膜分离技术
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生物0203
目录
理论概述 技术原理
理论概述
1.1 基本概念
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。 膜的厚度在0.5mm以下，否则，就不称为膜。
膜的特性：
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。
超滤(untra-filtration, UF) 反渗透(reverse osmosis, RO) 透析(Dialysis, DS) 电透析(electro-dialysis, ED) 纳米膜分离(NF) 亲和过滤(affinity filtration, AF) 渗透气化(pervaporation, PV
类
电渗析
电渗析是利用分 子的荷电性质和分 子大小的差别进行 分离的膜分离法， 可用于小分子电解 质的分离和溶液的 脱盐。
1.4 分离膜种
d.按膜的材料分类
类
表1 膜材料的分类
类别
膜材料
举例
纤维素酯类 纤维素衍生物类 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等
聚砜类
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等
非纤维素酯 类
Beach sand 海滩沙砾
过滤对象
Filtration Technology
过滤方法
Sugars 蔗糖
RO
反渗透
Colloidal silica 胶体硅
Albumin protein 白蛋白
Microfiltration Ultrafiltration 超滤 微滤
NF 纳滤
Pollens 花粉 Milled flour 面粉
1.4 分离膜种 类
a.分离粒子或分子大小分类
THE FILTRATION SPECTRUM 过滤谱图
m 0.001
0.01
0.1
1.0
10
100
1000
A
10
100
1000
10 4
10 5
10 6
10 7
Molecular weight
分子量
100 200 5,000 20,000 150,000
70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的 液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。
1.3 膜分离技术的特点
优点: 1)能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结
晶和蒸发相比有较大的差异；
2)分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要； 3)操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。 缺点
Particle filtration 一般过滤
1.4 分离膜种
b.以推动力或传送机
类 制分类
以浓度差为推动 力的过程：
透 析 技 术 (Dialysis, DS) 以电位差为推动 力的过程：
A电透析 B离子离应用领域过程分类
类 微滤(micro-filtration, MF)
1.4 分离膜种 透析和反渗透
类
透析是以膜两侧的浓度差为传质推动力，从溶液中 分离出小分子物质的过程。在生物分离中主要用于 蛋白质的脱盐。
反渗透是在透析膜浓度高的一侧施加大于渗透压的 压力，利用膜的筛分性质，使浓度较高的溶液进一 步浓缩。用于海水淡化，药物浓缩，纯水制造。
1.4 分离膜种 微滤和超滤
Membrane Nomenclature
Retentate (residue) （截留液）
Feed
Permeate 透过液 膜分离过程原理：以选择性膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力 （如浓度差、压力差或电位差等）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。
1)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；
2)稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围 有限；
3)单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。
1.4 分离膜种 类
高分子膜
分 离
液体膜
膜
生物膜
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
聚酰(亚)胺类 聚酯、烯烃类 含氟(硅)类
1.2 膜分离技术发展简史
50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜
的研究。
真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。1961年，米切利 斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子 电介质混合物以水-丙酮-溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分
子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先
了许多其它类型的分离膜。
在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大
的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又
得到了进一步提高。
具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在60年代初
研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支 撑液膜。
60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的 水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液 膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。
类
微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差 为传质推动力，主要用于截留固体微粒和高分子 溶质。
微滤广泛用于细胞、菌体等的分离和浓缩， 操作压力通常为0.05-0.5MPa。
超 滤 适 用 于 1-50nm 的 生 物 大 分 子 的 分 离 ， 如蛋白质、病毒等。操作压力常为0.1-1.0MPa。
1.4 分离膜种
500,000
Relative size of common material
Aqueous salts 中水盐份
Carbon black 碳黑
Pyrogens 热源
Metal ions 金属离子
Virus 病毒
Paint pigment 颜料色素 Yeast cells 酵母
Bacteria 细菌
将这种膜商品化。
1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙-66为主要组分的中空
纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板 式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业
化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过 滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO膜）。以后又开发