生化分離工程3膜分離(已修改)
2025-02-02 23:13 本頁(yè)面
【正文】 20220404 膜分離 1 3. 膜分離 ? Membrane separation是利用特殊制造的、具有選擇透過(guò)性能的膜，在外力推動(dòng)下對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種分離方法。 主要內(nèi)容 膜分離概述 膜分離的基本理論 膜組件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 膜分離在生物工程中的的應(yīng)用 液膜分離 膜萃取 膜分離概述 ?膜的定義 ? 在一種流體相間有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔開來(lái)成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。 ? 是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體，厚度應(yīng)在 mm以下，具有兩個(gè)界面； ? 膜還必須具有高度的滲透選擇性； ? 面積可以很大，也可以非常微小。 ?膜分離的基礎(chǔ) ① 根據(jù)物理性質(zhì)的不同 ? 根據(jù)質(zhì)量、體積和幾何形態(tài)差異進(jìn)行分離。如過(guò)濾（ Fitration， F）、微濾（ Microfiltration，MF）和超濾（ Ultrafiltration， UF）。 圖 31 ②根據(jù)化學(xué)性質(zhì)的不同 ? 物質(zhì)通過(guò)分離膜的速度取決于溶解速度 （從膜表面接觸的混合物中進(jìn)入膜內(nèi)的速度）和進(jìn)入膜內(nèi)后從膜的表面擴(kuò)散到膜的另一表面的擴(kuò)散速度。 ? 溶解速度完全取決于被分離物與膜材料之間化學(xué)性質(zhì)的差異，擴(kuò)散速度除化學(xué)性質(zhì)外還與物質(zhì)的分子量有關(guān)。 ? 例如反滲透 （ Reverse Osmosis， RO） 可用于海水淡化。是因?yàn)榉礉B透膜是親水性的高聚物，水分子很容易進(jìn)入膜內(nèi)，而水中的無(wú)機(jī)鹽離子則較難進(jìn)入。 ?膜分離過(guò)程的推動(dòng)力 表 31 主要膜分離過(guò)程的推動(dòng)力 推動(dòng)力 膜過(guò)程 壓力差 反滲透、超濾，微濾、氣體分離 電位差 電滲析 濃度差 透析、控制釋放 濃度差（分壓差） 滲透氣化 濃度差加化學(xué)反應(yīng) 液膜、膜傳感器 ?膜分離的特點(diǎn) ①分離效能高。 ②膜分離過(guò)程都不發(fā)生相變，能耗低。 ③膜分離過(guò)程的工作溫度在室溫附近，膜分離設(shè)備本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的部件， 結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低，易于自動(dòng)化。 ④設(shè)備體積小，占地少。 ⑤ 膜分離設(shè)備可以直接插入已有的生產(chǎn)工藝流程。 ?膜分離存在的 問(wèn)題 ①在操作中膜面會(huì)發(fā)生污染，使膜性能降低； ②膜的耐壓性、耐熱性、耐溶劑是有限的，故應(yīng)用范圍受限制； ③僅采用膜分離技術(shù)分離效果有限，往往需要與其他分離工藝組合起來(lái)使用。 ?膜分離的應(yīng)用及市場(chǎng) ? 1950年與膜分離技術(shù)相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品年銷售量為 500萬(wàn)美元。 1981年增加到 5億美元?，F(xiàn)在已經(jīng)超過(guò) 100億美元。在大多數(shù)企業(yè)膜的費(fèi)用占設(shè)備費(fèi)用的 25～ 40％。 ? 根據(jù) 1990年的統(tǒng)計(jì)：美國(guó)占 55％，日本占 18％，西歐占 23％。 ? 膜分離的種類繁多，它涉及不同的過(guò)程和眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，要想在應(yīng)用和市場(chǎng)上取得成功，不僅要有優(yōu)良的膜及膜組件，而且還需要許多外圍部件，包括泵和監(jiān)控設(shè)備這類專門的硬件以及工程、工藝設(shè)計(jì)和特殊應(yīng)用技術(shù)等軟件。 圖 32 膜分離市場(chǎng)份額 ?膜的分類 ? 按膜結(jié)構(gòu)分類 ? 對(duì)稱膜 symmetric membrane ? 非對(duì)稱膜 asymmetric membrane 由 LoebSourirajan浸沉相轉(zhuǎn)移法制得 。 ? 復(fù)合膜 plex membrane ? 按膜孔徑大小分類 ? 微濾膜 ～ 20 181。m ? 超濾膜 ～ 181。m （ 1～ 20 nm） ? 反滲透膜 ～ 181。m （ ～ 1 nm） ? 納米過(guò)濾膜 平均直徑 2 nm。 ? 按材料分類 ? 合成高分子材料 ? 主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類和含氟聚合物等。 ? 聚砜膜的耐高溫，適用 pH范圍廣，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)孔徑為 1～ 20 nm。 但操作壓力極限為 ～ MPa。 ? 聚酰胺膜的耐壓能力較高，對(duì)溫度和 pH都有很好的穩(wěn)定性，使用壽命較長(zhǎng)，常用于反滲透。 ? 天然高分子材料 ? 醋酸纖維膜的截鹽能力強(qiáng)，常用作反滲透膜。一般使用溫度低于 45～ 50℃ ， pH 3～ 8。 ? 無(wú)機(jī)材料 ? 主要有陶瓷、微孔玻璃等。目前實(shí)用化的無(wú)機(jī)膜主要有孔徑 μm以上的微濾膜和截留分子量 10 kD以上的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最為常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向不對(duì)稱。特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫、耐化學(xué)試劑和耐有機(jī)溶劑，但造價(jià)較高。 ? 動(dòng)態(tài)膜（ dynamic membrane）為一類無(wú)機(jī)微孔濾膜 ， 是氧化鋯等膠體微粒沉積在陶瓷管等多孔介質(zhì)表面形成的膜。動(dòng)態(tài)膜透過(guò)通量大，通過(guò)改變 pH值容易形成或除去沉積層，因此清洗比較容易，但穩(wěn)定性差。 ? 其他分類 ? 荷電膜 即離子交換膜 。 ? 液膜 將在 。 膜的基本理論 ? 在膜分離過(guò)程中，通過(guò)膜相際有三種基本傳質(zhì)形式。 圖 33 通過(guò)膜相際傳質(zhì)過(guò)程基本形式示意圖 ? 膜過(guò)程中的物質(zhì)傳遞過(guò)程 ? 以非對(duì)稱膜為例 溶質(zhì)或溶劑在膜中的滲透率取決于膜兩邊溶液
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