生化分离工程3膜分离

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1、3.膜分离Membraneseparation是利用特殊制造的、具有选择透过性能的膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。2005-04-041膜分离主要内容3.1膜分离概述3.2膜分离的基本理论3.3膜组件的结构和特点3.4膜分离在生物工程中的的应用3.5液膜分离3.6膜萃取2005-04-042膜分离3.1膜分离概述膜的定义在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。是均匀的一相或是由两相以上凝聚物质所构成的复合体，厚度应在0.5mm以下，具有两个界面；膜还必须具有

2、高度的渗透选择性；面积可以很大，也可以非常微小。2005-04-043膜分离膜分离的基础①根据物理性质的不同根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如过滤（Fitration，F）、微滤（Microfiltration，MF）和超滤（Ultrafiltration，UF）。图3-12005-04-044膜分离②根据化学性质的不同物质通过分离膜的速度取决于溶解速度（从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度）和进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的扩散速度。溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速度除化学性质外还与

3、物质的分子量有关。例如反渗透（ReverseOsmosis，RO）可用于海水淡化。是因为反渗透膜是亲水性的高聚物，水分子很容易进入膜内，而水中的无机盐离子则较难进入。2005-04-045膜分离膜分离过程的推动力表3-1主要膜分离过程的推动力推动力膜过程压力差反渗透、超滤，微滤、气体分离电位差电渗析浓度差透析、控制释放浓度差（分压差）渗透气化浓度差加化学反应液膜、膜传感器2005-04-046膜分离膜分离的特点①分离效能高。②膜分离过程都不发生相变，能耗低。③膜分离过程的工作温度在室温附近，膜分离设备本身没有运动的部件，结构紧

4、凑、维修费用低，易于自动化。④设备体积小，占地少。⑤膜分离设备可以直接插入已有的生产工艺流程。2005-04-047膜分离膜分离存在的问题①在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低；②膜的耐压性、耐热性、耐溶剂是有限的，故应用范围受限制；③仅采用膜分离技术分离效果有限，往往需要与其他分离工艺组合起来使用。2005-04-048膜分离膜分离的应用及市场1950年与膜分离技术相关的工业产品年销售量为500万美元。1981年增加到5亿美元。现在已经超过100亿美元。在大多数企业膜的费用占设备费用的25～40％。根据1990年的统计：美国

5、占55％，日本占18％，西欧占23％。膜分离的种类繁多，它涉及不同的过程和众多的应用领域，要想在应用和市场上取得成功，不仅要有优良的膜及膜组件，而且还需要许多外围部件，包括泵和监控设备这类专门的硬件以及工程、工艺设计和特殊应用技术等软件。2005-04-049膜分离图3-2膜分离市场份额2005-04-0410膜分离膜的分类按膜结构分类对称膜symmetricmembrane非对称膜asymmetricmembrane由Loeb-Sourirajan浸沉相转移法制得。复合膜complexmembrane2005-04-0411

6、膜分离按膜孔径大小分类微滤膜0.025～20µm超滤膜0.001～0.02µm（1～20nm）反渗透膜0.0001～0.001µm（0.1～1nm）纳米过滤膜平均直径2nm。2005-04-0412膜分离按材料分类合成高分子材料主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。聚砜膜的耐高温，适用pH范围广，耐氯能力强，可调节孔径为1～20nm。但操作压力极限为0.5～1.0MPa。聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。天然高分子材料醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜

7、。一般使用温度低于45～50℃，pH3～8。2005-04-0413膜分离无机材料主要有陶瓷、微孔玻璃等。目前实用化的无机膜主要有孔径0.1μm以上的微滤膜和截留分子量10kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但造价较高。动态膜（dynamicmembrane）为一类无机微孔滤膜，是氧化锆等胶体微粒沉积在陶瓷管等多孔介质表面形成的膜。动态膜透过通量大，通过改变pH值容易形成或除去沉积层，因

8、此清洗比较容易，但稳定性差。2005-04-0414膜分离其他分类荷电膜即离子交换膜。液膜将在3.5中讨论。2005-04-0415膜分离3.2膜的基本理论在膜分离过程中，通过膜相际有三种基本传质形式。图3-3通过膜相际传质过程基本形式示意图2005-04-0416膜分离膜过