上海交大-生化分离-05-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,Questions,问题：,A、100多年以后，淡水资源枯竭；,B、现存的问题是：北方严重缺水,A、节约用水,B、南水北调,C、海水淡化,Questions:,A、海水如何淡化?,B、30万人/年肾衰病人；约1/6肾移植，生命如何延长?,第五章膜分离技术,5.1概论,5.2膜分离技术的类型,5.3微滤(MF),5.4超滤(UF),5.5反渗透(RO),5.6透析(DS),5.7电透析(ED，IEED),5.8膜材料的要求,5.9膜材料的种类,5.10,膜结构特征,5.11,超滤膜的分子截留作用,5.12膜组件,作业,5.1概论,优点:,1)、能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异；,2)、分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要；,3)、操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。,缺点,1)、膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清洗方法；,2)、稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围有限；,3)、单独的膜分离技术功能有限，需与气他分离技术连用。,5.2膜分离技术的类型,膜分离法与物质大小的关系。,5.3微滤(MF),原理：,筛分，同一般过滤有很大重叠。,操作：,同一般过滤。膜两侧的渗透压可忽略，操作压在0.05-0.5Mpa。,用途：,除去0.1um10um的颗粒，用于细胞、细菌、细胞器的分离。,透过流通量J,v,(kg m,-2,s,-1,),计算：,Carman-Kozeny方程,：膜的孔隙率，,：滤液黏度，K：为与孔道结构有关的无因次常数，S,0,为孔道比表面积。,意义：,J,v,与压力差,p成正比，与滤液的黏度成反比，这是分析微滤过程的理论基础。,5.4超滤(UF),原理：,筛分,操作：,一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压很小，操作压在0.1-1.0MPa。,应用：,A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；B、Pro浓缩，C、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。,计算：,Carman-Kozeny方程(见上)。,优点：,A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤,5.5反渗透(RO),渗透压差,条件：极稀溶液。,意义,：,透过液溶质浓度(c,2p,)方程：,v,1,为溶剂水的摩尔体积(m,3,/mol)；a,A,和a,B,分别为A、B两侧溶剂的活度；,为膜两侧的渗透压差;,c,2,为溶质在,膜两侧浓度差；,p,为膜两侧压力差；,L,solute,和,L,solvent,分别为溶质和溶剂在膜中的渗透系数。,意义：,5.6透析(DS),原理：,浓差扩散,操作：,用途,：,A、人工肾，腹膜透析；,B、样品脱电解质；,C、浓缩富积；,D、气体分离(利用透析袋对不同气体的通透性),优点：,A、方法和设备简单，价格低廉；,B、实验室最常用的样品脱盐方法,缺点：,A、透析的速度缓慢；,B、溶质稀释。,5.7离子交换电透析(IEED),机理：,透析膜经化学处理后带有正电荷(如季铵基N,+,R,3,)或负电荷基团如(磺酸基SO,-,3,)。,操作：,几百对,用途：,A、海水淡化，B、苦水淡化，C、血浆、IgG、其他蛋白质的分离，D、氨基酸和有机酸分离纯化。,优点：,可大规模生产,缺点：,能耗高,5.9膜材料的种类,天然高分子材料,种类：,纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维,优点,：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。,缺点,：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在45-50,C，pH3-8。,合成高分子材料,种类：,聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超滤膜。,优点：,耐高温(70-80,C，可达125,C)，pH1-13，耐氯能力强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性高，寿命长，常用于反渗透。,缺点：,但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。,5.9膜材料的种类,无机材料,种类：,陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化有孔径0.1um微滤膜和截留10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向上不对称,优点：,机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。,缺点：,不易加工，造价高。,复合材料,种类：,如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。,优点：,此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉淀层，清洗容易。,缺点：,稳定性差。,5.10 膜结构特征,孔道结构,核孔微滤膜(nuclepore membrane),孔形整齐，孔道直通，呈圆柱形，孔径分布范围小。在分离性能、通透性和耐污染方面优于一般的微孔滤膜，但造价较高。,对称膜(symmetric membrane),膜截面的膜厚度上孔道结构均匀。早期的膜多为对称膜。缺点：传质阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困难。,5.10 膜结构特征,不对称膜(asymmetric membrane),膜在厚度上的孔道结构不均匀，不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层(0.2-0.5um)和起支撑作用的惰性层(50-100um)构成。惰性层孔径很大，对通过流体阻力很小。由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此透通量大，膜孔不易阻塞，易冲洗。目前的超滤膜和反渗透膜多为不对称膜。一般而言，超滤膜多为指状结构，反渗透膜多为海绵状结构，微滤膜以对称结构为主，新型无机陶瓷膜多为不对称膜。,5.10,膜结构特征,孔道特征,特征：,膜的孔道特征包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤膜和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观测到。,微滤膜最大孔径：,可用泡点法(bubble point method)测定。在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通入空气，当压力升高到有稳定的气泡冒出时称为泡点，此时的压力称为泡点压力。基于空气压力克服表面张力将水从膜孔毛细管中推出的动量平衡，得到计算最大孔径公式,式中，,为水的表面张力；p,b,为泡点压力；,为水与膜面的接着角度。因为亲水膜可被水完全湿润，故亲水膜的,0，cos,1，所以,5.11超滤膜的分子截留作用,微滤膜用平均孔径标志膜的型号.,超滤膜用截留分子量标志膜的型号.,分子截留率(rejection coefficient):,表征膜对溶质的截留能力。,表观截留率,：由于膜表面的极化浓度不易测定，通常只能测定料液的体积浓度(bulk concentration)，因此常用表观截留率，其定义为：,真实截留率为：,在实际膜分离过程中，由于存在浓度极化现象，真实截留率为:,显然，如不存在浓度极化现象，R,表观,R,真实,。如R,表观,=1，则c,f,=0，即溶质完全被截留；如 R,表观,=0，则 c,f,=c,b,，即溶质可自由透过膜。,5.11超滤膜的分子截留作用,截留分子的测定：,平板膜的截留率可用搅拌型超滤器间歇测定。操作在较低压力和适当的搅拌速度下进行，避免发生浓度极化。通过测定超滤膜前后的保留液浓度和体积可计算截留率为:,其中，c,0,和c分别为溶质的初始浓度和超滤后的浓度，V,0,和V分别为料液的初始和超滤后体积。,5.11超滤膜的分子截留作用,截留率的影响因素,A、分子特征：,分子量相同时，线形分子截留率较低；支链分子较高，球状分子最大。,B、电荷：,对于荷电膜，膜相同的分子截留率低；反之，截留率较高。,C、膜吸附,：溶质与膜有相互吸附的，截留率高；相反，截留率较低。,D、其他高分子的影响：,当有两种以上的高分子溶质存在时，其中某一溶质的截留率高高于单独存在的情况。这主要是由于：,a、,竞争性抑制；,b、,浓度的极现象使膜表面的浓度高于主体浓度。图,E、操作条件：,温度升高，黏度下降，则截留率降低。膜面流速增大，则浓度极化减低，截留率升高。,F、pH值：当料液的pH值等于蛋白质的pI时，由于蛋白质的净电荷为零，蛋白质间的静电排斥最小，使蛋白质在膜表面形成的凝胶极化层浓度最大，即透过阻力最大。此时，溶质的截留率高于其他pH下的截留率。图,5.11超滤膜的分子截留作用,pI,乳球蛋白,=5.2,5.12膜组件,平板膜组件,操作：,图,应用：,A、UF、MF、PV，,B、适合于处理悬浮液较高的料液。,优点：,保留体积小，操作费用低，压力降小，流液稳定，比较成熟。,缺点：,A、投资费用高，,B、大的固体含量会堵塞进料液流通，撤卸清洗管道费时。,5.12膜组件,螺旋膜组件,操作：,图,应用：,A,、RO、UF、MF，,B、适用于低固体含量的料液。,优点：,A,、结构简单，更新膜容易，比表面积大，,B、价格低，操作费用低。,缺点：,A、料液需预处理，,B、压力降大，,C、易污染，难清洗，,D、液流不易控制。,5.12膜组件,中空纤维膜组件,操作：,图(数百至数百万根中空纤维管)，中空纤维膜ID=40-80um，毛细管膜ID=0.25-2.5mm,应用：,A、毛细管式：UF、MF、PV，B、中空纤维式(能耐高压)：RO，DS(大规模透析，人工肾)，C、适合于处理低固体含量的料液。,优点,：A、比表面积最大，效率高，B、可以逆流操作，压力较小，C、设备投资低。,缺点,：A、料液需预处理、易堵塞，B、单根管的损坏常使整个组件报废，C、不够成熟。,5.12 膜组件,表：个种膜组件特性和应用比较,膜组件,比表面积,m,2,/m,3,设备费,操作费,膜面吸附层控制,应用,管式,20-30,极高,高,很容易,UF，MF,平板式,400-600,高,低,容易,UF，MF，PV,螺旋管式,800-1000,低,低,难,RO，UF，MF,毛细管式,600-1200,低,低,容易,UF，MF，PV,中空纤维式,-10000,很低,低,很难,RO，DS,致谢！,Thank you for your join,作业,自学第六章，,纳米膜的分离机制？,纳米膜的应用？,