生化分离工程6教材课件

第第6 6章章 膜分离技术膜分离技术n知知识识点点：膜分离过程的分类及定义，膜分离机理，膜分离理论，超滤速度的影响因素，超滤膜污染及再生，超滤的操作方式及设备，膜分离过程的应用实例。n重重点点：膜分离过程的分类，概念，实质及其适用范围。超滤膜污染的常规处理方法，膜分离机理的毛细管流动模型和溶解扩散模型，传递理论中过滤模型和浓差极化问题，超滤器的型式及其方式。n难点：难点：膜分离机理和传递理论。目录目录n1.1.膜分离概述膜分离概述n2.2.膜的分类膜分离概述膜的分类膜分离概述n3.3.膜分离技术的发展历史膜分离技术的发展历史n4.4.膜分离机理膜分离机理n5.5.膜分离组件与设备膜分离组件与设备n6.6.膜污染、防治与清洗膜污染、防治与清洗n7.7.膜分离技术的应用膜分离技术的应用n8.8.膜分离技术的展望与趋势膜分离技术的展望与趋势n9.9.各种膜分离技术介绍各种膜分离技术介绍1.1.膜分离概述膜分离概述n定义定义n膜分离技术的特点膜分离技术的特点n各种膜分离过程的简介各种膜分离过程的简介常用膜分离技术的基本特征常用膜分离技术的基本特征 原理原理 RO membrane NF membrane UF membrane MF membrane原理原理动漫动漫纳滤在工业上的应用纳滤在工业上的应用-2.2.膜分离材料分类膜分离材料分类n膜的种类膜的种类n膜材料的种类膜材料的种类n表征膜性能的参数表征膜性能的参数 膜的种类膜的种类根据膜的材质固体膜液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜致密膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能 固体膜固体膜根据膜断面的物理形态根据固体膜的形态对称膜不对称膜复合膜平板膜管式膜中空纤维膜核径蚀刻膜膜膜材材料料种种类类高分子分高分子分离膜材料离膜材料纤维素衍生物类纤维素衍生物类聚砜类聚砜类聚酰胺类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酰亚胺类聚酯类聚酯类聚烯烃类聚烯烃类乙烯类聚合物乙烯类聚合物含硅聚合物含硅聚合物含氟聚合物含氟聚合物甲壳素类甲壳素类无机膜无机膜致密膜致密膜多孔膜多孔膜致密的金属膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的固体电解质膜致密的致密的”液体充实固体化液体充实固体化“动态原位形成的致密膜动态原位形成的致密膜Pd膜及膜及Pd合金膜合金膜Ag膜及膜及Ag合金膜合金膜氧化锆膜氧化锆膜复合固体氧化膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔多孔Ni膜，多孔膜，多孔Ag膜，多孔膜，多孔Pd膜，多孔膜，多孔Ti膜膜多孔陶瓷膜，包括多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，膜，SiO2膜，膜，ZrO2膜，膜，TiO2膜膜（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类具体分类种类种类具体分类具体分类纤维素衍生物纤维素衍生物类类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类聚砜类双酚双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺芳香聚酰胺聚酰亚胺类聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺酰亚胺聚酯类聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基甲基-1-戊烯戊烯乙烯类聚合物乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类甲壳素类无无表征膜性能的参数表征膜性能的参数n孔的性质n水通量n耐压能力npH适用范围n对热和溶剂的稳定性n截留分子量分布n膜科学的发展史膜科学的发展史n膜工业的发展史膜工业的发展史3.3.膜分离技术的发展历史膜分离技术的发展历史年代年代科学家科学家主要内容主要内容1748Abbe Nollet水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象渗透现象1827Dutrochet名词渗透作用（名词渗透作用（Osmosis）的引入的引入1831J.V.Mitchell气体透过橡胶膜的研究气体透过橡胶膜的研究1855Fick发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制备了早期的人工半渗透膜制备了早期的人工半渗透膜18611966Graham发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现渗析（渗析（Dialysis）现象现象18601977Vant Hoff，Tranbe，Preffer渗透压定律渗透压定律1906Kahlenbery观察到烃观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜乙醇溶液选择透过橡胶薄膜1917Kober引入名词渗透气化（引入名词渗透气化（Pervaporqtion）膜科学的发展史膜科学的发展史1911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布，布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象电渗析和伴生传递的平衡现象1922Zsigmondy Bachman Fofirol.etc微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维）为赛璐玢和再生纤维）1920Mangold，Michaels.Mobain.etc用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象透现象1930Teorell，Meyer，Sievers进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础1944William Kolff初次成功使用了人工肾初次成功使用了人工肾1950Juda，Mcrae合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离工程离工程1960Loeb-Sourirajan相转化法制出了非对称反渗透膜相转化法制出了非对称反渗透膜1968N.N.Li发明了液膜发明了液膜1980Cadotte制出了界面反应聚合复合膜制出了界面反应聚合复合膜续表：续表：分离过程分离过程年代年代目前主要厂商目前主要厂商应用应用微滤微滤1925Millipore Corp，Pall corp.，Asahi Chemical微电子、医学、微电子、医学、食品、化工等食品、化工等电渗析电渗析1960Oonics Ins.，Tokuyama Soda，Asahi Glass苦咸水脱盐、水苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业分解、氯碱工业反渗透反渗透1965Film Tech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，Ddu Pont海水脱盐、饮用海水脱盐、饮用水生产、食品工水生产、食品工业、造纸工业等业、造纸工业等渗析渗析1965Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical血液渗析、工业血液渗析、工业废液等废液等超滤超滤1970Amicon Corp.，Koch Eng.Inc.，Nittl Denko制药工业、乳品制药工业、乳品工业等工业等气体分离气体分离1980Permea/Air Prod.，Ube Ind.，Hoechst/Celanese医疗、燃烧过程医疗、燃烧过程等等渗透汽化渗透汽化1990GFT GmbH无水乙醇生产无水乙醇生产膜工业的发展史膜工业的发展史4.4.膜分离机理和传递理论膜分离机理和传递理论 n优先吸附-毛细管流动模型n溶解-扩散模型n孔模型n氢键模型优先吸附优先吸附-毛细孔流动模型毛细孔流动模型溶解扩散模型溶解扩散模型 n具体过程包括：n溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。n溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以分子扩散方式（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层。n溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。5.5.膜分离操作方式膜分离操作方式n间歇操作浓缩模式透析过滤模式n连续操作单级连续操作多级连续操作n板框式膜组件板框式膜组件 n卷式膜组件卷式膜组件 n管式膜组件管式膜组件 n中空纤维膜组件中空纤维膜组件 n膜分离设备流程图膜分离设备流程图5.5.膜分离组件与设备膜分离组件与设备各种膜组件的优缺点比较各种膜组件的优缺点比较 组件优 点缺 点板框式保留体积小，操作费用低的压力降，液流稳定，比较成熟投资费用大，大的固含量会堵塞进料液通道，拆卸比清洁管道更费时间螺旋卷式设备投资低，操作费用也低，单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易料液需经预处理，压力降大，易污染，难清洗，液流不易控制管 式易清洗，单根管子容易调换，对液流易控制，无机组件可在高温下用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒高的设备投资和操作费用，保留体积大，单位体积中所含有过滤面积较小，压力降大中空纤维式保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆流操作，压力较低，设备投资低料液需要预处理，单根纤维管损坏时，需调换整个组件，不够成熟膜分离设备流程图膜分离设备流程图n膜污染n膜的劣化膜的劣化n水生物水生物(附生附生)污垢污垢n浓差极化6.6.膜的污染、防治及清洗膜的污染、防治及清洗膜污染的预防膜污染的预防 n预处理法：n开发抗污染的膜：n加大供给液的流速污染膜是否清洗的判据污染膜是否清洗的判据 n根据膜分离装置进出口压力降的变化：n根据透水量或透水质量的变化：n定时清洗：污染膜的常用清洗方法污染膜的常用清洗方法 n采用增大流速、逆洗、脉冲流动，超声波清洗等机械方法。n添加酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂或表面活性剂等起溶解作用的物质。n添加过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸盐等起氧化作用的物质。n添加磷酸盐和聚磷酸盐等起渗透作用的物质。n改变离子强度、pH值和电位等起切断离子结合作用的方法。判断清洗成功与否的标准判断清洗成功与否的标准 n标准n保存浓差极化与膜污染的防治方法浓差极化与膜污染的防治方法n1、预处理法、预处理法n2、膜表面改性、膜表面改性n3、改善膜表面的流体力学条件、改善膜表面的流体力学条件n4、附加场的方法、附加场的方法n5、反冲、反冲n6、机械方法、机械方法n7、其他方法、其他方法膜的清洗方法物理方法化学方法所用的清洗剂水力方法气液脉冲反冲洗涤循环洗涤酸碱液表面活性剂螯合剂氧化剂酶化学清洗液酸在去除诸如碳酸钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的。碱清洗溶液包括磷酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散。当去除诸如硅酸盐等特别难以去除的沉积物时,交替使用碱清洗剂和酸清洗剂。表面活性剂如SDS、吐温80、Triton、X-100(一种非离子型表面活性剂)等在许多场合有很好的清洗效果，可根据实际情况加以选择，但有些阴离子型和非离子型的表面活性剂能同膜结合造成新的污染在选用时须加以注意。除了强酸和碱外，螯合剂也用于去除污染膜的沉积物。常用的螯合剂有乙二胺四醋酸(EDTA)、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等。其中，葡萄糖酸在强碱溶液中螯合铁离子(Fe3+)通常是有效的。EDTA常用于溶解碱土金属硫酸盐。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯进行清洗，其用量为200400mg/L活性氯(相当于400800mg/LNaClO)，其最适pH为1011。由醋酸纤维等材料制成的膜，由于不能耐高温和极端pH，在膜通量难以恢复时，须采用能水解蛋白质的含酶清洗剂清洗。但使用酶清洗剂不当会造成新的污染。如采用固定化酶形式，把酶固定在载体上，用含载体液进行清洗，效果很好。内压式中空纤维膜使用7 7、膜分离技术的应用、膜分离技术的应用应用应用水的脱盐水的脱盐和净化和净化食品工业食品工业医疗、卫生方面医疗、卫生方面石油、化石油、化工方面工方面环境工程环境工程其他方面其他方面海水与苦海水与苦咸水淡化咸水淡化电厂锅炉电厂锅炉供水脱盐供水脱盐超纯水制备超纯水制备城市家庭饮城市家庭饮用水的净化用水的净化乳品乳品加工加工酒类酒类生产生产果汁果汁加工加工酶制剂酶制剂生产生产医疗、卫医疗、卫生用水生用水药品生产药品生产医疗应用医疗应用中药提炼中药提炼回收有机蒸气回收有机蒸气制取富氧空气制取富氧空气无水乙醇生产无水乙醇生产膜与生膜与生物技术物技术国防上国防上的应用的应用交通、交通、运输方运输方面面脱脱气气膜膜电泳漆电泳漆废水废水电电镀镀废废水水纤维纤维工业工业废水废水造纸造纸工业工业废水废水其其他他废废水水膜技术在牛乳和乳清加工中的应用膜技术在牛乳和乳清加工中的应用膜法处理乳清膜法处理乳清抗生素的制备抗生素的制备纯净水处理工艺流程图纯净水处理工艺流程图膜分离水处理设备装置膜分离水处理设备装置果汁澄清果汁澄清电镀废水处理电镀废水处理n从技术上分析从技术上分析n从应用上分析从应用上分析8.8.膜分离技术的展望与趋势膜分离技术的展望与趋势膜科学的将来路径膜科学的将来路径膜科学的将来路径膜科学的将来路径膜科学树形示意图膜科学树形示意图膜科学树形示意图膜科学树形示意图文献文献33作业作业 名词解释：膜分离技术、微滤、超滤、纳滤、反渗透、浓差极化、膜污染、渗析、电渗析、气体膜分离、渗透蒸发、膜蒸馏、膜萃取、亲和膜分离、特异性洗脱法、非特异性洗脱当采用超滤法生产牛奶时，常出现通透量持续下降的现象，请设计一个合理的方案予以解决，并说明设计的依据。试对常用的四种超滤器的性能进行比较。请比较说明微滤、超滤、纳滤和反渗透等四种常用膜分离技术的异同点。