各种膜分离过程的分离机理
第七章 膜分离过程 第八章 液膜分离
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类 (1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，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)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作 为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
(4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对 有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过 液浓度反而升高。 膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附 能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在 压力下通过毛细管。 例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后 者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。
三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。 优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量 消耗低。操作压力低，泵与管对材料要求不高等。 反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2· h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔 径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定性。 材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。 高分子物质极易粘附和沉积，造成严重的浓差极化和堵塞。 原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。 问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和 其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到一定程度。
膜分离技术
螺旋卷式膜组件2
工作：膜组件装进圆柱形压力容器，构
成一个螺旋卷式膜组件，原料从一端进 入组件，沿轴向流动，在驱动力作用下， 易透过也沿径向渗透通过膜至中心管， 另一端为渗余液。
应用：反渗透、超滤、气体分离。
螺旋卷式膜组件3
特点：
结构紧凑——单位体积内膜的有效面积大； 制作工艺相对简单； 安装、操作比较方便； 适合于低流速、低压操作； 对原料前处理要求高——膜一旦被污染，不 易清洗。
膜分离在制药工业中的应用2
内蒙古中润制药有限公司利用膜分离技 术回收6-APA结晶母液。
采用EA技术于常温常压下回收母液中的溶剂， 脱出溶剂的母液经纳滤膜浓缩，结晶重新获 得6-APA晶体。 通量比反渗透膜提高30%， 6-APA浓缩程度 也可提高一倍，大大降低了投资及运行成本。
膜分离在制药工业中的应用3
主要应用于超滤、微滤、反渗透、渗透 气化和电渗析。
圆管式膜组件1
在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上半 透膜而得到的圆管形分离膜。
下图所示，为膜刮制在多孔支撑管的内 侧，原料液被泵送至管内，渗透液经半 透膜后，通过多孔支撑管排出，浓缩液 从管子另一端排出。
能使滤液被渗透通过， 则需在支撑管和膜之间安装一层很薄的多孔 纤维网，帮助滤液向支撑管上的孔眼横向传 递，同时对膜提供必要的支撑作用。
特点：流动状态好；容易清洗；设备和
操作费用高；膜装填密度大。
用于：超滤、微滤和单级反渗透。
螺旋卷式膜组件1
由中间是多孔支撑材料，两边是膜的双 层结构装配而成。
其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一 个开放的边沿与一根多孔中心透过液收集管 连接，在膜袋外部的原料液侧再垫一层网眼 形间隔材料（隔网），也就是膜-多孔支撑 材料-膜-隔网依次叠合。绕中心透过液收集 管紧密地卷在一起，形成一个膜卷。
膜分离技术
膜分离技术及其应用默认分类2008-07-14 11:01:42 阅读215 评论2 字号：大中小订阅1．前言膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组份透过而保留混和物中其他组份，从而达到分离目的的技术。
它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和省能等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。
在其发展过程中，1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜是膜分离技术发展的一个里程碑，使反渗透技术大规模用于水脱盐成为现实。
自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。
这些进展又大大促进了微滤和超滤技术的发展，使整个膜分离技术迅速向工业化应用迈进。
目前，膜分离技术已在电子工业、食品工业、医药工业、环境保护和生物工程等领域中得到广泛应用。
液体中通常含有生物体、可溶性大分子和电解质等复杂物质。
其主要组成及其尺寸大小列于表1。
表1 液体中可能存在的主要成分组份分子量（D）尺寸大小（nm）酵母和真菌103 ~104细菌300~104胶体100~103病毒30~300蛋白质104~106 2~10多糖104~106 2~10酶104~106 2~10抗体300~103 0.6~1.2单糖200~400 0.8~1.0有机酸100~500 0.4~0.8无机离子10~100 0.2~0.4图1是按分离的粒子或分子大小分类的各种分离过程。
由图可知，五种主要的膜分离过程覆盖了一个相当宽范围的粒子大小。
通常沉淀、过滤存在澄清不彻底、劳动量大、时间冗长等缺点；离心、超离心又有投资运行费用高、操作与维修困难等问题。
在分离浓缩步骤中，可用离子交换、蒸发、色谱等手段，但存在处理量、以及有些物质对热与化学环境敏感等问题。
膜分离技术由于具有如下优点而使其能在生物产品分离、提取与纯化过程中发挥作用：（1）处理效率高，设备易于放大；（2）可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；（3）化学与机械强度最小，减少失活；（4）无相转变，省能；（5）有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；（6）选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率；（7）系统可密闭循环，防止外来污染；（8）不外加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。
膜分离的原理
膜分离的原理是什么?何为纳滤膜？答：纳滤膜的透过物大小在1－10nm，科学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级（10nm以下）的孔结构，故习惯上称之为"纳滤膜"又叫"纳米膜"、"纳米管"。
纳滤膜净化原理？答：（1）溶解--扩散原理：渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递，在膜的表面形成物相之间的化学平衡，传递的形式是：能量=浓度o淌度o推动力，使得一种物质通过膜的时候必须克服渗透压力。
（2）电效应：纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南（DONNAN）效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。
道南平衡：当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。
膜相中的反离子浓度比主体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势，该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散。
当压力梯度驱动水通过膜进同样会产生一个能位势，道南能位势排斥同性离子进入膜，同时保持电中性，反离子也被排斥。
三达纳滤膜具有哪些特点？答：①超低压力下工作（0.15Mpa的压力下就可以稳定工作）。
②大通量供水。
在普通的市政水压下就可以使用，水通量可达15m2／小时。
③选择性离子脱除。
在去除细菌、病毒、过量金属离子、低分子有机物、氟、砷等有害物质的同时，保留一定量钾、钠、钙、铁等对人体有益矿物质。
④使用领域广。
在淡水处理、工业废水处理、医药和食品领域都有广泛的应用。
如何保存纳滤膜？答：纳滤膜的保存目标是防止微生物在膜表布的繁殖及破坏，防止膜的水解，冻结及膜的收缩变形。
前人就有微生物对膜性能的影响进行过多种试验，结果表明：不同的微生物对膜的性能产生不同的影响。
防止膜的水解，对任何膜都很重要。
温度和PH值是醋酸纤维素膜水解的两个主要因素。
膜分离技术及机理
应用范围
海水和苦咸水脱盐制饮用水；
太空水、纯净水、蒸馏水、医药、化学工业中 所需的超纯水等制备；
用于造纸、电镀、印染等行业用水及重金属 废水处理。 用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改 变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、 咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩； 奶品工业中牛奶的浓缩。
在浓水边加压，当压力 2、反渗透的原理 超过渗透压时，则水透 由于浓度差存在，半透膜 过半透膜，即反渗透， 又不允许溶质通过，所以 实现净化过程。 水透过膜，使浓水一边液 面升高，产生渗透压
开始时两边液 面相同
半透膜
渗透和反渗透原理示意图
一种只能透过溶剂而不能透过溶质的膜称为半透膜。 当把溶剂和溶液(或把两种不同浓度的溶液)分别置于此膜 的两侧时，纯溶剂将自然穿过半透膜而自发地向溶液(或 从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象叫做渗透。 此时单位面积上的推动力称为该溶液的渗透压Π 。
饮用水的生产 蛋白质的过滤、回收
果汁的澄清
食用油精练 医药产品的除菌 激素的提取 酒类酿制 电泳涂漆废水中涂料的回收
可用超滤处理的工业废水：
电泳涂漆废水 含油废水（如油田含油污水、金属加工用乳化废液、含油 清洗废水等） 摄影显影液废水 造纸工业废水（如亚硫酸纸浆废液、漂白废水、纸张上色 废水等） 纺织工业废水（如羊毛清洗废水、染料废水、退浆废水、 涤纶纤维油剂废水等） 光学玻璃研磨排水 放射性废水 食品工业废水，回收蛋白质、淀粉等。
出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降
低，膜两侧相应的离子进入膜中。
离子交换膜和离子交换树脂的区别：
作用机理 使用方法
树脂
离子间交换
膜分离的基本原理是什么--机理如何
膜分离的基本原理是什么？机理如何？
由于分离膜具有选择透过的特性，所以它可以使混合物质有的通过、有的留下。
分离膜之所以能使混在一起的物质分开，基于两个方面的原理：
（1）根据它们物理性质的不同主要是质量、体积大小和几何形
态差异，用过筛的办法将其分离。
（2）根据混合物的不同化学性质物质通过分离膜的速度取决于
以下两个步骤的速度：首先是与膜表面接触的混合物进入膜内的速度（称溶解速度）；其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。
二者之和为总速度。
总速度愈大，透过膜所需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈长。
溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异；扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关。
混合物中各物质透过的总速度相差愈大，则分离效率愈高；若总速度相等，则无分离效率可言。
但是，由于膜分离的过程不同，它们的分离机理也不完全相同。
各种主要水处理过程的膜分离机理如下表所示。
膜分离的基本原理
膜分离的基本原理
膜分离技术原理是依靠膜孔道的大小、形状和化学性质的不同，使溶液中的不同成分经过膜时发生选择性的传输，从而实现分离和纯化。
一、膜的种类
1、超滤膜：该膜一般用于大分子的去除。
分离限制约为1000Da 以上。
超滤膜的分级宽度、截留效率和通量等指标与分子质量、形状、电荷密度和环境有关。
2、微滤膜：该膜一般用于细胞、胶体和悬浮物的去除。
分离限制约为0.1-10μm左右。
3、纳滤膜：该膜一般用于小分子的去除。
分离限制约为50Da 至1000Da之间。
4、反渗透膜：该膜一般用于水、离子和小分子的去除，特别适用于海水淡化和废水处理。
分离限制约为0.1-10nm左右。
二、传递机理
1、膜分离技术是一个复杂的传质与反应过程，其主要传递机理包括压力驱动、电势驱动和浓度梯度驱动。
2、压力驱动是利用外部压力差将溶液强制通过膜暴露在膜孔道的两侧，当溶质分子尺寸小于膜孔径时，会通过膜而大分子则被保留在膜层中。
3、电势驱动是利用外界电场的作用，使有电荷的分子或离子带电穿过膜层，实现离子或低电荷物质的分离；浓度梯度驱动是指在膜
过程中通过维持膜的两侧溶液的浓度差，从而推动分子向低浓度区域传递。
三、应用领域
1、膜分离技术广泛应用于化工、制药、生物工程、食品加工等各个领域。
如：在食品工业中，利用超滤膜去除乳制品中的脂质、细胞和乳清。
2、在化工工业中，使用反渗透膜进行水的淡化和除盐；在生物技术工业中，利用纳滤膜实现分离纯化蛋白质等。
膜分离机理
膜分离机理膜分离技术是一种在分子水平上，通过半透膜选择性地分离不同粒径分子的混合物的技术。
这种半透膜也被称为分离膜或滤膜，其壁布满小孔，不同的孔径大小决定了其分类，例如微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）等。
以超滤过程为例，其分离机理主要为筛分。
这是因为膜表面有微孔，当流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子会随部分溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析液；而大分子则被截留在原来的一侧，形成截留液。
这样，就可以达到将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
但除了筛分这一机制，膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。
超滤过程中溶质的截留不仅包括在膜表面上的机械截留（筛分），还包括在膜孔中的停留（阻塞）以及在膜表面和膜孔内的吸附。
纳滤过程的分离机理则更为复杂。
纳滤膜的孔径介于超滤膜和反渗透膜之间，因此可以同时对分子量和溶解度进行筛选。
纳滤过程中，溶质的大小、形状、电荷和分子量等因素都会影响其通过膜的能力。
其中，分子量是最重要的因素之一。
对于同一种溶质，其分子量越大，越难以通过纳滤膜。
此外，溶质的形状和电荷也会影响其在膜上的吸附和解吸行为，从而影响其通过膜的能力。
反渗透过程的分离机理则是基于渗透压的差异。
反渗透膜的孔径非常小，只有水分子和部分离子可以通过。
在高渗透压的驱动下，水分子会从高压侧向低压侧渗透，而溶质则会被截留在高压侧。
因此，反渗透过程可以实现溶液中溶质和溶剂的高效分离。
总的来说，膜分离技术的分离机理主要包括筛分、吸附、阻塞和渗透等几种方式。
这些分离机理相互影响，共同决定了膜分离的效果。
因此，通过优化膜的性质和操作条件，可以提高膜分离的效率和选择性。
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管式
适于中小容量规模； 已商业化
困难； 易堵塞，不易清洗； 不宜在高压下操作
适于大容量规模； 已商业化
中空纤维式
膜的堆积密度大； 制作工艺和技术复 不需要加支撑材料； 杂； 浓差极化可忽略； 易堵塞，清洗不易 价格低廉
适于大容量规模； 已商业化
各种膜分离过程的分离机理
膜过 程 微滤 相 12 LL 压力差 （0.01-0.2MPa） 筛分 水、 溶剂溶解物 悬浮物、颗粒、纤维和细 菌（0.01-10μ m） 筛分 水、溶剂、离子 和小分子 （分子 量<1000） 纳滤 LL 压力差 （0.5-2.0MPa） 筛分+溶解 /扩散 溶解/扩散 水和溶剂 （分子 量<200） 溶质、二价盐、糖和染料 （分子量 200-1000） 全部悬浮物、溶质和盐 致密不对 称膜和复 合膜 反渗 透 LL 压力差 （1.0-10.0MPa） 水和溶剂 致密不对 称膜和复 合膜 电渗 析 渗析 LL 浓度差 扩散 离子、 低分子量 有机质、 酸和碱 分子量大于 1000 的溶解物 和悬浮物 LL 电位差 离子交换 电解离子 非解离和大分子物质 离子交换 膜 不对称膜 和离子交 换膜 渗透 蒸发 LG 分压差 溶解/扩散 溶质或溶剂 （易 渗透组分等蒸 汽） 膜蒸 馏 LL 温度差 气-液平衡 溶质或溶剂 （易 汽化与渗透的 组分） 气体 分离 GG 压力差 （1.0-10.0MPa） （分压差） 液膜 LL 化学反应与浓度 差 反应促进 和扩散传 递 膜接 触器 LL GL LG 浓度差 浓度差（分压差） 浓度差（分压差） 分配系数 易扩散与渗透 的物质 难扩散与渗透的物质 多孔膜和 无孔膜 电解质离子 非电解质离子 载体膜 溶解/扩散 易渗透的气体 和蒸汽 难渗透的气体和蒸汽 聚砜和芳香聚酰胺 复合膜和 均质膜 溶质或溶剂（难汽化与渗 透的组分） 多孔膜 溶质或溶剂（难渗透组分 的液体） 复合膜和 均质膜 生化制品、胶体和大分子 （分子量 1000-30000） 对称和不 对称多孔 膜 超滤 LL 压力差 （0.1-0.5MPa） 具有皮层 的多孔膜 推动力 分离机理 渗透物 截留物 膜结构
各种膜组件的优缺点比较 类型 板框式 优点 结构紧凑、简单、牢 固、能承受高压； 可使用强度较高的 平板膜； 性能稳定， 工艺简便 膜容易清洗和更换 原水流动状态好， 压 力损失小，耐较高压 力； 能处理含有悬浮物 的、粘度高的，或者 能析出固体等易堵塞 流水通道的溶液体系 膜堆积密度大， 机构 紧凑； 可使用强度好的平 板膜； 价格低廉 缺点 装置成本高， 流动状 态不良，浓差极化严 重； 易堵塞，不易清洗， 膜的堆积密度较小 装置成本高； 管口密封较困难； 膜的堆积密度小 使用状况 适于小容量规模； 已商业化
优点：高效（乙醇、氮氢气的分离） 能耗低（反渗透淡化海水） 适用于热敏物质（抗生素除水、食品浓缩） 操作温度在室温，很少需要维护，可靠度高 过程规模和处理能力可在很大的范围内变化，而效率、单价、费用等变化不大 分离效率高，设备体积小，占地小 分离膜具有的基本条件：分离性、透过性、物理化学稳定性、经济性 耐热性；耐酸、碱性；抗氧化性；抗微生物分解性；亲水性；疏水性；电性能；机械强度