膜分離材料張媛媛

膜分離材料張媛媛第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一1.膜分離技術(shù)的概念

膜分離技術(shù)是指以膜兩側(cè)的能量差為推動力，依靠膜的選擇性，將液體中的組分進行分離的方法。膜分離法的核心是膜本身，膜必須是半透膜，即能透過一種物質(zhì),而阻礙另一種物質(zhì)。第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一2.膜分離技術(shù)的發(fā)展歷程1748年，Nelkt發(fā)現(xiàn)誰能自發(fā)的擴散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。19世紀，人們對溶劑的滲透現(xiàn)象有了明確認識，發(fā)現(xiàn)天然橡膠對某些氣體的不同滲透率，提出利用多孔膜分離氣體混合物的思路。1855年，F(xiàn)ick用陶瓷管侵入硝酸纖維素乙醚溶液制備囊袋型超濾半滲透膜，用以滲透生物學流體溶液。1907年，Bechhold指出濾膜孔徑可以用改變火膠棉溶液的溶度來控制，從而可制出不同孔徑的膜，并列出相應(yīng)過濾顆粒物質(zhì)梯級表。1918年，Zsigmondy等人提出了商品規(guī)模生產(chǎn)硝酸纖維素微孔濾膜的方法，1921年獲的專利。第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一

30年代微孔過濾，分離和富集微生物和極細粒子。

40年代出現(xiàn)了基于滲析原理的人工腎。

50年代電滲析獲得工業(yè)應(yīng)用。

60年代研制成功醋酸纖維素非對稱膜和中空醋酸膜，這是在膜分離技術(shù)發(fā)展中兩個重大突破，對膜分離技術(shù)起了重要推動作用使反滲透，超濾和氣體分離進入實用性階段。70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一3.常見的膜分離方法3.1根據(jù)分離粒子大小分類：①滲析（Dialysis，DS）②電滲析（Electrodialysis，ED

）③反滲透（Reverseosmosis，RO

）④微濾（Microfiltration，MF）⑤超濾（Ultrafiltration，UF

）⑥納濾（Nanofiltration，NF

）⑦滲透氣化（Pervaporation，PV）第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一3.2根據(jù)溶質(zhì)或溶液透過膜的推動力分類①以電動勢為推動力：電滲析和電滲透②以濃度差為推動力：擴散滲析和自然滲透③以壓力差為推動力：壓滲析和反滲透、超濾其中常用的是電滲析、反滲透和超濾，其次是擴散滲析和微孔過濾。第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一4.膜分離過程的類型

分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒，分子，離子等?；蛘哒f物質(zhì)的分離是通過膜的選擇透過性實現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及傳遞機理如下：第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.膜材料5.1滲析

作用機理:滲析以濃度差為推動力的膜分離操作，利用膜對溶質(zhì)的選擇透過性,實現(xiàn)不同性質(zhì)溶質(zhì)的分離。即利用半透膜能透過小分子和離子但不能透過膠體粒子的性質(zhì)從溶膠中除掉作為雜質(zhì)的小分子或離子。滲析過程中滲析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴散的形式移動。第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一滲析原理圖水分子大分子小分子滲析膜第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一·滲析法的應(yīng)用常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類的小分子雜質(zhì)，有時也用于置換樣品緩沖液。由于滲析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程、但在實驗室中應(yīng)用較多。滲析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液滲析。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.2電滲析作用機理：電滲析是一種電化學過程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過程。利用帶電離子或分子的傳導電流的能力；膜是導電的，允許帶正電荷通過的陽離子交換膜、允許帶負電荷通過陰離子交換膜。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一電滲析分離原理圖第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一

電滲析應(yīng)用

工業(yè)上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理生物分離中可用于氨基酸和有機酸等小分子的脫鹽和分離純化。第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.3反滲透作用機理：利用反滲透膜選擇性的只能通過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動力，克服滲透壓，使溶劑通過反滲透膜實現(xiàn)對液體混合物進行分離的過程反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱為濃縮液。操作壓差一般為1.5～10.5MPa，截留組分為小分子物質(zhì)。第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一反滲透法分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用滲透和反滲透第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一反滲透法應(yīng)用：◆海水和苦咸水脫鹽制飲用水；◆制備醫(yī)藥、化學工業(yè)中所需的超純水；◆用于處理重金屬廢水◆用于濃縮過程，不會破壞生物活性，不會改變風味、香味。包括：食品工業(yè)中果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮；奶品工業(yè)中牛奶的濃縮。第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一反滲透膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.4微濾作用機理：微濾（MF）是利用微孔膜孔的篩分作用，在靜壓差的推動下，將濾液中大于膜孔徑的微粒、細菌及懸浮物質(zhì)等截留下來，達到除去濾液中微粒與澄清溶液的目的。微濾的孔徑：0.05～10m，孔隙率達到70-80％操作壓差：0.01～0.2MPa第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一微濾應(yīng)用

1)除去水/溶液中的細菌和其它微粒；

2)除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等多種溶液中的菌體；

3)除去飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.5超濾作用機理：超濾又稱超過濾，用于去除廢水中大分子物質(zhì)和微粒。超濾之所以能夠節(jié)流大分子物質(zhì)和微粒，其機理是：膜表面孔徑機械篩分作用，膜孔阻塞、阻滯作用和膜表面及膜孔對雜質(zhì)的吸附作用。而一般認為主要是篩分作用。

超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體中溶質(zhì)進行分離的物理篩分過程。其截斷分子量一般為6000到50萬，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一超濾應(yīng)用超濾從70年代起步，90年代獲得廣泛應(yīng)用,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。蛋白、酶、DNA的濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細胞、純化病毒除病毒、熱源第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.6納濾納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟性不斷發(fā)展的新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運行，進而實現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來的。納濾(NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截斷分子量范圍約為MWCO300～1000，能截留透過超濾膜的那部分有機小分子，透過無機鹽和水。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一納米膜的分離機理篩分：對Na+和Cl-等單價離子的截留率較低，但對Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，對色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２00-1000）物質(zhì)可進行分級分離，實現(xiàn)高相對分子量和低相對分子量有機物的分離，道南（Donnan）效應(yīng)：納濾膜本體帶有電荷性，對相同電荷的分子（陽離子）具有較高的截留率。低壓力下仍具有較高脫鹽性能；分離分子量相差不大但帶相反電荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一納濾膜分離機理示意圖第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一納濾的應(yīng)用行業(yè)處理對象行業(yè)處理對象制藥工業(yè)母液中有效成分的回收抗菌素的分離純化維生素的分離純化氨基酸的脫鹽與純化化工行業(yè)酸堿純化、回收電鍍液中銅的回收食品工業(yè)脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備水的脫鹽、高純水、地下水的凈化染料工業(yè)活性染料的脫鹽與回收廢水處理印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一5.7滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)原理它是利用膜與被分離有機液體混合物中各組分的親合力不同（料液側(cè)為疏水膜），而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴散速度不同，在膜兩側(cè)分壓差的作用下達到分離的目的。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一滲透蒸發(fā)原理示意圖滲透蒸發(fā)膜混合液疏水膜抽真空第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一滲透應(yīng)用：有機溶劑脫水、水的凈化、有機混合物分離，低醇酒生產(chǎn)。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一6.幾種膜分離技術(shù)的適用范圍過程膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動力應(yīng)用對象實例微濾對稱微孔膜0.05~10μm壓力差消毒、澄清收集細胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細胞收集超濾不對稱微孔膜１~５0nm壓力差大分子物質(zhì)分離蛋白質(zhì)的分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復合膜＜1nm壓力差Donna效應(yīng)小分子物質(zhì)分離糖/二價鹽/游離酸的分離反滲透致密膜、復合膜＜1nm壓力差小分子物質(zhì)濃縮單價鹽/非游離酸的分離滲析對稱的或不對稱的膜濃度差小分子有機物/無機離子除小分子有機物或無機離子