生物分离工程膜分离技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第四章第四章 膜分离技术膜分离技术5课时课时第1页讲课内容讲课内容n各种膜分离法及其原理各种膜分离法及其原理n膜材料及其特征膜材料及其特征n膜组件膜组件n操作特征操作特征n膜污染与清洗膜污染与清洗第2页学习目和要求 在掌握各种膜分离方法和原理基础在掌握各种膜分离方法和原理基础上，深入了解膜特征及操作特点和影响上，深入了解膜特征及操作特点和影响膜分离速度原因以及膜分离过程。清楚膜分离速度原因以及膜分离过程。清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方面应膜分离法在生物产物回收和纯化方面应用。用。第3页1 1、引言、引言n（1）膜概念）膜概念 在一个流体相间有一层薄在一个流体相间有一层薄凝聚相物质凝聚相物质，其把流体相，其把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。n n膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体n n被膜分开流体相物质是液体或气体被膜分开流体相物质是液体或气体n n膜厚度应在膜厚度应在0.5mm0.5mm以下，不然不能称其为膜以下，不然不能称其为膜第4页（2）膜分离）膜分离n 膜分离是利用含有一定选择性透过特征膜分离是利用含有一定选择性透过特征过滤介质进行物质分离纯化。过滤介质进行物质分离纯化。第5页（3）膜分离技术n n膜分离技术：利用膜膜分离技术：利用膜选择性选择性（孔径大小），以（孔径大小），以膜两侧存在膜两侧存在能量差作为推进力能量差作为推进力，因为溶液中各，因为溶液中各组分透过膜组分透过膜迁移率不一样迁移率不一样而实现分离一个技术。而实现分离一个技术。第6页（4）分离过程中膜功效）分离过程中膜功效 n物质识别和透过物质识别和透过 是使混合物中各组分之间实现分离内在原因；是使混合物中各组分之间实现分离内在原因；n界面界面 提供一个状态，将透过液和保留液分为互不混合两相提供一个状态，将透过液和保留液分为互不混合两相n反应场反应场 膜表面及孔内表面含有与特定溶质含有相互作用能力官膜表面及孔内表面含有与特定溶质含有相互作用能力官能团，经过物理、化学或生化反应提升膜分离选择性和分能团，经过物理、化学或生化反应提升膜分离选择性和分离度；离度；第7页（5）膜分类n n按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜n n按膜结构：对称性膜、不对称膜、复复合膜合膜n n按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜第8页2、各种膜分离方法及其原理、各种膜分离方法及其原理n微滤和超滤n反渗透n透析n纳滤n电渗析n渗透气化第9页要求要求 n学习要求学习要求：各种膜分离法及其原理：各种膜分离法及其原理n了解了解：微滤、超滤、反渗透、透析、电：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析和渗透汽化等方法原理渗析和渗透汽化等方法原理n应用应用：掌握各种膜应用范围：掌握各种膜应用范围第10页膜分离技术类型和定义n n膜分离过程实质是物质透过或被截留于膜膜分离过程实质是物质透过或被截留于膜过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而到达物质分离目标，故而能够按分离小而到达物质分离目标，故而能够按分离粒子大小进行分类：粒子大小进行分类：微滤（微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推进力，使不溶性物质得以分离操作，孔径分布范围在0.02514m之间；超滤（超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.0010.02 m，分离推进力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；第11页反渗透（反渗透（RORO）：是一个以压力差为推进力，从溶液中分离出溶剂膜分离操作，孔径范围在0.00010.001 m之间；（因为分离溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压作用，故而成为反渗透）；纳滤纳滤：以压力差为推进力，从溶液中分离3001000小分子量膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析电渗析：以电位差电位差为推进力，利用离子交换膜选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质膜分离操作；第12页微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜分离特征第13页各种膜分离方法应用范围各种膜分离方法应用范围第14页（1）渗透和渗透现象）渗透和渗透现象水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中现象水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中现象叫做渗透叫做渗透第15页第16页渗透与反渗透第17页渗透压渗透压 伴随渗透过程进行，经过半透膜进入盐伴随渗透过程进行，经过半透膜进入盐水溶液中水分子与经过半透膜离开盐水溶液水溶液中水分子与经过半透膜离开盐水溶液水分子相等，所以它们处于动态平衡。水分子相等，所以它们处于动态平衡。此时，此时，盐水溶液和纯水间液面差表示盐水渗透压盐水溶液和纯水间液面差表示盐水渗透压。渗透压大小与盐水浓度直接相关。第18页反渗透概念 在外加压力驱动下借助半透膜选择截留作在外加压力驱动下借助半透膜选择截留作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透称为反渗透称为反渗透 第19页反渗透原理反渗透原理 依据不可逆过程热力学，非离子型溶剂摩尔通量N1与化学势梯度成正比，溶剂摩尔通量：溶剂质量通量：第20页反渗透原理反渗透原理 溶质传质主要推进力在于浓差。依据Fick定律，其摩尔通量为 质量通量：溶剂溶质摩尔通量：体积通量：第21页反渗透原理反渗透原理 提升反渗透操作压力有利于实现溶质高度浓缩。第22页（2 2）超滤和微滤概念）超滤和微滤概念n超滤超滤 超滤是依据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质超滤是依据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间之间分子量差异分子量差异进行分离方法进行分离方法。n微滤微滤 微滤是一个从悬浮液中分离固形成份方法，是依微滤是一个从悬浮液中分离固形成份方法，是依据料液中据料液中固形成份固形成份与溶液溶质在与溶液溶质在尺寸上差异尺寸上差异进行分进行分离方法离方法 第23页超滤原理超滤原理n超滤膜普通为超滤膜普通为非对称膜非对称膜，含有较小，含有较小孔径孔径（约为（约为10一一200），能够截留分子量为），能够截留分子量为0.5kDa以上溶质分子或以上溶质分子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂透过生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂透过膜上微孔形成透过液；而大分子溶质则被截留，从膜上微孔形成透过液；而大分子溶质则被截留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间分离。而实现料液中大分子溶质和溶剂间分离。n超滤膜对溶质截留机理主要是超滤膜对溶质截留机理主要是筛分作用筛分作用，超滤膜膜，超滤膜膜孔大小和形状决定超滤膜截留效果。除此以外，溶孔大小和形状决定超滤膜截留效果。除此以外，溶质大分子在膜表面和孔道内吸附和滞留也含有截留质大分子在膜表面和孔道内吸附和滞留也含有截留溶质大分子作用。溶质大分子作用。n超滤所用操作压差在超滤所用操作压差在0.11.0 MPa之间。之间。第24页微滤原理微滤原理n微滤通常采取孔径为微滤通常采取孔径为0.0210微米微孔膜微米微孔膜进行，其可进行，其可截留直径截留直径0.01-10微米固体粒子或分子量大于微米固体粒子或分子量大于1000kDa高分子物质。料液在压差作用下流经微滤膜，料液中高分子物质。料液在压差作用下流经微滤膜，料液中溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液；而尺寸大于膜溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液；而尺寸大于膜孔固形成份则被截留，从而实现料液中固形成份与溶孔固形成份则被截留，从而实现料液中固形成份与溶液分离。液分离。n微滤膜对微粒截留也是基于微滤膜对微粒截留也是基于筛分作用筛分作用，其膜分离效果，其膜分离效果是膜物理结构，孔形状和大小所决定。是膜物理结构，孔形状和大小所决定。n操作压力差普通为操作压力差普通为0.010.2MPa。第25页超滤和微滤特点超滤和微滤特点n超滤和微滤都是利用膜筛分作用，以压差为超滤和微滤都是利用膜筛分作用，以压差为推进力；推进力；n2.2.与反渗透膜相比，超滤和微滤膜含有显著孔与反渗透膜相比，超滤和微滤膜含有显著孔道结构；道结构；n3.3.操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在0.11.0 MPa0.11.0 MPa，微滤操作压力更小（，微滤操作压力更小（0.05 0.5 0.05 0.5 MPaMPa）；）；第26页第27页膜过滤基础理论n n通透量理论：一个基于粒子悬浊液在毛细管内流通透量理论：一个基于粒子悬浊液在毛细管内流动毛细管理论。动毛细管理论。n n水通量（水通量（JwJw）和截留率（）和截留率（R R）n nWW透水量，透水量，AA膜有效面积，膜有效面积，时间时间n nc c1 1料液中溶质浓度，料液中溶质浓度，c c2 2透过液中溶质浓度透过液中溶质浓度第28页超滤基本方程：穿透度（单位时间、单位膜穿透度（单位时间、单位膜面积处理量）面积处理量）第29页实现超滤和反渗透条件n n超滤超滤：需要增加流体静压力，改变天然过程需要增加流体静压力，改变天然过程方向，才可能发生含有低分子量化合物溶剂流方向，才可能发生含有低分子量化合物溶剂流经过膜，此时推进力是流体静压力与渗透压压经过膜，此时推进力是流体静压力与渗透压压差；差；n n反渗透反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂经过过程类似于超滤，只是纯溶剂经过膜，而低分子量化合物被截留。所以，操作压膜，而低分子量化合物被截留。所以，操作压力比超滤大得多。力比超滤大得多。所以，超滤和反渗透通常又被称之为所以，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜强制膜分离过程分离过程”第30页第31页（3）透析概念 利用含有一定孔径大小、高分子溶质不能透过亲利用含有一定孔径大小、高分子溶质不能透过亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质溶液与纯水水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质溶液与纯水或缓冲液分隔。因为膜两侧溶质浓度不一样，高分子或缓冲液分隔。因为膜两侧溶质浓度不一样，高分子溶液中小分子溶质在浓差作用下透过亲水膜进入缓冲溶液中小分子溶质在浓差作用下透过亲水膜进入缓冲液中。液中。这种溶质从半透膜一侧透过膜至另一侧过程，称为这种溶质从半透膜一侧透过膜至另一侧过程，称为透析。透析。第32页透析原理 透析通常采取孔径为透析通常采取孔径为510 nm亲水膜形亲水膜形成成透析袋透析袋中进行，以截留溶液中高分子溶质。中进行，以截留溶液中高分子溶质。装入透析袋中料液封口后浸入透析液中。透装入透析袋中料液封口后浸入透析液中。透析膜两端溶液中分子因为浓度差而相互扩散，析膜两端溶液中分子因为浓度差而相互扩散，造成料液中小分子溶质进入透析液中；同时造成料液中小分子溶质进入透析液中；同时透析液中溶质分子则进入料液中，完成溶液透析液中溶质分子则进入料液中，完成溶液替换。替换。第33页（4 4）电渗析概念）电渗析概念 电渗析是利用分子荷电性质荷分子大小差电渗析是利用分子荷电性质荷分子大小差异进行分离膜分离法。异进行分离膜分离法。电渗析过程采取膜材料主要为离子交换膜，其表面和孔道内键合有离子交换基团。第34页电渗析原理电渗析原理第35页n n电渗析技术是在直流电场作用下，因为离子交换膜阻隔作用，实现溶液淡化和浓缩，分离推进力是静电引力。第36页第37页（5）渗透气化原理 渗透气化原理如图所表示。渗透气化原理如图所表示。疏水膜一侧通入料液，另一疏水膜一侧通入料液，另一侧（透过侧）抽真空或通入侧（透过侧）抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。在分压差作用下，质分压差。在分压差作用下，料液中溶质溶于膜内，扩散料液中溶质溶于膜内，扩散经过膜，在透过侧发生气化，经过膜，在透过侧发生气化，气化溶质被膜装置外设置冷气化溶质被膜装置外设置冷凝器回收。凝器回收。渗透气化是依据渗透气化是依据溶质间透过膜速度不一样，溶质间透过膜速度不一样，使混合物得到分离使混合物得到分离。第38页渗透气化特点 n渗透气化过程中溶质发生渗透气化过程中溶质发生相变相变，透过侧溶质以，透过侧溶质以气体状态气体状态存在，所以消除了渗透压作用，从而存在，所以消除了渗透压作用，从而使渗透气化在使渗透气化在较低压力较低压力下进行，适于高浓度混下进行，适于高浓度混合物分离。合物分离。n渗透气化利用溶质之间膜透过性差异，适于共渗透气化利用溶质之间膜透过性差异，适于共沸物和挥发度相差较小双组分溶液分离。沸物和挥发度相差较小双组分溶液分离。第39页（6）纳米膜过滤技术n n介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐经过；而使大部分无机盐经过；n n特点：特点：n n在过滤分离过程中，在过滤分离过程中，能截留小分子有机物能截留小分子有机物，并能够，并能够同时同时透析除盐透析除盐，集，集浓缩与透析浓缩与透析为一体；为一体；n n操作压力低操作压力低第40页纳滤膜性质与特点n n有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为平均孔径为2nm2nm，截留分子量范围在，截留分子量范围在100200100200道尔顿之间；一样要求其含有良好道尔顿之间；一样要求其含有良好热稳定性、热稳定性、pHpH稳定性、有机溶剂稳定性；稳定性、有机溶剂稳定性；n n主要产品：主要产品：n nMembrane products Kiryat WeizmannMembrane products Kiryat Weizmann，MPW(MPW(以以色列色列)n nDesalination System(Desalination System(美国美国)n nSelRO,DESAL-5,FT-40SelRO,DESAL-5,FT-40等系列膜，等系列膜，FilmtechFilmtech企业企业（美国，明尼苏达）（美国，明尼苏达）第41页第42页纳米过滤分离机理n n纳滤分离机理与反渗透膜了类似，一样遵照，纳滤分离机理与反渗透膜了类似，一样遵照，基本膜传递方程：基本膜传递方程：第43页第44页纳滤应用行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业n母液中有效成份回收n抗菌素分离纯化n维生素分离纯化n氨基酸脱盐与纯化化工行业n酸碱纯化、回收n电镀液中铜回收食品工业乳清脱盐与浓缩苛性碱回收纯水制备n超高纯水n水脱盐n地下水净化染料工业n活性染料脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色造纸厂废水净化第45页（7）膜亲和过滤法n n膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术集膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术集成，是一个十分有效分离方法。成，是一个十分有效分离方法。n n内容：包含两个分支内容：包含两个分支n n亲和膜分离亲和膜分离：制备带有亲和配基分离膜，直接进行产物：制备带有亲和配基分离膜，直接进行产物分离；分离；n n亲和亲和-错流膜过滤错流膜过滤：将水溶性或非水溶性高分子亲和载：将水溶性或非水溶性高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤；体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤；第46页亲和膜分离技术n n分离膜改性：经过化学改性，在载体表面连接上一条分离膜改性：经过化学改性，在载体表面连接上一条“手手臂链臂链”（大于三个碳原子）；（大于三个碳原子）；n n亲和膜制备：选取适当配基亲和膜制备：选取适当配基(LigandLigand)，与手臂链相连，组成，与手臂链相连，组成带有亲和配基分离介质；带有亲和配基分离介质；n n亲和络合：将混合物迟缓地经过膜，使要分离物质与亲和亲和络合：将混合物迟缓地经过膜，使要分离物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（配基产生特异性作用，形成配基与配位物（LigateLigate）复合体；）复合体；n n洗脱：改变条件（洗脱液组成、洗脱：改变条件（洗脱液组成、pHpH、离子强度、温度等），、离子强度、温度等），使复合物解离；使复合物解离；n n亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用；亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用；第47页第48页第49页需处理关键问题n n膜表面要有足够多并可利用化学基团；膜表面要有足够多并可利用化学基团；n n表面积和孔径要足够大表面积和孔径要足够大n n孔分布要窄而均匀，以取得高通透量和分离孔分布要窄而均匀，以取得高通透量和分离效率：效率：n n机械强度要高：机械强度要高：n n要耐酸碱和高温；要耐酸碱和高温；第50页亲和膜分离操作方式n n亲和超滤过程（分离目标物同时，浓缩其它成亲和超滤过程（分离目标物同时，浓缩其它成份）份）第51页第52页第53页n n微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）第54页第55页亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A试验装置第56页3、膜材料及其特征n识记识记：膜材料选择标准：膜材料选择标准n了解了解：膜结构特征，尤其是对称和不对：膜结构特征，尤其是对称和不对称膜结构特点称膜结构特点n应用应用：经过水通量不一样选择适当膜材：经过水通量不一样选择适当膜材料料第57页3、膜材料特征n n（1）膜材料n n基本要求：基本要求：n n耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高压力，耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高压力，普通模操作压力范围在普通模操作压力范围在0.10.5MPa0.10.5MPa，反渗透膜压力，反渗透膜压力更高，约为更高，约为110MPa110MPan n耐高温耐高温:高通量带来温度升高和清洗需要高通量带来温度升高和清洗需要n n耐酸碱：预防分离过程中，以及清洗过程中水解；耐酸碱：预防分离过程中，以及清洗过程中水解；n n化学相容性：保持膜稳定性；化学相容性：保持膜稳定性；n n生物相容性：预防生物大分子变性；生物相容性：预防生物大分子变性；n n成本低；成本低；第58页（2）惯用膜材料 n无机多孔膜无机多孔膜 陶瓷膜陶瓷膜n天然高分子材料天然高分子材料 醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜n合成高分子材料合成高分子材料缩合系聚合物（聚砜类）、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、全氟磺酸聚烯烃及其共聚物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；碳酸酯；第59页（3）膜孔道结构n对称膜（对称膜（symmetric membranes）膜截面膜厚方向上孔道分布均匀。对称膜传质阻力大，透过通量低，而且轻易污染，清洗困难。n不对称膜（不对称膜（asymmetric membranes）起膜分离作用表面活性层：膜层很薄，孔径微细，透过通量大、膜孔不易堵塞、易清洗。和起支撑强化作用惰性层：惰性层孔径较大，对流体透过无阻力。第60页膜孔道特征 n孔径孔径n孔径分布孔径分布n孔隙率孔隙率最大孔径可经过泡点法（bubble point method）测量第61页（4）水通量 n水通量定义水通量定义 水通量是指膜材料纯水透过通量，其是在一定条件下（0.1 MPa，温度为20）经过测量一定量纯水所需时间测定。n影响原因影响原因 水通量伴随膜截留分子量或膜孔径增大而增大。膜材料种类对水通量影响显著。孔径越大，通量下降速度越快，大孔径微滤膜稳定通量比小孔径膜小，有时甚至微滤膜稳定通量比超滤膜还要小。第62页4、各种膜组件n n平板式平板式n n管式管式n n中空纤维中空纤维n n螺旋卷绕式螺旋卷绕式第63页平板式膜组件第64页第65页平板膜组件平板膜组件 第66页第67页管式膜组件第68页管式膜组件第69页第70页管式膜元件2、第71页第72页螺旋卷式膜组件第73页第74页螺旋卷式反渗透膜组件螺旋卷式反渗透膜组件第75页密封密封密封密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料多孔透水材料膜，上下两层膜，上下两层第76页膜叶膜叶透水网状材料透过水透过水浓浓水水进进水水螺旋卷式膜组件组合示意图螺旋卷式膜组件组合示意图第77页第78页螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 第79页中空纤维式膜组件第80页第81页中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件 第82页第83页第84页第85页第86页膜组件组装示意图膜组件组装示意图进进水水口口耐压耐压容器容器连连接接器器膜膜组组件件密密封封圈圈端端盖盖透透过过液液浓浓缩缩液液第87页第88页第89页http:/ m，内径，内径25 42 m。n将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用多覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。孔管，膜束两端用环氧树脂加固。n将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。第93页 进水浓水浓水透过水透过水多孔进水管多孔进水管浓水出口浓水出口淡水出口淡水出口密封密封中空纤维膜中空纤维膜外径外径50200内径内径2542密封密封耐压容器耐压容器中空纤维反渗透组件简图中空纤维反渗透组件简图第94页膜断面图膜断面图 第95页第96页中空纤维超滤膜设备中空纤维超滤膜设备 第97页第98页第99页第100页乳清大致成份%第101页第102页5、操作特征、操作特征学习关键点n识记识记：浓度极化、凝胶极化概念：浓度极化、凝胶极化概念n了解了解：超滤膜分子截留作用：超滤膜分子截留作用n应用应用：了解实际膜分离过程中影响截留：了解实际膜分离过程中影响截留率原因率原因第103页浓度极化模型浓度极化模型 在膜分离操作中，全部溶质均被透过液传送在膜分离操作中，全部溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜溶质受到膜截留到膜表面上，不能完全透过膜溶质受到膜截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度现象称为浓度极化或浓附近浓度高于主体浓度现象称为浓度极化或浓差极化（差极化（concentration polarization）膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。第104页凝胶极化 当膜表面附近浓度当膜表面附近浓度超出超出溶质溶解度时，溶质溶质溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞和其它固形成份料液时，也会在膜表面形成凝和其它固形成份料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化。胶层。这种现象称为凝胶极化。与浓度极化关系？第105页超滤膜分子截留作用超滤膜分子截留作用 n截留率 截留率表示膜对溶质截留能力，可用小数或百分数表示。实截留率表示膜对溶质截留能力，可用小数或百分数表示。实际分离过程中，因为存在浓度极化现象，真实截留率为际分离过程中，因为存在浓度极化现象，真实截留率为 但膜表面极化浓度但膜表面极化浓度cm极难测定，通常只能测定料液主体浓度极难测定，通常只能测定料液主体浓度（bulk concentration），所以惯用表观截留率表示，），所以惯用表观截留率表示，第106页超滤膜分子截留作用超滤膜分子截留作用n截留曲线 经过测定相对分子质量不一样球形蛋白质或水溶性聚合物截留率，可取得膜截留率与溶质相对分子量之间关系曲线，为截留曲线。n截留相对分子量 将截留曲线上截留率为0.90溶质相对分子质量定义为膜截留相对分子量（molecular mass cut-off,MMCO）第107页影响截留率原因 n 分子特征分子特征 相对分子量相同溶质，呈线状分子截留率较低，有支链分子截留率较高；球形分子相对分子量相同溶质，呈线状分子截留率较低，有支链分子截留率较高；球形分子截留率最大；截留率最大；对荷电膜，含有与膜相反电荷分子截留率较低，反之则较高；对荷电膜，含有与膜相反电荷分子截留率较低，反之则较高；膜对溶质含有吸附作用时，溶质截留率增大；膜对溶质含有吸附作用时，溶质截留率增大；n其它高分子溶质影响其它高分子溶质影响 当两种以上高分子溶质共存时，会出现某种溶质截留率高于其单独存在下截留率情当两种以上高分子溶质共存时，会出现某种溶质截留率高于其单独存在下截留率情况。况。n操作条件操作条件 温度升高，粘度下降，截留率降低。温度升高，粘度下降，截留率降低。膜表面流速增大，浓度极化现象减弱，截留率减小；膜表面流速增大，浓度极化现象减弱，截留率减小；料液料液pH值等于其中含有蛋白质等电点时，因为蛋白质净电荷为零，蛋白质间静电斥值等于其中含有蛋白质等电点时，因为蛋白质净电荷为零，蛋白质间静电斥力最小，蛋白质在膜表面形成凝胶极化层浓度最大，透过阻力最大。此时，溶质截力最小，蛋白质在膜表面形成凝胶极化层浓度最大，透过阻力最大。此时，溶质截留率高于其它留率高于其它pH值下截留率。值下截留率。第108页6、影响膜分离速度原因、影响膜分离速度原因 n操作形式操作形式n流速流速n压力压力n料液浓度料液浓度第109页膜污染原因n凝胶极化引发凝胶层，阻力为Rg n溶质在膜表面吸附层，阻力为Rasn膜孔堵塞，阻力为Rpn膜孔内溶质吸附，阻力为Rap第110页（1）定义：n固体或溶质在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量变小与分离性能恶化暂时性不可逆改变现象。此时，必须停顿操作，对膜系统进行清洗，恢复膜组件分离性能.第111页（2）分类：n就其污染点不一样，可分为内、外污染n 内污染：溶质在浓缩时结晶或沉淀在膜孔内使之发生阻塞，造成膜有效孔隙率下降n 外污染：一些固体成份在膜面吸附与沉降第112页（3）污染源：有机类污染：蛋白质、脂肪类、多肽、多糖、染料等大分子 无机类污染：钙、钡碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐结垢物 微生物污染：细菌粘附于膜表面形成菌群，这些菌群分泌物有利于其它有机物粘附而形成菌膜。第113页（4）清洗方法：n清洗方法选择依据：n（1）膜化学特征：耐酸、碱性、耐温性、耐氧化性和耐化学试剂特征，它们对选择清洗剂类型、浓度、清洗液温度等极为主要。n注意：厂家不一样，膜特征不一样第114页n（2）污染物特征：不一样PH溶液中、不一样种类盐及浓度溶液中，不一样温度下溶解性、荷电性和它可氧化性及可酶解性等。这么可有放矢地选择适当化学清洗剂，到达最正确清洗效果。第115页清洗方法n物理清洗、化学清洗、生物清洗物理方法：普通是指用高流速水冲洗，海绵球机械擦洗和反洗等，它们特点是简单易行。另外，如新发展抽吸清洗方法，不加新设备。第116页n化学清洗：通常是用化学清洗剂，如稀碱、稀酸、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等。n生物清洗：用酶进行消化。n可用通水量评价：r=JQ/J0100第117页影响清洗原因n 时间 温度 药品：清洗剂种类、适宜浓度、pH值及离子强度。跨膜压差 水力学参数（流动速度、流动方式）膜性质（膜材质、膜形态、膜表面性质）料液性质：第118页膜分离技术特点：n1、膜分离技术在分离物质过程中不包括相变，、膜分离技术在分离物质过程中不包括相变，对能量要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩对能量要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩1/31/8，所以和蒸馏、结晶、蒸发等需要，所以和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量过程有很大差异；输入能量过程有很大差异；n2、膜分离条件普通都较温和，对于热敏性物、膜分离条件普通都较温和，对于热敏性物质复杂分离过程很主要，这两个原因使得膜分质复杂分离过程很主要，这两个原因使得膜分离成为生化物质分离适当方式；离成为生化物质分离适当方式；第119页n3、无化学改变。经典物理分离过程，不、无化学改变。经典物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；用化学试剂和添加剂，产品不受污染；n4、选择性好。可在分子级内进行物质分、选择性好。可在分子级内进行物质分离，含有普遍滤材无法取代卓越性能；离，含有普遍滤材无法取代卓越性能；5、适应性强。处理规模可大可小，能够、适应性强。处理规模可大可小，能够连续也能够间隙进行，工艺简单，操作连续也能够间隙进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低易于自动方便，结构紧凑、维修费用低易于自动化化。第120页存在问题：n1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采取与工艺相适应膜面清洗方法;n2、从当前取得膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限，故使用范围受限;n3、单独采取膜分离技术效果有限，所以往往都将膜分离工艺与其它分离工艺组合起来使用。第121页膜技术开发觉实状况及产业化水平我国膜生产基地：上海、北京、浙江等，第122页膜分离技术应用实例n1、膜分离技术在纯净水处理中应用n中空纤维超滤组件是超纯水制备装置中关键设备之一。n反渗透是生产纯净水主要设备。第123页n2、膜分离技术在电子工业用水中应用n电子元件生产中需要高纯水用于清洗及配制各种溶液。n电容、集成电路等。第124页n3、膜分离技术在给水及循环水处理中应用n锅炉给水处理、汽轮机给水精处理和生产给水处理等。超滤和反渗透n4、超滤技术除菌除热原n细菌内毒素，过滤加活性炭吸附第125页n5、超滤技术澄清药酒和中药制剂n超滤n6、超滤技术在轻工、食品中应用n米醋、酱油超滤澄清技术n超滤技术分离、浓缩与纯化酶制剂第126页n7、膜分离技术在生物化工中应用n微生物分离与搜集n超滤分级n超滤亲和纯化n膜反应器第127页作业n n膜分离技术概念。膜分离技术概念。n n依据膜孔径大小，膜分离技术可分为哪几类？依据膜孔径大小，膜分离技术可分为哪几类？n n主要膜组件有哪些？主要膜组件有哪些？n n何谓反渗透膜分离过程？其特点有哪些？何谓反渗透膜分离过程？其特点有哪些？n n阐述膜分离技术应用范围。阐述膜分离技术应用范围。第128页