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膜分离过程.ppt

膜分离过程

yamei0926
2011-09-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《膜分离过程ppt》,可适用于工程科技领域

生物分离工程生物分离工程膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)一膜技术概况和类型近年发展起来的膜分离技术已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层允许某些组分透过而保留混合物中其它组分从而达到分离目的的技术。膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)年代微孔过滤年代渗析年代电渗析年代反渗透年代超滤年代气体分离年代渗透汽化现代EDI技术(电去离子)膜分离过程(membraneseparation)年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的膜:该膜分离技术发展的一个里程碑。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。膜分离过程(membraneseparation)不对称反渗透膜膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)★膜分离的特点①常温操作②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膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型①微滤(MicrofiltrationMF)②超滤(UltrafiltrationUF)③纳滤(Nanofiltration,NF)④反渗透(ReverseosmosisRO)⑤电渗析(ElectrodialysisED)⑥渗透气化(PervaporationPV)⑦透析(DialysisDS)膜分离法与物质大小(直径)的关系膜分离法与物质大小(直径)的关系膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)有关微米的一组数据μm=mm人发直径μm裸眼可见最小颗粒μm金属颗粒μm酵母菌μm假单胞菌μm小RNA病毒μm膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)<离子、分子量<的有机物溶解扩散渗透蒸发<离子、分子量<的有机物溶解扩散反渗透<2离子、分子量<的有机物溶解扩散纳滤~~,Da的大分子体积大小超滤~~μm的固体粒子体积大小微滤>固体粒子体积大小粒子过滤孔径nm分离对象分离机理膜过程各种膜分离范围膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)浓度梯度电位差浓度梯度压力(~MPa)压力(~MPa)压力(~MPa)驱动力醇与水分离乙酸与水分离有机溶剂脱水有机液体混合物分离(如脂烃与芳烃的分离等小分子有机物与水的分离致密膜或复合膜渗透蒸发苦咸水、海水淡化纯水制备锅炉给水生产工艺用水离子脱除、氨基酸分离离子交换膜电渗析除去小分子有机物或无机离子奶制品脱盐蛋白质溶液脱盐等小分子有机物和无机离子的去除对称的或不对称的膜透析低浓度乙醇浓缩糖及氨基酸浓缩苦咸水、海水淡化超纯水制备小分子溶质脱除与浓缩带皮层的不对称膜、复合膜(<1nm)反渗透溶液除菌、澄清注射用水制备果汁澄清、除菌酶及蛋白质分离、浓缩与纯化含油废水处理印染废水处理乳化液分离、浓缩等细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离不对称微孔膜(1~5nm)超滤溶液除菌、澄清果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除清毒、澄清、细胞收集对称微孔膜(~μm)微滤示例应用对象膜结构名称几种主要膜分离技术特征微滤微滤膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)  微滤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。超滤超滤膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)超滤中三种作用膜孔机械筛分作用膜孔阻塞、阻滞作用膜表面及膜孔对杂质的吸附作用膜的浓差极化溶液在膜的高压侧由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜结果在膜表面溶质(或大分子物质)的浓度不断上升产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差这种现象称为膜的浓差极化。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)减缓措施一是提高料液的流速控制料液的流动状态使其处于紊流状态让膜面处的液体与主流更好地混合二是对膜面不断地进行清洗消除已形成的凝胶层。纳滤纳滤膜分离过程(membraneseparation)(1)概念介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术其截留分子量在道尔顿膜孔径为纳米级。多是复合膜,表面分离层和支撑层组成不同,在纳滤膜表面有一层均匀的超薄脱盐层,比反渗透膜疏松得多,操作压力比反渗透低,因而纳滤也可认为是低压反渗滤技术。膜结构:膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)()纳滤特点:①截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间为~②纳滤膜对无机盐有一定的截留率因为它的表面层由聚电解质所构成对离子有静电相互作用。③多是复合膜表面分离层和支撑层的化学组成不同。分离层可能拥有1nm左右的微孔结构故称“纳滤”。由于其截留率大于的最小分子约为1nm,故称之为纳滤膜。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)()肽和氨基酸的分离道南(Donnan)效应:离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽等电点时是中性当高于或低于等电点时带负电荷或正电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团基于静电相互作用对离子有一定的截留率可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图膜分离过程(membraneseparation)肽和氨基酸的分离肽和氨基酸的分离膜分离过程(membraneseparation)基于上述原理Tsuru等通过调节pH值进行了某些多肽和氨基酸的混合体系的纳滤分离实验。Garem等利用无机和高分子复合型的纳滤膜进行了九种氨基酸和三种多肽的分离实验探讨了这种方法的可行性。膜分离过程(membraneseparation)纳滤膜应用时注意的一些问题膜分离过程(membraneseparation)滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间同时还存在Donnan效应因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果并具有不影响分离物质的生物活性、节能、无公害等特点在食品工业、发酵工业、制药工业等行业越来越广泛的运用。纳滤膜应用时注意的一些问题①膜污染问题②为满足食品和医药行业对卫生的要求膜要经常的杀菌、清洗等处理。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)反渗透反渗透膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)反渗透生产纯水关键有两个:一是一个有选择性的膜我们称之为半透膜二是一定的压力反渗透半透膜孔大小与水分子大小相当由于细菌、病毒、大部分有机污染物和水合离子均比水分子大得多。故可以将两者分离。在水中众多种杂质中,溶解性盐类是最难清除的。因此常根据除盐率高低确定净水效果。反渗透除盐率的高低主要决定于反渗透半透膜的选择性。目前较高选择性的反渗透膜元件除盐率可以高达。微滤、超滤、纳滤和反渗透微滤、超滤、纳滤和反渗透膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)。电渗析电渗析膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)电渗析利用直流电场的作用使水中阴、阳离子定向迁移并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜具有选择透过阴离子而阻挡阳离子通过)使原水在通过电渗析器时一部分水被淡化另一部分则被浓缩从而达到了分离溶质和溶剂的目的。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)渗透气化(膜蒸馏)原理:透过侧抽真空或通以惰性气流使膜两侧产生溶质分压差,在分压差作用下料液中溶质溶于膜内,扩散通过膜,在透过层发生气化,气态溶质在透过层的冷却装置作用下冷凝回收。即:利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同而有选择性地优先吸附(透过)溶液某一组分及各组分在膜中扩散速度不同来达到分离的目的。溶质和膜的作用决定溶质的透过速度,疏水性的溶质易溶于疏水性的膜。气化所需潜能用外部热源供给。液相渗透气化示意图气相渗透汽化装置透析透析膜分离过程(membraneseparation)即:膜两侧溶质浓度不同在浓差作用下左侧高分子溶液中小分子溶质(如无机盐)透向右右侧的水渗透向左侧这就是透析。(膜两侧浓度梯度差可使水由低浓度侧向高浓度侧移动这称为渗透。)原理:利用具有一定孔径大小的高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液(左侧)与纯水或缓冲液(右侧)分隔右侧纯水或缓冲溶液称为透析液所用的亲水膜称为透析膜透析过程中透析膜内无流体流动溶质以扩散的形式移动。透析原理图透析原理图透析液水分子大分子小分子(无机盐)透析膜膜分离过程(membraneseparation)透析法的应用透析法的应用膜分离过程(membraneseparation)透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面主要用于大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓度差为传质推动力膜的透过量很小不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。二膜材料和膜的结构二膜材料和膜的结构膜分离过程(membraneseparation)要求:()透过速度()选择性()机械强度()稳定性膜材料膜材料膜分离过程(membraneseparation)微滤膜材料:聚偏氟乙烯聚丙烯硝酸纤维醋酸纤维超滤膜:聚砜硝酸纤维醋酸纤维反渗透膜:醋酸纤维素衍生物聚醚聚酰胺天然材料:各种纤维素衍生物人造材料:各种合成高聚物特殊材料:复合膜无机膜,不锈钢膜陶瓷膜膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)对称膜和不对称膜示意图膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)不对称膜的过滤作用膜分离过程(membraneseparation)纤维素分子膜分离过程(membraneseparation)醋酸纤维特点醋酸纤维特点膜分离过程(membraneseparation)①透过速度大②截留盐的能力强③易于制备④来源丰富⑤不耐温(℃)⑥pH范围窄清洗困难⑦与氯作用寿命降低⑧微生物侵袭⑨适合作反渗透膜聚砜构造聚砜构造膜分离过程(membraneseparation)聚砜膜的特点聚砜膜的特点膜分离过程(membraneseparation)()温度范围广()pH范围广()耐氯能力强()孔径范围宽()操作压力低()适合作超滤膜芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类膜分离过程(membraneseparation)聚酰胺膜聚酰胺膜膜分离过程(membraneseparation)()耐热()pH范围广()寿命较长()不耐氯相转变制膜相转变制膜膜分离过程(membraneseparation)不对称膜通常用相转变法(phaseinversionmethod)制造其一般步骤如下:.将高聚物溶于一种溶剂中.将得到溶液浇注成薄膜(如欲制造中孔纤维膜则需用特制的喷丝头).将薄膜浸入沉淀剂(通常为水或水溶液)中均匀的高聚物溶液分离成两相一相为富含高聚物的凝胶形成膜的骨架而另一相为富含溶剂的液相形成膜中空隙。新型膜材料新型膜材料膜分离过程(membraneseparation)①聚氨基葡萄糖②在高分子材料中加入低分子液晶材料制成复合膜③无机多孔膜④功能高分子膜⑤纳米过滤膜⑥不锈钢膜除此以外改革膜体结构加强“超薄膜”和“复合膜”的研究也是当前发展的新动向。三浓差极化与膜污染及清洗方法三浓差极化与膜污染及清洗方法膜分离过程(membraneseparation)膜分离浓差极化与膜污染是影响膜分离主要障碍。浓差极化:溶液在膜的高压侧由于溶剂和低分子物质不断透过超滤膜结果在膜表面溶质(或大分子物质)的浓度不断上升产生膜表面浓度与主体流浓度的浓度差这种现象称为膜的浓差极化。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜污染膜污染膜分离过程(membraneseparation)指处理物料中的微粒胶体或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附沉积造成膜孔径变小或堵塞使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染与浓差极化有内在联系尽管很难区别但是概念上截然不同。膜污染的控制方法膜污染的控制方法膜分离过程(membraneseparation)通过控制膜污染影响因素大大减少膜污染的危害延长膜的有效操作时间减少清洗频率提高生产能力和效率因此在用微滤超滤分离浓缩细胞菌体或大分子产物时必须注意以下几点:①进料液的预处理②选择合适的膜材料③改善操作条件四分离机理四分离机理膜分离过程(membraneseparation)毛细管流动模型溶解扩散模型优先吸附模型膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)毛细管流动模型膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)溶解扩散模型当压力有变化时化学位公式如下:式中- 膜相中组分i的偏摩尔体积p- 标准态压力将式 (-)代入式(-)中得当压力有变化时化学位公式如下:式中- 膜相中组分i的偏摩尔体积p- 标准态压力将式 (-)代入式(-)中得()膜分离过程(membraneseparation)由上式可见推动力包括两项即浓度梯度和压力梯度。对于稀溶液来说溶剂(通常为水)的浓度改变很小因而可只考虑压力的影响。相反对溶质来说一般截留率较高浓度改变较大压力项与浓度项相比可以忽略。于是对溶剂(组分)可得:由上式可见推动力包括两项即浓度梯度和压力梯度。对于稀溶液来说溶剂(通常为水)的浓度改变很小因而可只考虑压力的影响。相反对溶质来说一般截留率较高浓度改变较大压力项与浓度项相比可以忽略。于是对溶剂(组分)可得:体积通量为膜分离过程(membraneseparation)符号说明符号说明膜分离过程(membraneseparation)式中Jν- 体积通量Δx- 膜的厚度M- 溶剂(水)的分子量ρ- 溶剂的密度Δp为膜两侧压力差ΔΠ为膜两侧渗透压差对溶质(组分)来说其摩尔通量为对溶质(组分)来说其摩尔通量为膜分离过程(membraneseparation)按式(-)并考虑到 J=Jv则可得到截留R的关系式:按式(-)并考虑到 J=Jv则可得到截留R的关系式:溶解扩散模型适用于均匀的膜能适合无机盐的反渗透过程但对有机物常不能适用。就这些方面说来优先吸附-毛细孔流动模型比较优越。膜分离过程(membraneseparation) 优先吸附-毛细孔流动模型(Preferentialcapillaryflowmodel) 优先吸附-毛细孔流动模型(Preferentialcapillaryflowmodel)膜分离过程(membraneseparation)由Sourirajan于年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层其厚度可为几个水分子的大小(见图-a)。在压力下就可连续地使纯水层流经毛细孔。从图b可想象如果毛细孔直径恰等于倍纯水层的厚度则可使纯水的透过速度最大而又不致令盐从毛细孔中漏出即同时达到最大程度的脱盐。Sourirajan根据这一想法成功地选择了膜材料合成了一定孔径的膜以满足应用于不同系统的需要。图优先吸附毛细孔流动模型图优先吸附毛细孔流动模型分离机理(a)膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面膜分离过程(membraneseparation)(b)在膜表面处的流动(b)在膜表面处的流动膜分离过程(membraneseparation)水在膜中的迁移水在膜中的迁移膜分离过程(membraneseparation)溶质在膜中的迁移系服从Fick定律Jw=AΔp=A{p–Π(xA)–Π(xA)}()式中Jw:水的摩尔通量P操作压力A:纯水透过系数它表征膜的空隙度与膜的种类无关xA:溶质在高压侧膜面上液体中的浓度摩尔分数xA:溶质在透过液中的浓度摩尔分数。在稀溶液中渗透压服从vańtHoff方程式:在稀溶液中渗透压服从vańtHoff方程式:膜分离过程(membraneseparation)Пi=φRTCi式中Ci:摩尔浓度φ:渗透压系数非理想溶液的校正系数。但在实际应用中把上式改写为下列形式更为方便:Пi=B'ixi膜分离过程(membraneseparation)溶质在膜中的迁移:式中:高压侧膜面上浓度:低压侧膜面上浓度。膜分离过程(membraneseparation)假定Ki为溶质在液相与膜相之间的分配系数即=Ki=Ki代入上式中可得假定Ki为溶质在液相与膜相之间的分配系数即=Ki=Ki代入上式中可得分离机理称为溶质迁移参数。对于一定的膜溶剂溶质系统当操作压力一定时在相当大的浓度和流速范围内是一常数所以可用来预测不同条件下膜的性能。膜分离过程(membraneseparation)五膜两侧溶液间传递方程式五膜两侧溶液间传递方程式膜分离过程(membraneseparation)浓差极化凝胶层模型(concentrationPolarizationgellayermodel)阻力模型(resistancemodd)管状收缩效应(TubularPincheffect)浓差极化一凝胶层模型浓差极化一凝胶层模型膜分离过程(membraneseparation)在反渗透中膜面上溶质浓度大渗透压高致使有效压力差降低而使通量减小。在超滤和微滤中处理的是高分子或胶体溶液浓度高时会在膜面上形成凝胶层增大了阻力而使通量降低。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)浓差极化边界层中的浓度分布浓差极化边界层中的浓度分布膜分离过程(membraneseparation)(膜面溶液浓度)(体积通量)(主体浓度)(透过液浓度)凝胶层的形成凝胶层的形成膜分离过程(membraneseparation)(体积通量)(膜面溶液浓度)(主体浓度)(透过液浓度)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)在边界层中取一微元薄层对此微元薄层作物料衡算。当达到稳态后流出微元薄层的溶质通量保持不变并等于透过膜的通量Ji=JvCp(Jv体积通量)。随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和故有随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和故有随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和故有利用边界条件当x=时C=Cw当x=δ时C=Cb将上式积分并得到(D为溶质在溶液中扩散系数δ边界层厚度Cw为膜面溶液浓度)令Km=Dδ为传质系数上式成为膜分离过程(membraneseparation)如果溶质完全被截留Cp=上式就可以写成如果溶质完全被截留Cp=上式就可以写成传递理论CwCb称为极化模数(polarizationmodulus)或在超滤中当膜面浓度增大到某一值时溶质成最紧密排列或析出形成凝胶层此时膜面浓度达到极大值CG。膜分离过程(membraneseparation)凝胶层形成前后通量JV与主体浓度logCb的关系凝胶层形成前后通量JV与主体浓度logCb的关系通量膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)根据流体力学在膜面附近始终存在着一层边界层当发生浓差极化后浓度在边界层中的分布。膜面上浓度Cw大于主体浓度Cb溶质向主体反扩散。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)要减少浓差极化通常采用错流操作。因深层过滤中液体主体流动方向和透过液一致使截留溶质愈来愈多而在错流过滤中两者互相垂直截留溶质为切向流所带走。阻力模型(resistancemodd)阻力模型(resistancemodd)和通常的过滤操作一样把通量Jv表示成推动力和阻力之比:Rm:膜的阻力Rc:滤饼阻力u:黏度在反渗透中通常不形成滤饼RC可以忽略:在超滤或微滤中渗透压可以忽略不计:膜分离过程(membraneseparation)Rm可以用新膜以水进行试验求得,Rc膜面上滤饼的阻力计算如下:Rm可以用新膜以水进行试验求得,Rc膜面上滤饼的阻力计算如下:对于不可压缩滤饼根据CarmanKozeny方程式Rc可写成:对于可压缩滤饼(β为滤饼的压缩性指数,对不可压缩滤饼β=对完全可压缩滤饼β=通常在~之间W:单位体积料液中所含有的颗粒重量Vt:到某一瞬间滤液的总体积F:膜面积:α为常数与滤饼性质有关。)如果膜的阻力可以忽略,则公式可以表示为:膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)由上式可见单位面积的处理量与Jv成反比。这个关系在实用上有一定的意义。如要求体积流速(mh)一定则在膜阻塞前所能处理的总体积和膜面积成正比。因而膜面积增大倍处理量可增加。膜分离过程(membraneseparation)或管状收缩效应(TubularPincheffect)管状收缩效应(TubularPincheffect)膜分离过程(membraneseparation)人们发现在胶体溶液的超滤或微滤中实际通量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。原因就是-管状收缩效应胶体溶液在管中流动时颗粒有离开管壁向中心运动的趋向称为管状收缩效应。这个现象使膜面上沉积的颗粒具有向中心横向移动的速度使膜面污染程度减轻通量增大。管状收缩效应管状收缩效应膜分离过程(membraneseparation)上式实际上表示VL和r3成反比因此处理浑浊液体时窄通道超滤器是有吸引力的。实验结果和理论分析表明横向移动速度VL和轴向速度u的平方成正比而和管径r的立方成反比:六表征膜性能的参数六表征膜性能的参数膜分离过程(membraneseparation)截断分子量孔的特征水通量抗压能力pH适用范围对热和溶剂的稳定性截留率和截断分子量截留率和截断分子量膜分离过程(membraneseparation)膜对溶质截留能力以截留率R(rejection)表示R=-Cp/Cb17-1式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间透过液(Permeate)和截留液的浓度。如R=则Cp=表示溶质全部被截留如R=则Cp=Cb表示溶质能自由透过膜。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)对于超滤膜制造商在出厂前通常用已知分子量的各种物质进行试验测定其截留率。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线(图)。但到目前为止对试验条件尚无统一规定。质量好的膜应有陡直的截断曲线可使不同分子量的溶质分离完全反之斜坦的截断曲线会导致分离不完全。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)陡直斜坦相对分子质量截留率截断曲线影响截留率的因素影响截留率的因素膜分离过程(membraneseparation)分子的形状吸附作用温度流速pH离子强度(影响蛋白构象)孔道特征孔道特征膜分离过程(membraneseparation)孔径(泡点法)孔径分布空隙度MWCO与孔径的关系孔径、孔径分布和空隙度孔径、孔径分布和空隙度膜分离过程(membraneseparation)孔径常用泡点法测定对微孔膜尤为适用。将膜表面复盖一层溶剂(通常为水)从下面通入空气逐渐增大空气的压力当有稳定的气泡冒出时称为泡点。泡点的压力根据下式即可计算出孔径:d=γCOSθ/P()式中d为孔径γ为液体的表面张力θ为液体与膜间的接触角P为泡点压力。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)由式()可见对于较大的孔泡点压力较低因此用泡点法测得的是最大孔径。孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到特别是微孔膜其孔隙大小在电镜的分辨范围内。完整性试验完整性试验膜分离过程(membraneseparation)本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏某些厂商规定新膜要通过该项试验。操作过程:()将超滤器保留液出口封闭()透过液出口接上一倒置的滴定管()自料液进口处通入一定压力的压缩空气()当达到稳态时测定气泡逸出速度如大于规定值表示膜不合格。完整性试验流程图完整性试验流程图试验组件和膜是否完整膜分离过程(membraneseparation)七影响膜过滤的各种因素七影响膜过滤的各种因素膜分离过程(membraneseparation)①压力②浓度③温度④流速⑤其它因素①压力①压力ppP0在错流操作中要区别两种压力差(见上图)。一种为通道两端压力差P=PP是保留液在系统中进行循环的推动力另一种为膜两侧平均压力差膜分离过程(membraneseparation)轴向和侧向压力差膜分离过程(membraneseparation)常规过滤错流过滤膜分离过程(membraneseparation)在反渗透中通量与截留率随压力的变化在反渗透中通量与截留率随压力的变化液质截留率=水通量或截留率△P膜分离过程(membraneseparation)在超滤中膜两侧压力差△Pt对通量和截留率的影响在超滤中膜两侧压力差△Pt对通量和截留率的影响流速增大温度升高料液浓度降低A:浓差极化层未形成B:浓差极化层形成C:凝胶层形成(下图)通量Jv截留率RHO上图中还表示出当流速增大、温度升高和料液浓度降低时极限通量增大。在超滤中压力升高引起膜面浓度升高则透过膜的溶质也增大因而截留率减小(上图)膜分离过程(membraneseparation)②浓度②浓度CG膜面浓度最大值,随条件而变,可以认为是常数u:平均流速膜分离过程(membraneseparation)在超滤中当凝胶层形成后按右公式计算JV和lnCb之间成线性关系。膜分离过程(membraneseparation)当以微滤过滤菌体时通量与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中开始时通量下降很快可能是由于膜面的污染然后有一段区域通量变化较小可能由于管状收缩效应引起通量的增加和浓度增大引起的降低互相对消最后通量急剧降低见图在谷氨酸发酵液中的微滤中通量黏度菌体浓度膜分离过程(membraneseparation)③温度③温度膜分离过程(membraneseparation)在超滤或微滤中一般说来温度升高都会导致通量增大因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。所以操作温度的选择原则是:在不影响料液和膜的稳定性范围内尽量选择较高的温度。由于水的粘度每升高℃约降低%所以一般可认为每升高℃通量约增加%。④流速④流速湍流滞流膜分离过程(membraneseparation)根据浓差极化一凝胶层模型流速增大可使通量增大。对于超滤通常在略低于极限通量的条件下操作。在滞流时InJv对Inu的关系图上直线的斜率为/而在湍流时斜率为。在以微滤过滤菌体时斜率可在~之间。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)虽然增大流速有明显的优点但需考虑下列各点:.只有当通量为浓差极化所控制时增大流速才会使通量增加。.增大流速会使膜两侧平均压力差减小因为流经通道的压力降增大。.增大流速使剪切力增加对某些蛋白质不利。.动力消耗增加。⑤其它因素⑤其它因素膜分离过程(membraneseparation)pH对截留率影响:例:在极端pH下超滤蛋白质时常使截留率增大这是由于吸附在膜上蛋白质和溶液中蛋白质带相同电荷而互相排斥的缘故。反渗透:不要使溶解度小的溶质析出不要含胶体粒子以免污染膜。超滤:当pH在蛋白质的等电点时通量最低。当有盐类存在时一般使通量降低。当料液含<μm微粒会使通量降低。含>μm坚硬粒子通常会使通量增大。极化边界产生极化边界产生膜分离过程(membraneseparation)克服浓差极化的方法克服浓差极化的方法浓差极化的减少降低压力降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜的混合低浓度因子提高固体粒子反向质量传递排除膜表面的浓集物桨式混合器静态混合器边界层减薄机械清洗高速度梯度短的液流周期增加扩散细的通道移动膜移动液体提高温度膜分离过程(membraneseparation)八膜过滤装置八膜过滤装置膜分离过程(membraneseparation)目前生产的膜过滤装置都由模件(Module)构成一个良好的模件应具备下列条件:.膜面切线方向的速度相当快或有较高的剪切率以减少浓差极化.膜的装载密度即单位体积中所含膜面积比较大.拆洗和膜的更换比较方便.保留体积小且无死角。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)常见的膜过滤装置有四种类型:①平板式②管式③卷式(螺旋式)④中空纤维式膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)①平板式构造膜分离过程(membraneseparation)②管式膜组件的构造简图膜分离过程(membraneseparation)管式构造管式构造膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)③卷式超滤筒的构造膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)动态压力过滤器操作:由内筒和外筒组成内筒以rmin旋转造成料液的切向流动消除浓差极差应用:MF、UF、RO、酶反应等优点:A、无浓差极差局部混合十分好B、高渗透流高的酶传递性。缺点:单位体积的过滤面积小放大困难。动态压力过滤器膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)④中空纤维式膜组件各种模件性能比较各种模件性能比较膜分离过程(membraneseparation)①超滤微滤分批浓缩①超滤微滤分批浓缩         浓缩模式和透析过滤模式(在浓缩模式中不断加入水或缓冲液如虚线所示即成为透析过滤模式)膜分离过程(membraneseparation)九膜过滤操作方法(超滤或者微滤)背压阀膜分离过程(membraneseparation) C、V为起始浓度和体积VF为最总体积R为截留率分批操作中见上图料液一次加入储槽中以泵进行循环同时有透过液流出浓度逐渐增加称为浓缩模式。一般说来循环液(保留液)的体积流速应为透过液的倍以上以便其以高速流过膜面。膜两侧的压力差由背压阀调节。通常将背压调至零以使循环速度增大但同时使膜两侧压力差降低故存在一最适的背压使通量达到最大。在分批操作中最终浓度CF根据实验数据绘出Jv对C关系以图解积分求得膜分离过程(membraneseparation)②透析过滤②透析过滤 小分子溶质残留率:Cs、Csf为小分子溶质透析前后浓度Rs、RL为小、大分子溶质截留率VD为透过液体积大分子溶质残留率:Cl、Clf为大分子溶质透析前后浓度膜分离过程(membraneseparation)在分批操作中小分子和溶剂透过膜而大分子在保留液留中浓度逐渐增大而通量逐渐降低最后操作无法进行。若需进一步将小分子除去可以补充加入水继续进行超滤。通常的操作方式为连续地加入水其量恰与透过液相等保留液体积始终保持不变。③连续操作③连续操作 膜分离过程(membraneseparation)十膜生物分离法的应用十膜生物分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)浓缩大分子纯化去杂质(植物成分)抗生素去热原(卷曲霉素)滤过除菌膜生物反应器微生物菌体分离微生物菌体分离膜分离过程(membraneseparation)胞外产物首先要除去悬浮的微生物、离子与胶体。目前较好的固液分离方是过滤或离心。实例:超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体。可将发酵原液中固体含量浓缩倍为菌体的再利用创造了条件而且超滤透过液中谷氨酸含量、pH等理化指标与发酵液相同但不含菌体且蛋白含量很低再利用等电点法提取谷氨酸时收率可达到比传统等电点法高个百分点。小分子产物的回收小分子产物的回收膜分离过程(membraneseparation)氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在以下用超滤法可从发酵液中回收这些小分子产物然后利用反渗透法进行浓缩和除去更小的杂质。除热原除热原膜分离过程(membraneseparation)传统的针剂用水除热源的方法是:过滤加活性炭吸附此法并不可靠。目前在医药工业上用超滤法制造无菌水。热源物质分子大小为~nm分子量为~用截留分子量左右的膜比较合适。蛋白质的回收与脱盐蛋白质的回收与脱盐膜分离过程(membraneseparation)根据蛋白质的相对分子质量选择适当的超滤膜可进行蛋白质的浓缩和脱盐。由于超滤膜的孔径有一定的分布范围用超滤进行蛋白质的分级分离时蛋白质之间的分子量需相差倍以上否则难以分离。药酒和中药制剂的澄清药酒和中药制剂的澄清膜分离过程(membraneseparation)药酒和中药制剂中存在有大量的鞣质、蛋白质、淀粉、树脂等大分子物质是一种胶体溶液。这些大分子物质既无药效又难以去除。中国科学院生态环境研究中心采用超滤法去除药酒和中药制剂中的杂质取得了很好的效果。透过液澄清透明大分子杂质全部去除有效成分均可透过膜。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)亲和膜分离技术陶瓷膜技术膜分离组合技术十一新型膜分离技术及其应用()亲和膜的作用机理()亲和膜的作用机理亲和膜的作用机理膜相担体膜分离过程(membraneseparation)亲和膜分离技术()亲和膜及其分离特征()亲和膜及其分离特征膜分离过程(membraneseparation))活化载体化学反应在膜表面接上可反应的官能团或者是一定长度的“间隔臂”。常用的亲和膜载体材料有:脂族烃类(聚乙烯、聚丙烯)芳香族共聚物(聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜)脂族聚酰胺(尼龙、尼龙)一些特殊的聚合物如聚乙烯醇、纤维素。膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation))偶联配基常用的配基可以分为:特异性配基(如抗原一抗体、酶和底物等)非特异性配基(活性染粒、氨基酸、金属离子).配基与底物常用的结合方法有:溴化氢法、环氧法、羰基二咪唑法、高碘酸盐法、碳二亚胺法、金属螯合法。()操作方式()操作方式膜分离过程(membraneseparation)连接上的配基用于亲和膜用于分离时主要的操作方式有:①亲和微滤②亲和超滤这种方式既具有分离目标生物分子的作用又可以去除部分溶剂达到浓缩的目的。陶瓷膜技术陶瓷膜技术膜分离过程(membraneseparation)无机陶瓷膜是由陶瓷材料经特殊工艺制备而成的管状的不对称半透膜。多孔陶瓷膜包括孔径从数微米到微米的微滤膜和孔径小到~纳米的多种孔径超滤膜。耐高温高强度不怕酸碱及有机溶剂腐蚀可以用强酸强碱再生以高温蒸汽消毒使用寿命长。大豆蛋白活性肽的生产方法大豆蛋白活性肽的生产方法膜分离过程(membraneseparation)在我国大豆蛋白活性肽的生产方法主要有酸法、酶法和微生物发酵法。微生物发酵法生产大豆蛋白活性肽传统工艺为:豆粕发酵离心分离(卧式分离碟片分离叶片分离)浓缩喷粉包装现将传统工艺中的离心分离工序改进为经卧式分离后直接使用无机陶瓷膜进行分离。③膜分离组合技术③膜分离组合技术膜分离过程(membraneseparation)应用膜分离技术处理生物发酵液时通常直接采用一级微滤或一级超滤对发酵液进行固液分离来去除大分子物质如菌丝、蛋白质、病毒、热原等而小分子代谢产物(包括目的产物)、盐和水则%透过微滤或超滤膜。由于微滤和超滤透过液的质量对后续操作至关重要所以在一些工业应用中有必要对一级微滤或超滤的透过液进行二级超滤或反渗透。超滤和反渗透的组合超滤和反渗透的组合膜分离过程(membraneseparation)超滤和反渗透的组合超滤和反渗透的组合膜分离过程(membraneseparation)作业题作业题膜分离过程(membraneseparation)理解概念:截留分子量截留率。微滤超滤反渗透分离技术在分子尺寸上有何区别?影响截留率的因素有哪些?毛细管流动模型溶解扩散模型和优先吸附模各适用于解释哪些膜过程膜污染有哪些途径造成?如何有效防止和清除膜污染?生物分离工程生物分离工程

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膜分离过程

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