生物分离工程之膜分离过程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、1p膜分离技术概述膜分离技术概述p膜材料与膜制造膜材料与膜制造p表征膜性能参数表征膜性能参数p各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技术及其分离机理第1页2膜分离技术概念:概念:用半透膜作为选择障碍层,用半透膜作为选择障碍层,利用膜选择利用膜选择性(孔径大小),以膜两侧存在能量差作为推性(孔径大小),以膜两侧存在能量差作为推进力,进力,允许一些组分透过而保留混合物中其它允许一些组分透过而保留混合物中其它组分,从而到达分离目标技术。组分,从而到达分离目标技术。第2页3概概 述述人类认识到膜功效源于人类认识到膜功效源于17481748年,然而用于为人类服务年,然而用于为人类服务是近几十年事。是近几十
2、年事。19601960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan制备出第一制备出第一张含有高透水性和高脱盐率张含有高透水性和高脱盐率不对称膜不对称膜,是,是膜分离技术膜分离技术发展一个里程碑。发展一个里程碑。第3页41925年以来,差不多每十年就有一项新膜年以来,差不多每十年就有一项新膜过程在工业上得到应用过程在工业上得到应用30年代年代 微滤微滤40年代年代 透析透析50年代年代 电渗析电渗析60年代年代 反渗透反渗透70年代年代 超滤超滤 80年代年代 纳滤纳滤90年代年代 渗透汽化渗透汽化概概 述述第4页5膜分离特点膜分离特点操作在常温下进行;操作在常温下进行;是物
3、理过程,不需加入化学试剂;是物理过程,不需加入化学试剂;不发生相改变(因而能耗较低);不发生相改变(因而能耗较低);在很多情况下选择性较高;在很多情况下选择性较高;浓缩和纯化可在一个步骤内完成;浓缩和纯化可在一个步骤内完成;设备易放大,能够分批或连续操作。设备易放大,能够分批或连续操作。因而在生物产品处理中占有主要地位因而在生物产品处理中占有主要地位概概 述述第5页6膜分离技术主要性膜分离技术主要性l膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化功效,又有使膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化功效,又有使用简单、易于控制及高效、节能特点用简单、易于控制及高效、节能特点l选择适当膜分离技术,可替换过滤、沉淀、萃取、选
4、择适当膜分离技术,可替换过滤、沉淀、萃取、吸附等各种吸附等各种传统分离与过滤方法。传统分离与过滤方法。l膜分离技术得到各国重视:国际学术界一致认为膜分离技术得到各国重视:国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术,谁就掌握了化工未来谁掌握了膜技术,谁就掌握了化工未来”。l膜分离技术在短短时间快速发展起来,近膜分离技术在短短时间快速发展起来,近3030年膜年膜分离技术,已广泛用于食品、医药、化工及水处分离技术,已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大经济效益和社会效益,理等各个领域。产生了巨大经济效益和社会效益,已成为当今分离科学中最主要伎俩之一。已成为当今分离科学中最主要伎俩之一。概概
5、 述述第6页7膜分类按孔径大小按孔径大小按孔径大小按孔径大小:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳:微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜滤膜滤膜滤膜按膜结构:按膜结构:按膜结构:按膜结构:对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜复合膜复合膜按材料分:按材料分:按材料分:按材料分:合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜多孔膜与致密膜:多孔膜与致密膜:前者前者微滤膜、超滤膜、纳滤微滤膜、超滤膜、纳滤微滤膜、超滤膜、纳滤微滤膜、
6、超滤膜、纳滤膜,后者反渗透膜、渗透蒸发膜,后者反渗透膜、渗透蒸发膜,后者反渗透膜、渗透蒸发膜,后者反渗透膜、渗透蒸发概概 述述第7页8常见膜分离方法常见膜分离方法按分离粒子大小分类:按分离粒子大小分类:透析(透析(DialysisDialysis,DSDS)微滤(微滤(MicrofiltrationMicrofiltration,MFMF)超滤(超滤(UltrafiltrationUltrafiltration,UFUF)纳滤(纳滤(NanofiltrationNanofiltration,NFNF)反渗透(反渗透(Reverse osmosisReverse osmosis,RORO)电渗析
7、(电渗析(ElectrodialysisElectrodialysis,EDED)渗透气化(渗透气化(PervaporationPervaporation,PVPV)概述概述第8页9截留分子量:截留分子量:微滤微滤 0.0210m透析透析 3000 Dalton 几万几万Dalton超滤超滤 5010或或500050万万Dalton纳滤纳滤 2001000Dalton或或1nm反渗透反渗透 200Dalton第9页10膜分离法与物质大小(直径)关系膜分离法与物质大小(直径)关系概述概述RONFUFMFF第10页1117.1 膜材料与膜制造第11页12膜材料特征对于不一样种类膜都有一个基本要求:
8、对于不一样种类膜都有一个基本要求:耐压:耐压:膜孔径小,要保持高通量就必须施加较高压力,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0.10.5MPa,反渗透膜压力,反渗透膜压力更高,约为更高,约为110MPa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耐酸碱:耐酸碱:预防分离过程中,以及清洗过程中水解;预防分离过程中,以及清洗过程中水解;化学相容性:化学相容性:保持膜稳定性;保持膜稳定性;生物相容性:生物相容性:预防生物大分子变性;预防生物大分子变性;成本低;成本低;第12页13(一)膜材料天然材料天然材料:各种纤维素衍生物:各
9、种纤维素衍生物人造材料人造材料:各种合成高聚物:各种合成高聚物 特殊材料特殊材料:复合膜,无机膜复合膜,无机膜,不锈钢膜,陶瓷膜不锈钢膜,陶瓷膜第13页14醋酸纤维特点:醋酸纤维特点:透过速度大透过速度大截留盐能力强截留盐能力强易于制备易于制备起源丰富起源丰富不耐温(不耐温(30)pH 范围窄,清洗困难范围窄,清洗困难与氯作用,寿命降低与氯作用,寿命降低微生物侵袭微生物侵袭适合作反渗透膜适合作反渗透膜第14页15聚砜膜特点(1 1)温度范围广)温度范围广(2 2)pH pH 范围广范围广(3 3)耐氯能力强)耐氯能力强(4 4)孔径范围宽)孔径范围宽(5)5)操作压力低操作压力低(6 6)适合
10、作超滤膜)适合作超滤膜第15页16芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类u聚酰胺含有酰胺基团(聚酰胺含有酰胺基团(-CO-NH-CO-NH-),亲水性好亲水性好,且其机械稳定性、且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好热稳定性及水解稳定性均很好,是最经典反渗透膜材料之一,是最经典反渗透膜材料之一,但一样不耐氯但一样不耐氯u与醋酸纤维素反渗透膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比,它含有脱盐率高、通量大、操作它含有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、压力要求低、pH pH 范围广范围广4-114-11第16页17近年来开发新型膜材料复合膜;复合膜;无机多孔膜;无机多孔膜;纳米过滤膜。纳米过滤膜。功效高分子膜;功效高分
11、子膜;聚氨基葡糖聚氨基葡糖 第17页18膜材料膜材料 -不一样膜分离技术不一样膜分离技术透析:透析:醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、微滤膜:微滤膜:硝酸硝酸/醋酸纤维,聚氟乙烯,聚丙烯,醋酸纤维,聚氟乙烯,聚丙烯,超滤膜:超滤膜:聚砜,硝酸纤维,醋酸纤维聚砜,硝酸纤维,醋酸纤维反渗透膜反渗透膜 :醋酸纤维素衍生物,聚酰胺醋酸纤维素衍生物,聚酰胺纳滤膜:纳滤膜:聚电解质聚电解质+聚酰胺、聚醚砜聚酰胺、聚醚砜电渗析:电渗析:离子交换树脂离子交换树脂渗透蒸发:渗透蒸发:弹性态或玻璃态聚合物弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺烯醇、聚丙稀酰胺第18
12、页19(二)膜制造膜制造要求:(1)透过速度(2)选择性(3)机械强度(4)稳定性第19页20相转变制膜相转变制膜不对称膜通惯用相转变法不对称膜通惯用相转变法(phase inversion(phase inversion method)method)制造,其步骤以下:制造,其步骤以下:1 1将高聚物溶于一个溶剂中;将高聚物溶于一个溶剂中;2 2将得到溶液浇注成薄膜;将得到溶液浇注成薄膜;3 3将薄膜浸入沉淀剂(通常为水或水溶液)中,将薄膜浸入沉淀剂(通常为水或水溶液)中,均匀高聚物溶液分离成两相,一相为富含高聚物均匀高聚物溶液分离成两相,一相为富含高聚物凝胶,形成膜骨架,而另一相为富含溶剂液
13、相,凝胶,形成膜骨架,而另一相为富含溶剂液相,形成膜中空隙。形成膜中空隙。第20页21第21页2217.2 表征膜性能参数第22页23表征膜性能参数表征膜性能参数截断分子量、截断分子量、水通量、水通量、孔特征、孔特征、pHpH适用范围、适用范围、抗压能力、抗压能力、对热和溶剂稳定性等。对热和溶剂稳定性等。制造商通常提供这些数据,制造商通常提供这些数据,第23页24 1.1.截留率和截断分子量截留率和截断分子量 膜对溶质截留能力以截留率膜对溶质截留能力以截留率R R(rejectionrejection)来)来表示,其定义为表示,其定义为 R R1 1 CpCpCb Cb 式中式中CpCp和和C
14、bCb分别表示在某一瞬间,透过液分别表示在某一瞬间,透过液(PermeatePermeate)和截留液浓度。)和截留液浓度。如如R R1 1,则,则CpCp0 0,表示溶质全部被截留;,表示溶质全部被截留;如如R R0 0,则,则CpCp CbCb,表示溶质能自由透过膜。,表示溶质能自由透过膜。第24页25截断曲线截断曲线得到截留率与分子量之间关系称为截断曲线。得到截留率与分子量之间关系称为截断曲线。质量好膜应有陡直截断曲线质量好膜应有陡直截断曲线,可使不一样分子量溶质分离完全;可使不一样分子量溶质分离完全;反之,斜坦截断曲线会造成分离不完全。反之,斜坦截断曲线会造成分离不完全。第25页26分
15、子形状:分子形状:线状分子易透过,线状分子易透过,线线 m 超滤超滤0.010.10.010.1 纳滤纳滤0.0010.010.0010.01 m m 反渗透反渗透 小于小于0.0010.001 m m分离粒子:分离粒子:微滤截留固体悬浮粒子,固液分离过程;超滤、微滤截留固体悬浮粒子,固液分离过程;超滤、纳滤、反渗透为分子级水平分离;纳滤、反渗透为分子级水平分离;分理机理:分理机理:微滤、超滤和纳滤为截留机理,筛分作用;反渗微滤、超滤和纳滤为截留机理,筛分作用;反渗透机理是渗透现象逆过程:透机理是渗透现象逆过程:压差:压差:微滤、超滤和纳滤压力差不需很大微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.10.
16、6 MPa0.10.6 MPa第32页331 透透 析析利用含有一定孔径大小、高分子溶质不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水溶液或缓冲液分它小分子溶质溶液与水溶液或缓冲液分隔;因为膜两侧溶质浓度不一样,在浓隔;因为膜两侧溶质浓度不一样,在浓差作用下,高分子溶液中小分子溶质差作用下,高分子溶液中小分子溶质(如无机盐)(如无机盐)透过膜向透过膜向水水透透渗透,这就渗透,这就是透析。是透析。透析过程中透析膜内无流体流动,溶质透析过程中透析膜内无流体流动,溶质以扩散形式移动。以扩散形式移动。第33页34透析原理图透
17、析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜第34页35透析法应用蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液u惯用于除去蛋白或核酸样品中盐、变性剂、还原剂之类小惯用于除去蛋白或核酸样品中盐、变性剂、还原剂之类小分子杂质,分子杂质,u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。u因为透析过程以浓差为传质推进力,膜透过量很小,不适因为透析过程以浓差为传质推进力,膜透过量很小,不适于大规模生物分离过程、但在试验室中应用较多。于大规模生物分离过程、但在试验室中应用较多。u透析法在临床上惯用于肾衰竭患者血液透析。透析法在临床上惯用于肾衰竭患者血液透析。第35页362.2.
18、微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质,以多孔薄膜为过滤介质,压力差压力差为推进力,利用为推进力,利用筛分原理使不溶性粒子(筛分原理使不溶性粒子(0.1-10um)得以分离操)得以分离操作。操作压力作。操作压力0.05-0.5MPa。第36页37微滤应用1)除去水/溶液中细菌和其它微粒;2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等各种溶液中菌体;3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中悬浊物、微生物和异味杂质。第37页382.2.超超 滤滤是以压力为推进力,利用超滤膜不一样孔径对液体中溶质进行分离物理筛分过程。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。第38页39蛋
19、白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超滤膜超滤膜 P出出背压阀背压阀超滤过程示意图:超滤过程示意图:P进进透出液透出液截留液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时,在滤器内超滤膜表面发生分当溶液体系经由水泵进入超滤器时,在滤器内超滤膜表面发生分离,溶剂(水)和其它小分子量溶质透过含有不对称微孔结构滤离,溶剂(水)和其它小分子量溶质透过含有不对称微孔结构滤膜,大分子溶质和微粒(如蛋白质、病毒、细菌、胶体等)被滤膜,大分子溶质和微粒(如蛋白质、病毒、细菌、胶体等)被滤膜阻留,从而到达分离、提纯和浓缩产品目标。膜阻留,从而到达分离、提纯和浓缩产品目标。第39页40超滤应用超滤应用超滤从超滤从7070
20、年代起步,年代起步,9090年代取得广泛应用年代取得广泛应用,已成为应用领域最广技术。已成为应用领域最广技术。蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA浓缩浓缩脱盐脱盐/纯化纯化梯度分离(相差梯度分离(相差1010倍)倍)清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒除病毒、热源除病毒、热源第40页41微滤和超滤分离机理微滤和超滤分离机理普通认为是简单筛分过程,普通认为是简单筛分过程,大于膜表面毛细孔分子被截大于膜表面毛细孔分子被截留,相反,较小分子则能透留,相反,较小分子则能透过膜。过膜。毛细管流动模型:毛细管流动模型:膜膜是多孔性,膜内有很多孔道。是多孔性,膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动,水以滞流方
21、式在孔道内流动,因而水通量服从因而水通量服从Hagen-Hagen-PoiseuillePoiseuille方程式;方程式;JvJv水通量;水通量;膜孔隙度;d d 圆柱形孔道直径;L L 膜有效厚度;pp膜两侧压力差;膜两侧压力差;水粘度。第41页423.3.反渗透反渗透利用反渗透膜选择性只能经过溶剂(通常是水)而截留离子物利用反渗透膜选择性只能经过溶剂(通常是水)而截留离子物质性质,以膜两侧静压差为推进力,克服渗透压,使溶剂经过质性质,以膜两侧静压差为推进力,克服渗透压,使溶剂经过反渗透膜实现对液体混合物进行分离过程。反渗透膜实现对液体混合物进行分离过程。操作压差普通为操作压差普通为1.5
22、10.5MPa,截留组分为小分子物质。,截留组分为小分子物质。第42页43反渗透法反渗透法分离溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压作用,为反渗透;分离溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压作用,为反渗透;渗透和反渗透渗透和反渗透第43页44反渗透法反渗透法对分子量对分子量300300电解质、非电解质都可有效除去,电解质、非电解质都可有效除去,其中分子量在其中分子量在100100300300之间去除率为之间去除率为9090以上。以上。反渗透工业应用包含:反渗透工业应用包含:海水和苦咸水脱盐制饮用水;海水和苦咸水脱盐制饮用水;制备医药、化学工业中所需超纯水;制备医药、化学工业中所需超纯水;用于处理重金属废水
23、用于处理重金属废水用于浓缩过程,用于浓缩过程,不会破坏生物活性,不会改变风味、香味。包含:食品工业中果汁、糖、咖啡浓缩;电镀和包含:食品工业中果汁、糖、咖啡浓缩;电镀和印染工业中废水浓缩;奶品工业中牛奶浓缩。印染工业中废水浓缩;奶品工业中牛奶浓缩。反渗透法反渗透法第44页45反渗透中溶剂和溶质是怎样透过膜,在膜中迁移反渗透中溶剂和溶质是怎样透过膜,在膜中迁移方式怎样?方式怎样?溶解扩散模型溶解扩散模型优先吸附模型优先吸附模型溶解扩散模型适合用于均匀膜,能适合无机盐反溶解扩散模型适合用于均匀膜,能适合无机盐反渗透过程,渗透过程,对有机物优先吸附毛细孔流动模型比较优越。对有机物优先吸附毛细孔流动模
24、型比较优越。反渗透分离机理反渗透分离机理第45页46反渗透:溶解扩散模型反渗透:溶解扩散模型(无孔学说)(无孔学说)溶剂通量:溶剂通量:J1AV(p)溶质通量:溶质通量:式中:式中:p压差;压差;渗透压;渗透压;C2膜两侧溶质浓度差;膜两侧溶质浓度差;A、B与膜材料和性质相关常数。与膜材料和性质相关常数。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,因而在透过液中浓度降低(关,因而在透过液中浓度降低(p J1,而,而J2不提升)。不提升)。认为膜是均匀,无孔,水和溶质分两步经过膜:认为膜是均匀,无孔,水和溶质分两步经过膜:第一步:首先吸
25、附溶解到膜材质表面上;第一步:首先吸附溶解到膜材质表面上;第二步:在膜中扩散传递第二步:在膜中扩散传递(推进力为化学位梯度推进力为化学位梯度),扩散是控制步,扩散是控制步骤,服从骤,服从Fick定律,推导出溶剂和溶质透过膜速度公式:定律,推导出溶剂和溶质透过膜速度公式:第46页47反渗透:优先吸附反渗透:优先吸附-毛细孔流动模型毛细孔流动模型(有孔学说)有孔学说)优先被吸附组分在膜面上形成一层吸附层,吸附力弱优先被吸附组分在膜面上形成一层吸附层,吸附力弱组分在膜上浓度急骤下降,在外压作用下,优先被吸组分在膜上浓度急骤下降,在外压作用下,优先被吸附组分经过膜毛细孔而透过膜。附组分经过膜毛细孔而透
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