第十七章-膜分离法.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,*,第十七章 膜分离法,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,料液,水,小分子,大分子,渗透液,定义：,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,。,膜的简介,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO,2,控制,制 药,食 品,化工与石化,电 子,冶 金,燃料电池,洁净燃烧,膜分离的特点：,无相变、低能耗,高效率、污染小,工艺简单、操作方便,浓缩与纯化同时进行,浓缩液,进料液,渗透液,(1),对称膜,：结构与方向无关的膜，孔径可一致，结构可不规则；,(2),非对称膜,：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。,(3),复合膜,：选择性膜层,(,活性膜层,),沉积于具有微孔的底膜,(,支撑层,),表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。,(4),荷电膜,：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。,(5),微孔膜,：孔径为,0.05,20,微米的膜。,(6),动态膜,：在多孔介质,(,如陶瓷管,),上沉积一层颗粒物,(,如高岭土,),作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。,膜的分类,图,1,对称膜 图,2,非对称膜,膜分离过程的类型,膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。,蛋白质透析,2.,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,0.02m,10m,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,。,微滤,(,Microfiltration，MF),一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞,3.,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，截断分子量可变化。,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。,一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。,超滤原理的示意图,常规过滤,(A),和超滤,(B),的示意图,A,B,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,。,其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被截留住。,主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。,嵊泗,1000,吨,/,日反渗透海水淡化装置,微滤,超滤 反渗透,:,微粒子 ,:,大分子 ,:,小分子,.,：水,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。,6.,气体渗透：,气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。,应用,:,空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分离器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。,气体渗透分离空气中的氮,膜分离过程的类型,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,膜面流速提高，截留率降低；,浓差极化,浓差极化,:,在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。如下图：,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。,结垢阻塞,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。,39,膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化,(gel polarization),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。,管式陶瓷超滤膜组件,平板式膜组件,结构：,与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。,特点,：,过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。,板式膜组件,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。,超滤超滤微滤卷式膜组件,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。,卷式膜分离器（工业用）,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,40,80,m),或毛细管膜（内径,0.252.5mm,）固定在圆筒形容器内构成。,特点：,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,。,中空纤维膜分离器（工业用）,净水器滤芯结构,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：,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进行清洗。,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。,