第九章膜分離技術(shù)

第九章

膜分離了解膜分離的基本原理、各自膜分離的分離機(jī)能和傳遞特性；了解膜種類、材料及膜組件的構(gòu)成；掌握膜的結(jié)構(gòu)特性以及膜分離過(guò)程中濃差極化與膜污染的消除方法；重點(diǎn)掌握各種膜技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)合與特點(diǎn)及影響膜透過(guò)通量的因素。本章重點(diǎn)和難點(diǎn)第九章

膜分離第一節(jié)

膜分離技術(shù)概述膜分離法傳質(zhì)推動(dòng)力分離原理應(yīng)用舉例微濾（MF）

壓差（0.05~0.5MPa）篩分除菌，回收菌，分離病毒超濾（UF）壓差（0.1~1.0MPa）篩分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮反滲透（RO）壓差（1.0~10MPa）篩分、溶解-擴(kuò)散鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造透析（DS）濃差篩分脫鹽、除變性劑電滲析（ED）電位差荷電、篩分脫鹽，氨基酸和有機(jī)酸分離納濾（NF）壓差（0.5~1.5MPa）溶解-擴(kuò)散、Donnan效應(yīng)氨基酸和多價(jià)離子的回收和濃縮滲透蒸發(fā)（PV）壓差、溫差溶質(zhì)與膜的親和作用有機(jī)溶劑與水的分離，乙醇分離氣體分離(GS)濃度差氣體與膜的親和作用氣調(diào)保鮮一、按膜的孔徑、傳質(zhì)動(dòng)力和傳遞機(jī)理二、按動(dòng)力本質(zhì)分類以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程微濾（Microfiltration,MF)超濾（Ultrafiltration,UF）反滲透（Reverseosmosis,RO)納濾（Nanofiltration,NF)以蒸汽分壓為推動(dòng)力的過(guò)程膜蒸餾（Membranedistillation,MD)滲透蒸發(fā)（Pervaporation,PV）以濃度差為推動(dòng)力的過(guò)程滲析（Dialysis,D)以電位差為推動(dòng)力的過(guò)程電滲析（Electrodialysis,ED)三、膜的分離范圍

四、常見物質(zhì)的相對(duì)分子尺寸截留相對(duì)分子質(zhì)量10,000~100,000的中空纖維超濾膜的微孔直徑為1.6~5nm常見物質(zhì)相對(duì)尺寸（nm）常見物質(zhì)相對(duì)尺寸（nm）常見物質(zhì)相對(duì)尺寸（nm）糖類0.8~2.5血紅細(xì)胞5000~10,000花粉10,000~100,000炭黑10~100蛋白質(zhì)10~300面粉1000~100,000病毒10~100膠體硅粒子8~20金屬離子0.2~0.7細(xì)菌300~10,000漆顏料100~5000氯離子0.18酵母細(xì)胞1000~50,000水溶性鹽0.3~1.2五、膜的分類示意圖第二節(jié)

膜及其膜組件

概念：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，允許某些組分透過(guò)而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。一、膜的要求

膜分離技術(shù)主要依靠推動(dòng)力和分離膜，其中分離膜更是膜分離技術(shù)的核心。衡量標(biāo)準(zhǔn)如下：

高的分離系數(shù)和滲透系數(shù)；

足夠的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，同時(shí)又要求過(guò)濾阻力小；

適用的pH和溫度范圍廣；較強(qiáng)的抗物理、化學(xué)和微生物侵蝕的性能；耐高溫滅菌，耐酸堿清洗劑，穩(wěn)定性高，適用壽命長(zhǎng)；

通過(guò)清洗，恢復(fù)通過(guò)性能好；

制備方便，成本合理，便于工業(yè)化生產(chǎn)。二、膜的材料1.膜材料的分類類

別膜材料舉

例纖維素酯類纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等2.常用膜材料天然高分子材料種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維（AC）、硝酸纖維和再生醋酸纖維優(yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，有一定的親水性，透過(guò)速度大。常用于反滲透膜，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。缺點(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和pH范圍有限，在45～50C，pH4～6。耐pH范圍為2～11的芳香聚酰胺成為反滲透膜的主要材料，幾乎全部替代了醋酸纖維材料。不過(guò)，其最大的缺點(diǎn)就是耐氯離子能力差。合成高分子材料

聚砜（PS）優(yōu)點(diǎn)：耐高溫(70～80C，

最高可達(dá)125C)，pH1～13，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑寬(1～20nm)；

常用于超濾膜；多用于水質(zhì)較好的處理過(guò)程（如純水制備）、血液透析、氣體分離等領(lǐng)域

。缺點(diǎn)：聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5～1.0MPa。

聚乙烯（PE）聚乙烯是最結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高分子，也是應(yīng)用最廣泛的高分子材料。它是由重復(fù)的–CH2–單元連接而成的。聚乙烯無(wú)臭，無(wú)毒，具有優(yōu)良的耐低溫性能(最低使用溫度可達(dá)-70～-100℃)，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿（鹽酸、檸檬酸等）的侵蝕。耐氧化性能差，不耐氧化劑和具有氧化性質(zhì)的酸。常溫下可耐受一般溶劑（醇、烴等）；耐熱老化性差。聚丙稀（尼龍PP）聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)為典型的主體規(guī)整結(jié)構(gòu)，為結(jié)晶聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量為10萬(wàn)～50萬(wàn)。密度：0.9～0.91g/cm3；成型收縮率:1.0%～2.5%；成型溫度：160～220℃聚丙烯的特點(diǎn)：強(qiáng)度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯，可在100℃左右使用，具有良好的電性能和高頻絕緣性不受濕度影響，但低溫時(shí)變脆、不耐磨、易老化，可耐一般的酸堿和化學(xué)溶劑，耐氧化劑性能差。聚氯乙?。≒VC）聚氯乙?。≒VC）是產(chǎn)量最大的三大合成樹脂之一，是一種非結(jié)晶態(tài)的熱塑性塑料，沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在80℃左右，常溫條件下韌性較差。PVC可耐甲醇、乙醇、乙二醇、醇類、醋酸等，不耐丙酮、環(huán)己酮、硝基苯等有機(jī)溶劑。PVC耐氧化性能與聚乙烯（PE）接近，在氧化物存在條件下，易發(fā)生部分分解。同時(shí)，PVC分子中含有氯元素，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生析出，影響過(guò)濾水質(zhì)。聚醚砜(PES)

聚醚砜具有出色的熱性能和較強(qiáng)的氧化穩(wěn)定性。聚醚砜連續(xù)使用溫度為180℃，聚醚砜耐應(yīng)力開裂，不溶于極性溶劑如酮類和一些含鹵碳?xì)浠衔?。耐水解，耐大多?shù)酸、堿、脂類碳?xì)浠衔?、醇、油及脂類?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)其相對(duì)分子質(zhì)量的控制或添加各種增強(qiáng)材料、各種纖維，以提高聚合物的性能。該樹脂滿足美國(guó)FDA要求可使用于與食品接觸的制件。優(yōu)點(diǎn)：pH耐受范圍寬，可以達(dá)到2～10；

易加工成型，可制成多孔徑的膜，從1nm～0.2μm；

耐多數(shù)化學(xué)溶劑性能較好。但不耐芳烴、酮、醚、酯等。缺點(diǎn)：耐壓性能不好，平板膜低于7bar。聚砜中空纖維膜低于1.7bar。疏水性，易于污堵。耐氧化性較PS強(qiáng)，但長(zhǎng)期或者高濃度的氧化性清洗劑會(huì)對(duì)膜材料造成一定的破壞。聚偏氟乙烯（PVDF）

長(zhǎng)期使用溫度范圍為﹣40℃～150℃。PVDF材料耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性、物理機(jī)械性能良好。它的突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好，在室溫下不易被酸、堿、強(qiáng)氧化劑和鹵素所腐蝕，脂肪烴、醇、醛、酮等有機(jī)溶劑對(duì)它也無(wú)影響。PVDF的一個(gè)重要特點(diǎn)是韌性高，拉伸強(qiáng)度為500kg/cm2，沖擊強(qiáng)度和耐磨性能也都較好。同時(shí)它還具有極好的耐氣候性，在波長(zhǎng)為200～400nm的紫外線下照射一年，其性能基本不變。PVDF分離膜，已成功地應(yīng)用于化工、電子、紡織、食品、生化等領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：pH耐受范圍寬，可以達(dá)到1～13甚至更寬；抗氧化能力極強(qiáng)，可經(jīng)受苛刻的氧化清洗條件；可耐烴類、酯類、醇類、醚類等絕大多數(shù)化學(xué)溶劑；耐生物降解；與聚醚砜類似，PVDF的也是疏水性，可以經(jīng)過(guò)多種方式進(jìn)行親水改性。改性后其親水性可以達(dá)到相當(dāng)令人滿意的程度。

常用合成高分子膜材料比較

超濾用于地表水、工業(yè)水處理或反滲透預(yù)處理時(shí)，對(duì)于材質(zhì)的關(guān)心主要集中在兩個(gè)方面：

首先是化學(xué)穩(wěn)定性，其次是親水性?；瘜W(xué)穩(wěn)定性決定了材料在酸堿、氧化劑、微生物等的作用下的壽命，還直接關(guān)系到清洗可以采取的方法；親水性則決定了膜材料對(duì)水中有機(jī)污染物的吸附程度，直接影響膜的通量。膜材料特性

由于地表水、市政污水、各種工業(yè)污水中多含有較多的藻類、細(xì)菌等微生物，必須考慮在膜系統(tǒng)中加入次氯酸鈉、二氧化氯、雙氧水等殺菌劑，以抑制微生物生長(zhǎng)繁殖；微生物和有機(jī)污染往往是造成膜污染的主要原因，氧化劑清洗是膜通量恢復(fù)的有效手段，膜材料的耐氧化劑性能顯得尤為重要。與PE、PAN、PES等膜材料相比，PVDF膜材料具有優(yōu)良的耐氧化劑性能，其耐氧化劑（耐余氯可達(dá)4.8mg/(kg·h)的能力是PES等材料的10倍以上。膜材料污染源PVDF材料與PES等材料相比，其耐受氧化劑清洗的能力更強(qiáng)。因而便于清洗，污堵后經(jīng)過(guò)清洗可以能夠更好的恢復(fù)性能并長(zhǎng)期保持通量穩(wěn)定。

對(duì)于常見的酸堿化學(xué)試劑的耐受能力依次為PVDF>PES>PVC>PE>PP>PS。

對(duì)于常見的氧化劑的耐受能力依次為PVDF>PES>PVC>PE>PP～PS。

對(duì)于常見的有機(jī)溶劑的耐受能力依次為PVDF>PES>>PVC～PE～PP>PS。膜材料穩(wěn)定性比較化學(xué)穩(wěn)定性的比較親水性比較膜材料接觸角纖維素12°~45°聚醚砜44°~81°聚丙烯108°聚砜38°~81°PDVF30°~66°不同公司超濾膜材料的接觸角數(shù)據(jù)注：不同產(chǎn)品，不同人測(cè)試結(jié)果差異較大。有些膜材料可能經(jīng)過(guò)親水改性。親水性/非親水性膜的比較非親水性膜膠體油蛋白膠體油蛋白雜質(zhì)在膜表面狀態(tài):附著膠體油蛋白過(guò)濾反洗親水性膜膠體油蛋白膠體油蛋白雜質(zhì)在膜表面狀態(tài):聚結(jié)成球狀反洗膠體油蛋白過(guò)濾無(wú)機(jī)材料種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前有孔徑>0.1um微濾膜和截留>1萬(wàn)相對(duì)分子質(zhì)量的超濾膜，其中以陶瓷

材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、

氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向上不對(duì)稱優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑。缺點(diǎn)：不易加工，造價(jià)高。復(fù)合材料種類：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介質(zhì)表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。優(yōu)點(diǎn)：此膜的通透性大，通過(guò)改變pH值容易形成和去除沉淀層，清洗容易。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。三、膜的性能

膜的分離透過(guò)性包括分離效率、滲透通量和通量衰減系數(shù)三個(gè)方面：1.分離效率式中：cb、cp、cm分別為料液、透過(guò)液、膜表面上溶質(zhì)的濃度，濃度單位為kg/m3。2.滲透通量

用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積的透過(guò)量表示。單位為kg/m2·s。3.通量衰減系數(shù)

由于濃差極化、膜壓實(shí)及膜污染等原因，膜的滲透通量將隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減少。滲透通量與時(shí)間的關(guān)系可以用下式來(lái)表示：

式中：J0為初始時(shí)刻的滲透通量；Jθ為時(shí)間θ的滲透通量；m為衰減系數(shù)。四、膜的結(jié)構(gòu)特性1.膜的孔道結(jié)構(gòu)按膜的結(jié)構(gòu)分為：

對(duì)稱膜(SymmetricMembrane)

非對(duì)稱膜(AsymmetricMembrane)

復(fù)合膜(CompositeMembrane)均質(zhì)膜非對(duì)稱性膜微孔對(duì)稱性膜常見膜結(jié)構(gòu)鋁膜納米管膜聚酰胺轉(zhuǎn)相膜掃描電鏡圖表面SEM橫切面SEM過(guò)濾器類型:PallFiltronOmega系列300K2.膜的孔道分布

膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾和微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過(guò)電子顯微鏡直徑觀察。

孔徑分布

圖9-20Millipore公司PTGC超濾膜的孔徑分布102030402468101214相對(duì)分布/%優(yōu)質(zhì)超濾膜的表征孔分布窄（如圖中紅線），沒(méi)有大孔缺陷（如圖中陰影部分）A：為質(zhì)量好的超濾膜；B：為質(zhì)量差的超濾膜實(shí)際應(yīng)用中的。

具體表現(xiàn)A：膜形成表面污染，透量易恢復(fù)；B：膜易形成孔污染，透量不易恢復(fù)。A：膜透量衰減的慢；B：膜衰減的快?？追植糀B50,000150,0000.2μm

孔徑3.水通量

膜的另外一個(gè)特性是其純水的透過(guò)通量，統(tǒng)稱水通量。水通量是在一定條件下（一般壓力為0.1MPa，溫度為20℃）單位時(shí)間透過(guò)膜的純水量。影響膜的水通量因素有：1.膜污染2.膜孔徑（MF膜）或截留相對(duì)分子質(zhì)量（UF膜）3.膜材料透膜壓差4.不同生產(chǎn)廠商水通量：大量的實(shí)驗(yàn)證明，膜孔徑越大，通量下降速度越快，大孔徑微濾膜的穩(wěn)定通量比小孔徑小，有時(shí)候甚至微濾通量比超濾膜還要小。

SDI:超濾膜也要比微濾膜要好的多，如下圖所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，超濾后的水質(zhì)SDI（污染指數(shù)）指數(shù)均低壓微濾，這說(shuō)明了超濾后的水質(zhì)在運(yùn)行過(guò)程中均要好于微濾的水質(zhì)。4.膜組件

(1)管式膜組件管式膜是將膜固定在內(nèi)徑10~25mm，長(zhǎng)約3m的圓管狀多孔支撐體（支撐體的結(jié)構(gòu)一般為多孔的不銹鋼、陶瓷或塑料罐）上，10~20根管式膜并聯(lián)，管式膜直徑通常為6~24mm，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。

(2)中空纖維（毛細(xì)管）式膜組件

中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)萬(wàn)根中空纖維膜固定在圓管形容器內(nèi)構(gòu)成，其最大的特點(diǎn)就是有極高的膜填充密度。嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為40~80μm的膜稱為中空纖維膜，而內(nèi)徑為0.25~2.5mm的膜稱為毛細(xì)管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。毛細(xì)管膜的耐壓能力在1.0MPa以下，主要用于超濾和微濾；中空纖維膜的耐壓能力較高，常用于反滲透。

中空纖維式膜組件(3)板框式膜組件

平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機(jī)相似，由多枚圓形或長(zhǎng)方形平板膜以1mm左右的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或?yàn)V液流動(dòng)。平板膜組件比管式膜組件比表面積大很多。

(4)螺旋卷繞式膜組件

在卷繞式膜組件中，一個(gè)（或者多個(gè)）膜袋與由塑料制成的隔網(wǎng)配套，按螺旋形式圍著滲透物收集管卷繞。膜袋是由兩層膜構(gòu)成的，每?jī)蓪幽ぶg設(shè)有多孔的塑料網(wǎng)狀織物（滲透物隔網(wǎng)）。膜袋有三面是封閉的，第四面(即敞開的那一面)接到帶有孔的滲透物收集管上。原料溶液從端面進(jìn)入，按軸向流過(guò)膜組件，而滲透物在多孔支撐層中按螺旋形式流進(jìn)收集管。

第三節(jié)膜分離技術(shù)

利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過(guò)的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液與純水或緩沖液分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（例如無(wú)機(jī)鹽）透向純水或緩沖液的一側(cè)，另外一側(cè)中的水透向高分子溶液的一側(cè)，這就是透析。透析與滲透最大的不同點(diǎn)在于，透析除了水分子可以通過(guò)以外，小分子物質(zhì)如無(wú)機(jī)鹽等也可以通過(guò)，然而滲透僅僅只有水分子能通過(guò)，小分子物質(zhì)如離子等都會(huì)被截留。1.透析

(1)透析的原理mol/(m2·s)其中，k0為包括膜內(nèi)擴(kuò)散和膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力在內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)，與操作的溫度、膜材料及溶質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

c1和c2分別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度。

增加傳遞速率的方法：

①適當(dāng)?shù)奶岣邷囟葋?lái)增加傳質(zhì)系數(shù)；②更換透析液，目的是降低c2的濃度；③比表面積較大的中空纖維透析裝置。(2)透析的傳遞(3)透析的應(yīng)用

目前透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫鹽。如在蛋白質(zhì)的提取中，往往會(huì)用到鹽析法

。

常用的半透膜是玻璃紙或稱賽璐玢紙、火棉紙和其他改型的纖維素材料。

圖9-7透析裝置522.超濾、微濾

這個(gè)式子最重要的特征是J與△P成正比，J與1/μ成正比。其中的比例常數(shù)只由膜的特性決定，可以用水做實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

滲透通量與壓差幾乎成正比，與上式較吻合，然而流速對(duì)通量幾乎無(wú)影響，說(shuō)明濃差極化的影響很小。(1)超濾、微濾的傳遞【例1】對(duì)XM100A超濾膜進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定其平均孔徑為1.75×10-8m，每平方厘米上有孔3×109個(gè)，皮層厚0.2μm。試估算膜的開孔率及在100kPa壓差、20℃下的水通量。解：①膜的開孔率②水通量(2)超濾截留相對(duì)分子質(zhì)量通過(guò)測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量不同的球形蛋白質(zhì)或水溶性聚合物得截留率，可獲得膜的截留率與溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量之間關(guān)系的曲線，即截留曲線。一般將在截留曲線上截留率為0.90（90%）的溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量定義為膜的截留相對(duì)分子質(zhì)量（MWCO）。在理想的情況下，超濾膜的截留曲線應(yīng)為通過(guò)橫坐標(biāo)MWCO的一條垂直線，相對(duì)分子質(zhì)量小于MWCO的溶質(zhì)截留率為0，大于MWCO的溶質(zhì)截留率為1。但實(shí)際上，膜孔徑均有一定的分布范圍，孔徑分布范圍較小則截留曲線較陡直，反之則斜坦。截留率R＞0.9

在選擇超濾膜濃縮時(shí)，最為重要的選擇就是對(duì)超濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量（MWCO）的選擇，應(yīng)以下兩個(gè)因素：①膜相對(duì)分子質(zhì)量的選擇曲線；②使用一段時(shí)間后（一年左右），膜孔開始變大，分選曲線向右漂移情況。膜MWCO選擇的常用因素如下：

X=欲濃縮物質(zhì)平均相對(duì)分子質(zhì)量/濾膜截留相對(duì)分子質(zhì)量

X一般取3~6，當(dāng)處理物流價(jià)值很高時(shí)，即希望100%回收時(shí)，應(yīng)盡量選用X=6?！纠?】對(duì)白蛋白回收用濾膜MWCO選擇時(shí)，白蛋白平均相對(duì)分子質(zhì)量為67000道爾頓，取X=6，則膜MWCO=67000/6=10000道爾頓，所以目前世界上大部分著名的白蛋白生產(chǎn)廠家，如Baxter、Armour、Miles等選用Pall公司的超濾膜，所選用的MWCO=10000道爾頓。56蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜△P出背壓閥(3)超濾的應(yīng)用：△P進(jìn)透出液截留液

當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時(shí)，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其他小相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)透過(guò)具有不對(duì)稱微孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達(dá)到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。當(dāng)系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力小時(shí)，膜片在彈簧彈力的作用下堵塞管路；當(dāng)系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力大時(shí)，膜片壓縮彈簧，管路接通

外壓式：

主要針對(duì)雜質(zhì)較多的流體。內(nèi)壓式：

方便清洗、控制3.反滲透(1)反滲透的基本原理滲透與反滲透

RO膜無(wú)明顯的孔道結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其透過(guò)機(jī)理尚不十分清楚。目前有優(yōu)先吸附、毛細(xì)管流動(dòng)理論和溶解-擴(kuò)散理論，其中以溶解-擴(kuò)散模型最為簡(jiǎn)單實(shí)用。

(2)反滲透的傳遞式中：A―溶劑透過(guò)系數(shù)，它只與膜的特性和溫度有關(guān)。這個(gè)公式中的（△P-△π）可視作為有效壓差。

溶質(zhì)的質(zhì)量流量：

式中：B為溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，B只與溶質(zhì)的性質(zhì)、膜材料的性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與壓力的相關(guān)性不大?！鱟2為膜兩側(cè)溶液中溶質(zhì)的濃度差。溶劑的質(zhì)量流量：

溶質(zhì)的濃度比：

因此，提高反滲透操作壓力有利于實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮

Js和Jw的關(guān)系可以由穩(wěn)定時(shí)溶質(zhì)的物料衡算得到。由滲透過(guò)膜的滲透液（溶液）體積相等作為衡算的基準(zhǔn)，即假設(shè)單位時(shí)間、單位面積上流過(guò)的滲透體積量(m3)相等：式中：V為透過(guò)液體積，Cw2

為溶劑在透過(guò)液中的濃度(kg/m3)。如果透過(guò)液較稀，Cw2近似為溶劑的密度，特別是對(duì)于分離率較高(R＞0.9)的膜，Cw2更接近于溶劑的密度。

其中，F(xiàn)的單位為Pa-1，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。R值越大，反滲透對(duì)溶劑和溶質(zhì)的分離效果越好。令：【例9-2】反滲透實(shí)驗(yàn)中，原液為25℃的NaCl水溶液，濃度為3.5kg/m3，密度為999.5kg/m3，滲透壓為280kPa，反滲透壓差為3.0MPa。所得透過(guò)液密度為997kg/m3，滲透壓為8.10kPa。滲透率常數(shù)A=3.5×10-9kg/（Pa·m2·s），B=2.5×10-7m/s。求水和NaCl透過(guò)膜的速率，溶質(zhì)分離率和透過(guò)液的濃度。解：①溶劑水的透過(guò)膜速率A=3.5×10-9kg/（Pa·m2·s）；△p=3.0×106Pa△π=0.28×106－0.0081×106=0.272×106PaJw=3.5×10-9×（3.0-0.272）×106=9.548×10-3kg/(m2·s)

②溶質(zhì)的分離率Cw2≈ρ=997kg/m3(透過(guò)液密度)③透過(guò)液的濃度已知：

c1=3.5kg/m3c2=0.091kg/m3④溶質(zhì)的透過(guò)速率△c2=(c1-c2)=3.409kg/m3一是操作的pH，所控制的范圍為3.0~10.0，最佳使用的pH范圍為6.5~7.0；二是操作時(shí)自由氯含量，必須控制在0.1mg/kg以下，以延長(zhǎng)膜的使用周期；三是進(jìn)水溫度，一般不能超過(guò)50℃，最佳進(jìn)水溫度為20~25℃。

(3)反滲透的應(yīng)用

反滲透、超濾和微孔過(guò)濾技術(shù)的原理和操作特點(diǎn)比較分離技術(shù)類型反滲透超濾微孔過(guò)濾膜的形式表面致密的非對(duì)稱膜、復(fù)合膜等非對(duì)稱膜，表面有微孔微孔膜膜材料纖維素、聚酰胺、PVDF等聚丙烯腈、聚砜、PVDF等纖維素、PVC等操作壓力/MPa2～1000.1～0.50.01～0.2分離的物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量小于500的小分子物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量大于500的大分子和細(xì)小膠體微粒0.1～10μm的粒子分離機(jī)理非簡(jiǎn)單篩分，膜的物化性能對(duì)分離起主要作用篩分，膜的物化性能對(duì)分離起一定作用篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)對(duì)分離起決定作用水的滲透通量/[m3/(m2·d)]0.1～2.50.5～520～2004.電滲析

(1)電滲析原理電滲析是基于離子交換膜對(duì)陰陽(yáng)離子的選擇型，在直流電場(chǎng)得作用下使陰陽(yáng)離子分別透過(guò)相應(yīng)的膜以達(dá)到分離的目的的一種分離方法。電滲析的兩個(gè)基本條件：一是直流電的電勢(shì)差；二是具有選擇性透過(guò)的離子交換膜。

電滲析裝置基本結(jié)構(gòu)電滲析中的電化學(xué)過(guò)程電滲析的推動(dòng)力－電位差電極反應(yīng)膜電位電阻電流陽(yáng)極陰極5.滲透汽化滲透汽化的原理是在滲透汽化膜（疏水膜）的一側(cè)通入料液，另外一側(cè)（透過(guò)側(cè)）抽真空或通入惰性氣體，使兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴(kuò)散通過(guò)膜，在透過(guò)側(cè)發(fā)生汽化，汽化的溶質(zhì)被膜裝置內(nèi)外設(shè)置的冷凝器回收。

1、控溫裝置（水浴循環(huán)，37℃）2、加料槽3、電動(dòng)攪拌器4、發(fā)酵罐5、恒流泵6、轉(zhuǎn)子流量計(jì)7、滲透汽化膜組件8、冷凝器9、干燥器和緩沖罐10、真空計(jì)11、油泵

乙醇發(fā)酵與滲透汽化在硅橡膠膜生物反應(yīng)器中的耦合強(qiáng)化

6.氣體分離氣體分離膜又稱為致密膜，其結(jié)構(gòu)較為致密。其分離原理與滲透汽化原理相似，兩者都是采用致密膜，無(wú)明顯的孔隙。對(duì)組分的分離都是利用其選擇透過(guò)性的不同而進(jìn)行分離的。氣體分離的特點(diǎn)是分離系數(shù)較高，但滲透系數(shù)較低。制膜的材料主要有硅橡膠膜，適用于氣體分離和滲透蒸發(fā)，目前在食品工業(yè)中，主要用于氣調(diào)保鮮。第四節(jié)

影響膜透過(guò)通量的因素

傳統(tǒng)的過(guò)濾操作主要用濾布為過(guò)濾介質(zhì)，采用終端過(guò)濾(Dead-endfiltration)形式回收或除去懸浮物，料液流向與膜面垂直，膜表面的濾餅阻力大，透過(guò)通量很低。目前的超濾和微濾操作主要采用圖所示的錯(cuò)流過(guò)濾(Cross—flowfiltration，CFF)形式。錯(cuò)流過(guò)濾操作中，料液的流動(dòng)方向與膜面平行，流動(dòng)的剪切