膜分離技術(shù)培訓(xùn)課件

1、8.2 微濾、超濾和納濾 07應(yīng)化一班 2404 馬延生膜分離技術(shù)第1頁 用半透膜作為選擇障礙層，利用膜選擇性（孔徑大小），以膜兩側(cè)存在能量差作為推進(jìn)力，允許一些組分透過而保留混合物中其它組分，從而到達(dá)分離目標(biāo)技術(shù)。膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)第2頁常見膜分離方法按分離粒子大小分類：透析（Dialysis，DS）微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration，NF）反滲透（Reverse osmosis，RO）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）膜分離技術(shù)第3頁膜分離法與物

2、質(zhì)大?。ㄖ睆剑╆P(guān)系膜分離技術(shù)第4頁膜材料 - 不一樣膜分離技術(shù)透析：醋酸纖維、聚丙烯腈、聚酰胺、微濾膜：硝酸/醋酸纖維，聚氟乙烯，聚丙烯，超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維反滲透膜 ：醋酸纖維素衍生物，聚酰胺納濾膜：聚電解質(zhì)+聚酰胺、聚醚砜電滲析：離子交換樹脂滲透蒸發(fā)：彈性態(tài)或玻璃態(tài)聚合物;聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺膜分離技術(shù)第5頁表征膜性能參數(shù)截留分子量、水通量、孔特征、 pH適用范圍、抗壓能力、對熱和溶劑穩(wěn)定性等。制造商通常提供這些數(shù)據(jù)，膜分離技術(shù)第6頁微濾、超濾、納濾、反滲透相同點(diǎn)：以膜兩側(cè)壓力差為推進(jìn)力；按體積大小而分離；膜制造方法、結(jié)構(gòu)和操作方式都類似。微濾、超濾、納濾、反滲透區(qū)分

3、：膜孔徑：微濾0.110m 超濾0.010.1m 納濾0.0010.01m 反滲透 小于0.001m分離粒子：微濾截留固體懸浮粒子，固液分離過程；超濾、納濾、反滲透為分子級水平分離；分理機(jī)理：微濾、超濾和納濾為截留機(jī)理，篩分作用；反滲透機(jī)理是滲透現(xiàn)象逆過程：壓差：微濾、超濾和納濾壓力差不需很大0.10.6 MPa膜分離技術(shù)第7頁微 濾以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推進(jìn)力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10 m）得以分離操作。操作壓力0.05-0.5MPa。膜分離技術(shù)第8頁微濾應(yīng)用1) 除去水/溶液中細(xì)菌和其它微粒； 2) 除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等各種溶液中菌體； 3) 除去飲

4、料、酒類、醬油、醋等食品中懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。膜分離技術(shù)第9頁 超 濾是以壓力為推進(jìn)力，利用超濾膜不一樣孔徑對液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離物理篩分過程。其截?cái)喾肿恿恳?般為6000到 50萬Da，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。 膜分離技術(shù)第10頁超濾裝置示意圖膜分離技術(shù)第11頁蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜P出背壓閥超濾過程示意圖：P進(jìn)透出液截留液當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時(shí)，在濾器內(nèi)超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質(zhì)透過含有不對稱微孔結(jié)構(gòu)濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而到達(dá)分離、提純和濃縮產(chǎn)品目標(biāo)。膜分離技術(shù)第12頁超濾應(yīng)用超濾從7

5、0年代起步， 90年代取得廣泛應(yīng)用,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣技術(shù)。 蛋白、酶、DNA濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細(xì)胞、純化病毒除病毒、熱源膜分離技術(shù)第13頁 納濾納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水需求及降低成本經(jīng)濟(jì)性不停發(fā)展新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來。膜組器于80年代中期商品化。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來。納濾 ( NF，Nanofiltration)是一個(gè)介于反滲透和超濾之間壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截?cái)喾肿恿糠秶s為 MWCO3001000 ，能截留透過超濾膜那部分有機(jī)小分子，透過無機(jī)鹽和水。膜分離技術(shù)第14頁

6、納濾膜特點(diǎn)納濾膜截留率大于95%最小分子約為nm,故稱之為納濾膜。從結(jié)構(gòu)上看納濾膜大多是復(fù)合膜，即膜表面分離層和它支撐層化學(xué)組成不一樣。其表面分離層由聚電解質(zhì)組成。能透過一價(jià)無機(jī)鹽，滲透壓遠(yuǎn)比反滲透低，故操作壓力很低。到達(dá)一樣滲透通量所必需施加壓差比用RO膜低0.53 MPa，所以納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”( Loose RO )。膜分離技術(shù)第15頁篩分：對Na+和Cl- 等單價(jià)離子截留率較低，但對Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，對色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量 （00-1000）物質(zhì)可進(jìn)行分級分離，實(shí)現(xiàn)高相對分子量和低相對分子量有機(jī)物分離，道南（Donna

7、n）效應(yīng)：納濾膜本體帶有電荷性，對相同電荷分子（陽離子）含有較高截留率。低壓力下仍含有較高脫鹽性能；分離分子量相差不大但帶相反電荷小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。納米膜分離機(jī)理膜分離技術(shù)第16頁納濾膜分離機(jī)理示意圖膜分離技術(shù)第17頁納濾膜因?yàn)榻亓舴肿恿拷橛诔瑸V與反滲透之間，同時(shí)還存在Donnan效應(yīng)，廣泛應(yīng)用于制藥、食品等行業(yè)中。同時(shí)水在納濾膜中滲透速率遠(yuǎn)大于反滲透膜，所以當(dāng)需要對低濃度二價(jià)離子和分子量在500到數(shù)千溶質(zhì)進(jìn)行截留時(shí)，選擇納濾比使用反滲透經(jīng)濟(jì)。 應(yīng)用：（1）小分子量有機(jī)物質(zhì)分離；（2）有機(jī)物與小分子無機(jī)物分離；（3）溶液中一價(jià)鹽類與二價(jià)或多價(jià)鹽類分離；（4）鹽與其對應(yīng)酸分離。納濾

8、應(yīng)用膜分離技術(shù)第18頁行 業(yè)處理對象行 業(yè)處理對象制藥工業(yè)母液中有效成份回收抗菌素分離純化維生素分離純化氨基酸脫鹽與純化化工行業(yè)酸堿純化、回收電鍍液中銅回收食品工業(yè)脫鹽與濃縮苛性堿回收純水制備水脫鹽、高純水、地下水凈化染料工業(yè)活性染料脫鹽與回收廢水處理印染廠廢水脫色造紙廠廢水凈化膜分離技術(shù)第19頁幾個(gè)膜分離技術(shù)分離范圍膜分離技術(shù)第20頁過程膜結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用對象實(shí) 例微濾對稱微孔膜0.0510m壓力差消毒、澄清搜集細(xì)胞培養(yǎng)懸浮液除菌，產(chǎn)品消毒，細(xì)胞搜集超濾不對稱微孔膜0nm壓力差大分子物質(zhì)分離蛋白質(zhì)分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復(fù)合膜1nm壓力差Donna效應(yīng)小分子物質(zhì)分離糖/二價(jià)鹽/游離酸

9、分離反滲透致密膜、復(fù)合膜1nm壓力差小分子物質(zhì)濃縮單價(jià)鹽/非游離酸分離透析對稱或不對稱膜濃度差小分子有機(jī)物/無機(jī)離子除小分子有機(jī)物或無機(jī)離子電滲析離子交換膜電位差離子脫除、氨基酸分離海水淡化，純水制備，生產(chǎn)工藝用水滲透蒸發(fā)致密膜氣壓差小分子有機(jī)物與水分離醇/乙酸與水分離，有機(jī)液體混合物分離（如脂烴與芳烴分離等幾個(gè)膜分離技術(shù)適用范圍膜分離技術(shù)第21頁膜污染 (fouling) 膜污染大致可分為沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染沉淀污染對RO和NF影響尤為顯著。當(dāng)過濾液中鹽濃度超出了其溶解度，就會在膜上形成沉淀或結(jié)垢。普遍受人們關(guān)注污染物是鈣、鎂、鐵和其它金屬沉淀物，如氫氧化物、碳酸鹽和硫

10、酸鹽等。膜分離技術(shù)第22頁2 吸附污染 有機(jī)物在膜表面吸附通常是影響膜性能主要原因。隨時(shí)間延長，污染物在膜孔內(nèi)吸附或累積會造成孔徑降低和膜阻增大，這是難以恢復(fù)。與膜污染相關(guān)有機(jī)物特征包含它們對膜親和性，分子量，功效團(tuán)和構(gòu)型。普通來講膜親水性越強(qiáng)有機(jī)物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上積累，造成嚴(yán)重吸附污染。膜分離技術(shù)第23頁3 生物污染是指微生物在膜內(nèi)積累，從而影響系統(tǒng)性能現(xiàn)象。膜組件內(nèi)部潮濕陰暗，是一個(gè)微生物生長理想環(huán)境，微生物粘附和生長形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白質(zhì)、核酸、多糖酯等，強(qiáng)烈吸附在膜面上引發(fā)膜表面改性。微生物生物膜，可直接(經(jīng)過酶作用)或間接(經(jīng)過局部pH或還原電勢作用

11、)降解膜材料，造成膜壽命縮短，膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞。 細(xì)菌對不一樣聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纖維素膜更易受細(xì)菌污染。所以，生物親和性被降低和易清洗聚合物為材質(zhì)分離膜，會妨礙生物膜生長。膜分離技術(shù)第24頁預(yù)防膜污染方法能夠經(jīng)過控制膜污染影響原因，降低膜污染危害，延長膜有效操作時(shí)間，降低清洗頻率，提升生產(chǎn)能力和效率，所以在用微濾，超濾分離，濃縮細(xì)胞，菌體或大分子產(chǎn)物時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn):進(jìn)料液預(yù)處理：預(yù)過濾、pH及金屬離子控制；選擇適當(dāng)膜材料：減輕膜吸附；改進(jìn)操作條件：加大流速。膜分離技術(shù)第25頁膜污染清洗方法化學(xué)法：選擇清洗劑要注意三點(diǎn)：1要盡可能判別是何種物質(zhì)引發(fā)污染；2清洗劑要不

12、致于對膜或裝置有損害，3要符合產(chǎn)品要求。膜分離技術(shù)第26頁化學(xué)法慣用清洗劑有：1NaOH：發(fā)酵工業(yè)中用得很普遍，濃度為0.11.0M。它能水解蛋白質(zhì)，皂化脂肪和對一些生物高分子起溶解作用。2酸：如HNO3、H3PO4 和HCl。用于去除無機(jī)污染物，如鈣和鎂鹽。對不銹鋼裝置不能用HCI。檸檬酸對含鐵污染物有效。3表面活性劑：主要對生物高分子、 油脂等起乳化、分散、干擾細(xì)菌在膜上粘附。慣用SDS和Triton X-100，有很好去蛋白質(zhì)和油脂等作用。膜分離技術(shù)第27頁4氧化劑：氯有較強(qiáng)氧化能力。當(dāng)NaOH或表面活性劑不起作用時(shí)，能夠用氯，其用量為10-6mg/L活性氯，其最適pH為1011。5酶：

13、酶本身是蛋白質(zhì)， 能用其它清洗劑就酶。但如要去除多糖時(shí)，淀粉酶有一定作用。6有機(jī)溶劑：因?yàn)橛袡C(jī)溶劑對膜和裝置有不良作用，因而極少采取。20-50乙醇可用于膜裝置滅菌和去除油脂或硅氧烷消泡劑，但使用時(shí)系統(tǒng)必須符合防爆要求。膜分離技術(shù)第28頁物理法：海綿球擦洗熱水法反沖洗和循環(huán)清洗膜分離技術(shù)第29頁膜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1、海水淡化、高質(zhì)量飲用水、工業(yè)供水、醫(yī)藥用水采取活性炭吸附過濾和超濾結(jié)合制取高質(zhì)量飲用水，設(shè)備投資少，成本低，是優(yōu)質(zhì)飲用水制備經(jīng)濟(jì)有效方法。醫(yī)藥針劑用水是采取多級蒸餾制備，其工藝繁瑣、能耗高、而且質(zhì)量經(jīng)常得不到確保。用膜技術(shù)除針劑熱源，取得很好效果。膜分離技術(shù)第30頁2、膜技術(shù)在各種工業(yè)

14、生產(chǎn)中應(yīng)用凡包括分子級濃縮和分離過程，都有膜技術(shù)應(yīng)用機(jī)會。汽車電泳漆在線純化采取超濾膜除去雜質(zhì)；燃料工業(yè)用超濾膜技術(shù)分離和濃縮中間體。3、在環(huán)境保護(hù)和廢水應(yīng)用膜技術(shù)在廢水處理（印染、影印、電鍍、造紙）得到廣泛應(yīng)用。在許多情況下，不但處理了廢水，保護(hù)環(huán)境，還能回收有用物質(zhì)。4、膜技術(shù)在食品領(lǐng)域應(yīng)用醬油、醋、果汁澄清和濃縮、乳制品生產(chǎn)、制糖工業(yè)、食用菜籽油純化都采取了膜技術(shù)。膜分離技術(shù)第31頁 膜過濾裝置型式常見膜過濾裝置有四種類型： 管式 中空纖維式 平板式 卷式（螺旋式）膜分離技術(shù)第32頁管式膜工業(yè)設(shè)備圖:膜分離技術(shù)第33頁板式反滲透(納濾)膜裝置(生產(chǎn)型) 膜分離技術(shù)第34頁板式膜超濾工業(yè)設(shè)備圖:膜分離技術(shù)第35頁卷式納濾膜濃縮設(shè)備 (生產(chǎn)型) 膜分離技術(shù)第36頁中空纖維膜管中空纖維超濾膜無菌水裝置(生產(chǎn)型) 膜分離技術(shù)第