板框过滤.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,*,第二节物质分离,一、板框过滤,二、膜过滤,三、树脂分离,利用多孔性介质,(,如滤布,),截留固,-,液悬浮液中的固体粒子，进行固,-,液分离的方法称为,过滤,。其中多孔性介质称为,过滤介质,；所处理的悬浮液称为,滤浆,；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为,滤饼或滤渣,；通过过滤介质后的液体称为,滤液,。驱使液体通过过滤介质的推动力可以是,重力、压力或离心力,。,一、过滤的原理,按,料液流动方向,不同，过滤可分为,常规过滤和错流过滤。,常规过滤时，料液流动方向与过滤介质,垂直,；错流过滤时，料理流动方向,平行于过滤介质。,过滤方式的分类,按,操作压力,不同，可分为,常压过滤、减压过滤和加压过滤。,按,过滤方式,的不同，有,表层过滤和深层过滤。,二、过滤介质,过滤介质也称滤材，应,由惰性材料制成,，既不与滤液起反应，也不吸附或很少吸附待滤液中的有效成分；,耐酸、耐碱、耐热,，适用于各种滤液；,过滤阻力小、滤速快、反复应用易清洗,；应,具有足够的机械强度,；,价廉、易得,。,滤纸。,脱脂棉。,织物介质。,烧结金属过滤介质。,多孔塑料过滤介质。,垂熔玻璃过滤介质。,过滤介质,的种类,常用滤纸的孔径为,1,7,m,。,适用于口服液体制剂的过滤。,包括棉织品纱布、帆布等。,多孔陶瓷。,微孔滤膜。,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。,三、过滤装置,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。,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经的滤板，再粘连不同规格的漏斗、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。一般,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。,国产主要有两种，一种是,硅藻土滤棒,，另一种是,多孔素瓷滤棒,。硅藻土滤棒的主要成分为,SiO,2,、,Al,2,O,3,。根据自然滴滤速度分为粗号,(500,mL,/min,以上,),、中号,(300,500mL/min),及细号,(300,mL,/min,以下,),三种规格。此种滤过器,质地较松散,，,一般适用于粘度高，浓度较大滤液,的滤过。多孔素瓷滤棒系白陶土烧结而成，此种滤器,质地致密,，滤速慢，特别使用于,低粘度液体,的滤过。,砂滤棒,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,板框式压滤机,1,、结构,如图所示；,由滤板和滤框交替叠合构成，,在板和框之间压滤布。板和框在,相同位置打孔，形成滤浆的入口,和滤液的出口。,2,、原理,存在的缺点：滤饼的卸除比较麻烦。适用于固体颗粒含量比较低的滤浆的过滤。,混合物中悬浮颗粒的性质和大小,混合液的黏度,操作条件,助滤剂的使用,过滤分离设备和技术,5,、影响过滤的因素,一般情况下，悬浮颗粒越大，粒子越坚硬，大小越均匀，过滤越容易进行。,流体黏度越大，过滤越困难。通常混合液的组成越复杂，浓度越高，黏度越大。,（,1,）混合物中悬浮颗粒的性质和大小,（,2,）混合液的黏度,（,3,）操作条件,温度升高，流体黏度降低；调整,pH,也可改变流体黏度。,助滤剂,是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。,常用的助滤剂,有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。,助滤剂的使用方法有两种,：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。,（,4,）助滤剂的使用,助滤剂使用要点,根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种,根据目的物性质选择助滤剂品种,粒度选择,用量的确定,实验确定,预涂助滤剂时，间隙操作助滤剂的最小厚度为,2mm,；连续操作则要根据所需的过滤速率来确定。,增大过滤的表面积,选择合适的过滤介质,增加助滤剂,增加过滤推动力,提高温度。,（,5,）过滤分离设备和技术,为提高过滤速率和效果一般采用如下措施：,1,、颗粒大小（最简易的方法是筛）,2,、标准筛：大小严密检定，筛网用金属丝制成，正方形，网面上定长度，所包括孔数有规定。,3,、目：每英寸上多少空，,100,目。,4,、过滤：深层过滤、滤饼过滤。,5,、过滤介质特点：多孔性、耐腐蚀、能承受一定压力。,基本概念,6,、助滤剂：悬浮液中所含的颗粒都很细，刚过滤时，这些细颗粒进入滤饼介物的空隙中会将空隙堵死。助滤剂是一种坚硬形状不规则的小颗粒，能形成结构疏松、而且几乎是不可压缩的滤饼。,7,、常用的助滤剂有：硅藻土、珍珠岩、,硅藻土：单细胞水生植物的沉化石，经过干燥或煅烧，含,85%,以上的二氧化硅。,珍珠岩：将一种玻璃状的火山岩融融后倾倒入到水中，得到中空的小球，再打碎。,助滤剂：使用方法一是配成悬浮液先在过滤介质表面滤除一层由助滤剂构成滤饼，然后正式过滤。此法成为预涂。可以防止滤布孔道被微生物的颗粒堵死，并可在一开始就得到澄清的滤液。二、将助滤剂加入到滤浆中，所得到的滤饼将有一坚硬的骨架，压缩性减小，空隙率增大。,过滤：恒压过滤（滤饼不可压缩）、恒速过滤（滤饼可压缩）。,一个循环中，过滤时间与洗涤时间之和等于拆装重整的时间，则达到一定产量的总时最少。,板框过滤容易出现的问题：,1,、过滤速度慢,2,、水洗时料液混浊,3,、短路,主要和进料量有关，进料量大了水洗速度慢，洗至相同效价时用水量少。进料量小时，水洗速度快，但是相同水洗倍数时，效价单位高，所以选择一个合适的进料量，是板框操作控制的关键，一般情况下，进料的最后滤速和水洗滤速相似。,进料过大水洗速度慢，提高压力不能提高滤速。,影响料液浑浊度的主要因素：,PH,第二节 膜和膜组件,1.,膜的分类,1),按膜的孔径大小分,微滤膜,0.025,10,m,；超滤膜,0.001,0.02,m,；反渗透膜,0.0001,0.001,m,；纳滤膜，平均直接,2nm,。,2),按膜结构分,对称性膜、不对称膜、复合膜,3),按材料分,合成聚合物膜、无机材料膜等,膜,合成膜,生物膜,液膜,带支撑层的液膜,乳状液膜,固膜,不对称膜,不对称膜,多孔膜,无孔膜,无机膜,有机膜,对称膜,多孔膜,不对称膜,对称膜,荷电膜,不荷电膜,复合膜,转相膜,复合膜,转相膜,(,原生质、细胞膜,),分类依据,分类,来源,天然膜、合成膜,状态,固体膜、液膜、气膜,材料,有机膜、无机膜,结构,对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜,电性,非荷电膜、荷电膜,形状,平板膜、管式膜、中空纤维膜,制备方法,烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨,分离体系,气,-,气、气,液、气,-,固、液,-,液、液,-,固分离膜,分离机理,吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜,分离过程,反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜,膜的分类,2.,膜材料的性能,耐压,耐温,耐酸碱性,化学相容性,生物相容性,低成本,二、膜组件,由膜、固定膜的支撑体、间隔物,(spacer),以及收纳这些部件的容器构成的一个单元,(unit),称为膜组件,(membrane module),或膜装置,。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商品,膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷式和中空纤维,(,毛细管,),式等四种,。,型 式,优 点,缺 点,管式,易清洗，无死角适于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换,保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压降大,中空纤维式,保留体积小，单位体积中所含过滤面积较大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低,料液需预处理，单根纤维损坏时，需调换整个膜件,螺旋卷式,单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易,料液需预处理，压降大，溶液污染,平板式,保留体积小，能耗介于管式和螺旋卷式之间,死体积较大,各种膜组件的优缺点,无机膜简介,1,、概念：无机膜是固体膜的一种，由无机材料，金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料制成的半透膜。,无机膜优点：,1,、化学性质稳定，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂。,2,、机械强度大，可以承受几十个大气压，并可以反向冲洗。,3,、抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物工程和医学领域中运用。,4,、耐高温，一般可以在,400,度以下操作。,5,、孔径分布窄，分离效率高。,无机膜不足：,造价高，不耐强碱，无机材料脆性大，弹性小，加工组装带来一定困难。,无机膜分为,1,、致密膜,2,、多孔膜（多空金属膜、多孔陶瓷膜、分子筛膜）,多孔膜孔径分为,3,类、孔径大于,50nm,的为粗孔膜；孔径,2-50nm,为介孔；孔径小于,2nm,为微孔。目前工业化的无机膜均为粗孔和介孔。,无机膜分离原理：无机膜的微滤和超滤过程，主要是依据“筛分”效应进行的，膜两侧的压力差，小分子通过大分子截留。,无机膜的重要性能指标：孔径大小及其分布，孔隙率、孔形状，被分离组分间相互作用等。,无机膜的截留率：通常将截留率大于,90%,的分子量作为膜的截留指标。截留率越高，截留范围越窄，表明膜的分离性能越好。膜的截留率还和膜的材料、孔径结构、参比物的结构性质和操作条件等有关。,无机膜结构：三层构成,1,、多孔载体、过渡层、活性分离层。,多孔载体作用：增加膜的机械强度，对其要求是较大的孔径和空隙率，增加渗透减少阻力，多孔载体孔径一般在,10-15,微米，形式有平板、管式、以及多通道蜂窝状，组成三氧化铝、炭、金属、陶瓷以及碳化硅材料制成。,过渡层又称中间层，防止活性分离制备过程中颗粒向多空载体渗透，由于过渡层存在，多空载体孔径可以制备的较大，膜管件阻力小，可以一层或者多层，孔径,0.2-5,微米之间。,活性分离曾：即膜，它通过各种方法负载于多空载体或者过渡层上，分离膜的厚度一般,0.5-10,微米。,无机膜的分离方面的应用,孔径在,100nm-1000nm,范围内的微滤，孔径在几个,-100nm,范围内的超滤。,第,2,章无机膜的表征,1,、原理：无机膜的微滤与超滤主要依据“筛分”进行，利用两侧的压力差作为推动力，在一定范围内，由于物质分子直径的不同，小分子物质可以通过大分子物质被截留，从而实现分离。,2,、孔隙率：孔体积和膜体积之比，衡量渗透通量的重要指标，,3,、渗透系数：流体在膜中的透过能力差异。渗透系数与渗透选择性一起，决定了无机膜分离效率与分离特性。它和膜结构孔径大小及其分布、孔隙率、孔形状、还与被分离组分之间的相互作用、分离膜的电荷性和选择性吸附等有关，是无机膜中应用最重要的性能指标。,4,、理论上讲陶瓷膜耐,1000,度，任何,PH,，和各种腐蚀环境下使用，目前还没有一种高分子材料有如此广泛适用。尽管如此无机膜使用中涉及清洗再生，会长时间和腐蚀性的化学药品接触化学缓蚀作用还是会发生。,5,、错流过滤：错流过滤过程被用于反渗透和超滤过程中，以控制浓差极化，错流过滤存在两股着两个方向的流速，一个垂直膜表面和平行膜表面，。,传统的错流微滤和,BTH,过程差别，渗透压保持一定，进料测由于错流过滤造成了压力损失，,BTH,，渗透侧压力沿长度方向不断变化，维持膜件两侧的压差恒定，这种操作方式可以在渗透测加入泵进行循环的以实现。,6,、膜分离过程中分离性能随时间有显著的变化，最明显的是通量的衰减。通量衰减的原因：浓差极化、吸附、膜孔的堵塞、以及凝胶层污染层的形成。所有的这些因素都对膜的传递增加了阻力，发生这些现象的程度往往取决于膜、原料液、以及过程操作参数。对不同的膜过程以及不同的应用体系，各种阻力所占比例不同。明确各部分的阻力大小，可以有助于选择合适的办法来减少相应的阻力，从而提高通量，增加无机膜技术的经济可行性。,7,、膜分离过程中的基本现象,吸附：凡是大分子与膜表面接触都会发生强弱不同的相互作用，此现象统称为吸附。结果导致膜孔减小，而使透析通量衰减。吸附行为非常复杂。,膜表面上形成吸附层的趋势与其表面性质有密切关系。如：当滤液中存在有机物时，常常观测到憎水表面的吸附比亲水表面强的多。吸附总是从单分子层开始的，即使是单层吸附也能降低通量,20-30%,。在高的溶质浓度下，容易形成多层吸附，使通量更进一步降低，,80-90%,。一般来说，超滤膜比微滤膜更容易因吸附而被堵塞。,8,、浓差极化：膜分离过程中，溶质被膜截留在膜表面附近积累，使得局部浓度高于主体浓度，这种浓度的积累会导致溶质向原料液反向扩散流动，这种浓差极化现象经过一定的时间后会得到定态。浓差极化会使膜的截留率和通量发生变化，对溶质为盐等低分子量的物质时，往往会因为膜表面处溶质浓度升高，实测的截留率会低于真实或本证的截留率。对大分子溶质混合物，往往会出现被完全截留的高分子量溶质形成动态膜，而使小分子截留率升高的现象，浓差极化往往造成膜的通量下降，特别在超滤和微滤中。,在超滤过程中浓差极化显得特别显著，当膜的表面溶质浓度增大时，达到最大凝胶值，成为凝胶极化，凝胶层决定通量的制约因素。此时操作压力增大使得凝胶阻力增大，推动力的增大为阻力的增大所抵消，渗透通量不变。,分离过程传递机理,1,、微滤过程：当滤饼生产量不多时，通量下降主要是离子堵塞造成的。,2,、超滤过程：截留直径,1-20nm,相当于,300-300000,分子量的各种大分子。超滤的另一个特点是被截留的大分子溶质或胶体微粒不形成滤饼，仍以分子或微滤形式存在于截留液中，超滤的另一个应用体系是浓缩，尤其是热敏的浓缩过程，最大问题通量迅速衰减，主要是膜堵塞所致，它不能用提高压力来解决，而是靠有效的清洗。在蛋白质存在情况下，影响截留率的重要因素之一就是他们易于在膜的表面发生吸附，发生严重的膜孔堵塞，同时形成“凝胶极化”。,3,、无机陶瓷膜的分离性能包括渗透性和渗透选择性，在具体应用中，期望在合适的截留率下获得最大的渗透通量，影响分离性能的主要有膜的结构参数、操作参数、体系性质。,4,、无机膜分离性能与其结构、材料性质密切相关。多孔陶瓷膜的结构参数包括平均孔径和孔径分布、膜厚度、孔隙率、孔形状、曲折因子等他们决定膜的渗透性。,膜孔径：影响通量截留率的主要因素，膜孔径和颗粒粒径之间存在一定的匹配关系。膜孔径比颗粒孔径较小时，膜表面滤饼层内细颗粒比较高膜通量较低，而当膜孔径与颗粒粒径相比太大时，颗粒对膜孔的堵塞严重，膜通量也很小，所以对特定膜选择合适的孔径。减少使用面积。试验表明，粒径,/,膜孔径大于,2,小于,10,时膜污染以颗粒沉积形式形成滤饼为主，且滤饼层颗粒粒径分布相近，膜的通量随粒径,/,膜孔径增大而升高。所以选择膜孔径时，最好在粒径,/,膜孔径,2-10,范围内。,膜厚度：期望中膜厚度越小越好。,5,体系性质对膜分离的影响：粘度、成分、,PH,等溶液性质。二、溶质或颗粒的大小、电荷性质、分散状态。另外陶瓷膜都带有电荷，电位受溶液性质影响，溶液性质改变膜的表面电荷性质，使得膜与溶质或者颗粒、膜与溶剂的相互作用发生改变。,PH,一般影响蛋白质等电点，颗粒絮凝作用。无机离子，一些无机盐复合物会在膜表面或膜孔径内直接吸附于沉积，或使膜对蛋白质的吸附能力增强而污染膜，无机盐改变蛋白质构想，形成沉积层对通量影响。,5.5,无机膜的污染与控制,1,、虽然有很多降低膜污染的办法，但是实际操作中，膜通量还是会下降。膜清洗方法：物理方法高流速水洗，化学方法：采用试剂对膜清洗，一般规律是无机强酸使污染物中一部分不容性物质变为可溶性物质；有机酸主要是清除无机盐沉积；配位剂可与污染物中的无机离子络合生成溶解度大的物质，减少膜表面和孔径沉积盐和吸附有机污染。表面活性剂：清除有机污染。强氧化剂和强碱：清除油脂和蛋白藻类等生物物质的污染。对细胞碎片污染常采用酶清洗。对污染严重的膜常采用强酸，强碱，交替清洗，并加入次氯酸钠等强氧化剂与表面活性剂。除了化学清洗外，无机膜的耐高温特点采用热清洗达到再生。,6,超滤膜污染的防治,膜的污染是指膜过滤的过程中，被处理物料中的颗粒、胶体离子或溶质大分子与膜发生物理化学或机械的相互作用，从而吸附、沉积在膜表面或膜孔内，使膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性发生不可逆的变化。污染使膜的渗透通量和截留率降低，影响分离过程。,1.,选择合适的膜材料,膜的亲疏水性和荷电性会影响膜的污染程度,用表面活性剂等小分子化合物预处理膜面，使膜覆盖一层保护膜；,增加膜的亲水性，可在膜表面改性引入亲水基团，也可用复合膜手段复合一层亲水性分离层。,2.,膜孔径或截留相对分子质量的选择,离子或溶质尺寸与膜孔相近时容易堵塞膜孔,3.,膜结构的选择,不对称结构膜较耐污染,4.,组件结构选择,毛细管式荷薄层管道式组件可减少污染,5.,溶液中盐浓度的影响,一是盐会强烈的吸附到膜面上；二是无机盐改变溶液的离子强度，影响溶质的溶解度、分散性、构型与悬浮状态，使得形成的沉积层疏密程度改变。,6.pH,pH,的改变不仅改变蛋白质的带电状态，也改变膜的性质，从而影响吸附，是膜污染的主要控制因素。,7.,温度,温度上升，料液的粘度下降，有利于扩散，但温度上升会导致料液中某些组分的溶解度下降,大多数超滤的应用温度范围,30,60,。,8.,膜面粗糙度,膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。,9.,其他影响因素,一般地，溶液与膜,接触时间,越长，越容易产生污染；,压力与流速,越大，越不容易产生污染；,溶液浓度,越大，越容易造成膜的吸附污染。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.1,概述,4.1.1,分离膜与膜分离技术的概念,分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质,的分隔两相或两部分的界面。,膜的形式可以是固态,的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是,液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，,膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行,传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以,是半透过性的，但不能是完全不透过性的。,膜在生,产和研究中的使用技术被称为膜技术。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广,度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分,离的类型包括同种物质按不同大小尺寸的分离；异,种物质的分离；不同物质状态的分离等。,在化工单元操作中，常见的分离方法有,筛分、,过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离,等。,然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生,物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实,现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无,实用价值。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上,述的分离问题迎刃而解。,膜分离过程的主要特点是,以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质,分子尺寸的分离和混合物组分的分离,。膜分离过程,的推动力有,浓度差、压力差和电位差,等。膜分离过,程可概述为以下三种形式：,渗析式膜分离,料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的,推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。,属于渗析式膜分离的有,渗析和电渗析,等；,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,过滤式膜分离,利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过,膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分,离的有,超滤、微滤、反渗透和气体渗透,等；,液膜分离,液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过,液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。,溶质,从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接,受液相当于反萃取,。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择,渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分,离技术。膜分离过程的共同优点是,成本低、能耗,少、效率高、无污染并可回收有用物质,，特别适合,于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、,生物物质组分等混合物的分离，因而在某些应用中,能代替蒸馏、萃取、蒸发、吸附等化工单元操作。,实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较,好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常,有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合,起来使用，使技术投资更为经济。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,膜分离过程没有相的变化,(,渗透蒸发膜除外,),，,常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和,富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过,程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离,装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制,品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优,点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日,常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用,于,化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、,轻纺、海水淡化,等领域。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.1.2,膜分离技术发展简史,高分子膜的分离功能很早就已发现。,1748,年，,耐克特（,A.,Nelkt,）发现水能自动地扩散到装有酒,精的猪膀胱内，开创了,膜渗透,的研究。,1861,年，施,密特（,A.Schmidt,）首先提出了,超过滤,的概念。他,提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤,时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力,差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小,粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过,滤。按现代观点看，这种过滤应称为,微孔过滤,。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,然而，真正意义上的分离膜出现在,20,世纪,60,年,代。,1961,年，米切利斯（,A.S.,Michealis,）等人用各,种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水,丙酮,溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的,膜，这种膜是真正的,超过滤膜,。美国,Amicon,公司首,先将这种膜商品化。,50,年代初，为从海水或苦咸水,中获取淡水，开始了,反渗透膜,的研究。,1967,年，,Du,Pont,公司研制成功了以尼龙,66,为主要组分的中空,纤维反渗透膜组件。同一时期丹麦,DDS,公司研制,成功,平板式反渗透膜组件,。反渗透膜开始工业化。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.1.3,功能膜的分类,1.,按膜的材料分类,表,41,膜材料的分类,类,别,膜材料,举,例,纤维素酯类,纤维素衍生物类,醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等,非纤维素酯类,聚砜类,聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等,聚酰,(,亚,),胺类,聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等,聚酯、烯烃类,涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等,含氟,(,硅,),类,聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等,其他,壳聚糖，聚电解质等,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,2.,按膜的分离原理及适用范围分类,根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将,其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗,析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。,3.,按膜断面的物理形态分类,根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为,对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中,空纤维膜等。,第四章 高分子分离膜与膜分离技术,表,4,2,几种主要分离膜的分离过程,膜过程,推动力,传递机理,透过物,截留物,膜类型,微滤,压力差,颗粒大小形状,水、溶剂溶解物,悬浮物颗粒,纤维多孔膜,超滤,压力差,分子特性大小形状,水、溶剂小分子,胶体和超过截留分子量的分子,非对称性膜,纳滤,压力差,离子大小及电荷,水、一价离子、多价离子,有机物,复合膜,反渗透,压力差,溶剂的扩散传递,水、溶剂,溶质、盐,非对称性膜复合膜,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,膜过程,推动力,传递机理,透过物,截留物,膜类型,渗析,浓度差,溶质的扩散传递,低分子量物、离子,溶剂,非对称性膜,电渗析,电位差,电解质离子的,选择传递,电解质离子,非电解质，,大分子物质,离子交换膜,气体分离,压力差,气体和蒸汽的,扩散渗透,气体或蒸汽,难渗透性气,体或蒸汽,均相膜、复合,膜，非对称膜,渗透蒸发,压力差,选择传递,易渗溶质或溶剂,难渗透性溶,质或溶剂,均相膜、复合,膜，非对称膜,液膜分离,浓度差,反应促进和,扩散传递,杂质,溶剂,乳状液膜、支,撑液膜,续上表,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.2.3,膜的保存,分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止,微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形,。,微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水,解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、,pH,值,不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷,冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。膜的收缩主要发生,在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下,降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。,当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向,溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.3,膜的结构,膜的结构主要是指膜的形态、膜的结晶态和膜,的分子态结构。膜结构的研究可以了解膜结构与性能,的关系，从而指导制备工艺，改进膜的性能。,4.3.1,膜的形态,用电镜或光学显微镜观察膜的截面和表面，可以,了解膜的形态。下面仅对,MF,膜、,UF,膜和,RO,膜的形,态作简单的讨论。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,微孔过滤、超滤和反渗透技术的原理和操作特,点比较如表,43,所示。,表,4,3,反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较,分离技术类型,反渗透,超滤,微孔过滤,膜的形式,表面致密的非对称膜、复合膜等,非对称膜，表面有微孔,微孔膜,膜材料,纤维素、聚酰胺等,聚丙烯腈、聚砜等,纤维素、,PVC,等,操作压力,/,MPa,2,100,0.1,0.5,0.01,0.2,分离的物质,分子量小于,500,的小分子物质,分子量大于,500,的大分子和细小胶体微粒,0.1,10m,的粒子,分离机理,非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用,筛分，膜的物化性能对分离起一定作用,筛分，膜的物理结构对分离起决定作用,水的渗透通量,/(m,3,.m,-2,.d,-1,),0.1,2.5,0.5,5,20,200,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,4.4.4,纳滤技术,1.,纳滤膜的特点,纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发,出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，,早期被称作,低压反渗透膜,或,松散反渗透膜,。目前，,纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分,离技术。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,纳滤膜主要用于,截留粒径在,0.1,1nm,，分子量,为,1000,左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透,过，具有较小的操作压（,0.5,1MPa,）,。其被分离,物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述,两种膜有所交叉。,目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有,关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还,不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺，,研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜的分离效果,与清洗周期。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,2.,纳滤膜及其技术的应用领域,纳滤技术最早也是应用于,海水及苦咸水的淡化,方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特,性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的,原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业,中，纳滤膜可用于,果汁生产,，大大节省能源；在医,药行业可用于,氨基酸生产、抗生素回收,等方面；在,石化生产的,催化剂分离回收,等方面更有着不可比拟,的作用。,第四章,高分子分离膜与膜分离技术,2,）表面活性剂,表面活性剂是分子中含有亲水基和疏水基两个,部分的化合物，在液体中可以定向排列，显著改变,液体表面张力或相互间界面张力。表面活性剂是制,备液膜的最重要的组分，它,直接影响膜的稳定性、,渗透速度等性能,。在实际使用中，表面活性剂的选,择是一个较复杂的问题，需根据不同的应用对象进,行实验选择。,膜过程的一些术语,错流过滤,错流过滤的优点：,(1),便于连续化操作过程中控制循环比；,(2),流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进行；,(3),错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。,膜过程的一些术语,膜过程的一些术语,通量,：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位,L/m,2,.h,选择性,：将混合物总的组分分离开来的能力。,1,）液体分离的选择性常用截留率表示：,R,1,Cp/Cf,。,通量衰减系数,m,：,由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化,膜过程的一些术语,膜过程的一些术语,推动力,：,1,）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。,膜压降：,P1-P2,，,是由于流体流动引起的。,2,）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。,P1,P2,P3,P（P1P2）/2P3,膜过程的一些术语,浓差极化：,在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。,1,2,3,C,f,C,m,C,p,浓差 膜层 渗透侧,极化层 极化层,传递阻力：,1,）,膜阻,Rm,:,与,膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；,2,）,浓差极化阻力,Rc,：,由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；,3,）,推动力的损失：,进料侧和渗透侧的压力损失；,4,）,膜污染阻力：,由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。,膜过程的一些术语,R,m,膜,管本身阻力,R,i,膜,孔内污染阻力,R,g,凝胶层阻力,R,c,浓,差极化阻力,膜污染,膜污染阻力的概念模型,膜过程的一些术语,膜污染,：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。,物理污染,包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。,化学污染,包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。,膜的用途,浓缩,：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）,纯化,：除去杂质；,分离,：将混合物分成两种或多种目的产物；,反应促进,：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。,三大孔吸附树脂,1,、吸附原理：大孔吸附树脂是一种具有多孔立体结构人工合成的聚合物吸附剂，是在离子交换剂和其它吸附剂应用基础上发展起来的一类新型树脂，是依靠它和被吸附的分子（吸附质）之间的范德华引力，通过它巨大的比表面进行物理吸附而工作的。在实际应用中对一些与其骨架结构相近的分子如芳香族环状化合物尤具很强的吸附能力。,大孔树脂,(,macroporous,resin),又称全多孔树脂，大孔树脂是由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成。聚合物形成后，致孔剂被除去，在树脂中留下了大大小小、形状各异、互相贯通的孔穴。因此大孔树脂在干燥状态下其内部具有较高的孔隙率，且孔径较大，在,1001000nm,之间，故称为,大孔吸附树脂,。,树脂一般为白色的球状颗粒,粒度为,20,60,目,是一类含离子交换集团的交联聚合物,它的理化性质稳定,不溶于酸、碱及有机溶剂,不受无机盐类及强离子低分子化合物的影响。树脂吸附作用是依靠它和被吸附的分子,(,吸附质,),之间的范德华引力,通过它巨大的比表面进行物理吸附而工作,使有机化合物根据有吸附力及其分子量大小可以经一定溶剂洗脱分开而达到分离、纯化、除杂、浓缩等不同目的。,2,、大孔树脂应用,大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、,TodayHot,绞股兰皂甙、薯蓣皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂，山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黄酮、大豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯,生化制药方面有很广泛的应用,预处理,大孔吸附树脂是一类有机单体加交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂聚合而成,因而购来的树脂要除去可能存在的毒性有机残留物。具体方法为,首先使用饱和食盐水（工业用）,用量约等于被处理树脂的,2,倍,将树脂置于食盐中浸泡,18,20 h,然后放尽食盐水,用清水漂洗净,使排出的水不显黄色,再用,2%,4%,氢氧化钠,(,或,5%,盐酸,),溶液,(,其量与上同,),浸泡,2,4h(,或小流量清洗,),放尽碱或酸液后冲洗树脂直至水接近中性待用。实验室用常用,95%,的乙醇。,型号及选择,国内外使用的树脂种类众多,型号各异,性能差异大。树脂型号主要有,:,国外,美国,Rohn,-,hass,公司生产的,Amberlite,XAD,系列与日本三菱合成工业公司生产的,Diaion,HP-10,、,-20,、,-30,、,-40,、,-50(,非极性,),其它牌号吸附树脂还有,:Parapet P-S,、,Parapet Q,、,Parapet R,、,Parapet S,、,Parapet N,、,Chromo,sorb,系列等,;,国内主要的树脂有天津农药股份有限公司,的,D,系列,上海试剂厂,101,、,102,、,402,等,南开大学化工厂产品,D,系列、,H,系列、,AB-8(,弱极性,),和上海医药工业研究院,SIP,系列等。大孔吸附树脂是一类新型的非离子型高分子吸附剂,树脂通常依其极性分为非极性、弱极性、板性,3,类,树脂的结构一般为苯乙烯、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、丙烯酸或氧化氮类。树脂吸附性能的优劣是由其化学和物理结构决定的,同一型号大孔吸附树脂对有效部位吸附能力强弱的规律为,:,以药材计生物碱,黄酮,酚性成分,无机物,不同树脂结构对不同物质吸附效果不同,通过研究,DM-130,、,LSA-10,、,LSA-20,型吸附树脂对黄酮类化合物的吸附分离研究,发现,DM-130,吸附树脂是一种对黄酮类化合物具有优良吸附性能的吸附剂。,研究人员比较了,10,种大孔吸附树脂对银杏叶黄酮的吸附性能及吸附动力学过程。筛选实验表明,D-,及,DA-,型树脂对多糖的吸附作用较单糖和双糖大。,AB-8,树脂对皂苷的吸附容量较蛋白质、糖大。一般大孔吸附树脂吸附符合以下规律,:,非极性物质在极性介质,(,水,),内被非极性吸附剂吸附,极性物质在非极性介质中被极性吸附剂吸附,带强极性基团的吸附剂在非极性溶剂里能很好的吸附极性化合物。聚苯乙烯树脂一般适用于非极性和弱极性物质的化合物,如皂苷类和黄酮类,;,聚丙烯酸类树脂,一般带有酯基或酰氨基,对中极性和极性化合物如黄酮醇和酚类的吸附较好。,吸附条件和解吸附条件,吸附条件和解吸附条件的选择直接影响着大孔吸附树脂吸附工艺的好坏,因而在整个工艺过程中应综合考虑各种因素,确定最佳吸附解吸条件。影响树脂吸附的因素很多,主要有被分离成分的性质,(,极性和分子大小等,),、上样溶剂的性质,(,溶剂对成分的溶解性、盐浓度和,PH,值,),、上样液浓度及吸附水流速等。通常,极性较大分子适用中极性树脂上分离,极性小的分子适用非极性树脂上分离,;,体积较大化合物选择较大孔径树脂,;,上样液中加入适量无机盐可以增大树脂吸附量,;,酸性化合物在酸性液中易于吸附,碱性化合物在碱性液中易于吸附,中性化合物在中性液中吸附,;,一