膜分离2分类
传质分离重点2
第一章：1，平衡分离：根据两相状态不同 , 传统平衡分离过程可分为如下几类：汽液传质过程 : 如液体的蒸馏和精馏。
液液传质过程 : 如萃取。
气液传质过程 : 如吸收、气体的增湿和减湿。
液固传质过程 : 如结晶、浸取、吸附、离子交换、色层分离、区域熔炼等。
气固传质过程 : 如固体干燥、吸附等。
,2，速率分离:膜分离、场分离在某种推动力（浓度差、压力差、温度差、电位差等）的作用下，有时在选择性膜的配合下，利用各组分扩散速率的差异实现组分的分离。
膜分离又包括超滤、反渗透、渗析、电渗析等。
速率分离过程特点：节能 环保第二章： 相平衡准则（条件）：相平衡关系的表示方法1 相图2 相平衡常数K3 分离因子即相对挥发度相平衡常数的计算方法：一、状态方程：范德华方程 1维里方程 2 RK 方程 3 SRK 方程 4 PR 方程 5 BWRS 方程6 列线图法 3 4对RK 的修正，精度显著改善，简单方便，但对H 2 H 2S 等物系精度差；5 特别适用于H 2 H 2S 等气体混合物；6 轻烃类组分，仅考虑T P 对K 的影响，忽略了组成。
二、活度系数法：1 Vanlaar(范拉尔)方程、2 Margules(玛古斯)方程、3 Wilson(威尔逊)方程、4 NRTL(有轨双液)方程、5 UNIQUAC(通用拟化学活度系数)方程、S-H 方程1 2 数学表达式简单，容易从活度系数数据估计参数；适应性强，对于非理想性强的物系，包括部分互溶物系结果计算结果也能很满意。
多元物系需要多元的相互作用参数，如果没有，不能用于多元物系计算；都没有考虑T 、P 对模型的影响3 不能直接应用于液液平衡，但修正的T-K- Wilson 可以。
4 能很好地表示二元和多元系统的气液和液液平衡；特别对于含水系统，模型效果好；模型参数多，对每个二元物系都有三个参数。
5 所有表达式中，最复杂的；特别适用于分子大小相差悬殊的混合物。
气液平衡常数的各种简化：（1）汽相为理想气体，液相为理想溶液 适用物系：P<200kPa ，分子结构十分相近的组分溶液可按此类物系处理，如苯-甲苯二元混合物。
气体膜分离技术
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
生物分离工程2
【1】1、生物分离(bioseparation)的定义：生物加工过程（bioprocess）中目标产物的分离纯化过程包括目标产物的提取、浓缩、纯化及成品化等过程。
2、生物分离的机理物质分离的本质是识别混合物中不同溶质间物理、化学和生物性质的差别，利用能识别这些差别的分离介质和扩大这些差别的分离设备实行溶质间的分离或目标组分的纯化。
性质不同的溶质在分离操作中具有不同的传质速率和（或）平衡状态，从而实行分离。
3、从操作的角度可以将分离技术分为两类（填空）平衡分离法和差速分离法4、离心分离法的两种形式：差速离心分级，区带离心（密度梯度离心）5、介绍各种细胞壁的结构动物细胞：没有细胞壁植物细胞：细胞壁主要为纤维素和果胶质构成革兰氏阳性菌：细胞壁外面主要有肽聚糖革兰氏阴性菌：肽聚糖的外侧还有脂蛋白、脂多糖酵母菌等：葡聚糖、甘露聚糖和蛋白质构成。
6、工业上常用离心机有管式和碟片式两大类，实验室常用的是离心管式离心机7、超声波破碎（是验室最常用的细胞破碎方法）【2】1、沉淀（precipitation）是利用某种沉淀剂或改变环境条件，使所需提取的物质或杂质在溶液中溶解度降低而形成无定形固体沉淀的过程,具有浓缩和分离双重作用。
(构成成分复杂)2、沉淀法可以分为（1）盐析法；（2）等电点沉淀法；（3）有机溶剂沉淀法；（4）成盐沉淀法（5）高分子聚合物沉淀（6）表面活性剂沉淀3、蛋白质溶液的稳定因素①溶质点在1-100 nm 范围这样的在热力学上是稳定的与溶剂分子碰撞势能不等于零，在介质中作布朗运动。
②带同种电荷不易聚集③分散的溶质可与溶剂形成溶剂化层，有了溶剂化层相互不易靠拢。
4、盐溶与盐析及它们的原理定义：（1）向蛋白质水溶液中逐渐加入电解质时，开始阶段蛋白质的活度系数降低，并且蛋白质吸附盐离子后，带电表层使蛋白质分子间相互排斥，而蛋白质与水分子间的作用加强因而蛋白质的溶解度增大这种现象称为盐溶（salting-in）（2）随着盐离子浓度的增大，蛋白质表面的双电层厚度降低，静电排斥作用减弱，同时，由于盐离子的水化作用使蛋白质表面疏水区附近的水化层脱离蛋白质，使得疏水区暴露，增大了蛋白质之间的疏水相互作用，发生聚集而沉淀称为盐析（salting-out）原理：（1）“盐溶”现象(salt-in)—低盐浓度下，增加蛋白质分子间静电斥力，蛋白质溶解度增大。
膜分离的操作方式
膜分离的操作方式1. 膜分离的基本原理膜分离是一种通过膜的选择性通透性实现物质分离的技术。
膜分离的基本原理是利用膜的孔隙结构或表面性质，使得不同成分的物质在膜上发生不同的传质、传递现象，从而实现物质的分离。
2. 膜分离的操作步骤膜分离的操作步骤主要包括前处理、膜分离过程和后处理三个部分。
2.1 前处理前处理是指在膜分离过程之前对原料进行的处理步骤，主要目的是去除悬浮物、颗粒物、胶体物等杂质，以保护膜的使用寿命和效果。
常见的前处理方法包括沉淀、过滤、调节pH值等。
2.2 膜分离过程膜分离过程是指将前处理后的原料通过膜分离设备进行分离的步骤。
根据不同的分离机理和应用需求，膜分离过程可以分为压力驱动式、浓度差驱动式和电场驱动式三种方式。
2.2.1 压力驱动式膜分离压力驱动式膜分离是指通过施加一定的压力差，使原料液体在膜上发生渗透和分离的过程。
常见的压力驱动式膜分离包括微滤、超滤、纳滤和逆渗透等。
压力驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 施加一定的压力差，使原料液体在膜上发生渗透和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物，将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.2 浓度差驱动式膜分离浓度差驱动式膜分离是指通过维持两侧溶液的浓度差，使溶质通过膜进行传质和分离的过程。
常见的浓度差驱动式膜分离包括电渗析和渗透气体分离等。
浓度差驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体分为两侧，分别放置在膜分离设备的两侧。
2. 维持两侧溶液的浓度差，通过膜进行溶质的传质和分离。
3. 收集通过膜的纯净产物，将未通过膜的浓缩物排出。
2.2.3 电场驱动式膜分离电场驱动式膜分离是指通过在膜上施加电场，利用离子的电荷特性进行传质和分离的过程。
常见的电场驱动式膜分离包括电渗析和电吸附等。
电场驱动式膜分离的操作步骤： 1. 将前处理后的原料液体通过泵送至膜分离设备。
2. 在膜上施加电场，使离子在膜上发生迁移和分离。
食品工艺学-第二章.
• 曲线特征的变化主要是内部水分扩散与表面 水分蒸发或外部水分扩散所决定
• 食品干制过程特性总结：干制过程中食品内 部水分扩散大于食品表面水分蒸发或外部水 分扩散，则恒率阶段可以延长，若内部水分 扩散速率低于表面水分扩散，就不存在恒率 干燥阶段。
温度（℃）
图 硅酸盐类物质温度和 导湿系数的关系
• 因此可以将物料在饱和 湿空气中加热，以免水 分蒸发，同时可以增大 导湿系数，以加速水分 转移。
2. 导湿温性
• 在对流干燥中，物料表面受热高于它的 中心，因而在物料内部会建立一定的温 度梯度。温度梯度将促使水分（不论液 态或气态）从高温处向低温处转移。这 种现象称为导湿温性。
(2）测量
• 利用定义 • 利用平衡相对湿度的概念 • aW×100=相对湿度
• 具体方法参考 Food engineering properties M.M.A.Mao
2. 水分活度对食品的影响
• 大多数情况下，食品的稳定性（腐败、酶 解、化学反应等）与水分活度是紧密相关 的。
（1）水分活度与微生物生长的关系
M o istu re c o n te n t (% ) 100 100 100 100 70 40 35 1 4 .5 27 10 3 .0 5 .0 3 .5 1 .5
W a te r a c tiv ity 1 .0 0 0 .9 1 0 .8 2 0 .6 2 0 .9 8 5 0 .9 6 0 .8 6 0 .7 2 0 .6 0 0 .4 5 0 .3 0 0 .2 0 0 .1 1 0 .0 8
以控制微生物 2. 脂肪蛤败 3. 虫害
膜分离技术及其应用
膜分离技术及其应用膜分离技术是一种通过半透膜对流体进行分离的方法，广泛应用于水处理、生物科技、食品工业等领域。
本文将介绍膜分离技术的原理、分类及其在不同领域的应用。
一、膜分离技术的原理膜分离技术是利用半透膜的选择性通透特性，通过物质的分子大小、化学性质等差异，将混合物中的物质分离出来。
其原理主要包括渗透、扩散和分离。
渗透是指物质通过膜的透过性能，扩散是指物质在膜上的传递过程，而分离则是指膜对不同物质的选择性分离效果。
二、膜分离技术的分类根据膜的材料和分离方式的不同，膜分离技术可分为多种分类。
常见的分类包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等。
微滤膜的分离范围通常在0.1-10微米之间，可以用于悬浊物的去除；超滤膜的分离范围为1万至100万道尔顿，可分离大分子物质；纳滤膜的分离范围在100-1000道尔顿之间，用于有机物质和溶解离子的去除；反渗透膜则是利用高压将溶剂逆向渗透，适合用于水处理等领域。
三、膜分离技术在水处理中的应用膜分离技术在水处理中具有重要的应用价值。
它可以有效地去除水中的悬浮物、细菌、病毒、颜色、异味等杂质，使水质得到提升。
其中反渗透膜是应用最为广泛的一种膜分离技术，其通过高压将溶液逆向渗透，将溶质与水分离，获得高纯度的水。
反渗透膜广泛用于饮用水处理、海水淡化、工业废水处理等领域。
四、膜分离技术在生物科技中的应用膜分离技术在生物科技领域有着广泛的应用，主要包括细胞培养、蛋白质纯化、基因工程等方面。
在细胞培养中，通过膜分离技术可以实现细胞和培养基的有效分离，保护细胞的生物完整性。
在蛋白质纯化方面，膜分离技术可以实现对不同大小、电荷的蛋白质的分离和富集。
而在基因工程中，膜分离技术则可以用于DNA片段的纯化和浓缩。
五、膜分离技术在食品工业中的应用膜分离技术在食品工业中有着广泛的应用，主要包括浓缩、分离和改良等方面。
在果汁加工中，膜分离技术可以实现果汁的浓缩和去除其中的水分，提高果汁的品质和口感。
第六章 膜分离2
• 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。 由此可见，提高进料速率，可有效提高过滤速率。
（3）压力的影响
J 水 无浓差极化
∆P − ∆π J = Rm + R s
贮槽
6.4.2透析过滤
水或缓冲液 浓液循环 背压阀 贮槽
UF
泵
透过液
• 在分批操作中，随着 大分子溶质浓度的逐 渐增高，过滤速率 将 逐渐下降，最后操作 将无法进行。 • 如需继续除去小分子 物质，可在超滤的同 时，补加水或缓冲液， 使保留液体积保持不 变，此即为透析过滤。
6.4.3连续操作
贮料槽 透过液
胞外小分子产品:
水 发酵液 CF或MF 菌体
透过液
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
胞内小分子产品:
发酵液
水
CF/MF
细胞液
发酵废液 水 MF 细胞碎片
透过液
匀浆
UF
透过液
NF/RO
浓缩液
大分子杂质
水、低分子杂质
6.5.2大分子生物产品的回收
• 大分子生物产品包括酶、蛋白质、多糖、核酸 等，目前已广泛使用膜分离过程。 • 大分子产品的回收率通常可达90%，收率下降 的可能原因有： （1）泵的剪切作用使活性物质失活。 （2）膜的表面吸附作用。 （3）离子组成发生改变，有些对酶活起稳定作 用的离子被分离除去。 （4）膜的渗漏问题。
• 温度↑→ μ ↓，D ↑ → J ↑ • 温度选择原则： 不影响膜的稳定性； 不影响溶质的稳定性。
气体膜分离技术
气体膜分离流程
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分离系数不高，原料气的浓 度低或要求产品较纯时,单级膜分离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即 将若干膜器串联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是无纺布支撑层; 中 间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性 和选择性相互制约的Trade-off 现象，即Ｒobeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气 体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题
1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出 “Prism”气体分离膜装置，Monsanto公司也因 此成为世界上第一个大规模的气体分离膜专业 公司。
气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多 孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构 对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气 体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间 在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。 通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢 气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成 而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2 透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。
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即 [Cl-]Ⅱ > [Cl-]Ⅰ
“NaCl”浓缩倍数为： (CNaClⅡ / CNaClⅠ) = 1＋(CNaXⅠ/ CNaClⅠ)
膜分离2分类
内相Ⅰ 外相Ⅱ
H20
H20
Na+
Na+
பைடு நூலகம்
Cl-
Cl-
X-
火胶棉
结论： ➢ 平衡时，膜两边的Cl-的浓度不相等 ➢ 在一相中加大不扩散离子的浓度能防 止可扩散离子渗入该相
作业
论述题（自己查资料解答，占50%，不能抄袭，截 止时间为11月9日，第九周上课时）：
–1、膜分离原理； –2、常用的膜材料有哪些，其特性和要求如何； –3、膜分离组件及其设计； –4、从天然水制备高纯水的工艺流程； –5、渗透气化与膜蒸馏； –6、人工肾与人工肺； –7、膜技术在氯碱工业中的应用； –8、新型智能膜。
膜分离2分类
应用：
➢ 低聚糖的分离和精制 ➢ 果汁的高浓度浓缩
膜分离2分类
多肽和氨基酸的分离
离子与荷电膜之间存在道南(Donnan) 效应,即相同电荷排斥 而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的, 当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带 有静电官能团, 基于静电相互作用, 对离子有一定的截留率, 可 用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸 和多肽等溶质的截留率几乎为零, 因为溶质是电中性的并且大 小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽 等溶质的截留率表现出较高的截留率, 因为溶质离子与膜之间 产生静电排斥, 即Donnan 效膜分应离2而分类被截留。
讨论：阴离子可以进入强酸型阳离子交换树 脂内部吗？为什么？
膜分离2分类
膜分离应用特点
➢ 低能耗、低成本和单级效率高 ➢ 室温下，特别适合于热敏物质的分离 ➢ 应用广泛 ➢ 装置简单，操作方便，不污染环境
膜分离2分类
静压差膜分离
微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似 于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮 微粒的液体。
渗透压定律：
H2O
·R·T·Ci
渗透是在膜两边渗透压
差—— 的作用下的溶 渗 剂流动；而反渗透、超 透
滤是在一外加压力差 P P >
> 的作用下, 溶剂逆 反渗透 向流动。
膜分离2分类
Donnan 效应
内相Ⅰ 外相Ⅱ
H20
Na+
Na+
Cl-
Cl-
允许小分子、离子自 由通过，但不允许大 分子离子通过
纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF 膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的
疏松程度，以形成大量膜具分离纳2分米类 级的表层孔。
纳滤截留的相对分子量为100-1000其操作压力较低,一般在 0.5-1.5MPa 同时纳滤膜的通量高, 与反渗透相比，纳滤具有能 耗低的优点。因此,纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它 能截留透过超滤膜的那部分小分量的有机物,透析被反渗透膜所 截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同, 对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留 率明显高于单价离子(90%)以上。
1) 微滤 2) 超滤 3) 纳滤 4）反膜分渗离2分透类
微孔过滤
用于从气相或液相物质中截留分离微粒、 细菌、污染物等。 1 微过滤膜:孔径0.025 ~ 3m，特种纤维 素酯、高分子聚合物制成。
三醋酸酯纤维素 聚四氟乙烯 尼龙－66
亲水型
憎水型 通用型
水、低级醇 有机溶剂*
膜分离2分类
滤膜溶解法(Soluble Membrane Filter)
膜分离2分类
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 压差等）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。
膜分离2分类
选择性透膜
膜上游 透膜 膜下游
膜分离2分类
膜分 离
分离膜种类
高分子膜 液体膜 生物膜
膜分离2分类
膜分离 (Membrane Separation)
膜分离包括最简单的滤纸过滤到高选择性 的生物膜分离。从分离科学的角度看, 超滤、 渗析、反渗析、电渗析等位垒分离过程是靠 在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作 用的界面时在速度上的差别来进的。
膜分离2分类
膜分离特点
※ 膜的种类、孔径可以根据需要选择 ※ 不管流有多强，膜对于阻止大的粒子或 分子透过的能力是很强的。 ※ 把产物分在两侧，很容易收集样品 ※ 节能、环保
纳滤过滤（nanofiltration, NF）
纳滤过滤是上世纪80 年代末问世的新型膜分 离技术 。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透 膜(RO)和超滤膜(UF)之间，因此称为“纳 滤”。纳滤膜能够截留分子量为几百的物质， 对NaCl的截留率为50%-70%，对某些低分子 有机物的截留率可达90%。
带电膜 非带电膜
阳离子膜
阴离子膜 过滤膜 精密过滤膜 超滤膜 纳米滤膜 反渗透膜
膜分离2分类
膜分离的物理化学原理
截流机理和筛孔效应 渗透和渗透压 Donnan效应
机械截留（筛孔效应） 物理作用或吸附截留 架桥作用 网络内部截流
膜分离2分类
渗透和渗透压
盐溶液 纯水
1885 年 , Van’t Hoff
膜分离2分类
超滤
超滤是在1-10大气压作用下分离分子量约 大于1000的大分子和胶体粒子的方法。超滤 膜是一种微孔结构的膜，分离是依靠孔径的分 布来完成的。
超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为： R = (1－Cp / Cf) × 100
Cp 和Cf分别是溶质在过滤产物中和原料中的 浓度。
膜分离2分类
膜分离2分类
膜 是 什 么？
所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两
种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体 相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部 分之间产生传质作用。
膜分离2分类
膜 有 何 特 性？
◆ 不管膜多薄, 它必须有两个界面。这 两个界面分别与两侧的流体相接触
◆ 膜传质有选择性，它可以使流体相中 的一种或几种物质透过，而不允许其 它物质透过。
不管初始时两边的盐浓 度是否相等，平衡时
[Na+]Ⅰ= [Na+]Ⅱ [Cl-]Ⅰ = [Cl-]Ⅱ
问题：如果往内相加入大
量的高分子电解质，平衡 时膜两边的Na+和Cl-浓度 还相等吗？
膜分离2分类
平衡时 [Na+]Ⅰ[Cl-]Ⅰ = [Na+]Ⅱ[Cl-]Ⅱ 电中性条件
[Na+]Ⅰ= [Cl-]Ⅰ +[X-]Ⅰ [Na+]Ⅱ= [Cl-]Ⅱ 代入，得 [Cl-]2Ⅱ = [Cl-]2 Ⅰ+[Cl-]Ⅰ·[X-]Ⅰ