推动力
膜过程 应用实例
对称
反渗透
海水淡化
压力差 电位差
超 滤 超纯水/白蛋白浓缩
微滤
前处理/终端过滤
*
纳滤
医药/啤酒
*
气体分离
气体/蒸汽分离
*
电渗析
海水淡化/废水
*
浓度差
渗析
人工肾
浓度差
控制释放
医用/农药
*
浓度差（分压差） 渗透蒸发
无水乙醇
*
浓度差＋化学反应 液膜
金属分离/废水
*
膜形态
非对称
* * * * *
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
Particle filtration 一般过滤
1.4 分离膜种类
流速。 温度 通常升温提高流速。
C其他
操作温度 化学耐受性 膜的吸附性能 膜的无菌措施 保存
膜技术的应用
1) 细胞培养基的除菌； 2) 发 酵 液 或 培 养 液 中 细 胞 的 收 集
和除去； 3)细胞破碎后碎片的除去； 4) 目 标 产 物 部 分 纯 化 后 的 浓 缩 或
滤除小分子溶质； 5)最终产品的浓缩和洗滤除盐； 6)蛋白质的回收、浓缩和纯化 7) 制 备 用 于 调 制 生 物 产 品 和 清 洗
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 1)膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适
浓差极化特性
它是一个可逆过程。只有在膜过程运行中产生存在， 停止运行，浓差极化逐渐消失。
它与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料 液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差 极化程度，提高膜的透过流量。
凝胶极化模型：膜表面附近 浓度升高，增大了膜两侧的 渗透压差，使有效压差减小， 透过通量降低。当膜表面附 近的浓度超过溶质的溶解度 时，溶质会析出，形成凝胶 层。即使分离含有菌体、细 胞和其他固形成分的料液时， 也会在膜表面形成凝胶层。 这种现象谓之凝胶极化(gel
6.膜组件的选择
1造价 2抗污染能力 3膜材料 4组建的结构 5反渗透 中空纤维式
卷式
6超滤一般不用中空纤维式
7.膜的选择及使用
A截留相对分子质量
定义：指截流率达90%以上的最小被截流物质 的相对分子质量
一般选用额定截留值应稍低于所分离或浓缩的溶 质分子值
B流动速率
溶质的分子性质 相对密度大的纤维状分子扩散性差。 溶质浓度 稀溶液比浓溶液的流速高。 压力 增压加速流速。 搅拌 破坏溶质表面的浓度梯度，加速溶质的扩散，提高
D、流J速lim(搅随拌料速液度浓)度而而。，随
4.膜的截留能力
截留率和截断分子量
截留率:膜对溶质的截留能力以截留率R来表示。
R 1 cp cb
截断分子量(MWCO) 定义为相当于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估 计孔径的大小。
孔道特征 包括孔径，孔径分布，空隙度。
完整性试验 用于试验膜和组件是否完整或渗漏。
平板膜组件
特点： 较管式组件比 表面积大得多， 易于更换膜， 适于微滤、超 滤。
螺旋卷式膜组件
特点： 膜面积大，湍流情况
好，但制造装配要求高、 清洗检修不方便，不能处 理悬浮液浓度较高的料液。 可用于微滤、超滤和反渗 透。
各种膜组件的传质特性和综合性能比较：
1.4 分离膜种类
f. 按膜的结构分类
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公司首先将
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 分离膜种类
d.按膜的材料分类
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
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
500,000
Relative size of common material
polarization)。
3.膜分离理论
17.5 影响膜过滤的各种因素
压力
A、当p小, 无浓度极化层,
Jv与p成正比, 此时用：
B、当p大,有浓差极化, 增长速率减慢, 此时用
Jv的
C、当p继续增加时，形成 凝胶层，且厚度随压力的 增流方p程大速的：而下增增的加大极。，限此所值时以(的JJlvim不Jv)为，再用此随
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）。以后又开发了许
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 分离膜种类
膜清洗
A、试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、 表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶 溶液等。
B、原则：去污能力好，对膜无损害， 成本最低。
C、方法：反向清洗，试剂置换，化 学降解消化。
E、预防：膜的预处理(用乙醇浸泡聚 砜 膜 ) ， 料 液 预 处 理 ( 调 pH ， 预 过 滤)，开发抗污染膜，临界压力操作 等。
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
带电膜
分 离
液体膜
非带电膜
膜
生物膜
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
1.4 分离膜种类
a.分离粒子或分子大小分类
1.4 分离膜种类
透析和反渗透
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 分离膜种类
微滤和超滤
膜分离技术
成员
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。
1.4 分离膜种类 c.以分离应用领域过程分类 微滤(micro-filtration, MF) 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
1.4 分离膜种类
e.按膜的形态（组件）分类
膜组件 由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件 的容器构成的一个单元称为膜组件。 膜组件的种类
管式膜组件 中空纤维式 平板膜组件 卷式膜组件
管式膜组件
特点： 结构简单、适应性强、压
力损失小、透过量大，清洗、 安装方便、可耐高压，适宜处 理高粘度及稠厚液体。但比表 面积小。适于微滤和超滤。
b.以推动力或传送机制分类 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离子交换电透析 以静压力差为推动力的过程： A微滤(microfiltration) B超滤(untrafiltration) C反渗透(reverse osmosis) 以蒸气压差为推动力的过程： A膜蒸馏 B渗透蒸馏