第六章 膜分離

第三部分均相體系分離技術(shù)第六章膜分離技術(shù)6.1概述

從20世紀(jì)初到20世紀(jì)90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、化工與石油化工、電子、冶金、國防……等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年30％的速度遞增著。

膜是什么？膜是兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間，簡單地說，膜是分隔開相的一個薄的障礙層。

膜可以是固相、液相、甚至是氣相的。用各種天然或人工材料制造出來的膜品種繁多，在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)上呈現(xiàn)出各種各樣的特性。⑴定義

膜分離（MembraneSeparation）：是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在膜兩側(cè)一定推動力的作用下，使原料中的某組分選擇性地透過膜，從而使混合物得到分離的一種技術(shù)手段。

膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，上世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。1960年Loeb和Sourira-jan制備出第一張具有高透水性和高脫鹽率的不對稱反滲透膜是膜分離技術(shù)發(fā)展的一個里程碑，⑵膜的功能與應(yīng)用濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。海水淡化城市廢水資源化工業(yè)廢水處理水資源傳統(tǒng)工業(yè)制藥食品化工與石化冶金電子天然氣生物質(zhì)利用能源燃料電池生態(tài)環(huán)境除塵CO2

控制潔凈燃燒膜技術(shù)膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域表6.1

膜技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用國防工業(yè)水處理醫(yī)藥及保健化學(xué)工業(yè)食品及生化工業(yè)造紙工業(yè)紡織及制革工業(yè)金屬工藝工業(yè)領(lǐng)域艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化有機(jī)物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收余熱回收；藥劑回收；污染控制金屬回收；污染控制；富氧燃燒

應(yīng)用舉例發(fā)酵液澄清細(xì)胞分離與收集酶、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的濃縮與精制抗生素的回收及純化氨基酸類制品的濃縮除菌、除熱源反應(yīng)－分離耦合過程高濃度有機(jī)廢水的處理膜分離在生物與制藥工業(yè)的應(yīng)用

膜技術(shù)用于生物產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)例650kcal/l130kcal/l7%乙醇1380kcal/l42%乙醇93%乙醇99.8%乙醇980kcal/l350kcal/l纖維素發(fā)酵蒸餾蒸餾脫水透醇膜60%乙醇99.8%乙醇透水膜傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本圖6.1乙醇生產(chǎn)中膜技術(shù)應(yīng)用示意圖膜生物反應(yīng)器取代間歇發(fā)酵提高反應(yīng)效率15-80倍。滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60％。生產(chǎn)裝置總投資僅為傳統(tǒng)方法總投資的40-80%

。膜技術(shù)分類

人類最早認(rèn)識和應(yīng)用的是生物膜—動物的膀胱。到現(xiàn)代膜已發(fā)展成為一個龐大的家族，按不同依據(jù)分成不同類別。⑶膜技術(shù)分類

按膜的性質(zhì)分類生物膜(原生質(zhì)、細(xì)胞膜)無機(jī)膜金屬膜陶瓷膜玻璃膜沸石

按膜組件結(jié)構(gòu)分類對稱膜(微孔膜、均質(zhì)膜)非對稱膜復(fù)合膜對稱性板式膜管式膜螺旋卷式膜中空纖維膜構(gòu)造型式圖6.2

膜不同結(jié)構(gòu)示意圖

按的應(yīng)用分類 微濾(micro-filtration,MF)

超濾(untra-filtration,UF)

反滲透(reverseosmosis,RO)

透析(Dialysis,DS)

電透析(electro-dialysis,ED)

納米膜分離(NF)

親和過濾(affinityfiltration,AF)

滲透氣化(pervaporation,PV

按膜作用分類擴(kuò)散力--透析膜靜壓力微濾膜超濾膜納濾膜反滲透膜蒸汽壓力膜蒸餾滲透蒸餾電場力電滲析膜離子交換膜6.2膜分離原理透過物截留物膜推動力圖6.3

膜分離原理示意圖

靜壓力壓力濃度差

汽壓差電場力?

膜分離技術(shù)本質(zhì)上屬于過濾。⑴錯流過濾當(dāng)待分離液給過濾介質(zhì)表面一個大流量的平等沖刷時，則過濾介質(zhì)表面積累的截留物就會減少到可以忽略的程度，而穿過過濾介質(zhì)的流速卻比較小。這種過濾方式稱為錯流過濾或切向流過濾。傳統(tǒng)過濾的濾液垂直于過濾介質(zhì)，過濾阻力主要來自濾餅。錯流過濾打破了傳統(tǒng)過濾的機(jī)制，即液體流向和濾膜相切。★在壓力推動下，懸浮液高速在濾膜的內(nèi)壁作切向流動，利用流動的剪切作用將過濾介質(zhì)表面的固體截留物移走，從而不致在濾膜上形成厚的濾餅，因而能在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過濾速度。★膜技術(shù)分離過程大多運(yùn)用的是錯流過濾。過濾介質(zhì)截留液濾液料液介質(zhì)圖6.4

錯流過濾原理示意圖

錯流過濾與傳統(tǒng)過濾的主要差別：

★

過濾介質(zhì)是高分子或無機(jī)材質(zhì)薄膜；★需用泵循環(huán)料液，不形成干濾餅。

錯流過濾特點(diǎn)：收率高（97-98%）濾液質(zhì)量好處理步聚少染菌罐也能進(jìn)行處理，易進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)介質(zhì)阻力大不能得到干濾餅需要大的膜面積目前適用于小分子的分離

壓力★反滲透、納濾、超濾、微濾均為壓力推動的膜過程，即在壓力的作用下，溶劑及小分子通過膜，而鹽、大分子、微粒等被截留，其截留程度取決于膜結(jié)構(gòu)。★壓力過濾的分離范圍0.0004---0.02μm

---10μm

----1000μm

離子大分子

顆粒⑵膜分離的推動力0.0001~0.001μm>0.001μm0.001~0.02μm0.02~10μm圖

6.5壓力推動的膜濾分離示意圖膜過程截留物

電場力：在電場作用下采用帶電的離子交換膜，允許陰、陽離子通過，可用于溶液去除離子。電場力推動的膜分離稱電滲析。

擴(kuò)散力：當(dāng)膜的兩邊存在濃度差時，擴(kuò)散力推動透過膜趨向達(dá)到濃度平衡，即透析。

蒸汽壓：在膜兩側(cè)有濃度差且能汽化時，原料液中的易滲透組分通過膜并汽化，液、氣擴(kuò)散推動實(shí)現(xiàn)原液混合物的分離，這就是膜蒸餾。6.3膜性能與表征?

膜的基本性能主要從膜自身穩(wěn)定性和分離功能特性(透過性)兩方面體現(xiàn)。⑴膜的物化穩(wěn)定性空隙率孔結(jié)構(gòu)表面特性機(jī)械強(qiáng)度化學(xué)穩(wěn)定性耐壓性耐高溫性耐生物降解性兩者對使用中膜的污染、滲透效率及分離性能具有很大的影響適宜pH范圍抗氧化性抗水解性⑵膜的功能特性與表征?

膜的功能特性指膜的透過選擇性，其性能可從以下4個方面表征：①截留率R

R=

即膜阻攔物質(zhì)濃度占其總濃度的百分率。②透過速率（通量）

指單位時間、單位膜面積透過物的量，反映的是產(chǎn)能，常用單位kmol/(m2·s)。③截留物分子量

一般取截留率為90%的物質(zhì)的分子量為膜的截留物分子量。④通量衰減由于過程的濃差極化、膜的壓力及膜孔堵塞等原因造成的膜滲透通量隨時間減小的程度。⑶膜分離技術(shù)特點(diǎn)?優(yōu)點(diǎn)：①無相變發(fā)生，能耗低；②一般無需外加入其他物質(zhì)，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境；③可以實(shí)現(xiàn)分離與濃縮、分離與反應(yīng)同時進(jìn)行，從而大大提高效率；④常溫常壓下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；⑤膜分離設(shè)備本身沒有運(yùn)動的部件，可靠性高，操作、維護(hù)都十分方便；⑥膜組件簡單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，易控制、易放大，處理能力和規(guī)模選擇性強(qiáng)。⑦不僅適用于從病毒、細(xì)菌到微粒廣泛范圍的有機(jī)物或無機(jī)物的分離，而且還適用于特殊溶液體系的分離如共沸物的分離；⑧體積小，占地少。?不足：膜強(qiáng)度較差，使用壽命不長，易被污染。?膜應(yīng)該滿足的特性膜應(yīng)具有較大的透過速度和較高的選擇性.機(jī)械強(qiáng)度好耐化學(xué)試劑、不被細(xì)菌侵襲耐熱、可以高溫滅菌價廉等?！锔鞣N膜設(shè)備或稱膜分離裝置主要由膜組件、泵、過濾器、儀表及管路等構(gòu)成?！锬そM件是一種將膜以某種形式組裝在一個基本單元設(shè)備內(nèi)，然后在外界驅(qū)動力的作用下實(shí)現(xiàn)對混合物中各組分分離的器件?！镌谀し蛛x工業(yè)裝置中，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的需要，一般可設(shè)置數(shù)個乃至數(shù)千個膜組件。6.4膜材料與組件(設(shè)備)

天然高分子材料★種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維?！飪?yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，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?！锶秉c(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和pH范圍有限，在45-50

C，pH3-8。⑴有機(jī)材料膜Ⅰ.膜材料

合成高分子材料★種類：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超濾膜?！飪?yōu)點(diǎn)：耐高溫(70-80

C，可達(dá)125

C)，pH1-13，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑寬(1-20nm)；聚酰胺膜的耐壓較高，對溫度和pH穩(wěn)定性高，壽命長，常用于反滲透?！锶秉c(diǎn)：但聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5-1.0MPa。殼聚糖，聚電解質(zhì)等其他聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等含氟(硅)類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等聚酯、烯烴類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酰(亞)胺類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚砜類非纖維素酯類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等纖維素衍生物類纖維素酯類舉

例膜材料類

別表6.2常用高分子膜材料類型⑵無機(jī)材料膜

主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實(shí)用化有孔徑>0.1um微濾膜和截留>10ku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)而成不對稱膜。無機(jī)膜的研究始于1940年，與有機(jī)材料膜相比具有以下特點(diǎn)：①耐高溫：無機(jī)膜的使用溫度可高于400℃，甚至可達(dá)800℃，因此特別適合于高溫操作產(chǎn)物的直接分離或人為提高溫度，以用于高粘度流體的分離；另外用于食品和生物工程領(lǐng)域時可直接高溫蒸汽清洗和滅菌。②化學(xué)穩(wěn)定性好：無機(jī)膜能耐酸堿、耐有機(jī)溶劑，適用于較寬的pH范圍，因此可在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中使用，并可采用化學(xué)試劑進(jìn)行清洗；另外無機(jī)膜可用于非水溶液體系的分離。③機(jī)械強(qiáng)度高：無機(jī)膜特別是分離膜一般以載體膜形式制備，其機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于有機(jī)膜，因此可在較高壓力下使用，膜組件及膜微孔不會產(chǎn)生變形和損壞；還可以高壓反沖進(jìn)行再生。④抗微生物能力強(qiáng)：一般不與微生物發(fā)生作用，本身無毒，不污染被分離體系，因此用于食品、生化領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢。⑤孔徑分布范圍較窄、分離效率高。缺點(diǎn)：不易加工，造價高，裝填面積較小，運(yùn)行費(fèi)用偏高。?

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，通過改變pH值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。?缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。

⑶復(fù)合材料膜Ⅱ.膜組件?

性能良好的膜組件應(yīng)滿足以下要求：對膜提供足夠的機(jī)械支撐，可將高壓原料液（氣）和低壓透過液（氣）嚴(yán)格分開；在最小能耗條件下，原料液（氣）在膜面上流動狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化；?膜組件(module)：按一定技術(shù)要求將膜(元件)組裝在一起的組合構(gòu)件。具有盡可能高的裝填密度（單位體積的膜組件中填充膜的有效面積），并使膜的安裝和更換方便；裝置牢固、安全可靠、價格低且易維護(hù)。

膜組件的結(jié)構(gòu)型很多，生產(chǎn)中最常見的是管式膜組件、板框式膜組件、螺旋卷式膜組件和中空纖維膜組件4種。⑴管式(Tubular)膜組件

管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。以多孔不銹鋼管內(nèi)或玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管為支撐，內(nèi)壓式的膜附在管內(nèi)壁上。加壓料液流從管內(nèi)流過,透過液在管外側(cè)被收集。外壓式則膜附在支撐管外表面。加壓的料液流從管外流過,透過液則從支撐管內(nèi)流出。無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都根據(jù)需要設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。1－支撐管2－半透膜3,4－外殼5－透過液6－進(jìn)料液7－出料液圖6.6內(nèi)壓和個壓管式膜組件結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖圖6.7工業(yè)生產(chǎn)中的管式膜設(shè)備實(shí)物圖優(yōu)點(diǎn)：流動狀態(tài)好，流速易控制；安裝、拆卸、換膜和維修均較方便；能處理含有懸浮固體的溶液；機(jī)械雜質(zhì)清除比較容易；合適的流動狀態(tài)可減少濃差極化和污染。缺點(diǎn)：與平板膜比較，管膜的制備條件較難控制；單位體積內(nèi)有效膜面積?。还芸诘拿芊庖脖容^困難。價錢較貴

管式膜的特點(diǎn)⑵板框式(Plate-and-Frame)膜組件

板框式膜組件也稱平板式，它是由許多板和框(plateandframe)重疊組裝在一起組成，膜被放置在多孔支撐板上,兩塊多孔支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個膜單元,單元與單元之間并聯(lián)或串聯(lián)連接。因其外觀類似普通的板框式壓濾機(jī)而得名。它是膜分離歷史上最早問世的膜組件形式。圖6.8板框式膜組件結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖料液截留物支撐網(wǎng)截留物料液透過物

板框式膜組件特點(diǎn)構(gòu)造比較簡單，且可單獨(dú)更換膜片；流道的斷面積可適當(dāng)增大，壓降較小，線速度可達(dá)1~5m/s，且不易被纖維屑等異物堵塞；為促進(jìn)膜組件內(nèi)的湍流效果，不少廠家將原液導(dǎo)流板的表面設(shè)計(jì)成各式凹凸或波紋結(jié)構(gòu)或在膜面配置篩網(wǎng)等物。比表面積大，適合于微濾、超濾。⑶螺旋卷式(SpiralWound)膜組件◆簡稱卷式膜，是將膜、料液通道網(wǎng)、多孔的膜支撐體等組合,也就是按膜~多孔支撐體~膜~隔網(wǎng)依次疊合，繞中心集水管緊密地卷在一起，形成一個膜元件，再裝進(jìn)能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成多種不同的形式。圖6.9螺旋卷式膜組件結(jié)構(gòu)示意圖◆螺旋卷式膜的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的有效面積大（830~1660m2/m3）湍流情況好。制造裝配要求高、工藝復(fù)雜、清洗檢修不方便；不能處理懸浮液濃度較高的料液。可用于微濾、超濾和反滲透。(4)中空纖維(HollowFiber)膜組件

中空纖維式膜是一種極細(xì)的空心纖維管，其本身不需要支撐材料即可耐受很高的壓力，它實(shí)際是一根厚壁的環(huán)柱體，纖維的外徑有的細(xì)如人發(fā)，約為50~200μm，內(nèi)徑為25~42μm。

中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量中空纖維安裝在一個管狀容器內(nèi),兩端與管外殼壁固封制成膜組件。進(jìn)料透過液透過液圖6.10中空纖維膜組件結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖

優(yōu)點(diǎn)：耐高壓；壽命較長（可達(dá)5年）；單位體積內(nèi)的有效膜表面積比率高，可達(dá)到30000m2/m3

；可做成一種效率高、成本低、體積小和重量輕的膜分離裝置；

缺點(diǎn)不足之處是中空纖維膜的制作技術(shù)復(fù)雜，管板制作也較困難，同時不能處理含懸浮固體的料液（如原水）。圖6.11生產(chǎn)型中空纖維膜分離設(shè)備圖表6.2

四種膜組件的優(yōu)、缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域MF、UF和RO、NFUF、RO、NFROMF、UF、NF單級RO應(yīng)用領(lǐng)域需要很多密封；因流體流向轉(zhuǎn)折而造成較大的壓力損失；裝填密度相對較?。ǎ?00㎡/m3）。滲透流體流動路徑較長；難以清洗；膜必須是可焊接或可粘貼的。對堵塞敏感；在某些情況下纖維管中的壓力損失較大。裝填密度?。?00㎡/m3)；需用彎頭連接缺點(diǎn)可更換單對膜片；不易污染；平板膜無需粘合即可使用。結(jié)構(gòu)簡單，造價低；裝填密度相對較高（＜1000㎡/m3）；由于有進(jìn)料分隔板，物料交換效果良好。裝填密度很高；單位膜面積制造費(fèi)用相對較低；耐壓穩(wěn)定性。湍流流動；抗堵塞性好；易于清洗；壓力損失小。優(yōu)點(diǎn)平板式卷式中空纖維管式組件圖6.12

各種膜組件性能定性差別示意圖裝填密度設(shè)備費(fèi)用污染趨勢清洗難易膜更換低高低易可管式板框式卷式中空纖維極高低很高難不可可不可6.5膜分離技術(shù)MF：Micro-filtration微濾UF：Ultra-filtration超濾NF：Nano-filtration納濾D：Dialysis滲析RO：ReverseOsmosis反滲透GS：GasSeparation氣體膜分離PV：Per-vaporation

滲透蒸發(fā)MD：MembraneDistillation膜蒸餾ME：MembraneExtraction膜萃取ED：Electro-dialysis電滲析縮寫⑴微濾(微孔過濾)?

概念：微孔過濾是以靜壓差為推動力，利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。同RO、NF、UF一樣，均屬于壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)。?

特性：微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，孔徑0.05~10μm。操作壓力通常為0.05~0.5MPa。

國內(nèi)外商品化的微孔膜約有13類，總計(jì)400多種。故阻力很小，過濾速度較快。圖6.13微濾膜的各種截留作用示意圖?

原理：微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，比膜孔大的粒子則被阻攔在濾膜面上，使大小不同的組分得以分離，其作用相當(dāng)于“過濾”。?

微孔膜的主要優(yōu)點(diǎn)：①孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為

107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～

80％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；③無吸附或少吸附。微孔膜厚度薄，吸附量很少，可忽略不計(jì)。④無介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。?

微孔膜的缺點(diǎn)：①顆粒容量較小，易被堵塞；②使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。?

應(yīng)用：主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞米級的細(xì)小懸浮物、微生物、微粒、細(xì)菌、酵母、紅血球、污染物等以達(dá)到凈化，分離和濃縮的目的。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的微生物檢測制藥醫(yī)療飲料生物工程超純水飲用水石化環(huán)保廢水處理分析檢測圖6.14微濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域示意圖⑵超濾?概念：與微濾同樣利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動力，主要用于截留固體微粒和高分子溶質(zhì)的技術(shù)。?

原理：超濾過程中溶質(zhì)的截留有在膜表面的機(jī)械截留（篩分）、在膜孔中停留而被除去（阻塞）、在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附（一次吸附）等三種方式。?

操作：操作壓力通常為0.1~1MPa。圖6.15

超濾分離原理示意圖?

特性：超濾膜均為不對稱膜，孔徑0.001～0.05μm。分離分子量從3000到1000000u的可溶性大分子物質(zhì)。?

膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。最上層為表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1~1.5μm，其中細(xì)孔孔徑一般小于10nm；中間層稱過渡層，具有大于10nm的細(xì)孔，厚度一般為1~10μm；最下面的叫支撐層，起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。厚度為50~250μm，具有50nm以上的孔。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。?

應(yīng)用：大分子化合物乳液膠體分散液蛋白質(zhì)核酸聚合物淀粉天然膠酶等黏土顏料礦物料乳液粒子微生物乳液：潤滑脂-洗滌劑油-水乳液圖6.16

超濾法提取血清蛋白工藝流程圖⑶納濾

具有納米級孔徑(平均為2nm)的非對稱膜，截留分子量介于RO和UF之間（200～2000），能使90%的NaCl透過，而使99%蔗糖被膜截留。

NF對極性小分子有機(jī)物的選擇性截留是基于溶質(zhì)分子的尺寸和電荷，在擴(kuò)散、對流、電泳移動性能的共同作用下傳遞通過膜；帶電荷離子選擇性吸附在膜的表面。

納濾操作壓力比RO低，通量比RO大。一般操作壓力差為0.5~2.0MPa（或0.345~1.035MPa）?！?/p>

對于陰離子，截留率為：

NO3-＜Cl-＜OH-＜SO42-＜CO32-☆

對于陽離子，截留率為：

H+＜Na+＜Ca2+＜Mg2+

主要用于飲用水和工業(yè)用水的純化，廢水凈化處理，工藝流體中有價值成分的濃縮等方面。圖6.17頭孢菌素C(7-ACA)膜法純化流程示意圖圖6.18MF、UF和NF過程與關(guān)系示意圖⑷透析與反滲透

將溶液和溶劑用半透膜隔開，并且這種膜只能透過溶劑分子而不能透過溶質(zhì)分子，假定膜兩側(cè)靜壓力相等，則溶劑將在滲透壓的作用下從稀溶液側(cè)透過膜擴(kuò)散到濃溶液側(cè)，這就是以濃度差為推動力的滲透現(xiàn)象。

如果在濃溶液側(cè)施加大于滲透壓的壓力時，則溶質(zhì)分子會在壓力作用下透過膜向稀溶液側(cè)運(yùn)動。這就是反滲透現(xiàn)象。a)C1=C2,p1=p2(b)C1>C2,p1=p2(c)C1>C2,p1>p2(d)C1>C2,p1>p2圖6.19

滲透與反滲透作用原理示意圖

一般反滲透膜微孔尺寸在10A左右，操作壓力為1.0-10.0Mpa,能截留鹽或小分子量有機(jī)物，可使水中離子的含量降低96-99%。

透析是以膜兩側(cè)的濃度差為傳質(zhì)推動力，從溶液中分離出小分子物質(zhì)的過程。在生物分離中主要用于蛋白質(zhì)的脫鹽。

反滲透是在透析膜濃度高的一側(cè)施加大于滲透壓的壓力，利用膜的篩分性質(zhì)，使?jié)舛容^高的溶液進(jìn)一步濃縮。主要應(yīng)用于海水淡化，純水制造，藥物濃縮等。表6.3各種膜過程分離機(jī)理與透過選擇性6.4圖6.20四大壓力推動膜分離圖譜10100反滲透ф：<1nm超濾ф：1~100nm納濾ф：<2nm微濾ф：0.05~10μm過濾ф

＞10μm0.00010.0010.010.110.010.11.010.020.0[MPa]壓差ΔP微?；蚍肿哟笮μm]圖6.21

過濾介質(zhì)孔徑與分子量及操作壓力示意圖6.6膜的濃差極化污染與清洗

除了膜本身，膜分離效率還受操作壓力、料液濃度、溫度及流速等因素的影響。在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象謂之濃度極化或濃差極化。⑴濃差極化（ConcentrationPolarization

）透過液主流濃度圖6.22濃差極化現(xiàn)象示意圖濃差極化是膜分離操作不能逾越的效應(yīng)，是影響膜分離的重要因素。

濃差極化對分離的影響:

①

導(dǎo)致溶劑的滲透壓升高，通量下降；

②

對溶劑滲透通量的增加產(chǎn)生了限制；

③

膜表面上形成沉淀，會堵塞膜孔；

④

會導(dǎo)致膜分離性能的改變；⑤出現(xiàn)膜污染。

減少濃差極化的措施①選擇合適的膜組件結(jié)構(gòu)；②加入紊流器；③料液橫切流向設(shè)計(jì)；④料液脈沖流動；⑤采用螺旋流；⑥提高流速；⑦適當(dāng)提高進(jìn)料液溫度以降低粘度，增大傳質(zhì)系數(shù)；⑧定期清洗膜面等。是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)相互作用或因濃度極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。它與濃差極化有內(nèi)在聯(lián)系，盡管很難區(qū)別，但是概念上截然不同。⑵膜污染(fouling)膜污染也可定義為由于被截留的顆粒、膠粒、乳濁液、懸浮液、大分子和鹽等在膜表面或膜內(nèi)的(不)可逆沉積，這種沉積包括吸附、堵孔、沉淀、形成濾餅等。膜污染與濃差極化兩者現(xiàn)象相近，對膜分離產(chǎn)生的影響也類似。膜污染不僅造成透過通量大幅度下降，還影響產(chǎn)物的回收率。水通量逐步下降（膜通量下降）；通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大（進(jìn)料壓力和△P逐漸增大）；膜對溶解于水中物質(zhì)的透過性逐漸增大（礦物截留率下降）。污染主要發(fā)生在