第六章膜分离过程
第六章 膜分离技术及应用
能源
膜
传统工业
冶金 制 药 食 品 化工与石化 电子
CO2 控制
生态环境
除尘 洁净燃烧
膜技术的工业应用
工业领域 金属工艺 纺织及制革工业 造纸工业 食品及生化工业 化学工业 医药及保健 水处理 国防工业 应用举例
金属回收；污染控制； 金属回收；污染控制；富氧燃烧 余热回收；药剂回收； 余热回收；药剂回收；污染控制 代替蒸馏；污染控制； 代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收 净化；浓缩；消毒；代替蒸馏； 净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收 有机物除去或回收；污染控制；气体分离； 有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用 人造器官；控制释放；血液分离；消毒； 人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化 海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化； 海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理 舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理； 舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水
典型膜应用过程－ 微滤
终端微滤的应用
1、制药溶液的消毒 2、饮料的澄清
消毒过滤的目的：
a、最终消毒，即热敏感制药产 品细菌的总去除； 60年代初，聚合物膜在啤酒业得以 B、降低细菌含量，以保持注射 液组分中热源的低含量； 应用，90％以上应用于啤酒、果汁 饮料、矿泉水等过程中。 c、去除注射液中无机和有机粒 子，去除在加工过程中产生 3、半导体生产工业中液体的纯化 的带悬浮粒子的气体。 气体过滤器：去除气体中的微粒 和胶体、菌体等 可应用的领域： 超纯水生产中预处理和最终供水 1）一般服务：注射用水、气体、 蒸汽的除菌； 4、选择性分析应用 2）合成非经肠道药；
典型膜应用过程－ 微滤
生物方面的主要应用 液相澄清：抗生素发酵液的 澄清、溶菌液的澄清、蛋白 质液澄清、酵母溶菌液澄清 固相回收：连续培养发酵的 细胞回收、菌细胞的收获和 冲洗、网状菌丝体的浓缩、 酵母浓缩 抗生素的澄清
膜分离过程
缺点：膜很不稳定。
纳滤膜
由于其截留率大于95%的最小分子约为1nm，因 而称之为纳滤膜，这是纳滤 (nanofililtration)名称的 由来。又称粗孔（Loose）反渗透膜。
纳滤膜也可以按复合膜的方法制造。
三、分离机理
（一）、毛细管流动模型
超滤和微滤过程：溶质或悬浮物料按大小不同而分离， 比膜孔小的物质透过膜，大的则被截留。
气体透过：系利用微孔或无孔的膜进行气体分离。膜 的材料可以是高分子膜，也可以是金属膜或玻璃膜，主要 用于合成氨工业中氢的回收等。
反渗透、超滤和微过滤：
是三种互有联系的过程，并没有根本上的区别，三种 膜可用相同的方法制得。它们的孔径范围如图，有一定程 度的重叠。
二、膜的制造
（一）、对膜的要求 1、 较大的透过速度 2、较高的选择性 3、机械强度好、耐热，耐化学试剂 4、不被细菌侵袭，可以高温灭菌 5、价廉。
纳滤膜的其他优点：
操作压力较低，而在相同操作压力下，通量则较高， 因此，这类膜在10年前开始应用逐渐增加。
由于其截留率大于95%的最小分子约为1nm，因而 称之为纳滤膜，这是纳滤 (nanofililtration)名称的由来。
荷电纳米膜
近年来由于分离荷电分子的需要，开发出荷电纳米 膜。
由于Donnan电位，这类膜对荷相同电荷的分子有 较高的截留率。
它能截留分子量为200-1000之间的有机物质，能将 高价离子与低价离子分离（水的软化），操作压力在 1.0-3.0MPa.
四、表征膜性能的参数
表征膜性能的参数有：孔的性质(包括孔径、孔分布 和孔隙度)、截断分子量(MWCO)，水通量、抗压能力， pH适用范围，对热和溶剂的稳定性。
膜分离的过程
膜分离的过程
什么是膜分离过程？
膜分离过程是指应用膜作为一种分离材料来处理物质的过程。
它可以帮助在流体中分离出不同的溶质，产生不同的浓度溶液，它的应用涵盖了污水处理、啤酒制造、水质净化等。
膜分离技术的基本原理是：在流体中，膜会有效地过滤细微悬浮物，它们的大小会被膜特定的孔径限制，只有尺寸较小的悬浮物（如颗粒、离子、生物活性物质等）才能通过膜，而大尺寸物质（细菌、反应产物、色素等）则被留在膜的外侧。
因此，可以通过选择膜的孔径，有效地分离出不同粒径的悬浮物，从而实现净化的目的。
膜分离过程包括四个主要步骤：第一步是膜的选择，根据要净化的物质，选择合适的膜材料、孔径大小、孔隙率等；第二步是膜层的渗透，使溶液渗透到膜内，从而实现分离；第三步是洗涤步骤，在洗涤过程中，将被留在膜内侧的粒子、有机物流失掉；第四步则是从膜内收集物质，得到清洗物质。
膜分离过程的优势在于它具有高效率、低成本、无污染等特性，它不仅能节省能源消耗，更可有效地回收有用的资源，是目前大多数分离处理过程的理想选择。
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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。
第六章膜分离法gai
膜分离法 微滤
超滤
反渗透
传质推动力
压差 （0.05～
0.5MPa）
压差 （0.1～
1.0MPa）
压差 （1.0～
10MPa）
分离原理 应用举例
筛分
除菌，回收菌， 分离病毒
筛分 筛分
蛋白质，多肽 和多糖的回 收和浓缩
盐，氨基酸， 糖的浓缩， 淡水制造
1、反渗透与纳滤 反渗透:是利用反渗透膜选择性地只透过溶剂(通 常是水)的性质,对溶液施加压力克服溶剂的渗透 压,使溶剂从溶液中分离出来的单元操作。
③ 温度 料液温度升高,粘度降低,有利于增大流体流 速和湍动程度,减轻浓差极化,提高传质系数,提高渗透通量。 但温度上升会使料液中某些组分的溶解度降低,增加膜污 染,使渗透通量下降,如乳清中的钙盐;有些物质会因温度的 升高而变形,如蛋白质。因此,大多数超滤应用的温度范围 为30~60℃。牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过 55~60℃。
(2)、浓差极化
在超滤分离过程中,膜截留下来的溶质粒子在膜前积 累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此 浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩 散,形成 具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极 化。当这种扩散的溶质通量与随着溶剂到达膜表面的溶 质通量相等时,即达到动态平衡。由于浓差极化,膜表面处 溶质浓度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。 当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使 溶质截留率增大,但渗透率显著减小。
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。 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。
第六章 膜分离技术在生物工程中的应用-1
5、渗透蒸发
渗透蒸发 (pervaporation) 是近年来常研 究的膜分离技术之一，其混合物进料是以液体形 式与膜接触，通过抽气降压的方式提供驱动力， 使进料透过膜，利用混合物在膜材内溶解度及扩 散速率的差异来达到成分选择的目的。渗透蒸发 为一结合渗透和蒸发两种程序的膜分离技术。
二、膜材料及种类
用于分离膜的种类很多。 以高分子材料制成的聚合膜居多。
用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰 胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。
无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快 于聚合物膜。
以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为 材料。其热力学、化学稳定性好，使用寿命长。 陶瓷膜的应用较好。
浓差极化使膜表面溶质浓度达到极限浓度（饱和浓度Cg） 时，溶质在膜表面开始析出形成“凝胶层”
“凝胶层”阻力对膜的透水率影响起决定作 用，透水率几乎不依赖于压力，因此对 于溶质浓度一定时，要选择合适压力与 料液流速，避免“凝胶层”形成。
第四节 清洗方法
在任何膜分离技术中，尽管选择了较 合适的膜和适宜的操作条件，在长期运行 中，仍会出现膜的透水量随运行时间增长 而下降现象，即膜污染问题必然发生，因 此，必须采取一定的清洗方法，使膜面或 膜孔内污染物去除，达到透水量恢复，延 长膜寿命的目的。
1960年Loeb和Sourira-jan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。
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离第六章膜分离技术1、什么是膜分离过程，有哪些膜分离过程，各有什么特点，各分离过程分离离子的范围？答：若在流体内部或两流体间有一薄层凝聚相物质把流体分隔为两部分，则这一薄层物质称为膜，膜可以是固态、液态或气态。
膜分离是利用膜材料具有选择性渗透作用而使气体或液体混合物得到分离的一种方法。
膜分离技术具有以下优点：(1)能获得高纯度组分；(2)操作过程的能耗较低；(3)分离操作通常在常温或低温下操作，对热敏物料的分离尤其适宜。
2、说明膜分离过程的推动力及分离原理。
答：物质能选择性地透过膜的推动力有两种：一种是由外界提供能量，使物质能由低位向高位移动；另一种是因膜的存在造成被分离系统具有化学位差的作用下由高位向低位移动。
3、不同的膜分离过程适用于哪些场合？答：依据膜孔径的不同，分离的粒子颗粒直径也有差异。
4、膜组件有哪些形式，各有什么特点？答：(1)板框式膜组件板框式膜组件优点：组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，可视生产需要组装膜组件。
缺点：密封边界长，板框和密封件的加工精度高；每块板上料液的流程短，通过板面的透过液量较少，(2)卷式膜组件与板框式膜组件相比，卷式膜组件优点是：膜组件比较紧凑；单位体积内的膜面积大；制作相对简单。
其缺点是：清洗不方便，膜损坏时，不易更换；卷式膜组件所用的膜必须是可焊接或可粘贴的膜。
(3)管式膜组件优点：结构简单；安装、操作方便；流体流动状态好,不易被堵塞。
缺点：单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为30~330m2/m3，除特殊场合外，一般不被使用。
(4)中空纤维膜组件优点：设备紧凑，组件单位体积内的有效膜面积高达16000～3000m2/m3缺点：中空纤维内径小阻力大，易堵塞，所以料液走纤维管间，透过液走纤维管内。
透过液侧流体能量损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去。
5、简要说明反渗透的原理，反渗透的操作压力与膜的类型有关吗？答：当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水能透过膜向盐水一侧渗透，直到盐水一侧水位升高到一定高度为止，渗透过程达到动态平衡，这种现象称之为渗透现象。
化工分离过程第六章
化工分离过程第六章第六章：化工分离过程的优化1.引言2.化工分离过程的优化目标3.化工分离过程的优化方法(1)操作条件的优化操作条件是影响化工分离过程效率的重要因素之一、通过调整温度、压力、流量和反应时间等操作条件，可以改变混合物的相平衡和物性，从而达到更好的分离效果。
例如，温度对多组分混合物的沸点差有着重要的影响，可以通过提高或降低温度来实现分离。
(2)设备结构的优化化工分离过程的设备结构对分离效果和经济性有着重要的影响。
通过改进设备结构，可以提高传质和传热效率，减少流体阻力和能耗。
例如，在蒸馏过程中，可以采用更高效的塔板结构或填料结构，来增加有效传质面积和提高分馏效果。
(3)工艺流程的优化化工分离过程的工艺流程是一系列操作步骤的组合，对整个过程的效率和经济性有着重要的影响。
通过优化工艺流程，可以减少操作步骤、简化设备结构、提高单位操作强度和降低单位产品能耗。
例如，在提取过程中，可以通过改进溶剂的循环流程和回收利用，来减少溶剂的消耗和废物排放。
4.化工分离过程的优化技术(1)真空技术真空技术是化工分离过程中常用的技术之一，它可以通过减少操作压力来改变相平衡条件，实现混合物的分离。
例如，在蒸馏过程中，通过减少操作压力可以降低混合物的沸点，从而提高分馏效果。
真空技术还可以用于降低冷凝温度、提高萃取效率和脱水效果等。
(2)膜分离技术膜分离技术是化工分离过程中较新的技术之一，它通过特殊材料的膜结构对混合物进行分离。
膜分离技术具有操作简单、节能环保和分离效率高等优点，广泛应用于分离、浓缩和纯化过程中。
例如，膜蒸馏可以用于替代传统蒸馏过程，实现低温分离和混合物纯化。
(3)超临界流体技术超临界流体技术是一种将超临界流体应用于分离过程中的技术，超临界流体具有较高的溶解性和较低的粘度，可以在较温和的条件下实现多组分的分离。
例如，超临界萃取可以用于提取金属离子、有机物和天然产物等。
5.结论化工分离过程的优化是实现高效、经济和环保生产的重要手段。
膜分离工程第六章反渗透
上式表明实际溶液渗透压π与溶质性质有关， 渗透参数P表示溶质的离解状态
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稳定条件下的反渗透过程 反渗透过程中的浓度分布
Cw 微元薄层
Cb Ｊv
C Cp
膜
x
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反渗透膜的基本迁移方程
• 该方程是以优先吸附-毛细孔流机理为基础建立的。
• 令Xb、 Xw 、 Xp分别表示任意时间、任意点主体 溶液、浓相溶液、产品溶液中溶质的mol分数，则
• S——膜的有效面积，m2
• Mr——水的相对分子质量
• A表示没有任何浓差极化情况下纯水的迁移量，与溶质无关。
•
D AM K
与溶质性质、膜材料、膜孔结构有关
•
A和 D AM K
都与料液的浓度、流速无关。
• 传质系数k，是与流动状态及溶液性质相关联的特性参数
• 以上三个参数对膜性能研究很重要
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25℃时部分典型溶液的渗透压数据
xsi expJ()， kD
xs1
ck
l
J 透过液的总渗透通 km量o/， lm2 s xsi, xs1 溶质S在膜表面处和在溶 体液 的主 摩尔分数 c界面Ⅰ处料液总浓度 km，ol/3m k溶质S的传质系,m数/ s
D溶质在膜内的扩散 ，系 m2 /数s
浓差极化比越大，浓差极化越严重。
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二、反渗透膜
•渗透压定义： 如果在溶液侧加上一个外加的压力，恰好能阻止纯 溶剂侧的溶剂分子通过半透膜进入溶液侧，则此压力称为渗透压。
•渗透压是溶液的一个性质，与膜无关。
5
反渗透原理图
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反渗透所需具备的条件和特点
反渗透过程必须具备两个条件： • 1、必须有高选择性和高渗透性（一般指透水性）的选择