膜分离技术及应用..doc

膜分离技术及应用 1 膜分离技术的简介 1.1 膜分离的概念 利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。 膜分离的一般示意性图见图1。 1.2 膜的简介 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。 被膜分开的流体相物质 图1 膜分离过程示意图 是液体或气体。 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。 1.2.1 对于不同种类的膜都有一个基本要求： （1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5Mpa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa （2）耐高温：高通量带来的温度升高和清洗的需要 （3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； （4）化学相容性：保持膜的稳定性； （5）生物相容性：防止生物大分子的变性； （6）成本低。 1.2.2 膜的分类 按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：有机高分子（天然高分子材料膜、合成高分子材料膜）膜、无机材料膜 1.2.3 各种膜材料 （1）天然高分子材料膜 主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。其中醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜，也可用作微滤膜和超滤膜。醋酸纤维膜使用最高温度和pH范围有限，一般使用温度低于45~50℃，pH3~8。再生纤维素可制造透析膜和微滤膜。 （2）合成高分子材料膜 市售膜的大部分为合成高分子膜，种类很多，主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。 聚砜膜的特点是耐高温(一般为70~80℃，有些可高达125℃)，适用pH范围广(pH=l~13)，耐氯能力强，可调节孔径范围宽(1~20nm)。但聚砜膜耐压能力较低，一般平板膜的操作压力权限为0.5~1.0MPa。 聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。 （3）无机（多孔）材料膜 主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化的无机膜主要有孔径0.1μm以上的微滤膜和截留相对分子质量l0kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。 多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。 无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。 另一类无机微滤膜为动态膜(dynamic membrane)，是将含水金属氧化物 (如氧化锆)等胶体微粒或聚丙烯酸等沉积在陶瓷管等多孔介质表面形成的膜，其中沉积层起筛分作用。动态膜的特点是透过通量大，通过改变pH值容易形成或除去沉积层，因此清洗比较容易，但缺点是稳定性较差。 1.3 膜分离过程的种类 种类 膜的功能 分离驱动力 透过物质 被截流物质 微滤 多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子 压力差 水、溶剂和溶解物 悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物 超滤 脱除溶液中的胶体、各类大分子 压力差 溶剂、离子和小分子 蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子 反渗透和纳滤 脱除溶液中的盐类及低分子物质 压力差 水和溶剂 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 透析 脱除溶液中的盐类及低分子物质 浓度差 离子、低分子物、酸、碱 无机盐、糖类、氨基酸、有机物等 电渗析 脱除溶液中的离子 电位差 离子 无机、有机离子 渗透气化 溶液中的低分子及溶剂间的分离 压力差、浓度差 蒸汽 液体、无机盐、乙醇溶液 气体分离 气体、气体与蒸汽分离 浓度差 易透过气体 不易透过液体 见表1 表1 膜分离的种类及特点 图中分别给出了按分离原理和按被分离物质的大小区分的分离膜种类，从中可以看出，除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的分离膜技术均可应用于任何分离、提纯和浓缩领域。反渗透和纳滤作为主要的水及其它液体分离膜之一，在分离膜领域内占重要地位。 2 膜的制备方法 2.1 高分子膜的制备 用物理化学方法或将两种方法结合，可制作具有良好分离性能的高分子膜。最实用的方法是相转化法和复合膜法。 相转化法是指用溶剂，溶胀剂与高分子膜材料制成铸膜液，刮制成膜后，通过L-S法，热凝胶法，溶剂蒸发法，水蒸气吸入法等使均相的高分子溶液沉淀转化为