分离与富集技术第三章膜分离.doc

3.1 概论 膜的定义：在一种流体相内或两种流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相分隔成两部分，这一薄层物质就是膜。 膜分离：以固相膜作为选择障碍层，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，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。 1 膜分离的发展史 2 膜分离的特点 操作在常温下进行； 物理过程，不需加入化学试剂； 不发生相变化（因而能耗较低）； 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； 设备易放大，可以分批或连续操作。 3 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：天然膜、合成有机聚合物膜、无机材料膜 多孔膜与致密膜：前者具有多孔性结构，膜内孔径0.05-20μm，如微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者无多孔性结构，其通过速率主要取决于扩散速率，如反渗透膜、渗透蒸发 几种常见的膜： （1）对称膜： 结构与方向无关的膜，孔径可一致，结构可不规则 （2）不对称膜： 由一个很薄但比较致密的分离层和多孔支撑层组成，此类膜具有高的传质速率和良好的机械强度，膜通量比对称膜高10-100倍。 （3）复合膜： 结构与不对称膜相似，其中选择性膜层（活性膜层）沉积于具有微孔的支撑层表面。复合膜的性能不仅取决于具有选择性的表面薄层，而且受微孔支撑层的影响。 （4）无机膜: 化学稳定性好、耐强酸、强碱、强氧化剂、化学溶剂；热稳定性好，耐高温；通量较大，污染少；机械强度高，使用周期长；允许条件苛刻的清洗操作(蒸汽灭菌、高压反冲洗等) 常见膜分离方法 按分离粒子大小分类： 透析（Dialysis，DS）微滤（Microfiltration，MF） 超滤（Ultrafiltration，UF）纳滤（Nanofiltration，NF） 反渗透（Reverse osmosis，RO） 电渗析（Electrodialysis，ED） 渗透气化（Pervaporation，PV） 按照截留分子量： 微滤 0.02～10μm 超滤 50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50万Dalton 透析 3000 Dalton～ 几万Dalton 纳滤 200～1000Dalton或1nm 反渗透 200Dalton 膜材料 对于不同种类的膜基本要求： 耐压：一般膜操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； 化学相容性：保持膜的稳定性； 生物相容性：防止生物大分子的变性 成本低 3.2 膜分离方法 1 微孔过滤 主要用于从液相物质中截留微粒、细菌、污染物达到净化、分离和浓缩的目的。微孔过渡是最重要，应用最广的一种。 以压力差为推动力的膜分离方法，关键物质是微孔滤膜。 主要特点： （1）孔径的均一性： 可以制备得到孔径非常均匀的滤膜。平均孔径0.45μm 的滤膜：孔径变化范围为0.45±0.02μm； （2）空隙率高： 表面上无数微孔，1cm2可有107－1011个，空隙高达80%，意味通过时间短，通量大一般地说，它比同等截留能力的滤纸快40倍。 （3）滤材薄: 一般为150μm, 过滤少量而且高价的液体损失少；单位面积重量为5mg/cm2，用来除去液体中悬浮粒子。 性能：厚度；过滤速度；空隙率；孔径及其分布 膜的孔径是微孔滤膜分离特性的重要参数。 微孔滤膜的断面结构，常见的有以下三种类型： （a）通 孔 型；（b） 网络型；（c ）非对称型 截留机理： （1）机械截留 膜能截留比膜孔径大的微粒或杂质； （2）物理作用或吸附截留 这是由膜材料与被截留微粒的物理性能所决定的，如吸附、电性能等； （3）架桥作用　微粒构成桥形被截留； （4）网络型膜网络内部截留　此时微粒被截留在膜的内部。 微孔滤膜的制备方法 （1）相转化法 将配制好的制膜液，经过滤、除气后在金属或玻璃上流延成薄层，在一定温度、湿度下，让溶剂蒸发而成膜； （2）烧结法 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定的模具内，严格控制温度和压力，使细粉粒子表面由软变熔，进而互相粘结而形成多孔体，经机械加工后制得滤膜； （3）溶出法 本法是在制膜基材中混入某些可溶性固体细粉，成膜后用水或其他溶剂将其溶出 ，从而形成多孔膜。 微孔滤膜的品种 2 反渗透 ——分离溶剂分子与溶质分子的方法 新型膜分离技术，近二十年来取得很大进展：1953-1960发明，首次用于海水