生物分离工程膜分离省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

膜分离膜分离Membrane separationChapter 9第第1页页Knowledge pointsuuMembraneseparationMembraneseparation膜分离技术概念。膜分离技术概念。uuTheclassificationofmembraneseparationTheclassificationofmembraneseparation膜分离技术分类。膜分离技术分类。uuTheseparationcharacteristicofdifferentmembranesTheseparationcharacteristicofdifferentmembranes各种膜分离特征。各种膜分离特征。uuMembranematerialsMembranematerials对于膜材料基本要求。对于膜材料基本要求。uuThemainmembraneassemblyThemainmembraneassembly主要膜组件类型。主要膜组件类型。uuUltrafiltrationandreverseosmosisUltrafiltrationandreverseosmosis超滤和反渗透过程中渗透压影响超滤和反渗透过程中渗透压影响uuThebasicequationofultrafiltrationseparationThebasicequationofultrafiltrationseparation超滤等膜分离过程基本方程超滤等膜分离过程基本方程uAffinitymembraneseparation了解亲和膜分离技术了解亲和膜分离技术uuTheworkmechanismofTheworkmechanismofelectroosmosis了解电渗析工作原理了解电渗析工作原理第第2页页u概述 19251925年以来，差不多每十年就有一项新膜过程在年以来，差不多每十年就有一项新膜过程在工业上得到应用工业上得到应用u3030年代年代 微孔过滤微孔过滤u4040年代年代 渗析渗析u5050年代年代 电渗析电渗析u6060年代年代 反渗透反渗透u7070年代年代 超滤超滤 u8080年代年代 气体分离气体分离u9090年代年代 渗透汽化渗透汽化u当代当代 EDI技术技术(electro-deionization)第第3页页膜分离技术膜分离技术uu膜分离概念：利用膜膜分离概念：利用膜选择性选择性（孔径大小），以膜两侧（孔径大小），以膜两侧存在存在能量差作为推进力能量差作为推进力，因为溶液中各组分透过膜，因为溶液中各组分透过膜迁迁移率不一样移率不一样而实现分离一个技术。而实现分离一个技术。第第4页页膜概念膜概念uu在一个流体相间有一层薄凝聚相物质，把流体相在一个流体相间有一层薄凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体 被膜分开流动相物质是液体或气体被膜分开流动相物质是液体或气体 膜厚度应在膜厚度应在0.5mm0.5mm以下，不然不能称其为膜以下，不然不能称其为膜第第5页页膜分离技术类型膜分离技术类型uu膜分离过程实质是物质透过或被截留于膜过程，膜分离过程实质是物质透过或被截留于膜过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而到达物质近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而到达物质分离目标，故而能够按分离目标，故而能够按分离粒子大小分离粒子大小进行分类：进行分类：微滤（微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推进力，使不溶性物质得以分离操作，孔径分布范围在0.02514m之间；超滤（超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.0010.02 m，分离推进力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；第第6页页反渗透（反渗透（RO）：是一个以压力差为推进力，从溶液中分离出溶剂膜分离操作，孔径范围在0.00010.001 m之间；（因为分离溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压作用，故而称为反渗透）；纳滤纳滤：以压力差为推进力，从溶液中分离3001000小分子量膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析电渗析(ED)：以电位差电位差为推进力，利用离子交换膜选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质膜分离操作；透析透析(DS)：以浓度差为推进力，孔径范围在510 nm之间用于脱盐、除变性剂。第第7页页u依据推进力类型不一样，膜分离过程可分为 压力差推进膜过程（如微滤、超滤、纳滤、反渗透、加压透析等）、浓度差推进膜过程（如渗透蒸发、气体分离、透析、蒸汽渗透、扩散渗析、载体介导等)、电位差推进膜过程（如电渗析、电渗透、膜电解等）、温度差推进膜过程（如热渗透、膜蒸馏等）。第第8页页微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜分离特征各种膜分离特征第第9页页膜分离法与物质大小（直径）关系u膜分离过程类型膜分离过程膜分离过程(membrane separation)第第10页页相关微米一组数据相关微米一组数据u1 m=10-3mm=103nmu 人发直径人发直径 70-80 mu裸眼可见最小颗粒裸眼可见最小颗粒40 mu金属颗粒金属颗粒 50 mu酵母菌酵母菌 3 mu假单胞菌假单胞菌 0.3 mu小小RNA 病毒病毒 0.03 m第第11页页膜分类膜分类uu按孔径大小分：按孔径大小分：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜纳滤膜uu按膜结构分：按膜结构分：对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜复合膜复合膜uu按材料分：按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜第第12页页膜材料特征膜材料特征uu物化稳定性物化稳定性对于不一样种类膜都有一个基本要求（决定膜寿命）：对于不一样种类膜都有一个基本要求（决定膜寿命）：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高压力，普通模耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高压力，普通模操作压力范围在操作压力范围在0.10.5MPa0.10.5MPa，反渗透膜压力更高，约为，反渗透膜压力更高，约为110MPa110MPa 耐高温耐高温:高通量带来温度升高和清洗需要高通量带来温度升高和清洗需要 耐酸碱：预防分离过程中，以及清洗过程中水解；耐酸碱：预防分离过程中，以及清洗过程中水解；化学相容性：保持膜稳定性；化学相容性：保持膜稳定性；生物相容性：预防生物大分子变性；生物相容性：预防生物大分子变性；成本低；成本低；第第13页页uu分离透过特征（主要包含分离透过特征（主要包含选择性、渗透通量和通量衰减系数选择性、渗透通量和通量衰减系数等）等）（1 1）选择性：）选择性：R=(CR=(Cf f-C-Cp p)/C)/Cf f*100%*100%（R R截留率，截留率，C Cf f组分在原料液中浓度，组分在原料液中浓度，C Cp p组分在膜透过液中浓度）组分在膜透过液中浓度）（2 2）渗透通量：单位时间经过单位膜透过液容量或质量）渗透通量：单位时间经过单位膜透过液容量或质量J=VJ=Vp p/A/Ammt t(Vp(Vp透过液容积或质量，透过液容积或质量，A Amm膜有效面积，膜有效面积，t t运转时间）运转时间）（3 3）通量衰减系数：）通量衰减系数：J Jt t=J=J1 1t tmmJ Jt t、J J1 1是膜运行是膜运行t t小时和小时和1 1小时渗透通量，小时渗透通量，t t是运行时间。是运行时间。对于任何一个膜分离过程，总希望选择性好、渗透通量大，但二者实际上是相互矛盾，对于任何一个膜分离过程，总希望选择性好、渗透通量大，但二者实际上是相互矛盾，渗透通量大膜往往选择性低，而选择性高往往膜渗透通量小。渗透通量大膜往往选择性低，而选择性高往往膜渗透通量小。第第14页页各种膜材料各种膜材料uu有机高分子膜：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、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；共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；uu无机膜：无机膜：包含无机致密膜（金属、金属合金和固体氧化物电解包含无机致密膜（金属、金属合金和固体氧化物电解质等；无机多孔膜（多孔金属、多孔陶瓷膜、多孔玻质等；无机多孔膜（多孔金属、多孔陶瓷膜、多孔玻璃、分子筛膜等）璃、分子筛膜等）第第15页页各种膜组件（各种膜组件（CP p68）uu平板式平板式uu管式管式uu中空纤维中空纤维uu螺旋卷绕式螺旋卷绕式第第16页页平板式膜组件平板式膜组件第第17页页管式膜组件管式膜组件第第18页页中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件第第19页页螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件第第20页页膜过滤基本概念和理论膜过滤基本概念和理论uu超滤和反渗透超滤和反渗透(p126)(p126)目标：将溶质经过一层含有选择性薄膜，从溶液中目标：将溶质经过一层含有选择性薄膜，从溶液中分离出来。分离出来。分离时推进力都是压强分离时推进力都是压强，因为被分离物质分子量和，因为被分离物质分子量和直径大小差异及膜孔结构不一样，其采取压强大小直径大小差异及膜孔结构不一样，其采取压强大小不一样。不一样。反渗透膜操作压力高达反渗透膜操作压力高达10MPa10MPa。第第21页页超滤和反渗透操作中渗透压超滤和反渗透操作中渗透压uu因为超滤和反渗透过程都是用一个半透膜把两种因为超滤和反渗透过程都是用一个半透膜把两种不一样浓度溶液隔开（淡水或盐水），所以都存不一样浓度溶液隔开（淡水或盐水），所以都存在在渗透压渗透压。uu渗透压大小取决于溶液种类、浓度和温度渗透压大小取决于溶液种类、浓度和温度；uu普通说来，普通说来，无机小分子渗透压要比有机大分子溶无机小分子渗透压要比有机大分子溶质渗透压高得多质渗透压高得多。第第22页页第第23页页渗透与反渗透渗透与反渗透第第24页页实现超滤和反渗透条件实现超滤和反渗透条件uu超滤超滤：需要增加流体静压力，改变天然过程方向，需要增加流体静压力，改变天然过程方向，才可能发生含有低分子量化合物溶剂流经过膜，此时才可能发生含有低分子量化合物溶剂流经过膜，此时推进力是流体静压力与渗透压压差；推进力是流体静压力与渗透压压差；uu反渗透反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂经过膜，而过程类似于超滤，只是纯溶剂经过膜，而低分子量化合物被截留。所以，操作压力比超滤大得低分子量化合物被截留。所以，操作压力比超滤大得多。多。所以，超滤和反渗透通常又被称之为所以，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜强制膜分离过程分离过程”第第25页页膜过滤基础理论膜过滤基础理论uu通透量理论：一个基于粒子悬浊液在毛细管内流通透量理论：一个基于粒子悬浊液在毛细管内流动毛细管理论。动毛细管理论。uu水通量（水通量（JwJw）和截留率（）和截留率（R R）uuWW透水量，透水量，AA膜有效面积，膜有效面积，时间时间uuc c1 1料液中溶质浓度，料液中溶质浓度，c c2 2透过液中溶质浓度透过液中溶质浓度第第26页页超滤基本方程超滤基本方程：穿透度（单位时间、单位膜穿透度（单位时间、单位膜面积处理量）面积处理量）第第27页页纳滤膜过滤技术uu介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子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经过；而使大部分无机盐经过；uu特点：特点：在过滤分离过程中，在过滤分离过程中，能截留小分子有机物能截留小分子有机物，并能够，并能够同时同时透析除盐透析除盐，集，集浓缩与透析浓缩与透析为一体；为一体；操作压力低操作压力低第第28页页纳滤膜性质与特点纳滤膜性质与特点uu有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为平均孔径为2nm2nm，截留分子量范围在，截留分子量范围在100200100200道尔顿之间；一样要求其含有良好热稳定性、道尔顿之间；一样要求其含有良好热稳定性、pHpH稳定性、有机溶剂稳定性；稳定性、有机溶剂稳定性；uu主要产品：主要产品：MembraneproductsKiryatWeizmannMembraneproductsKiryatWeizmann，MPW(MPW(以色以色列列)DesalinationSystem(DesalinationSystem(美国美国)SelRO,DESAL-5,FT-40SelRO,DESAL-5,FT-40等系列膜，等系列膜，FilmtechFilmtech企业企业（美国，明尼苏达）（美国，明尼苏达）第第29页页纳滤分离机理纳滤分离机理uu纳滤分离机理与反渗透膜了类似，一样遵照，纳滤分离机理与反渗透膜了类似，一样遵照，基本膜传递方程：基本膜传递方程：第第30页页纳滤应用纳滤应用行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业母液中有效成份回收母液中有效成份回收抗菌素分离纯化抗菌素分离纯化维生素分离纯化维生素分离纯化氨基酸脱盐与纯化氨基酸脱盐与纯化化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化、回收电镀液中铜回收电镀液中铜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超高纯水水脱盐水脱盐地下水净化地下水净化染料工业活性染料脱盐与回收活性染料脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色造纸厂废水净化第第31页页膜亲和过滤法膜亲和过滤法uu膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术集成，是一个十分有效分离方法。术集成，是一个十分有效分离方法。uu内容：包含两个分支内容：包含两个分支 亲和膜分离亲和膜分离：制备带有亲和配基分离膜，直接进行：制备带有亲和配基分离膜，直接进行产物分离；产物分离；亲和亲和-错流膜过滤错流膜过滤：将水溶性或非水溶性高分子亲：将水溶性或非水溶性高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤第第32页页亲和膜分离技术亲和膜分离技术uu分离膜改性：经过化学改性，在载体表面连接上一条分离膜改性：经过化学改性，在载体表面连接上一条“手手臂链臂链”（大于三个碳原子）；（大于三个碳原子）；uu亲和膜制备：选取适当配基亲和膜制备：选取适当配基(LigandLigand)，与手臂链相连，组成，与手臂链相连，组成带有亲和配基分离介质；带有亲和配基分离介质；uu亲和络合：将混合物迟缓地经过膜，使要分离物质与亲和亲和络合：将混合物迟缓地经过膜，使要分离物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（配基产生特异性作用，形成配基与配位物（LigateLigate）复合体；）复合体；uu洗脱：改变条件（洗脱液组成、洗脱：改变条件（洗脱液组成、pHpH、离子强度、温度等），、离子强度、温度等），使复合物解离；使复合物解离；uu亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用第第33页页u膜分离法应用亲和膜作用机理亲和膜作用机理膜相担体膜相担体亲和膜分离过程亲和膜分离过程(membrane separation)第第34页页需处理关键问题需处理关键问题uu膜表面要有足够多并可利用化学基团；膜表面要有足够多并可利用化学基团；uu表面积和孔径要足够大表面积和孔径要足够大uu孔分布要窄而均匀，以取得高通透量和分离孔分布要窄而均匀，以取得高通透量和分离效率效率uu机械强度要高机械强度要高uu要耐酸碱和高温要耐酸碱和高温第第35页页亲和膜分离操作方式亲和膜分离操作方式uu亲和超滤过程（分离目标物同时，浓缩其它成亲和超滤过程（分离目标物同时，浓缩其它成份）份）第第36页页uu微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）第第37页页uu亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A A试验装置试验装置第第38页页电渗析技术电渗析技术uu电渗析技术是在直流电场作用下，因为离子交换膜阻隔电渗析技术是在直流电场作用下，因为离子交换膜阻隔作用，实现溶液淡化和浓缩，分离推进力是静电引力。作用，实现溶液淡化和浓缩，分离推进力是静电引力。（SP139SP139页）页）第第39页页第第40页页膜分离过程在生物工程中应用膜分离过程在生物工程中应用过程过程应用对象应用对象实实 例例微滤微滤消毒、澄清搜集细胞消毒、澄清搜集细胞培养悬浮液除菌，产品消毒，细培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞搜集胞搜集超滤超滤大分子物质分离大分子物质分离酶及蛋白质分离、浓缩、纯化，酶及蛋白质分离、浓缩、纯化，血浆分离、脱盐、去热源，膜反血浆分离、脱盐、去热源，膜反应器应器纳滤纳滤小分子物质分离小分子物质分离糖，二价盐、游离酸分离糖，二价盐、游离酸分离反渗透反渗透小分子物质浓缩小分子物质浓缩单加盐、非游离酸分离单加盐、非游离酸分离透析透析小分子有机物和无机离子小分子有机物和无机离子脱除小分子有机物或无机离子脱除小分子有机物或无机离子第第41页页本章作业uu膜分离技术概念。膜分离技术概念。uu依据膜孔径大小，膜分离技术可分为哪几类？依据膜孔径大小，膜分离技术可分为哪几类？uu主要膜组件有哪些？主要膜组件有哪些？uu何谓反渗透膜分离过程？其特点有哪些？何谓反渗透膜分离过程？其特点有哪些？uu何谓强制膜分离过程？何谓强制膜分离过程？uu简述电渗析膜分离基本原理。简述电渗析膜分离基本原理。uu以纳滤膜等膜为例叙述膜分离技术在制药工业中应用以纳滤膜等膜为例叙述膜分离技术在制药工业中应用及发展趋势及发展趋势第第42页页