速度和经济建设的需求分析预测：2005年，我国膜市场需求在50亿元以上，年均增速继续保持在15左右，2015年，膜市场需求可望超过200亿元，将占到世界总量的1015。,膜分离技术的设备,纯化水设备,思考题,微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析等方法的原理,各种膜分离技术的应用范围,浓,差,极化概念,膜污染的主要原因，膜清洗的方法和预防膜污染的措施,