第五章膜分离技术第一节膜分离的原理和方法一、膜分离的基本概念（一）膜分离概念１、广义膜分离用天然或人工合成的高分子膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。
包括膜浓缩和膜分离。
２、膜浓缩如果在分离过程中，通过半透膜的只有溶剂，则溶液获得了浓缩，此过程称为膜浓缩。
３、狭义膜分离如果在分离过程中，通过半透膜不仅是溶剂，而且有选择性地让某种溶质组分通过，则溶液中不同溶质得到分离，此分离过程称为膜分离。
（二）膜分离的分类根据分离过程中推动力的不同，膜分离技术可分为两类:一类是以压力为推动力的膜分离，如超滤和反渗透。
另一类是以电力为推动力的分离过程，所用的是一种特殊的半透膜，称为离子交换膜，这种分离技术叫做离子交换，如电渗析。
几种常见的膜分离方法及其适用范围如图5-1和图12-1。
（三）膜的性能１、膜的抗氧化和抗水解性能膜的抗氧化和抗水解性能，既取决于膜材料的化学结构，又取决于被分离的溶液的性质。
氧化和水解的最终结果，是膜的色泽变深、发硬脆裂、化学结构和外观形态受到破坏。
由于高分子材料因氧化而产生的主链断裂，首先发生在低能的键上。
因此，希望高分子材料中各个共价键有足够的强度，即希望有高的键能。
高分子材料的主链中，应尽量避免键能较低的O-O和N-N键。
膜的水解和氧化作用是同时发生的，水解作用与高分子材料的化学结构密切相关。
当高分子链中具有易水解的化学基团-CONH-、-COOR-、-CN、-CH2 -O-等时，这些基团在酸和碱的作用下，会产生水解降解反应，使膜的性能受到破坏。
表１２－１是几种共价键的键能：２、膜的耐热性和机械强度膜的耐热性取决于高分子材料的化学结构。
由于水在膜中渗透，使高分子之间的作用力部分地受到削弱，结构使膜的耐热性低于纯高分子材料的耐热性。
为了提高膜的耐热性，可以改变高分子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性。
例如在高分子链中尽量减少单键，引进共轭双键、三键或环状结构，或者使主链成为双链形的“梯形”结构。
膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现。
在外力的作用下，膜发生压缩或剪切蠕变，并表现为膜的压密现象，导致膜透过速度的下降。
３、膜的分离透过特性（１）分离效率用脱盐率或截留率Ｒ表示Ｒ＝（C1 -C2 ）/C1 ×100%（２）渗透通量以单位时间内通过单位膜面积的透过量Ｊ来表示。
其单位为kg/(m2.s)（３）通量衰减系数由于膜两侧的浓度差发生变化、膜的压密现象及膜孔堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减。
J t ＝J0 .t-m式中：J0 、J t ──分别为初始时和t时刻的渗透通量，kg/(m2 .s) t──操作时间，sm──衰减系数我们对于任何一种膜分离过程，都希望分离效率高，同时渗透通量大。
但实际上，分离效率高的膜，其通透量小；而渗透通量大的膜，分离效率低。
所以，应该在二者之间谋求平衡。
（四）分离用膜尽管膜的种类很多，但因为影响膜分离的因素很多，所以真正能够用于膜分离过程的膜却很少。
常用的分离膜如下：１、纤维素酯系膜２、聚酰亚胺膜３、聚砜（feng）系膜其中ｎ＝５０～８０二、膜分离的基本方法及原理（一）反渗透１、反渗透的基本原理反渗透是利用反渗透膜只能选择性地透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶液的渗透压，使溶剂透过反渗透膜而从溶液中分离出来，使产品得以浓缩的过程。
其原理如下图所示：（１）反渗透的过程：当纯水与溶液用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水将自发地向溶液侧渗透。
水分子流动的推动力就是半透膜两侧的水的化学势差。
这种现象称为渗透。
渗透要一直进行到溶液侧的压力高到足以使水分子不再流动为止。
平衡时的压力就为渗透压。
如果往溶液侧加压，使溶液侧与纯水侧的压差大于渗透压，则溶液中的水将透过半透膜流向纯水侧，此即反渗透过程。
（２）反渗透的特点：是能够截留绝大部分与溶剂分子大小在同一数量级的溶质，而获得相当纯净的溶剂（如水）。
（二）超滤１、超滤的概念应用孔径为1.0～20.0nm或更大的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程叫做超滤。
２、超滤的特点与反渗透相类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离。
与反渗透不同的是，在超滤过程中，小分子溶质将同溶剂一起透过超滤膜。
３、超滤的实质超滤的实质是筛分作用、粒子在膜表面的微孔内的吸附和堵塞。
超滤膜是非对称性膜，其表面活性层有孔径10－９～2×10－８ｍ的微孔，能够截留相对分子量为５００以上的大分子和胶体微粒，所用压差为０.１～０.５ＭＰａ。
超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用。
决定截留效果的主要因素是膜的表面活性层上孔的大小和形状。
另外，微孔的吸附和堵塞也使大分子被截留。
由于理想的分离是筛分，因此要尽量避免吸附和堵塞的发生。
４、如何保证流体在透过膜时的流动畅通象反渗透一样，超滤也存在浓差极化问题，即在溶液透过膜时，溶质在高压侧溶液与膜的界面上发生溶质的积聚，使膜界面上溶质的浓度高于主体溶液的浓度。
超滤截留的溶质主要是高分子或胶体物质，浓差极化时这些物质会在膜的表面上形成凝胶层，严重地阻碍流体的流动，结果使透水速度急剧下降。
此时若增加操作压力，只能增加溶质在凝胶层上的积聚，使胶层厚度增加，进一步阻碍流体的流动。
因此，增大膜界面附近的流速, 以减薄凝胶层厚度，是保证流体在透过膜时流动畅通的主要办法。
图１２－６（三）电渗析１、电渗析的概念电渗析是在外电场的作用下，利用一种特殊膜（离子交换膜）对离子具有不同的选择透过性，而使溶液中的阴、阳离子与其溶剂分离。
２、电渗析法脱盐的原理用电渗析脱盐时，在外界电场的作用下，阳离子透过阳离子交换膜向负极方向运动，阴离子透过阴离子交换膜向正极方向运动。
这样就形成了淡水室（去除离子的区间）和浓水室（浓聚离子的区间）。
同时，在靠近电极的附近，则形成了极水室。
水经过淡水室引出，便得到脱盐的水。
图１２－７。
３、离子交换膜选择透过阴、阳离子的原理凡是在高分子链上连接的是酸性活性基团（如－SO3 H）的膜称为阳离子交换膜，凡是在高分子链上连接的是碱性活性基团（如－N(CH3 )3 OH）的膜称为阴离子交换膜。
在水溶液中，膜上的活性基团发生离解作用，产生的离子（称为反离子）进入溶液，于是在膜上就留下了带一定电荷的固定基团。
在阳膜上留下的是带负电的基团，构成了强烈的负电场。
在外加电流电场的作用下，根据同性相斥、异性相吸的原理，溶液中的阳离子被它吸引传递并通过微孔进入膜的另一侧，而溶液中阴离子则受到排斥；相反，在阴离子交换膜上留下的是带正电的基团，构成了强烈的正电场，溶液中阴离子便可通过膜而阳离子则受到排斥。
此即离子交换膜具有选择透过性的原因。
图１２－８。
第二节膜分离在食品工业中应用一、在乳品工业中的应用（一）从乳清中回收蛋白质。
利用超滤法从乳清中回收蛋白质，由于超滤之后的透过液中仍含有高的ＢＯＤ值（Biological Oxigen Demand──生物需氧量），必须经过反渗透处理后才能排放。
反渗透以后得到的浓缩产物可用作饲料。
工艺如图１２－２３、表１２－４。
（二）脱脂乳的浓缩脱脂乳首先用超滤的方法来预浓缩，以除去乳糖，以免乳糖影响干酪的成熟过程及最终产品的密度和风味。
浓缩工艺如图１２－２４。
二、在饮料工业中的应用１、反渗透在果汁预浓缩中应用反渗透得到的果汁，芳香成分及微生素的保存都比加热蒸发浓缩的高。
但反渗透只用于果汁的预浓缩，而不能完全取代加热蒸发浓缩。
因为：果汁的渗透压随浓度升高而迅速升高；浓度高达３５％以上时，醋酸纤维膜对风味物质保持的选择性降低，因而风味物质保留较少。
２、超滤在果汁浓缩、澄清中的应用超滤法澄清苹果汁，工艺简单（图１２－２５ｂ）、时间短（２小时）、效率高、效果好，而常规澄清法澄清苹果汁，工艺复杂（图１２－２５ａ）、时间长（３６小时）、效果差。
三、在豆制品工艺中的应用这一工艺，主要是处理预煮水，一方面是回收其中的蛋白质以减少浪费，另一方面是为了防治预煮水污染环境。
先将大豆乳清采用超滤处理（图１２－２６Ａ），以浓缩１５倍，然后进行反渗透（图１２－２６Ｂ），以降低透过液中的可溶性固形物。
四、在纯水制造中的应用纯水的制造，一般都采用了反渗透、超滤技术，以去除原水中的胶体、有机物、颗粒和细菌等杂质；然后再采用电渗析技术，以去除其中的离子。
原水来源不同，水处理的工艺也不完全一样。
第一类：原水为湖水、河水及其自来水的工艺流程如下图１２－２８。
第二类：原水为大江、大河及其自来水的工艺流程如图１２－２９。
第三类：原水为深井水及其自来水的处理工艺流程如图１２－３０。
第四类：原水为沿海地区地面水及其自来水工艺流程如图12－31。
五、在淀粉工业废水处理中的应用图１２－３２，利用马铃薯生产淀粉的废水中蛋白质含量较高，既造成蛋白质的损失，又造成环境污染。
先用超滤技术，将蛋白质分离出来，再用反渗透技术对超滤后的透过液进行分离。
分离出来的浓缩物经处理后作饲料，透过液则再返回磨浆工序，处理结果如表１２－９和１２－１０。
六、在酿酒工业中的应用如用超滤方法能有效地去除酒中的酵母、杂质及胶体物质，用反渗透可去除酒中的酒石等小分子物质，以延长酒的澄清保存期（图１２－３３）。
第十四章液膜分离第一节液膜分离的基本原理一、液态膜的基本概念（一）液态膜及其特征１、液态膜的概念液态膜是一层很薄的液体膜。
它能够把两个组成而又互溶的液体隔开，并透过渗透现象，起着分离一种或一类物质的作用。
这层液体，可以是水溶液，也可以是有机溶液。
当被隔开的两种溶液是亲水相时，液膜应当为油型；当被隔开的液体是亲油相时，液膜应当为水型。
２、液膜的组成┌─膜溶剂(90%以上)│液膜─┼─流动载体(1%～5%)│└─表面活性剂(1%～5%)３、各组分的作用膜溶剂：是成膜的基本物质，具有一定的粘度，保持成膜所需的机械强度。
表面活性剂：含有亲水基和疏水基，可以定向排列，用以稳定膜型，固定油水分界面。
流动载体：负责指定溶质或离子的选择性迁移，对溶质或离子分离的选择性和通量起着决定性作用。
是特性液膜分离的关键。
４、液膜的形状┌─隔膜型：是在固体界面上涂膜而成，或者是在多孔膜层(1)固体介质形状内吸附而成，或者为舒尔曼桥型（图１４－１）│┌─单球形（图１４－２）└─球形膜（外圆囊壁形）─┤└─乳状液型（图１４－３）┌─乳状液膜珠粒体系(2)乳状液型─┤└─大液膜单粒模型（等效液膜）（图１４－４）（二）液膜的分类与适应范围1、分类2、适用范围二、液膜分离的机理（一）按照分离性质分（二）按照液膜渗透过程种中有无流动载体参与输送分第二节液膜分离的工艺流程及其应用窄的，在食品工业中的应用更是微乎其微。
