第十一章 膜分离技术基础详解

缺点
1. 膜质脆、易碎，需要特殊构型和组 装；
2. 设备费用偏高； 3. 高温应用时密封较复杂。
无机膜
▪ 工业用的陶瓷膜主要是Al2O3,ZrO2,SiO2等无机材料制成的 多孔膜，孔径由2-50nm陶瓷超滤膜和50nm到10µm陶瓷微 滤膜。为降低渗透阻力，一般采用多层非对称结构，由多孔 支撑层、过渡层、分离层组成。但也有少量的致密无机膜， 如金属钯、银及其合金膜。
4、膜的种类和结构
2）根据膜的荷电情况又可分为荷电膜和非荷电膜。 荷电膜结构中载有固定的正电荷或负电荷。 它包括离子交换膜、反渗透膜和纳滤膜等。
离子交换膜：阴离子交换膜和阳离子交换膜。
4、膜的种类和结构
膜材料 对膜材料的要求是： 1）具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性，耐酸、碱和微生物 侵蚀及耐氧化性能。 2）反渗透、超滤、微滤用膜最好为亲水性，在处理水溶液时以提高 水通量和抗污染能力。 3）电渗析用膜则特别强调膜的耐酸、碱性和热稳定性。 4）若用于有机溶剂分离还要求膜材料不被有机溶剂溶解。
▪ 无机膜组件的价格偏高，目前市场占有率为5%~8%，但最近几年增 长速度达30%~35%，远远高 不可压缩，机械性能稳定； 3. 化学稳定性强，耐酸、碱，特别耐有机溶剂； 4. 不会老化，使用寿命长； 5. 允许用蒸汽灭菌、高压反冲洗等苛刻的清洗操作 6. 抗污染性能强； 7. 膜孔径大小均一。
1960年美国加利福尼亚大学的Loeb和Sourirajan研制出第一张可实 用的反渗透膜后，膜分离技术从此进入了大规模工业化应用的时代。
3、膜分离过程的特点及分类
▪ 膜分离过程：指利用天然的或合成的、具有选择透过性的薄膜作为分离 介质，在浓度差、压力差或电位差等作用下，使混合液体或气体混合物 中的某一或某些组分选择性地透过某些膜，以达到分离、分级、提纯或 浓缩目的。
▪ 特点：
▪ ①以具有选择透过性的膜分隔两相界面，被膜分隔的两相之间依靠不同 组分透过膜的速率差来实现组分分离。
▪ ②多数膜分离过程无相变发生，能耗低，无需外加物质、对环境无二次 污染之忧。
▪ ③分离过程通常在温和条件下完成，适用于热敏性药物的分离、分级与 浓缩。
▪ ④膜组件结构紧凑，处理系统集成化、操作方便；处理过程能耗较低、 单级分离效率高、无污染等优点。
1）膜不管薄到什么程度，至少必须具有两个界面。 通过这两个界面分别与被膜分开于两侧的流体物质互相接触。
2）膜应具有选择透过性。 膜可以是完全透过性的，也可以是半透过性的。
2、膜分离技术的发展
▪ 20世纪30年代的微滤 ； ▪ 40年代透析； ▪ 50年代电渗析； ▪ 60年代反渗透； ▪ 70年代超滤和液膜； ▪ 80年代气体分离，纳滤； ▪ 90年代渗透汽化。
气膜分离目前尚处于实验室研究阶段，液膜已有中试规模的工业应用，目前大 规模工业应的是固膜。
4、膜的种类和结构
▪ 1）根据膜的断面形态结构可分为对称膜、不对称膜两大类 。
有机—无机复合膜 不对称膜又根据表层和支撑层是否为同一材质分为非对称膜和复合膜。
对称膜
对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜,膜的厚度大致在 10~200μm范围内。致密的均相膜由于膜较厚而导致渗透通量低,目前已 很少在工业过程中应用。
3、膜分离过程的特点及分类
▪ 分类： ▪ 根据驱动力不同膜分离过程大致分为三类：压力驱动膜分离过程，浓度
差驱动膜过程和电力驱动膜过程。
膜分离类型
渗析（D） 微滤（MF） 超滤（UF） 纳滤（NF） 反渗透（RO） 电渗析（ED）
推动力
浓度差 压力差 压力差 压力差 压力差 电位差
透过组分
小分子溶质或较小的溶质 溶剂、溶解物等
溶剂、离子、有机小分子 溶剂、低价盐离子 溶剂等 有机、无机离子
3、膜分离过程的特点及分类
▪ 分类： ▪ 根据驱动力不同膜分离过程大致分为三类：压力驱动膜分离过程，浓度
差驱动膜过程和电力驱动膜过程。
4、膜的种类和结构
▪ 根据来源不同可分为天然膜和合成膜。根据相态不同合成膜可分为固体 膜、液膜和气膜三类。
有机膜
▪ 纤维素类膜材料是应用最早，也是目前应用最多的膜材料，主要用于反 渗透、超滤、微滤，在气体分离和渗透汽化中也有应用。
▪ 芳香聚酰胺和杂环类膜材料目前主要用于反渗透和纳滤。 ▪ 聚酰亚胺是近年来开发应用的耐高温、抗化学药剂的优良膜材料，目前
已用于超滤、反渗透和气体分离膜的制造。
▪ 聚砜是超滤、微滤膜的重要材料，由于抗压密性和抗氧化性强，也是良 好的复合膜支撑材料，但其疏水性使膜的透水性差。
第十一章 膜分离技术
第一节 膜分离技术与分离膜 第二节 各种膜分离过程及其原理 第三节 膜的传质过程与膜污染 第四节 膜分离过程中的关键技术 第五节 膜分离技术在中药制剂中的应用
11.1 膜分离技术与膜分离
1、膜的概念
如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把 流体相分隔开来成为两部分,那么这一薄层物质就是膜。 特性：
第二节 各种膜分离过程及其原理
▪一、压力驱动膜过程
▪压力驱动膜过程有：微滤、超滤、纳滤和反渗透。
1、微滤
▪ 聚醚砜是在聚砜的基础上改性得到，材料的抗氧化性、耐热性及耐溶剂 性能都有所增强。
▪ 聚丙烯腈也是超滤、微滤膜的常用材料，它的亲水性强于聚砜。 ▪ 聚偏氟乙烯是是近年来开发的耐污染性最强的一种膜材料，主要用于制
备微滤膜和截留分子量较高的超滤膜。
无机膜
▪ 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、无机高分子材料等）制成的半透膜。
非对称膜
非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成。膜上下两侧截 面的结构及形态不相同,致密层厚度约为0.1~0.5μm, 支撑层厚度约为 50~150μm。
在膜过程中,渗透通量一般与膜厚成反比, 由于非对称膜的表皮层比 致密膜的厚度(10~200μm)薄得多,故其渗透通量比致密膜大得多。
复合膜
表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同,皮层可以多层叠 合, 通常超薄的致密皮层可以用化学或物理等方法在非对称膜的支撑层上 直接复合制得。