溶剂萃取及膜过滤设备

截留率的影响因素
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： pH 值等于蛋白质 pI 时， 蛋白质净电荷为零，静电排斥最 小，使其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。
膜的污染和清洗
膜清洗
试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面 活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶 液等。 原则：去污能力好，对膜无损害，成本 最低。 方法：反向清洗，试剂置换，化学降解 消化。 预防：膜的预处理 ( 乙醇浸泡聚砜膜 )， 料液预处理(调 pH，预过滤)，开 发抗污染膜，临界压力操作等。
5.5 反渗透 (RO)
pI乳球蛋白= 5.2
截留曲线:
A、曲线陡直，孔径分布小，膜有较好的分子量切割作用； B、孔径分布较宽，膜的分子量切割作用较差。
膜操作特征
浓度(凝胶)极化模型
适应范围：反渗透、超滤和微滤。
浓度极化模型：
在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面，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。这种 在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象谓之浓度极化或浓差极化。 在浓度梯度作用下，这些溶质又会 由膜面向本体溶液扩散，形成边界层， 使流体阻力与局部渗透压增加，从而导 致溶剂透过通量下降。
5.6 透析(DS)
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 电透析(ED)
原理：在透析的基础上加上直流电，加快离子的透析速度。 用途：样品快速脱盐。 优点：
A、设备简单， B、透析速度极快（提高几十倍）， C、电流直接指示电透析终点， D、减轻溶质的稀释。

适用：热敏性的生物工程产物、浓缩与纯化。
在水处理、工业分离、废水处理、食品和发酵工业等方 面的应用均取得了重大的突破。
5.1 概论
人们对膜分离认识始于十八世纪。首先认识的 是生物膜, 直到 1864年才研制成人类历史上第一片人 造膜—亚铁氰化铜膜。膜分离技术的迅速发展是在上 世纪60～80年代。
第五节 膜分离技术及设膜两侧存在一定量的压力差或电 位差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同 而实现的分离。

分类：膜分离有微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）
、反渗透（RO）、电渗析和透析等。

优点：具有设备简单、可在室温或低温下操作、无相变、
处理效率高、节能等优点
C0 :超滤前的溶质浓度 C: 超滤后的溶质浓度， V0 : 超滤前的料液体积 V : 超滤后的料液体积。
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，与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、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。
Chapter 4
溶剂萃取及膜过滤设备
第四节 溶剂萃取设备（简介）

原理：
有机溶剂萃取过程是利用两个互不混溶的液相中各 个组分（包括目标组分）溶解度的不同，从而达到分离 的目的。使用的溶剂叫萃取剂，提出的物质叫萃取物。

溶剂萃取设备分类：液-液萃取设备和液-固萃取设 备(根据分离物系构成的不同分类)。
B、优选透有机物膜
材料：主要由疏水高聚物制成。
如含疏水的氟原子和硅原子的改性硅橡胶和改性聚三甲 基硅基丙诀膜、三氟二甲基硅基丙诀膜；全氟碳膜等。
结构特点：聚合物中含疏水的氟原子和硅原子等。
这些结构对有机溶剂的亲和力很大，但对水无亲和力。
应用： 主要用于水的纯化、污染控制和有机物的回收等 ( 水为主体，有机物含量少)。
(2) 料液浓度
从方程知，Jv与-ln(cb-cp)呈线形关系，随cb的增大而减小。
膜渗透通量的影响因素
(3) 压力
A、当p小, 无浓度极化层, Jv与p成正比, 此时用方程：
B、当p大,有浓差极化, Jv的增长速率减慢, 此时用方程：
C、当p继续增加时，形成凝胶层，且厚度随压力的增大 而增大，所以Jv不再随p的增加。此时的Jv为此流速下的 极限值(Jlim)，用方程：
5.1 概论
膜的特性
⑴ 必须具有半透膜特性，能允许某些组成透过，而保留混合 物中的其他组成，从而达到分离混合样品的目的。
⑵ 膜分类：对称膜 & 不对称膜
对称膜：结构构与方向无关。 不对称膜：具有不对称结构，既表面的活性层。

上层：孔隙直径在100 nm, 厚度为0.2-0.5 m, 起过滤作用。 下层：厚度为50-100 m的支持层，孔隙直径为0.1-1.0 m, 起支持活性 层的作用。
应用：
A、海水淡化， B、超纯水制备， C、抗生素和氨基酸等浓缩， D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。
反渗透原理动画
5.6 透析(DS)

透析：指溶质从半透膜的一侧透过膜至另一侧的过程 原理：浓差扩散

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)

特点：因为活性层很薄，且不易使孔道阻塞，颗粒截留在膜表面，因而 使整个膜表面分离技术迅速向工业化应用方面发展。
5.1 概论
常规的分离方法： 大小：筛分 普通过滤 微滤 超滤 扩散：电渗析 透析 反渗透 离子电荷： 离子交换 蒸汽压 温度： 蒸馏 冷冻 溶解度： 溶剂 萃取 密度：超速离心 离心 液体旋风分离 重力沉降

渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度 和温度有关而与半透膜的性质无关。
反渗透： 若在浓溶液一侧施加一个大 于渗透压的压力时，溶剂的流动 方向将与原来的渗透方向相反， 开始从浓溶液向稀溶液一侧流动 ，这一过程称为反渗透。
5.5 反渗透 (RO)

反渗透： 渗透的一种反向迁移运动，一种在压力驱动下，借助于
5.3 微滤(MF)
原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。
5.3 微滤(MF)
操作：与一般过滤相同。
膜两侧的渗透压可忽略，操作压在0.05-0.5Mpa。
用途：除去0.1 m — 10 m的颗粒，用于细胞、细菌、细胞器
的分离。 透过流通量Jv(kg m-2 s-1)计算：
：膜的孔隙率； ：滤液黏度， K：与孔道结构有关的无因次常数， S0孔道比表面积。
半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法

应用： 已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应
用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离 子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的 纯净水。
5.5 反渗透(RO)
特点：
A、膜的选择性。 B、压力的选择性。压力越高，透过液中溶质的浓度越低。 因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或 提高海水淡化质量。
5.1 概论
膜分离优点:
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。
5.1 概论
膜分离缺点:

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。
意义： Jv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
5.4 超滤(UF)
操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压
较小，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。
膜的评价：
MWCO只表征膜特征的一个参数，不能作为唯一指标。 膜的优劣应从孔径分布、透过通量、耐污染能力、稳定性、 温度、pH、机械强度等多方面考察。
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:
半透膜：对透过的物质具有选择性的薄膜。
理想半透膜：只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜。
渗透：当把相同体积的稀溶液 ( 例 如淡水)和浓溶液(例如盐水) 分别置于半透膜的两侧时， 稀溶液中的溶剂自然穿过半 透膜而自发地向浓溶液一侧 流动。
5.5 反渗透 (RO)
渗透压：当渗透达到平衡时，浓溶液的液面会比稀溶液 的液面高出一定高度，即形成一个压差，即为渗透压。
膜操作特征
凝胶极化模型：
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。这种现象谓之凝胶极化。
膜渗透通量的影响因素
操作形式 终端过滤、错流过滤
(1) 流速
流速对透过通量的影响反应在传质系数上 (k) ， k 随流速的 增大而提高；因此，流速增大，透过通量增大。
5.2 膜分离技术的类型


按推动力不同分类
浓度差：透析技术(Dialysis, DS) 电场力：电透析、离子交换电透析 静 压 力 差 ： 微 滤 (microfiltration) 、 超 滤 (untrafiltration)、反渗透(reverse osmosis) 蒸气压差：膜蒸馏、渗透蒸馏