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膜分离概述
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当 膜两侧存在某种推动力时，原料侧组分选择 性透过膜，以达到分离、提纯、富集的目的
膜分离的推动力可以是多种多样的，一般有 浓度差Δc，压力差Δp，电位差Δv等
膜分离过程的实质是小分子物质透过膜，而 大分子物质或固体粒子被阻挡。因此，膜必 须是半透膜。
渗透蒸发
▪ 分离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气相分
隔开,并在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗透组分的 蒸气压控制到接近零,液相中产生的化学位梯度作为传质 推动力的膜分离过程。
膜分离过程 (membrane separation)
膜渗分离透过蒸程发的原类型理示意图
水分子
醇分子
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程透的析类型法的应用
蛋白质透析
透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
2.微滤（Microfiltration,MF） ：
以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力， 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，截留直径 为0.02μm ~ 10μm大小的粒子。
可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养 基液菌体分离与浓缩，产品消毒。
微滤 (Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随过滤时 间延长，膜面上截流沉积不 溶物，引起水流阻力增大， 透水速率下降，直至微孔全 被堵塞；
应用:空气中各种气体在透过膜壁时具有不同的
渗透速率，使得当压缩空气经过滤器进入分离 器时，氧气、水蒸气及少量的二氧化碳快速透 过膜的高压侧，而氮气透过膜的相对速率慢而 滞留在膜的内侧被富集，从而产生干燥的氮气。
气体渗透分离空气中的氮
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离过程的类型
分离方法
反渗透
低温多效
多级闪蒸
能耗(kWh/m3)
3.5
>7
>10
嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置
巴黎瓦兹河梅里市 14万立方米/天的 纳滤厂，每天为巴 黎附近50万居民 提供14万吨饮用 水
微滤
超滤
反渗透
○:微粒子 ●:大分子 ＋:小分子 ……..：水
5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子 交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或 富集电解质的膜分离操作。
超滤原理的示意图
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。
超滤原理的示意图
A
B
常规过滤(A)和超滤(B)的示意图
4.反渗透（Reverse osmosis,RO）:
渗透和渗透压：
渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力 相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶 质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧 透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使水分子透 过的推动力。
小分子有机物和无机离子的去 除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白
除
质溶液脱盐等
电渗析 离子交换膜
电位差
渗透蒸 致密膜或复合膜 浓度梯度 发
离子脱除、氨基酸分离 小分子有机物与水的分离
苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工 艺用水
醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱水，有机 液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等
②优先吸附－毛细管流动模型
由于膜表面对渗透物的优先吸附作 用，在膜的上游侧表面形成一层该 物质富集的吸附液体层。然后，在 压力作用下通过膜的毛细管，连续 进入产品溶液中。此模型能描述多 孔膜的反渗透过程。
③从不可逆热力学导出的模型
膜分离过程通常不只依赖于单一的推动力， 而且还有伴生效应（如浓差极化）。不可逆 热力学唯象理论统一关联了压力差、浓度差、 电位差对传质通量的关系，采用线性唯象方 程描述这种具有伴生效应的过程，并以配偶 唯象系数描述伴生效应的影响。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
▪ 主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产 品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。
膜法海水淡化
几种分离方法能耗比较
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得 到应用
30年代 微孔过滤
40年代 渗析
50年代 电渗析
60年代 反渗透
70年代 超滤Biblioteka 80年代 气体分离90年代
渗透汽化
现代
EDI技术
膜的应用
海水淡化 工业废水处理 城市废水资源化
天然气
生物质利用
燃料电池
水资源 传统工业
膜
能源 生态环境
性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液；多孔的支 持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层)表面 上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选择性的表 面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0.05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作为有 选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
膜
膜分离过程的核心是膜本身。
工业应用的膜应具有较大的透过速度和较 高的选择性，这是选择膜的两个最重要的 技术特性。
还应具备机械强度好、耐热、化学性能稳 定，不被细菌污染等条件。
膜的分类
(1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表皮的
主动传递主要发生在细胞膜中。
膜分离过程机理模型
溶解－扩散模型 优先吸附－毛细管流动模型 从不可逆热力学导出的模型
①溶解－扩散模型：
适用于液体膜、均质膜或非对称膜表皮层内的物质传 递。
在推动力作用下，渗透物质先溶解进入膜的上游侧， 然后扩散至膜的下游侧，扩散是控制步骤。例如气体 的渗透分离过程中，推动力是膜两侧渗透物质的分压 差。当溶解服从亨利定律（见相平衡关联）时，组分 的渗透率是组分在膜中的扩散系数和溶解度系数的乘 积。混合气体的分离依赖于各组分在膜中渗透率的差 异。溶解-扩散模型用于渗透蒸发（又称汽渗，上游 侧为溶液，下游侧抽真空或用惰性气体携带，使透过 物质汽化而分离）时，还须包括膜的汽液界面上各组 分的热力学平衡关系。
反渗透：
定义：在溶质浓度高的 一侧施加超过渗透压的 压力，使溶剂透过膜的 操作。
▪ 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. 1~1 nm之间。
▪ 其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压 的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机 物全被截留住。
（1~10MPa)
（＜１nm)
细粒子胶体去除可溶性中等 或大分子分离
溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌， 酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印 染废水处理，乳化液分离、浓缩等
小分子溶质脱除与浓缩
低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水 淡化，超纯水制备
透析
对称的或不对称 的膜
浓度梯度
在直流电场的作用下，由于离子交换膜 的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩， 分离推动力是静电引力。
1-半透膜 2-搅拌器 3-溶液 4-铂电极 5,6-进出水管
电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理， 氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化
6.气体渗透：
气体膜分离是利用膜对某些气体组分具有选择 性渗透和扩散的特性，以达到气体分离和纯化 的目的。其渗透机理为：气体分子在压力作用 下，首先在膜的高压侧接触，然后是吸附、溶 解、扩散、脱溶、逸出。
第五节
膜分离过程及设备
膜分离技术
膜分离技术是20世纪60年代以后发展起来 的高新技术。
与传统的分离方法相比，具有设备简单、 节约能源、分离效率高、容易控制等优点
膜分离通常在常温下操作，不涉及相变化， 这对处理热敏性物料，显得十分重要
膜分离技术一般可除去1μm以下的固体粒 子。
膜分离技术应用
分离机理 分离对象
体积大小 固体粒子
体积大小
0.05~10μm的固体粒子
体积大小 1000~1000,000Da的大分子
溶解扩散
离子、分子量＜100的有机物
溶解扩散
离子、有机物
溶解扩散
离子、有机物
孔径/nm
＞10000
50~10000
2~50
＜２ ＜0.5 ＜0.5
膜分离过程 (membrane separation)
膜分离也有很多缺点，比如膜面易发生污染，膜 分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜面清 洗方法；稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力 有限，故使用范围有限；单独的膜分离技术功能 有限，需与其他分离技术连用。
膜分离过程
膜分离过程的类型
各种膜分离范围
膜过程
粒子过滤 微滤 超滤
纳滤 反渗透 渗透蒸发
膜分离的孔径范围
膜分离过程的类型
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。
膜分离过程的类型