第三章-各种膜分离技术及分离机理ppt课件.ppt

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1、第三章各种膜分离技术及分离机理3.1透析利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透过膜向水透渗透，这就是透析。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。透析原理图水分子大分子小分子透析膜透析法的应用蛋白质、无机盐无机盐缓冲液常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，有时也用于置换样品缓冲液。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。透析法在临床上常用于肾衰竭患者

2、的血液透析。螺旋卷式血液渗析器中空纤维式血液渗析器血液渗析与血液过滤的比较3.2微滤以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.5MPa。微滤应用1)除去水/溶液中的细菌和其它微粒；2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。3.3超滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。蛋白酶液恒流泵平板式超滤膜△P出背压阀超滤过程示意图

3、：△P进透出液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。超滤应用超滤从70年代起步，90年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。蛋白、酶、DNA的浓缩脱盐/纯化梯度分离（相差10倍）清洗细胞、纯化病毒除病毒、热源微滤和超滤的分离机理一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。毛细管流动模型：膜是多孔性的，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动。Jv水通量；ε膜的孔隙度；d

4、圆柱形孔道的直径；L膜的有效厚度；Δp膜两侧压力差；μ水的粘度。3.4　反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜，实现对液体混合物进行分离的过程。操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。反渗透法分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透；渗透和反渗透反渗透法对分子量>300的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量在100～300之间的去除率为90％以上。反渗透工业应用包括：海水和苦咸水脱盐制饮用水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；用于处理重金属废水用于浓缩过程，不会破坏生

5、物活性，不会改变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。反渗透法反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的迁移方式如何？溶解扩散模型优先吸附模型溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的反渗透过程，对有机物优先吸附－毛细孔流动模型比较优越。反渗透的分离机理反渗透：溶解－扩散模型（无孔学说）溶剂通量：J1＝AV(p－)溶质通量：式中：p压差；渗透压；C2－膜两侧溶质的浓度差；A、B－与膜材料和性质有关的常数。溶剂通量随压力差增大而线性增大，但溶质通量与压差无关，与透过液中浓度有关。pJ1，而J2不提高。认为膜是均

6、匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第二步：在膜中扩散传递(推动力为化学位梯度)，扩散是控制步骤，服从Fick定律，推导出溶剂和溶质透过膜的速度公式：反渗透：优先吸附-毛细孔流动模型（有孔学说）优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。由Sourirajan于1963年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水

7、层流经毛细孔。优先吸附毛细孔流动模型(a)膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面水在膜表面处的流动如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。膜中的迁移速率水在膜中的迁移系服从Fick定律Jw=AΔp=A{p–（i1-i2）}溶质在膜中的迁移：3.5纳滤纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本不断发展的新膜，