第十二章 膜分离
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发酵工程 下游工程技术知识点
第十二章发酵工程下游工程技术第一节发酵液的预处理与固-液分离1.1 概述发酵产物的提取与精制属于发酵工程的下游加工技术。
下游加工亦称发酵后处理，是指从发酵液或酶反应中分离纯化目的产物并加工成成品的过程。
在多数情况下是从稀的发酵液中回收目的产物，整个过程有多项单元操作组成，其中有许多是经典的化工单元操作。
上游加工下游加工一、下游加工过程的重要性1.获得商业产品的关键环节。
2.促进发酵工程上游加工技术或工艺的改进。
3.拥有市场竞争力的重要保证。
二、下游加工过程的特点1. 发酵液是复杂的多相系统，属非牛顿液体，从中分离所需产品困难大。
2. 发酵产品在培养液中具有浓度低，稳定性差，对酸碱等外界环境十分敏感，容易失活。
3. 下游加工过程代价昂贵，产品回收率不是很高。
4. 发酵过程复杂，要求下游加工工艺应具有相当的适应性，以确保最终产品的纯度和质量。
三、下游加工的原则和要求原则：1）短时间内处理2）分离时尽量低温3）选择生物物质稳定的pH4）要程序化进行清洗，消毒，包括厂房，设备，管路要求：1）达到所需的纯度2）成本要低，得率高3）工艺过程要简便，对分离物质特性清楚4）废弃物要易处理，能够做到综合利用（零排放；清洁生产）5）实验室产品能够放大生产四、下游加工工程的一般流程1. 粗分离阶段（1）发酵液的预处理和固-液分离。
（2）产物的初分离。
2.纯化精制阶段（3）产物的高度纯化。
（4）成品加工。
1.2 发酵液的预处理与固-液分离一、发酵液的一般特征1. 含水量高，一般可达90％～99%，处理体积大。
2. 产品浓度低。
3. 悬浮物颗粒小，密度与液体相差不大。
4. 固体粒子可压缩性大，一压缩就变形。
5. 液体黏度大，大多为非牛顿型流体。
易吸附在滤布上。
6. 产物性质不稳定，不耐热、酸碱敏感、易被氧化、易被微生物污染及酶分解。
二、发酵液预处理的目的和要求1.预处理的目的（1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率；（2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体）；（3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。
膜分离ppt课件
第4章 膜分离
§4.1 概述 §4.2 纳滤 §4.3 超滤 §4.4 微滤
1
膜分离 (membrane separation)
膜分离技术发展的历史
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期 最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产 技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究的热点。 如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜分离技术研 究的起点，截止现在，其发展致可分为三个阶段：① 50年代为奠定基础阶段；②60年代和70年代为发展阶 段，③ 80年代至今为发展深化阶段。
17
膜材料
纤维素衍生物 聚砜类 聚酰胺类及杂环含氮高聚物 聚酯类 聚烯烃 乙烯类高聚物 含氟高聚物
18
常用高分子膜材料
类别
纤维素酯 类
膜材料
纤维素衍生 物类
聚砜类
非纤维素 酯类
聚酰(亚)胺 类
聚酯、烯烃 类
含氟(硅)类
其他
举例
醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤 维素等
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚 砜等
26
制备方法 高分子膜
相转化法（流涎、纺丝）
L-S型制膜* 热致相分离*
复合膜法
溶液浸涂或喷涂 界面聚合 原位聚合 等离子聚合 水面展开法
定向拉伸*
痕迹刻蚀法*
固态粒子烧结法*
无机膜
溶胶-凝胶法* 化学提取法
高温分解法
化学气相沉积、电化学沉积等
27
L-S型制膜法
① 高分子材料溶于溶剂中，并加入添加剂，配成制膜液 （铸膜液）。
孔膜的有效扩散系数。基于膜和两类溶质的下列数据，估
计两类溶质在25下的穿膜流率。假定膜两侧的水溶液够稀，
组分间的扩散可以忽略不计。膜数据如下。
§4.1 概述 §4.2 纳滤 §4.3 超滤 §4.4 微滤
1
膜分离 (membrane separation)
膜分离技术发展的历史
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期 最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产 技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究的热点。 如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜分离技术研 究的起点，截止现在，其发展致可分为三个阶段：① 50年代为奠定基础阶段；②60年代和70年代为发展阶 段，③ 80年代至今为发展深化阶段。
17
膜材料
纤维素衍生物 聚砜类 聚酰胺类及杂环含氮高聚物 聚酯类 聚烯烃 乙烯类高聚物 含氟高聚物
18
常用高分子膜材料
类别
纤维素酯 类
膜材料
纤维素衍生 物类
聚砜类
非纤维素 酯类
聚酰(亚)胺 类
聚酯、烯烃 类
含氟(硅)类
其他
举例
醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤 维素等
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚 砜等
26
制备方法 高分子膜
相转化法（流涎、纺丝）
L-S型制膜* 热致相分离*
复合膜法
溶液浸涂或喷涂 界面聚合 原位聚合 等离子聚合 水面展开法
定向拉伸*
痕迹刻蚀法*
固态粒子烧结法*
无机膜
溶胶-凝胶法* 化学提取法
高温分解法
化学气相沉积、电化学沉积等
27
L-S型制膜法
① 高分子材料溶于溶剂中，并加入添加剂，配成制膜液 （铸膜液）。
孔膜的有效扩散系数。基于膜和两类溶质的下列数据，估
计两类溶质在25下的穿膜流率。假定膜两侧的水溶液够稀，
组分间的扩散可以忽略不计。膜数据如下。
十二膜分离PPT课件
12.4A 浓度极化及其消除
表面附近溶液浓度高于浓缩液主体的浓度，这种
现象称为浓度极化（concentration polarization）。浓
度极化因数M： M c1i c1
>1
浓度极化对反渗透操作会产生三种不利作用。 （1）使反向推动力增大，降低透水速率。
1i c1i M 1 c1 1i M1
12.5B 微孔过滤(Microfiltration,MF)
微孔过滤（MF）是介于普通过滤和超滤之间的一种 操作，一般认为MF的有效分离范围为直径0.1~10 μ m的 粒子，操作静压差为 10~200kPa
1．微孔滤膜及组件 2．微孔过滤的应用
12-6 超滤和反渗透在食品工业中的应用
1．蛋白质的分离 2．食品料液的净化
第二节 反渗透和超滤
12-3 反渗透的基本原理
12.3A 渗透和反渗透
w
w
RT
ln aw
因
w w ，发生渗透 。
(pw)T
Vm 0 dp
Vm
w
w
d
w
w
w
Vm RT ln aw
如果是稀溶液，渗透压（osmotic pressure）:
cRT
c—溶液浓度，mol/m3。
1i 2 M1 2
反渗透推动力的合力p p (M1 2 )
较非极化时下降。 （2）使有效膜面积减少，亦使透水率下降 （3）使溶质的渗漏增大。
浓度极化作用的主要影响因素：
（1）透水率 （2）溶液黏度 （3）溶质在溶液中的扩散系数 （4）膜表面上溶液的流动条件
12.4B 反渗透工艺
膜分离器是膜分离装置系统中最核心部分
，又称膜组件。将膜以某种形式组装在一个基本 单元设备内，这个基本单元设备就称为膜分离器 。
《膜分离技术》PPT课件
27
脂肪族聚酰胺
脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲 基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替 链接而成。
O
CH2 C NH
p型脂肪族聚酰胺
p-1
n
O
O
NH CH2 NH C CH2 C mp型脂肪族聚酰胺。
m
p-2
2021/6/10
n
28
芳香族聚酰胺
分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳 香族聚酰胺。目前工业化的有两大类：
HCH2OHO
H OH
HCH2OHO
H
O
OH OH
H H
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
O
OH
H H
H OH
H OH
OH H
H H
H OOH
CH2OH
n_2
2
2021/6/10
22
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化 剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋 酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。
聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基 团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为polyamide， 缩写为PA。
早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、 尼龙—66等制成的中空纤维膜。
以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜， pH适用范围为3～11。长期使用稳定性好。
2021/6/10
用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反 渗透现象
obain..etc
1930
Teorell， Meyer，
Sievers
进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础
第十二章DNA RNA 蛋白质
膜至另一侧的过程。 任何天然 的(如腹膜)或人造的半透膜，只要该膜含有使一定大小的溶质通过 的孔径，那么这些溶质就可以通过弥散和对流从膜的一侧移动到膜 的另一侧。
双水相分离法
原理：利用两种多聚物，或多聚物与盐在水相中的不相容性，可以 从细胞破碎后的细胞碎片中直接分离、纯化蛋白质，同时起到浓缩 蛋白质的作用。 该法较温和，一般不会使蛋白质变性失活，可在室温下进行， 双水相中聚合物还可提高蛋白质的稳定性。 最常用的多聚物是聚二乙醇和葡聚糖。 影响因素：聚合物分子量及浓度、溶液pH、离子强度、盐类型及浓 度等的影响。 接下来一般采用Bradford方法测定蛋白质，以免PEG的影响
蛋白质样品的分离
聚沉： 聚沉剂主要是无机盐类（如氯化锌、氯化铝、硫酸盐等） 和聚合无机盐（聚合铝、聚合铁等）。为促进聚沉的产生， 可以降温至20℃以下进行；调整pH至3~6；提高离子浓度； 增加颗粒数量；增加多价金属离子等方法。 离心： 对于低粘度介质中的细菌，2000~3000g、10~15min；对 于高粘度的溶液，则需更高的速度和更长的时间，如细胞 碎片，12000g、30~45min；对于蛋白质沉淀，5000g、 30min或15000g、10min 过滤： 孔径一般为0.2um或0.45um，常压或减压过滤。
超滤法
原理：在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，
依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子 物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜 阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。
优缺点：
1、超滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热 敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。 2、超滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无 污染，是一种节能环保的分离技术。 3、超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的 浓缩均非常有效。 4、超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、 操作简便、易于控制和维护。 5、超滤法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶 液，一般只能得到10～50%的浓度。
双水相分离法
原理：利用两种多聚物，或多聚物与盐在水相中的不相容性，可以 从细胞破碎后的细胞碎片中直接分离、纯化蛋白质，同时起到浓缩 蛋白质的作用。 该法较温和，一般不会使蛋白质变性失活，可在室温下进行， 双水相中聚合物还可提高蛋白质的稳定性。 最常用的多聚物是聚二乙醇和葡聚糖。 影响因素：聚合物分子量及浓度、溶液pH、离子强度、盐类型及浓 度等的影响。 接下来一般采用Bradford方法测定蛋白质，以免PEG的影响
蛋白质样品的分离
聚沉： 聚沉剂主要是无机盐类（如氯化锌、氯化铝、硫酸盐等） 和聚合无机盐（聚合铝、聚合铁等）。为促进聚沉的产生， 可以降温至20℃以下进行；调整pH至3~6；提高离子浓度； 增加颗粒数量；增加多价金属离子等方法。 离心： 对于低粘度介质中的细菌，2000~3000g、10~15min；对 于高粘度的溶液，则需更高的速度和更长的时间，如细胞 碎片，12000g、30~45min；对于蛋白质沉淀，5000g、 30min或15000g、10min 过滤： 孔径一般为0.2um或0.45um，常压或减压过滤。
超滤法
原理：在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，
依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子 物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜 阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。
优缺点：
1、超滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热 敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。 2、超滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，无 污染，是一种节能环保的分离技术。 3、超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的 浓缩均非常有效。 4、超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、 操作简便、易于控制和维护。 5、超滤法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶 液，一般只能得到10～50%的浓度。
第十二章 膜分离
12.1C 膜的性能和膜渗机理
1.分离膜的性能 （1）溶质分离率
C2 R 1 C1
C1,C2 ——原溶液和透过液中溶质的浓度.
（2）溶剂透过速度
V J At V——透过液体积,m3；
A—— 膜的有效面积,m2；
t——运行时间，s.
（3）膜的流量衰减系数 流量衰减因数m
J t J1t m
按作用机理分：吸附性膜、扩散性膜、选择渗透膜和非选择性膜。
无机分离膜 ：陶瓷膜，玻璃膜，金属膜，分子碳筛膜 聚合物分离膜：醋酸纤维素，芳香聚酰胺，聚丙腈、聚丙烯
12.1 B 聚合物膜的制备工艺
同一种聚合物膜材料采用不同成膜工艺,得到的膜性能差异 可能很大,因此制膜工艺具有特殊重要意义。 1. 相转化法成膜 (phase inversion process)
将聚合物溶于双组分溶剂中构成铸膜 液; 良溶剂、不良溶剂； 热凝胶法：高温溶剂，低温相分离； 相转化工艺的L-S法。
1
2 3
2.复合膜的制备 1963年Riley首先制备超 薄皮层和多孔支撑层后，再 将两者进行复合的制膜新工 艺。
图 12-1 复合膜结构示意图 1.皮层,2.微孔支撑层,3.聚酯织物
1 前处理工艺 • 要根据膜组件上标明的操作标准确定前处理条件。 • 包括：调整温度，pH，去除微生物，悬浮物和胶体，有机 和无机离子等。 2 反渗透基本工艺流程 （1）一级一段流程；（2）一级多段流程；（3）多级流程。 3 后处理工艺 包括对透过液和浓缩液的后处理和对膜的后处理。
12-5 超滤和微孔过滤
1.离子交换膜选择性透过原理
2.电渗析器分离原理
12.7B 电渗析的基本概念
1.离子移动速度
2.离子通量
《膜分离第一部分》PPT课件
--------
-----------
----------
RO membrane UF membrane
NF membrane MF membrane
微滤 超滤 纳滤 反渗透
悬浮颗粒 大分子有机物 糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐 单价盐 水
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10
多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 • 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会
会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说 ：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 • 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌握了 化工的未来”。
4.2 各种膜分离法及其原理
膜分离技术优点
★ 处理效率高，设备易于放大； ★ 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离
浓缩； ★ 化学与机械强度最小，减少失活； ★ 无相转变，省能； ★ 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部
分纯化目的； ★ 选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率； ★ 系统可密闭循环，防止外来污染； ★ 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。
膜分离技术的重要性评论
• 美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪 膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能像膜技 术这么广泛地被应用”。
• 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” • 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 • 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪
浓度梯度
小分子有机物和无机离子的 除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，
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RO membrane UF membrane
NF membrane MF membrane
微滤 超滤 纳滤 反渗透
悬浮颗粒 大分子有机物 糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐 单价盐 水
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10
多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 • 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学会
会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学时说 ：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 • 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌握了 化工的未来”。
4.2 各种膜分离法及其原理
膜分离技术优点
★ 处理效率高，设备易于放大； ★ 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离
浓缩； ★ 化学与机械强度最小，减少失活； ★ 无相转变，省能； ★ 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部
分纯化目的； ★ 选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率； ★ 系统可密闭循环，防止外来污染； ★ 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。
膜分离技术的重要性评论
• 美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪 膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能像膜技 术这么广泛地被应用”。
• 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” • 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 • 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21世纪
浓度梯度
小分子有机物和无机离子的 除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，
制药工程习题
制药工程习题第一章：1.制药设备的分为哪几类⑴原料药机械及设备。
⑵制剂机械。
⑶药用粉碎机械。
⑷饮片机械。
⑸制药用水设备⑹药品包装机械。
⑺药物检测设备。
⑻其他制药机械及设备。
2.制剂机械按剂型分为哪几类⑴片剂机械⑵水针剂机械⑶抗生素粉、水针剂机械⑷输液剂机械⑸软胶囊剂机械⑹软胶囊(丸)剂机械⑺丸剂机械⑻软膏剂机械⑼栓剂机械⑽口服液剂机械⑾药膜剂机械⑿气雾剂机械⒀滴眼剂机械⒁酊水、糖浆剂机械。
3.gmp对制药设备存有哪些主要建议①有与生产相适应的设备能力和最经济、合理、安全的生产运行；②有满足制药工艺所要求的完善功能及多种适应性；③能保证药品加工中品质的一致性；④易于操作和维修；⑤易于设备内外的清洗；⑥各种USB合乎协同、服务设施、女团的建议；⑦极易加装且不易移动、不利女团的可能将；⑧展开设备检验(包含型式、结构、性能等)。
第二章：1.什么是构件；什么是构件的强度、刚度和稳定性？构件是指组成机械的零部件或工程结构中的构件。
强度指构件出外有载促进作用下，具备足够多的抵抗脱落毁坏的能力。
刚度指构件出外有载促进作用下，具备足够多的抵抗变形的能力。
稳定性是指某些构件在特定外载作用下，具有足够的保持原有平衡状态的能力。
2.什么是自由体,非自由体；什么是约束和约束反力？如果物体只受到主动力促进作用，而且能在空间沿任何方向全然民主自由地运动，则表示该物体为自由体。
如果物体的运动在某些方向上受了管制而无法全然民主自由地运动，那么该物体就称作非自由体。
管制非自由体运动的物体叫做约束。
约束作用于非自由体上的力就称为该约束的约束反力。
3.工程中约束的基本形式有哪些？①柔性约束。
②扁平接触面约束。
③铰链约束。
④紧固端的约束。
4．杆件的基本变形形式存有以下几种。
①拉伸。
②压缩。
③弯曲。
④剪切。
⑤扭转。
第三章：1.gmp对设备及管路材质的要求是什么？①凡是水、气系统中的管路、管件、过滤器、喷针等都应当使用优质奥氏体不锈钢材可望；②采用其他材料必须耐腐蚀、不锈蚀。
膜分离技术--课件
膜分离技术
1
主要内容
第一讲 膜分离技术概述 第二讲 膜分离技术的原理 及应用 第三讲 膜分离技术的管理
2
第一讲
膜分离技术概述
3
本讲主要内容
1.1膜分离技术的概念 1.2膜分离技术的发展 历程 1.3膜分离技术的特点 1.4膜分离技术的重要 性 1.5常见的膜分离方法
4
1.1膜分离技术的概念
膜分离技术是指以膜两侧的能量差 为推动力，依靠膜的选择性，将液体中 的组分进行分离的方法。膜分离法的核 心是膜本身，膜必须是半透膜，即能透 过一种物质,而阻碍另一种物质。
南京工业大学 Nanjing University of Technology 29
· 反渗透法应用：
◆海水和苦咸水脱盐制饮用水； ◆制备医药、化学工业中所需的超纯水； ◆用于处理重金属废水 ◆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。
27
反渗透的分离机理
• 反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的 迁移方式如何？ • 溶解扩散模型 • 优先吸附模型 • 溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的 反渗透过程， • 对有机物优先吸附－毛细孔流动模型比较优越。
28
反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用
渗透和反渗透
10
1.5.2根据溶质或溶液透过膜的推动力分类
①以电动势为推动力：电渗析和电渗透 ②以浓度差为推动力：扩散渗析和自然渗透 ③以压力差为推动力：压渗析和反渗透、超 滤
其中常用的是电渗析、反渗透和超滤，其次 是扩散渗析和微孔过滤。
11
第二讲
膜分离技术的原理及应用
1
主要内容
第一讲 膜分离技术概述 第二讲 膜分离技术的原理 及应用 第三讲 膜分离技术的管理
2
第一讲
膜分离技术概述
3
本讲主要内容
1.1膜分离技术的概念 1.2膜分离技术的发展 历程 1.3膜分离技术的特点 1.4膜分离技术的重要 性 1.5常见的膜分离方法
4
1.1膜分离技术的概念
膜分离技术是指以膜两侧的能量差 为推动力，依靠膜的选择性，将液体中 的组分进行分离的方法。膜分离法的核 心是膜本身，膜必须是半透膜，即能透 过一种物质,而阻碍另一种物质。
南京工业大学 Nanjing University of Technology 29
· 反渗透法应用：
◆海水和苦咸水脱盐制饮用水； ◆制备医药、化学工业中所需的超纯水； ◆用于处理重金属废水 ◆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。
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反渗透的分离机理
• 反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的 迁移方式如何？ • 溶解扩散模型 • 优先吸附模型 • 溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的 反渗透过程， • 对有机物优先吸附－毛细孔流动模型比较优越。
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反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用
渗透和反渗透
10
1.5.2根据溶质或溶液透过膜的推动力分类
①以电动势为推动力：电渗析和电渗透 ②以浓度差为推动力：扩散渗析和自然渗透 ③以压力差为推动力：压渗析和反渗透、超 滤
其中常用的是电渗析、反渗透和超滤，其次 是扩散渗析和微孔过滤。
11
第二讲
膜分离技术的原理及应用
仪器分析第十二章--分析化学中的分离技术
阳离子交换反应： Resin-SO3H + Na+ = Resin-SO3 Na + H+
Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3 H + Na+
阴离子交换反应： Resin-N(CH3) 3OH + Cl- = N(CH3) 3 Cl + OH+ Resin-N(CH3) 3 Cl + OH- = N(CH3) 3 OH + Cl -
分配系数与物质在两相体系中的溶解度有关，但分配 系数不等于溶质在两种溶剂中溶解度的比值。溶解度 是指饱和状态，萃取则常用于稀溶液；
分配比：
分配系数用于描述溶质为单一形式存在的情况，如果有
多种存在形式，则引入分配比D：
c1总 D c 2总 恒温，恒压
c1总 、c2总 为分配平衡后溶质（包括所有的存在形式）
2. 离子交换树脂
离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离
子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架， 反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯
共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选
择性。 Resin-SO3H（ 氢型 ） 树脂的 酸 性最强 ， 其 Resin-SO3 Na（钠型）比氢型稳定，商品常为钠型，使用前用酸淋洗 转型（再生）。阴离子交换树脂的Cl型稳定。 离子交换反应是一可逆反应。 离子交换树脂使用后需要进行再生处理。
3. 痕量组分的富集
天然矿石中痕量钍的富集：钍在盐酸溶液中难以形成稳定的配位离 子，保留；共存的稀土则形成稳定的配位离子，被洗脱。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第十二章 分析化学中的 分离技术
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12-6 超滤和反渗透在食品工业中的应用
1．蛋白质的分离 2．食品料液的净化
超滤澄清工艺优点： （1）缩短果蔬汁的处理时间 （2）节省了压滤机、离心机、反应罐等设备投 资以及淀粉酶、果胶酶以及澄清剂、助滤剂等 费用。 （3）维生素C等损失少，果胶、蛋白质和香气 物质可以回收。 （4）超滤本身可除微生物，后面不再需要加热 杀菌。 3.食品料液的浓缩 4.工业废水的处理 5.膜反应器的应用
2. 超滤膜和组件 3.超滤过程中膜的污染 4. 超滤操作的流程
12.5B 微孔过滤(Microfiltration,MF)
微孔过滤（MF）是介于普通过滤和超滤之间的一种 操作，一般认为MF的有效分离范围为直径0.1~10 μ m的 粒子，操作静压差为 10~200kPa
1．微孔滤膜及组件 2．微孔过滤的应用
m
12-2 膜分离器
膜分离器是膜分离装置系统中最核心部分 ，又称膜组件。将膜以某种形式组装在一个基本 单元设备内，这个基本单元设备就称为膜分离器 。 工业上常用的膜分离器形式主要有板框式 、圆管式 、 螺旋卷式和中空纤维式四种类型。 性能良好的膜组件应具备下列条件： （1）对膜提供足够机械支撑并可使原料液和透 过液分开。 （2）在能耗最小的条件下，料液在膜面上流动 ，减少浓差极化。 （3）具有尽可能高的装填密度。 （4）装置牢固安全，价格低廉。
第十二章
膜 分 离
Membrane Seperation
利用选择性透过膜，对组分进行分离、提 纯或富集的单元操作，称膜分离。 20世纪膜分离技术的发展历程：
30年代微孔过滤（MF）， 40年代渗析（DL）， 50年代电渗析（ED）， 60年代反渗透（RO）， 70年代超滤（UF）， 80年代气体分离（GP）， 90年代渗透蒸发（PV）。
如果是稀溶液，渗透压（osmotic pressure）:
c—溶液浓度，mol/m3。
cRT
溶液侧施压， p 发生反渗透 (reverse osmosis RO)。
12.3B 反渗透的传质方程 1、溶剂扩散速率方程
Nw Pw dm (p ) K w (p )
12.2A 板框式膜组件
1．系紧螺栓式 2．耐压容器式
12.2B圆管式膜组件
1．内压型管束式 2．外压型管壳式 12.2C 螺旋卷式膜组件
12.2D 中空纤维式膜组件
中空纤维为极细的空心膜管，外径约为 50~200μ m,内径为25~42μ m。多达105~106根中空 纤维成束装入圆筒形耐压容器内。分为以下三种 类型： （1）轴流型 （2）径流型
浓度极化作用的主要影响因素： （1）透水率 （2）溶液黏度 （3）溶质在溶液中的扩散系数 （4）膜表面上溶液的流动条件 12.4B 反渗透工艺 1．前处理工艺 2．反渗透基本工艺流程 （1）一级一段流程 （2）一级多段流程 （3）多级流程 3．后处理工艺
12-5 超滤与微孔过滤
过程名称
第三节
电渗析
使离子在电场作用下通过膜进行渗析迁 移的过程，称为电渗析
（electrodialysis,ED）
12-7 电渗析的基本原理和概念 12.7A 电渗析的基本原理
1、离子交换膜的选择性透过原理 磺酸型阳膜的结构： R———SO-3——H+ 季胺型阴膜的结构： R———N+(CH3)3——OH2．电渗析器分离原理 12.7B 电渗析的基本概念 1、离子移动速度 u i m i Z i dE
第一节
膜及膜分离器
12-1 分 离 膜
12.1A 分离膜的分类
1．无机分离膜 （1）陶瓷膜 （2）玻璃膜 （3）金属膜 （4）分子筛炭膜
2．聚合物分离膜
12.1B 聚合物膜的制备工艺
1.相转化法成膜 2.复合膜的制备 分别制备超薄皮层和多孔支撑层 后再将二者进行复合。支撑层提供支持强度，皮层 起分离作用。
令：
B
Kw K s cw2
1 c2 c1
c2 c1
B (p ) 1
c2 c1
1 B (p )
R 1
c2 c1
B (p ) 1 B (p )
12-4 反渗透的实际过程
12.4A 浓度极化及其消除 表面附近溶液浓度高于浓缩液主体的浓度，这种 现象称为浓度极化（concentration polarization）。浓 度极化因数M： c1 i M >1
Ns——溶质的通量，kg/(m2s) Ks——溶质的渗透率常量，m/s
Ns Nw c2 cw2
3．溶质的分离率
K s ( c1 c 2 ) K w ( p )
K s (1 c2 c1 ) K w (p ) c2 c1
c2 cw2
/ cw 2
K w ( p ) c2 1 c1 K s cw2 c1 c2
dx
2．离子通量 3．离子迁移数 对1-1价 :
N i ci u i
ti
ZiNi
Z
m i Z ci
2 i
i
Ni
mZ
i i
2 i i
c
t
m m m
t
m m m
4.能耗与库仑效率 每膜对中能量单耗 IR F / 1 ( t C t A ) e cp 库仑效率: V ( c1 c 2 ) F q v ( c1 c 2 ) F nIt nI
第二节 反渗透和超滤
12-3 反渗透的基本原理
12.3A 渗透和反渗透
w w RT ln a w
因
w w ，发生渗透 。 w ( )T Vm p w V m dp d w w w
0
w
V m RT ln a w
12.1C 膜的性能和膜渗机理
1、分离膜的性能 包括两方面：分离透过特性和物理化学稳定性。 主要的分离透过特性为以下三种： c2 （1）溶质分离率 R 1 （2）溶剂透过速度 J V
At
c1
（3）膜的流量衰减因数 2、膜渗机理 （1）毛细管流动模型 （2）溶解扩散模型
J t J 1t
功
能
p(MPa)
分离机制
微孔过滤(MF) 超滤 (UF) 反渗透(RO)
滤除>0.1μ m 颗粒 滤除5～ 100nm颗粒 水-盐分离
0.01～0 2 0.1～1 1 ～10
筛滤 毛细流动 溶解扩散
12.5A 超滤(Ultrafiltration,UF)
1.超滤的基本原理 超滤膜对大分子溶质等的截留作用是由于 （1）在膜表面和微孔内的吸咐（一次吸咐）； （2）在膜孔中的阻塞； （3）在膜表面的机械截留（筛滤）。
c1
浓度极化对反渗透操作会产生三种不利作用。 （1）使反向推动力增大，降低透水速率。
1i 1
c1 i c1 M
1i M 1
1i 2 M 1 2
反渗透推动力的合力 p p ( M 1 2 ) 较非极化时下降。 （2）使有效膜面积减少，亦使透水率下降 （3）使溶质的渗漏增大。
12-8 电渗析装置系统
12.8A 电渗析器 12.8B 工业电渗析系统 1．电渗析操作流程 （1）一级一段 （2）二级一段 （3）一级二段 （4）二级二段 2．电渗析应用系统
Pw Kw
D w c wV w RT Pw dm
Nw——溶剂扩散率，kg/(m2· s) Pw——溶剂膜渗透率 (permeability),kg/(Pa· s); m· Kw——溶剂渗透率常量，又称透水系数 kg/(Pa· 2· m s);
2.溶质扩散速率
Ns Ks D s K ms dm D s K ms dm ( c1 c 2 ) K s ( c1 c 2 )