膜分离技术培训资料

膜技术膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类： 微滤（Microfiltration ，MF ）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm 之间； 超滤（Ultrafiltration ，UF ）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02 μm ，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质； 反渗透（Reverse osmosis ，RO ）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.001 μm 之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm ；微滤、超滤、纳滤和反渗透膜的分类与物性反渗透纳滤超滤微滤单价盐不游离酸水悬浮粒子大分子糖二价盐游离酸×●◆■▲×●◆■▲×●◆■▲×●◆■▲××××●◆■▲●◆■▲●◆■▲◆◆◆●■▲●■▲●■▲●●●■▲■▲■▲■■■▲▲▲膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离的特点①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂； ③不发生相变化（因而能耗较低）； ④在很多情况下选择性较高；⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；⑥设备易放大，可以分批或连续操作。

因而在生物产品的处理中占有重要地位原理膜技术是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化。

膜的分类膜装置有板式、管式（内压列管式和外压管束式）、卷式、中空纤维式等形式。

膜分类根据所加的操作压力和所用膜的平均孔径的不同，可分为微孔过滤、超滤和反渗透（纳滤）三种。

微孔过滤所用的操作压通常小于4×10^4 Pa，膜的平均孔径为500埃～14微米，用于分离较大的微粒、细菌和污染物等。

超滤所用操作压为4×10^4 Pa～7×10^5 Pa，膜的平均孔径为10-100埃，用于分离大分子溶质。

反渗透所用的操作压比超滤更大，常达到35×10^5 Pa～140×10^5 Pa，膜的平均孔径最小，一般为10埃以下，用于分离小分子溶质，如海水脱盐，制高纯水等。

1.超滤的概念超滤起源于是1748年，Schmidt用棉花胶膜或璐膜分滤溶液，当施加一定压力时，溶液（水）透过膜，而蛋白质、胶体等物质则被截留下来，其过滤精度远远超过滤纸，于是他提出超滤一语，1896年，Martin 制出了第一张人工超滤膜，其20世纪60年代，分子量级概念的提出，是现代超滤的开始，70年代和80年代是高速发展期，90年代以后开始趋于成熟。

我国对该项技术研究较晚，70年代尚处于研究期限，80年代末，才进入工业化生产和应用阶段。

超滤（简称UF）膜分离技术是近年发展起来的分子水平的高新分离技术。

膜孔径在0.01－0.001μm，截留分子量可分为10万、5万、2万、6千等。

比常见细菌的分子量小百余倍，可将细菌、菌尸、细菌碎片、病毒、与细菌大小相仿的微小悬浮物、胶体、热源等近100％地截留。

超滤是一种以压力作为推动力的膜法物理分离技术。

一般采用错流过滤方式，物料以流动的方式流过膜的一侧，当给物料加以一定的压力后，净化液即透过膜从膜的另一侧流出。

从而达到净化的目的。

在超滤过程中，料液在压力推动下，流经膜表面，小于膜孔的深剂（水）及小分子溶质透水膜，成为净化液（滤清液），比膜孔大的溶质及溶质集团被截留，随水流排出，成为深缩液。

超滤过程为动态过滤，分离是在流动状态下完成的。

溶质仅在膜表面有限沉积，超滤速率衰减到一定程度而趋于平衡，且通过清洗可以恢复。

2. 超滤与微滤超滤及微滤是依托于材料科学发展起来的先进的膜分离技术。

超滤和微滤均是利用多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的杂质颗粒。

在压力驱动下，溶液中水、有机低分子、无机离子等尺寸小的物质可通过纤维壁上的微孔到达膜的另一侧，溶液中菌体、胶体、颗粒物、有机大分子等大尺寸物质则不能透过纤维壁而被截留，从而达到筛分溶液中不同组分的目的。

该过程为常温操作，无相态变化，不产生二次污染。

微滤也是利用微滤膜的筛分机理，在压力驱动下，截留直径在0.1～1μm之间的颗粒，如悬浮物、细菌、部分病毒及大尺寸胶体，多用于给水预处理系统。

3. 优点&缺点超滤技术的优点是操作简便，成本低廉，不需增加任何化学试剂，尤其是超滤技术的实验条件温和，与蒸发、冷冻干燥相比没有相的变化，而且不引起温度、pH的变化，因而可以防止生物大分子的变性、失活和自溶。

在生物大分子的制备技术中，超滤主要用于生物大分子的脱盐、脱水和浓缩等。

超滤法也有一定的局限性，它不能直接得到干粉制剂。

对于蛋白质溶液，一般只能得到10～50％的浓度。

膜在长时间不用时，可浸在1％甲醛溶液或0.2％NaSO3中保存。

超滤膜的基本性能指标主要有：水通量[cm3/(cm2•h)]；截留率（以百分率％表示）；化学物理稳定性（包括机械强度）等。

超滤装置超滤装置一般由若干超滤组件构成。

通常可分为板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式四种主要类型。

由于超滤法处理的液体多数是含有水溶性生物大分子、有机胶体、多糖及微生物等。

这些物质极易粘附和沉积于膜表面上，造成严重的浓差极化和堵塞，这是超滤法最关键的问题，要克服浓差极化，通常可加大液体流量，加强湍流和加强搅拌。

超滤膜超滤技术的关键是膜。

膜有各种不同的类型和规格，可根据工作的需要来选用。

早期的膜是各向同性的均匀膜，即现在常用的微孔薄膜，其孔径通常是0.05mm 和0.025mm。

近几年来生产了一些各向异性的不对称超滤膜，其中一种各向异性扩散膜是由一层非常薄的、具有一定孔径的多孔"皮肤层"（厚约0.1mm～1.0mm），和一层相对厚得多的（约1mm）更易通渗的、作为支撑用的"海绵层"组成。

皮肤层决定了膜的选择性，而海绵层增加了机械强度。

由于皮肤层非常薄，因此高效、通透性好、流量大，且不易被溶质阻塞而导致流速下降。

常用的膜一般是由乙酸纤维或硝酸纤维或此二者的混合物制成。

近年来为适应制药和食品工业上灭菌的需要，发展了非纤维型的各向异性膜，例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯腈膜等。

这种膜在pH 1～14都是稳定的，且能在90℃下正常工作。

超滤膜通常是比较稳定的，若使用恰当，能连续用1～2年。

浓差极化在反渗透和超滤过程中，由于膜的选择透过性，溶剂（如水）从高压侧透过膜到低压侧，溶质侧大部分被膜截留，积累在膜高压侧表面，造成膜表面到主体溶液间的浓度梯度，促使溶质从膜表面通过边界层向主体溶液扩散，此种现象即为浓差极化。

由于浓差极化的存在，将可能出现下列不良影响：1.由于膜表面渗透压的升高将导致溶剂通量的下降。

2.溶质通过膜的通量上升。

3.若溶质在膜表面的浓度超过其溶解度可形成沉淀并堵塞膜孔和减少溶剂的通量。

4.出现膜污染，导致膜分离性能的改变，严重时，膜透水性能大幅度下降，甚至完全消失。

浓差极化乃是膜分离过程的自然现象，如何将此现象减轻到最低程度。

目前采取的措施有：①提高膜面水流速度，以减小边界层厚度，并使被截留的溶质及时由水带走；②采取物理或化学的洗涤措施。

浓差极化的减弱措施浓差极化属可逆性污染，不能完全消除，但可以通过改变压力、速度、温度和料液浓度之类的操作参数，进行减弱。

结合浓差极化的形成原因和流体动力学、边界层分离原理，目前采用的具体措施有：3.1 降低压力对以压力差为推动力的膜过程，操作压对膜通量的影响分两种情形，在临界压力之下，为压力控制区，压力增加，膜通量上升；在临界压力之上，为质量传递控制区，压力增加，膜通量基本不变。

选择石洞、较低的压力操作，从而降低能耗，避免增加沉淀曾的厚度和密度毛剑卿浓差极化。

3.2降低溶质在料液中的浓度通过预先过滤或离心沉降等方法出去料液中的大颗粒。

3.3升温法温度升高，料液的年度下降，悬浮颗粒的溶解度增加，传质扩散系数增加，传质系数随之增大。

3.4流体流型和流程的安排流体的流型有滞流和湍流两种，滞流是浓差极化程度远大于湍流。

故设计时应使装置处于湍流状态。

对于给定的膜组件，可降低料液中的流通截面积和增大流速，来有效降低浓差极化。

流程长度与阻力损失有管，流程太长，阻力损失增大，流速下降，浓差极化变大，故设计时应尽量缩短流程，采用串联、并联结合的膜组件排列方式，单一膜组件的压力降应控制在0.392-0.49MPa左右。

流向上可采用错流或折流，以消弱滞流边界层的影响，一般认为，错流时较高的剪切速度有利于带走沉积于膜表面的颗粒、溶质等，浓差极化和膜污染的程度下降。

3.1.10 反冲法周期性采用气体、渗透液等为反冲介质，使膜管在与过滤相反的方向收到短暂的反响压力作用，从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截留液中，并且可以破环膜表面凝胶层和浓差极化，使膜通量明显提高。

反渗透分离原理自然的渗透过程中，溶剂通过渗透膜从低浓度向高浓度部分扩散；而反渗透是指在外界压力作用下，浓溶液中的溶剂透过膜向稀溶液中扩散，具有这种功能的半透膜称为反渗透膜，也称RO(Reverse Osmoses)膜。

对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜，一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜称之为理想半透膜。

当把相同体积的稀溶液(例如淡水)和浓溶液(例如盐水)分别置于半透膜的两侧时，稀溶液中的溶剂将自然穿过半透膜而自发地向浓溶液一侧流动，这一现象称为渗透。

当渗透达到平衡时，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一个压差，此压差即为渗透压。

渗透压的大小取决于溶液的固有性质，即与浓溶液的种类、浓度和温度有关而与半透膜的性质无关。

若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂的流动方向将与原来的渗透方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透。

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

反渗透的去除性能一般有如下规律:(1)高价离子去除率大于低价离子A13+>Fe3+>Mg2+>Ca2+>Li+(2)去除有机物的特性受分子构造与膜亲和性影响分子量:高分子量>低分子量亲和性:醛类>酸类>胺类侧链结构:第三级>异位>第二级>第一级(3)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。