各种膜分离过程的分离机理

膜分离技术及其应用默认分类2008-07-14 11:01:42 阅读215 评论2 字号：大中小订阅1．前言膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组份透过而保留混和物中其他组份，从而达到分离目的的技术。

它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和省能等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。

在其发展过程中，1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜是膜分离技术发展的一个里程碑，使反渗透技术大规模用于水脱盐成为现实。

自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。

这些进展又大大促进了微滤和超滤技术的发展，使整个膜分离技术迅速向工业化应用迈进。

目前，膜分离技术已在电子工业、食品工业、医药工业、环境保护和生物工程等领域中得到广泛应用。

液体中通常含有生物体、可溶性大分子和电解质等复杂物质。

其主要组成及其尺寸大小列于表1。

表1 液体中可能存在的主要成分组份分子量（D）尺寸大小（nm）酵母和真菌103 ~104细菌300~104胶体100~103病毒30~300蛋白质104~106 2~10多糖104~106 2~10酶104~106 2~10抗体300~103 0.6~1.2单糖200~400 0.8~1.0有机酸100~500 0.4~0.8无机离子10~100 0.2~0.4图1是按分离的粒子或分子大小分类的各种分离过程。

由图可知，五种主要的膜分离过程覆盖了一个相当宽范围的粒子大小。

通常沉淀、过滤存在澄清不彻底、劳动量大、时间冗长等缺点；离心、超离心又有投资运行费用高、操作与维修困难等问题。

在分离浓缩步骤中，可用离子交换、蒸发、色谱等手段，但存在处理量、以及有些物质对热与化学环境敏感等问题。

膜分离技术由于具有如下优点而使其能在生物产品分离、提取与纯化过程中发挥作用：（1）处理效率高，设备易于放大；（2）可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；（3）化学与机械强度最小，减少失活；（4）无相转变，省能；（5）有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；（6）选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率；（7）系统可密闭循环，防止外来污染；（8）不外加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。

膜分离的原理是什么?何为纳滤膜？答：纳滤膜的透过物大小在1－10nm，科学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级（10nm以下）的孔结构，故习惯上称之为"纳滤膜"又叫"纳米膜"、"纳米管"。

纳滤膜净化原理？答：（1）溶解--扩散原理：渗透物溶解在膜中，并沿着它的推动力梯度扩散传递，在膜的表面形成物相之间的化学平衡，传递的形式是：能量=浓度o淌度o推动力，使得一种物质通过膜的时候必须克服渗透压力。

（2）电效应：纳滤膜与电解质离子间形成静电作用，电解质盐离子的电荷强度不同，造成膜对离子的截留率有差异，在含有不同价态离子的多元体系中，由于道南（DONNAN）效应，使得膜对不同离子的选择性不一样，不同的离子通过膜的比例也不相同。

道南平衡：当把荷电膜置于盐溶液中会发生动力学平衡。

膜相中的反离子浓度比主体溶液中的离子浓度高而同性离子的浓度低，从而在主体溶液中产生道南能位势，该能位势阻止了反离子从膜相向主体溶液的扩散和同性离子从主体溶液向膜的扩散。

当压力梯度驱动水通过膜进同样会产生一个能位势，道南能位势排斥同性离子进入膜，同时保持电中性，反离子也被排斥。

三达纳滤膜具有哪些特点？答：①超低压力下工作（0.15Mpa的压力下就可以稳定工作）。

②大通量供水。

在普通的市政水压下就可以使用，水通量可达15m2／小时。

③选择性离子脱除。

在去除细菌、病毒、过量金属离子、低分子有机物、氟、砷等有害物质的同时，保留一定量钾、钠、钙、铁等对人体有益矿物质。

④使用领域广。

在淡水处理、工业废水处理、医药和食品领域都有广泛的应用。

如何保存纳滤膜？答：纳滤膜的保存目标是防止微生物在膜表布的繁殖及破坏，防止膜的水解，冻结及膜的收缩变形。

前人就有微生物对膜性能的影响进行过多种试验，结果表明：不同的微生物对膜的性能产生不同的影响。

防止膜的水解，对任何膜都很重要。

温度和PH值是醋酸纤维素膜水解的两个主要因素。

膜分离的基本原理是什么？机理如何？
由于分离膜具有选择透过的特性，所以它可以使混合物质有的通过、有的留下。

分离膜之所以能使混在一起的物质分开，基于两个方面的原理：
（1）根据它们物理性质的不同主要是质量、体积大小和几何形
态差异，用过筛的办法将其分离。

（2）根据混合物的不同化学性质物质通过分离膜的速度取决于
以下两个步骤的速度：首先是与膜表面接触的混合物进入膜内的速度（称溶解速度）；其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。

二者之和为总速度。

总速度愈大，透过膜所需的时间愈短；总速度愈小，透过时间愈长。

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物质的分子量有关。

混合物中各物质透过的总速度相差愈大，则分离效率愈高；若总速度相等，则无分离效率可言。

但是，由于膜分离的过程不同，它们的分离机理也不完全相同。

各种主要水处理过程的膜分离机理如下表所示。

膜分离的基本原理
膜分离技术原理是依靠膜孔道的大小、形状和化学性质的不同，使溶液中的不同成分经过膜时发生选择性的传输，从而实现分离和纯化。

一、膜的种类
1、超滤膜：该膜一般用于大分子的去除。

分离限制约为1000Da 以上。

超滤膜的分级宽度、截留效率和通量等指标与分子质量、形状、电荷密度和环境有关。

2、微滤膜：该膜一般用于细胞、胶体和悬浮物的去除。

分离限制约为0.1-10μm左右。

3、纳滤膜：该膜一般用于小分子的去除。

分离限制约为50Da 至1000Da之间。

4、反渗透膜：该膜一般用于水、离子和小分子的去除，特别适用于海水淡化和废水处理。

分离限制约为0.1-10nm左右。

二、传递机理
1、膜分离技术是一个复杂的传质与反应过程，其主要传递机理包括压力驱动、电势驱动和浓度梯度驱动。

2、压力驱动是利用外部压力差将溶液强制通过膜暴露在膜孔道的两侧，当溶质分子尺寸小于膜孔径时，会通过膜而大分子则被保留在膜层中。

3、电势驱动是利用外界电场的作用，使有电荷的分子或离子带电穿过膜层，实现离子或低电荷物质的分离；浓度梯度驱动是指在膜
过程中通过维持膜的两侧溶液的浓度差，从而推动分子向低浓度区域传递。

三、应用领域
1、膜分离技术广泛应用于化工、制药、生物工程、食品加工等各个领域。

如：在食品工业中，利用超滤膜去除乳制品中的脂质、细胞和乳清。

2、在化工工业中，使用反渗透膜进行水的淡化和除盐；在生物技术工业中，利用纳滤膜实现分离纯化蛋白质等。

膜分离机理膜分离技术是一种在分子水平上，通过半透膜选择性地分离不同粒径分子的混合物的技术。

这种半透膜也被称为分离膜或滤膜，其壁布满小孔，不同的孔径大小决定了其分类，例如微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）等。

以超滤过程为例，其分离机理主要为筛分。

这是因为膜表面有微孔，当流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子会随部分溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析液；而大分子则被截留在原来的一侧，形成截留液。

这样，就可以达到将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。

但除了筛分这一机制，膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。

超滤过程中溶质的截留不仅包括在膜表面上的机械截留（筛分），还包括在膜孔中的停留（阻塞）以及在膜表面和膜孔内的吸附。

纳滤过程的分离机理则更为复杂。

纳滤膜的孔径介于超滤膜和反渗透膜之间，因此可以同时对分子量和溶解度进行筛选。

纳滤过程中，溶质的大小、形状、电荷和分子量等因素都会影响其通过膜的能力。

其中，分子量是最重要的因素之一。

对于同一种溶质，其分子量越大，越难以通过纳滤膜。

此外，溶质的形状和电荷也会影响其在膜上的吸附和解吸行为，从而影响其通过膜的能力。

反渗透过程的分离机理则是基于渗透压的差异。

反渗透膜的孔径非常小，只有水分子和部分离子可以通过。

在高渗透压的驱动下，水分子会从高压侧向低压侧渗透，而溶质则会被截留在高压侧。

因此，反渗透过程可以实现溶液中溶质和溶剂的高效分离。

总的来说，膜分离技术的分离机理主要包括筛分、吸附、阻塞和渗透等几种方式。

这些分离机理相互影响，共同决定了膜分离的效果。

因此，通过优化膜的性质和操作条件，可以提高膜分离的效率和选择性。

膜分离技术在制浆造纸中的应用班级：09轻化工程4 姓名：施涵学号：A09130410膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。

半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。

1. 膜分离技术的机理及特点1.1 膜分离技术的机理膜分离技术的工作机理如图 1 所示，溶液进入膜过滤器，在与膜表面接触的同时，溶液绝大部分透过滤膜（称渗透液），而需分离的物质则被排出系统外（称浓缩液）。

1.2 膜分离技术的特点（1）分离效率高，膜的孔径较小，以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分混合液体或气体进行分离、分级和提纯等，可不用体积庞大的二沉池，使得污水处理器结构紧凑、占地面积小，同时这种膜分离几乎是一种强制的机械拦截作用，优于传统二沉池的自由重力沉降，不会因为污泥膨胀现象而导致出水超标或恶化，且将滤后的净化水重复利用于生产，实现零排放；（2）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高；（3）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对酶、果汁、药物等的分离、分级和浓缩；（4）装置简单，操作容易，易维修、控制等，作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广等特点。

2. 膜分离技术在制浆造纸工业上的应用膜分离技术作为一种高效的造纸废水治理单元操作技术，日益受到制浆造纸行业的广泛重视，并将看作企业未来清洁生产和循环经济的载体。

膜工艺在制浆废液中已经成功地回收了苛性碱、碱木素、木素磺酸盐、香兰素、低聚糖、单糖等有价值的化工产品；在造纸废水中也成功地净化和消除多段漂白废水中E段具有毒性的有机大分子，还可以消除化学机械浆废水中难降解的高分子，浓缩脱墨废水中油墨，净化纸机白水等等。

三十年来膜技术处理装置在世界许多国家的造纸工业中投入运行证明：膜分离技术处理造纸废水是一种进行深度处理的大有前途的高新技术，是造纸废水处理的高级流程。