第七章(下) 膜分离技术知识要点温习
膜分离技术复习
膜分离技术培训资料基本知识及概念1、膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。
通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
2、分离膜的特点是膜壁遍布微小孔洞，根据孔径的大小可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。
除透析、电渗析之外，反渗透、纳滤、超滤、微滤都是在膜两侧静压差推动力作用下进行液体混合物分离的膜过程，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。
其中溶剂或小分子溶质透过膜，溶质或大分子被膜截留。
其基本原理示意如图。
3、膜的分类3.1 按膜的材料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3.2 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。
微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。
微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。
无机膜材料有陶瓷和金属等。
鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。
对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。
可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。
超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1000um分子量之间。
超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。
膜分离技术
膜的定义一种最通用的广义定义是“膜”为两相之间的一个不连续区间。
因而膜可为气相、液相和固相，或是他们的组合。
简单的说，膜是分隔开两种流体的一个薄的阻挡层。
描述膜传递速率的膜性能是膜的渗透性。
以常见的超滤过程为例，分离机理主要为筛分：膜表面有微孔，流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子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，从而达到了将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
形象地说，膜就像一张筛网，可以拦下大的、透过小的。
但这张筛网与众不同的是它的孔径很小，进行的是大小分子的分离。
我们只要选择合适孔径的膜，就可以进行所需的分子级分离。
2、膜分离技术的定义把上述的膜制成适合工业使用的构型，与驱动设备（压力泵、或电场、或加热器、或真空泵）、阀门、仪表和管道联成设备。
在一定的工艺条件下操作，就可以来分离水溶液或混和气体。
透过膜的组分被称为透过流分。
这种分离技术被称为膜分离技术。
3、膜的种类分离膜包括：反渗透膜（0. 0001～0. 001μm），纳滤膜（0. 001 ～ 0. 01μm）超滤膜（0. 01 ～ 0. 1μm）微滤膜（0. 1～10μm）、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。
他们对应不同的分离机理，不同的设备，有不同的应用对象。
膜本身可以由聚合物，或无机材料，或液体制成，其结构可以是均质或非均质的，多孔或无孔的，固体的或液体的，荷电的或中性的。
膜的厚度可以薄至100μm ，厚至几毫米。
不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要用不同的方法制备。
制膜方法一直是膜领域的核心研究课题，也是各公司严格保密的核心技术。
4、按微观结构分对称膜、不对称膜、复合膜、多层复合膜等。
5、按宏观结构分平板膜、卷式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维等。
无论在实验室或工业规模的生产中，膜都被制成一定形式的组件作为膜分离装置的分离单元。
在工业上应用并实现商品化的膜组件主要有平板型、圆管型、螺旋卷型和中空纤维型，相应的膜的几何形状分为平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。
膜分离
膜分离过程 (membrane separation)
。
35
膜分离—微滤 1、微滤的原理与装置 1）原理 2）装置 （1）无流动操作
原料液
渗透液 无流动操作
（2）错流操作
原料液
浓缩液
渗透液 错流操作
微滤分离原理
利用筛分原理，分离、截留直径为 0.05 m 到 10 m 大小的粒子，即微滤膜的孔径为 0.05 m 到 10 m。 采用压力为 0.05～ 0.5MPa。
到40%。 ◆ 操作运行开始后，由于浓差极化产生，尤其在 低流速、高溶质浓度情况下，在膜面达到或超 过溶质饱和溶解度时，便有凝胶层形成，导致
膜透过通量的急剧降低，且不依赖于所加压力
。
膜污染的控制方法
通过控制膜污染影响因素，大大减少膜污 染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗 频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤， 超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时， 必须注意以下几点: ①进料液的预处理 ②选择合适的膜材料 ③改善操作条件
54
纳滤
纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需
求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适 应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变 发展而来的。
膜组器于80年代中期商品化。 纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子
量范围约为 MWCO300～1000
纳滤膜的特点
纳滤膜的截留率大于95%的最小分子约为１nm,故称
之为纳滤膜。
从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离
层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由 聚电解质构成。
能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作
压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差 比用RO膜低0.5～3 MPa，因此纳滤又被称作“低压 反渗透”或“疏松反渗透”( Loose RO )。
膜分离技术基本知识
对称膜
致密膜 多孔膜 离子交换膜
按膜结构 分类
非对称膜
非对称膜
复合膜
平板膜
按膜外形形 状分类
管式膜
中空纤维膜 蜂窝状膜
膜分离过程及其分离原理
过程 膜的功能 透过组分 截留组分
透过组分在料 液中的含量
推动 力
分离原理
膜类型
进料和 透过物 物态
简图
微滤 （MF）
溶液或气体 除菌，脱微 粒
溶液或气 体
细菌、病毒 悬浮颗粒 蛋白质、酶等 大分子有机物 抗生素、合成药、染料 二价及多价盐、二糖等 单价盐（NaCl、KCl等）
水
膜分离特性示意图
过滤精度
埃 10-8cm 1 10 100 病毒 1000 104 105 花粉 细纱 细菌 106 107
糖
溶解盐
胶体
传统过滤
微滤
超滤 纳滤 反渗透
离子交换
近期学习总结
主要内容
• • • • • • 1、膜的分类 2、膜制备技术 3、微滤 4、超滤 5、纳滤 6、反渗透
微滤 超滤
压力差
纳滤 反渗透 气体分离 渗析 渗透汽化
按膜过程 推动力分类
浓度差
控制释放 液膜 膜传感器
电化学势
电渗析 膜电解
温度差：膜蒸馏 化学反应：化学反应膜
微滤（MF） 超滤（UF） 纳滤（NF） 反渗透（RO）
化学工业 石油机械 生物化工
电子行业
医疗、医药
食品工业 水处理 冶金
4、超滤UF（ultrafiltration）
基本性质：
超滤膜孔径范围1~50nm，筛分机理，能够截留的物质大小为10~100nm，已经达 到分子级别，操作压力低，0.1~0.5MPa，膜通量比微滤小很多，多为非对称膜。在常 温无相变的温和条件下进行密闭操作，能耗非常低，由于溶液中大分子物质的扩散系 数小，超滤过程容易产生浓差极化现象。
膜分离知识
影响超滤渗透通量的因素及控制方法
影响因素：
操作压差 料液浓度 料液流速 温度 截留液浓度 操作时间
控制方法
选择合适的膜材料 料液的预处理 膜的清洗
超滤的流程和装置
超滤的流程
间歇错流
截留液全循环
截留液部分循环
超滤的流程
连续错流
单段连续操作
5 液膜分离技术析
• 液膜的分类与组成
乳状液膜
支撑液膜
乳状液膜示意图
支撑液膜示意图
液膜的组成 包括膜溶剂、表面活性剂和活性载体等。
压力差106~107Pa 压力差106~107Pa
筛分
溶解扩散 Donnan效应
优先吸附、毛细管流动、溶 解-扩散
溶解-扩散
渗析
1~3nm
浓度差
筛分加上扩散度差
电渗析
相对分子质量<200
电位差
反离子迁移
渗透蒸发
无孔
分压差、浓度差
溶解-扩散
• 按动力本质分
以静压力差为推动力的过程
微滤（microfiltration, MF) 超滤（ultrafiltration, UF） 反渗透（reverse osmosis, RO) 纳滤（nanofiltration, NF)
多段连续操作
超滤和反渗透的主要设备
主要设备
反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过 滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透 和超滤操作的主体设备。
膜组件
板式 管式 螺旋卷式 中空纤维式
平板式膜组件
管式膜组件
螺卷式膜组件
中空纤维膜组件
聚偏乙烯膜组件
4 电渗析
• 基本原理
膜分离技术培训资料
膜技术膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类： 微滤（Microfiltration ，MF ）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm 之间； 超滤（Ultrafiltration ，UF ）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02 μm ，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质； 反渗透（Reverse osmosis ，RO ）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.001 μm 之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm ；微滤、超滤、纳滤和反渗透膜的分类与物性反渗透纳滤超滤微滤单价盐不游离酸水悬浮粒子大分子糖二价盐游离酸×●◆■▲×●◆■▲×●◆■▲×●◆■▲××××●◆■▲●◆■▲●◆■▲◆◆◆●■▲●■▲●■▲●●●■▲■▲■▲■■■▲▲▲膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离的特点①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高；⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；⑥设备易放大，可以分批或连续操作。
因而在生物产品的处理中占有重要地位原理膜技术是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。
膜的分类膜装置有板式、管式（内压列管式和外压管束式）、卷式、中空纤维式等形式。
膜分类根据所加的操作压力和所用膜的平均孔径的不同，可分为微孔过滤、超滤和反渗透（纳滤）三种。
第七章-膜分离技术
二、超滤的浓差极化 溶质会在膜表面积聚
超滤分离原理示意图
并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度。
减轻浓差极化的措施： ① 错流设计，以利清除极化层； ② 流体流速提高，增加流体的湍动程度； ③ 采用脉冲以及机械刮除法维持膜表面的清洁。 三、超滤膜 常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯睛、聚酰胺、
四、微滤的应用
｛ 1.微滤膜的特点
⑴孔径的均一性 ⑵空隙率高
⑶材薄
｛ ｛｛ 2.微滤的应用
⑴实验室中的应用 ⑵工业上的应用
微生物检测 微粒子检测
制药工业 电子工业
其他领域
二、电渗析的流程 各种电渗析器的组合方式示意图
直流式电渗析除盐流程
循环式电渗析除盐流程
部分循环式电渗析除盐流程
三、电渗析技术的应用 （１）咸水脱盐制淡水
电渗析脱盐生产淡水的工艺流程 1-渗析槽；2-冷凝器；3-浓缩罐；4-结晶罐；5-涡轮机；6-锅炉；7-浓液槽
（2）重金属污水处理
电渗析处理电镀含镍污水工艺流程
极化的危害： ① Ca2+、Mg2+等离子时将形成沉淀； ②膜电阻增大，降低分离效率。
4．离子交换膜 可分为三类： （1）均相离子交换膜； （2）非均相离子交换膜 ； （3）半均相离子交换膜。 对离子交换膜的要求是： ① 有良好的选择透过性； ② 膜电阻应低，膜电阻应小于溶液电阻； ③ 有良好的化学稳定性和机械强度；有适当的孔隙度。
②对溶剂渗透通量的增加提出了限制； ③膜表面上形成沉淀，会堵塞膜孔； ④会导致膜分离性能的改变； ⑤出现膜污染。
各种组件的比较
三、反渗透组件及其技术特征
膜分离技术
膜分离技术膜分离技术是一种重要的分离技术，通过膜将混合物中不同分子大小、形状、电荷和极性等特性的物质分离出来。
它广泛应用于各种领域，如环境保护、医药制造、食品加工、化学工业和电子行业等。
本文将介绍膜分离技术的工作原理、分类和应用，并探讨其未来的发展前景。
一、膜分离技术的基本原理膜分离技术利用膜作为分离介质，将混合物分离成两个或更多的组分，其中其中至少有一种组分通过膜而另一种组分不直接通过。
根据膜分离的机制可以分为以下三种类型：1、压力驱动膜分离技术压力驱动膜分离技术是指通过施加压力将混合物推动到膜上，以实现分离的技术。
膜的孔径大小、膜的材质和压力差均会影响分离效果。
该技术主要包括超滤、逆渗透和微滤等。
超滤是指利用孔径大小在10-100纳米的超滤膜去除溶液中的高分子物质。
逆渗透是利用高压驱动水通过0.1纳米左右的逆渗透膜，将混合物中的水增量分离出来，这是制取纯水的主要技术之一。
微滤是利用孔径在0.1-10微米的微滤膜去除悬浮物、细菌和微生物等。
2、电力驱动膜分离技术电力驱动膜分离技术是利用电场将混合物推动到膜上，实现分离的技术。
例如电渗析技术是利用电场和离子之间的电荷作用，将含有离子的溶液通过电场驱动到离子交换膜中，使得原来溶液中的阴离子和阳离子在两侧集中，最终通过两个极板分别收集。
3、扩散驱动膜分离技术扩散驱动膜分离技术是指利用分子间的扩散速率的大小差异，将混合物中的混合物分离的技术。
例如气体分离、液体浓缩和溶液析出等。
二、膜分离技术的分类根据膜的性质和分离机制的不同，可以将膜分离技术分为以下几种类型：1、纳滤技术纳滤技术是利用孔径在10-100纳米的纳滤膜，将分子大小在10-100纳米之间的物质分离出来。
纳滤技术主要应用于制备高分子材料、微电子器件制造和水处理等领域中。
2、超滤技术超滤技术是利用孔径在0.01-0.1微米之间的超滤膜，将分子大小在1000道100万道之间的物质分离出来。
超滤技术主要应用于蛋白质提取、水处理、生物制品制备和废水处理等领域中。
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保留体积小，单位体积中所 含过滤面积大，可以逆流操 作，压力较低，设备投资低
料液需要预处理，单根纤维管 损坏时，需调换整个组件，不 够成熟
6.膜的污染、防治及清洗
• 膜污染 • 膜的劣化 • 水生物(附生)污垢 • 浓差极化
膜污染的预防
• ①预处理法： • ②开发抗污染的膜： • ③加大供给液的流速
污染膜是否清洗的判据
• ①根据膜分离装置进出口压力降的变化： • ②根据透水量或透水质量的变化： • ③定时清洗：
污染膜的常用清洗方法
• ①采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波清洗等机械方法。
• ②添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶 解作用的物质。
• ③添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。
含硅聚合物 聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷
含氟聚合物 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯
甲壳素类 无
RO membrane UF membrane
NF membrane MF membrane
原理 动漫
表征膜性能的参数
• 孔的性质 • 水通量 • 耐压能力 • pH适用范围 • 对热和溶剂的稳定性 • 截留分子量分布
聚砜类 双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮
聚酰胺类
脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联 芳香聚酰胺
聚酰亚胺类
脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚 酰亚胺
聚酯类 涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯
聚烯烃类 聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基-1-戊烯
乙烯类聚合物 聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯
80 、 Triton 、 X-100物( 一理种方法
非除由离了醋强酸子酸纤型和维表碱等面材外活料，性制螯剂成合)等的剂膜，
金碱通胺在效以和能在也物羧等于酸酸碱由在用剂当固载属溶常四选选非许同果用。酸。溶在钙清于膜 能 清 会 定 体膜洗硫液是醋用择离，多 膜于常、其解去等洗8不当通水洗造化上为不氯化0中的方有洗酸时子可 ，场结去用葡中碱除钙溶0能N量解。成酶，适2起进物氯螯m效，(须合 合型但根a0除的萄，土诸基液清法耐E难蛋但新形用gOp0作行方(合的效D/加有造的据有H相～污螯糖葡金如垢包H高L以白使的式含T用清面铁为。果N或以表很成实些当4染合酸萄属碳、括A温恢质用污，载0a时洗是离1E很)表注面好新际阴C于0膜剂和糖硫酸氧磷、和0复的酶染把体Dm，，有l子～好面O意活的的情离4有柠酸酸T钙化酸磷极g时含清。酶液化0可其A效()1/。活。性况子清污F，0沉乙檬在盐L和铁盐羧1端，酶洗如固进常～e学以用的活。性洗 染剂加型3其积二酸强。磷和、基p须 清 剂 采 定 行用+用 量。性H方剂最)用采 洗 不 在 清，法所
(MF) 0.02～10μm 0.2 MPa
形状
液的分离 作压力低，制水率高。 离效果较差。
超滤 不对称微孔膜 0.1 MPa ～颗粒大小、有机物或微生物
(UF) 0.001～0.1μm 0.5 MPa
形状
溶液的分离
与微滤技术相似。
与微滤技术相似。
纳滤 带皮层不对称复 0.5 MPa ～优先吸附、硬水或有机物溶 可对原水进行部分脱盐和 常需预处理，工作 (NF) 合膜1～50 nm 2.5 MPa 表面电位 液的脱盐 软化，生产优质饮用水。 压力较高。
5.膜分离组件与设备
• 板框式膜组件 • 卷式膜组件 • 管式膜组件 • 中空纤维膜组件 • 膜分离设备流程图
各种膜组件的优缺点比较
组件
优点
缺点
板框 式
螺旋 卷式
管 式
中空 纤维 式
保留体积小，操作费用低的 压力降，液流稳定，比较成 熟
投资费用大，大的固含量会堵 塞进料液通道，拆卸比清洁管 道更费时间
• ④添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。
• ⑤改变离子强度、pH值和ξ电位等起切断离子结合作用的 方法。
浓差极化与膜污染的防治方法
– 1、预处理法 – 2、膜表面改性 – 3、改善膜表面的流体力学条件 – 4、附加场的方法 – 5、反冲 – 6、机械方法 – 7、其他方法
水力方法
表面活性剂如SDS、吐温
无水乙醇生产
膜与生 物技术
海水与苦 咸水淡化
电厂锅炉 供水脱盐
超纯水制备
食品工业
水的脱盐 和净化
医疗、卫生方面
应用
石油、化 工方面
医疗应用 中药提炼 回收有机蒸气 制取富氧空气
城市家庭饮 用水的净化
环境工程
电泳漆
废水
电 纤维 造纸 其
镀 废 水
工业 废水
工业 废水
他 废 水
其他方面 脱 交通、 气 运输方 膜面
国防上 的应用
设备投资低，操作费用也低， 料液需经预处理，压力降大，
单位体积中所含过滤面积大， 易污染，难清洗，液流不易控
换新膜容易
制
易清洗，单根管子容易调换， 对液流易控制，无机组件可 在高温下用有机溶剂进行操 作并可用化学试剂来消毒
高的设备投资和操作费用，保 留体积大，单位体积中所含有 过滤面积较小，压力降大
碳溶酸液盐可和使氢沉氧淀化物物松。动用这、的些乳清洗剂
ห้องสมุดไป่ตู้化和分散。当去除诸如硅
酸盐等特别难以去除的沉 积物时,交替使用碱清洗剂
和酸清洗剂。
气－液脉冲 反冲洗涤 循环洗涤
酸碱液 表面活性剂 螯合剂 氧化剂
酶 化学清洗液
内压式中空 纤维膜使用
7、膜分离技术的应用
乳品 酒类 果汁 酶制剂 医疗、卫 加工 生产 加工 生产 生用水 药品生产
反渗透 (RO)
带皮层不对称复 合膜＜1 nm
1.0 MPa 10 MPa
～优先吸附、海水或苦咸水的
溶解扩散
淡化
几乎可去除水中一切杂 质，包括悬浮物、胶体、 有机物、盐、微生物等。
工作压力高；制水 率低；能耗大。
种类
具体分类
纤维素衍生物 再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋
类
酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物
第十一讲 膜分离技术 复习
（10min）
主要知识点
• 1.膜常见的分类、材料 • 2.膜分离机理 • 3.膜分离组件与设备 • 4.膜污染、防治与清洗 • 5.膜分离技术的应用
常用膜分离技术的基本特征
项目
膜类型
操作压力 分离机理 适用范围
技术特点
不足之处
微滤 对称微孔膜 0.01 MPa～颗粒大小、含微粒或菌体溶 操作简便，通水量大，工 有机污染物的分