第九章
膜分离过程
也称：膜过滤
在常规分离如，过滤、离心、萃取、结晶等难以奏 效以情况下，发展出的一类新型分离方法。 膜分离多用在：蛋白质、大分子、细胞、盐分等的 分离场合。 注：（1）如果目标是分离纯化某种蛋白，需先分离去 除其它杂质，仅留下少量杂蛋白和盐，才能用到膜； （2）膜的清洗要用到大量新鲜水。
注意点：
与滤布过滤不同，得不到“滤饼”， 而是“浓缩液”和“滤清液”
膜边界形成 “浓差极化”， 改变流速可消除 主体流向
最终成 滤饼， 可拆卸去除
主体流向
高压 低压
滤布 滤纸
高压
膜
低压
常规过滤/同向流
膜过滤/切线流
错流
一、膜的分类
膜的分类大体可按膜材料的化学组成、膜的物理形 态以及膜的制备方法划分。 （1）按化学组成 （2）按物理形态，分为对称膜、不对称膜和复合膜。 （3）按膜的形状，分为平板膜、卷式膜、管式膜、 毛细管膜、中空纤维膜。 常见的几种膜分离过程： 微滤、超滤、反渗透、纳滤等 主要根据截留物分子量的大小
第二节
膜分离理论基础
一、膜透过机理:
1、反渗透膜的透过机理和模型：
（1）氢键理论及结合水—空穴有序扩散模型 （2）优先吸附—毛细孔流理论 （3）溶解扩散理论
2、超滤膜和微滤膜的透过机理：
分离机理以物理因素为主，它对大分子溶质较易 截留的原因为： （1）在膜表面及微孔内的吸附（一次吸附） （2）在孔中的停留而被除去（阻塞） （3）在膜表面的机械截留（筛分）
二、膜性能表示法
微滤膜孔径较大，以微米μm表示
如，孔径 0.1、0.5μm等
超滤膜孔径太小，则以截留分子量表示 截留分子量1000-10万道尔顿
反渗透/RO 纳滤/NF 超滤/UF 微滤/MF
反渗透和纳滤在电子显微镜下也看不到 孔道，以截留小分子量表示 纳滤截留分子量200-1000小分子 反渗透截留分子量100左右的盐分
第一节
膜和膜分离过程的分类
以膜为分离介质，以施加外能或化学位差作推动力， 对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或 浓缩的方法统称为膜分离方法。
膜分离/膜过滤的优点： 没有相变，可在常温下操作因而适合热敏性 物料的分离。 过程简单，易放大。 缺点： 1、存在“浓差极化”和“膜污染”，寿命有限， 选择性较低。 2、需要清洗，会产生低浓度废水
3、膜的保存法
防止微生物在膜面上的繁殖及破坏，防止膜的水 解、冻结及膜的收缩变形。
防止膜破坏的途径有：
（1）选择耐微生物侵蚀、用良好的抗水解的膜材 料制作膜。 （2）研制干湿可逆的分离膜及湿膜的脱水处理。 湿膜脱水剂主要成分甘油等多元醇、表面活性剂、杀 菌剂。
（3）湿膜的保存液（厂家提供）
现在发展：三层结构 活性层/过滤作用 支持层/机械强度 中间过渡层
不要理想化 多少有薄弱 环节
膜表面呈 亲水性质 排斥电荷
正常
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
架桥现象
最耐热
子量等。
反渗透膜
溶质（如盐分）分离率、溶剂透过流速 和流量衰减系数来表明使用性能。
溶质分离率又称截留率，对盐溶液也称
脱盐率
溶剂透过速度，对水溶液体系又称透水率或水通量。 膜流量衰减系数是指膜因压密和浓差极化而引起的膜 透过速度随时间而衰减的程度。
微孔滤膜
的分离能力一般用膜的平均孔径 和孔径分布曲线来表示。
高分子材料举例：
6种 18种 10种 9种 66种 53种 纤维素类高分子。 商品高分子，如尼龙等。 高分子混合物。 接枝共聚物 试验的聚合物 含氮杂环高分子物。
其中聚砜材料应用广泛，因耐热， 耐酸碱，不易变形。
2、无机材料和金属材料
无机材料 最多的是陶瓷材料，外涂活性层
金属材料，如钛合金： 熔融状态，拉丝、磨压成型
理想的分离是筛分，应尽量避免一次吸附和 阻塞的发生。
第三节
膜材料
膜材料包括有机高分子、无机材料、金属材料。用这些 材料和不同的制膜工艺可以制得不同性能的膜。
一、有机高分子 1、醋酸纤维素 和 芳香聚酰胺 膜材料的开发
目前工业应用的有机膜材料主要是醋酸纤维素和芳香聚 酰胺两类。它们是根据海水或苦咸水脱盐淡化要求，从已有 的商品高分子材料中，进行大量的对比筛选试验而制造的。
如无菌空气制备, 用 高分子膜或金属膜。 以0.5、0.3、0.1μm来表征
超滤膜
主要以截留分子量来表征膜对不 同分子量溶质的分离能力，通常由截留分子量 曲线来表示的。
三、膜分离的发展趋势
发展趋势： 用膜分离技术的工业生产能力不断增长 组件的大型化 膜分离和能量回收与利用相结合 用膜分离技术改革传统的生产工艺
2、膜的耐热性和机械强度
提高膜耐热性的意义在于： （1）改善膜的分离特性。 （2）对于医药食品等需要高温消毒的分离浓缩 过程，提高膜的耐温性，有利于膜的高温灭菌。 膜的耐热性不能仅仅给出温度一项指标，同时应 给出时间、环境、性能要求等条件。
机械强度：
膜的机械强度是高分子材料的力学性质的 体现，在压力作用下，膜发生压缩和剪切蠕变， 并表现为膜压密现象，结果导致膜透过速度的下 降。当压力消失后，再给膜施加相同压力，膜的 透过速度只能暂时回升，很快又出现下降。
0.0001
0.001
0. 01
0. 1
1
10
100
反渗透、超滤、微滤膜的孔径/μm
二、膜性能表示法/应用时要先了解膜的性能
膜的性能是指膜的物化稳定性和膜的分离 透过特性。
膜物化稳定性的主要影响因素有：膜材料、 两侧压力、温度范围、pH范围，对化学成份 抵抗性。 膜的分离透过特性，对反渗透膜、超滤膜 和微孔过滤膜有不同的表示方法/如孔径、截留分
血液透析
电耗大 膜易污染
还有陶瓷膜
6-7元/吨海水，反渗透 4-5元/吨水，南水北调
工业锅炉需要软水 过去，离交法，现在“反渗透法” 软水得率一般为70%
水在压力作用下， 先溶解于膜/氢键 吸附，继续在压力 的推动下，透过膜 到另一侧。 而无机离子因带 有电荷，难以溶解 进入膜中，因而 二者被分离。
二、膜材料的物化稳定性
膜的物化稳定性主要取决于构成膜的高分子材料。 物化稳定性：抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械 强度。
1、膜的抗氧化和抗水解性能
膜的抗氧化和抗水解性能，既取决于被分离溶液的性 质，也取决于膜材料的化学结构。氧化、水解的最终结果， 使膜的色泽加深、发硬变脆，其化学结构和形态结构也受 破坏。