1、8.2 微濾、超濾和納濾 07應化一班 2404 馬延生膜分離技術第1頁 用半透膜作為選擇障礙層，利用膜選擇性（孔徑大小），以膜兩側存在能量差作為推進力，允許一些組分透過而保留混合物中其它組分，從而到達分離目標技術。膜分離技術膜分離技術第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）膜分離技術第3頁膜分離法與物

2、質大小（直徑）關系膜分離技術第4頁膜材料 - 不一樣膜分離技術透析：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+聚酰胺、聚醚砜電滲析：離子交換樹脂滲透蒸發：彈性態或玻璃態聚合物;聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺膜分離技術第5頁表征膜性能參數截留分子量、水通量、孔特征、 pH適用范圍、抗壓能力、對熱和溶劑穩定性等。制造商通常提供這些數據，膜分離技術第6頁微濾、超濾、納濾、反滲透相同點：以膜兩側壓力差為推進力；按體積大小而分離；膜制造方法、結構和操作方式都類似。微濾、超濾、納濾、反滲透區分

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；分理機理：微濾、超濾和納濾為截留機理，篩分作用；反滲透機理是滲透現象逆過程：壓差：微濾、超濾和納濾壓力差不需很大0.10.6 MPa膜分離技術第7頁微 濾以多孔薄膜為過濾介質，壓力差為推進力，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。膜分離技術第8頁微濾應用1) 除去水/溶液中細菌和其它微粒； 2) 除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質等各種溶液中菌體； 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。膜分離技術第9頁 超 濾是以壓力為推進力，利用超濾膜不一樣孔徑對液體中溶質進行分離物理篩分過程。其截斷分子量一 般為6000到 50萬Da，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。 膜分離技術第10頁超濾裝置示意圖膜分離技術第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進透出液截留液當溶液體系經由水泵進入超濾器時，在濾器內超濾膜表面發生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質透過含有不對稱微孔結構濾膜，大分子溶質和微粒（如蛋白質、病毒、細菌、膠體等）被濾膜阻留，從而到達分離、提純和濃縮產品目標。膜分離技術第12頁超濾應用超濾從7

5、0年代起步， 90年代取得廣泛應用,已成為應用領域最廣技術。 蛋白、酶、DNA濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細胞、純化病毒除病毒、熱源膜分離技術第13頁 納濾納濾技術是反滲透膜過程為適應工業軟化水需求及降低成本經濟性不停發展新膜品種，以適應在較低操作壓力下運行，進而實現降低成本演變發展而來。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)是一個介于反滲透和超濾之間壓力驅動膜分離過程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截斷分子量范圍約為 MWCO3001000 ，能截留透過超濾膜那部分有機小分子，透過無機鹽和水。膜分離技術第14頁

6、納濾膜特點納濾膜截留率大于95%最小分子約為nm,故稱之為納濾膜。從結構上看納濾膜大多是復合膜，即膜表面分離層和它支撐層化學組成不一樣。其表面分離層由聚電解質組成。能透過一價無機鹽，滲透壓遠比反滲透低，故操作壓力很低。到達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 )。膜分離技術第15頁篩分：對Na+和Cl- 等單價離子截留率較低，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）物質可進行分級分離，實現高相對分子量和低相對分子量有機物分離，道南（Donna

7、n）效應：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）。納米膜分離機理膜分離技術第16頁納濾膜分離機理示意圖膜分離技術第17頁納濾膜因為截留分子量介于超濾與反滲透之間，同時還存在Donnan效應，廣泛應用于制藥、食品等行業中。同時水在納濾膜中滲透速率遠大于反滲透膜，所以當需要對低濃度二價離子和分子量在500到數千溶質進行截留時，選擇納濾比使用反滲透經濟。 應用：（1）小分子量有機物質分離；（2）有機物與小分子無機物分離；（3）溶液中一價鹽類與二價或多價鹽類分離；（4）鹽與其對應酸分離。納濾

8、應用膜分離技術第18頁行 業處理對象行 業處理對象制藥工業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酸堿純化、回收電鍍液中銅回收食品工業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第19頁幾個膜分離技術分離范圍膜分離技術第20頁過程膜結構驅動力應用對象實 例微濾對稱微孔膜0.0510m壓力差消毒、澄清搜集細胞培養懸浮液除菌，產品消毒，細胞搜集超濾不對稱微孔膜0nm壓力差大分子物質分離蛋白質分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復合膜1nm壓力差Donna效應小分子物質分離糖/二價鹽/游離酸

9、分離反滲透致密膜、復合膜1nm壓力差小分子物質濃縮單價鹽/非游離酸分離透析對稱或不對稱膜濃度差小分子有機物/無機離子除小分子有機物或無機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，生產工藝用水滲透蒸發致密膜氣壓差小分子有機物與水分離醇/乙酸與水分離，有機液體混合物分離（如脂烴與芳烴分離等幾個膜分離技術適用范圍膜分離技術第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垢。普遍受人們關注污染物是鈣、鎂、鐵和其它金屬沉淀物，如氫氧化物、碳酸鹽和硫

10、酸鹽等。膜分離技術第22頁2 吸附污染 有機物在膜表面吸附通常是影響膜性能主要原因。隨時間延長，污染物在膜孔內吸附或累積會造成孔徑降低和膜阻增大，這是難以恢復。與膜污染相關有機物特征包含它們對膜親和性，分子量，功效團和構型。普通來講膜親水性越強有機物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上積累，造成嚴重吸附污染。膜分離技術第23頁3 生物污染是指微生物在膜內積累，從而影響系統性能現象。膜組件內部潮濕陰暗，是一個微生物生長理想環境，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、核酸、多糖酯等，強烈吸附在膜面上引發膜表面改性。微生物生物膜，可直接(經過酶作用)或間接(經過局部pH或還原電勢作用

11、)降解膜材料，造成膜壽命縮短，膜結構完整性被破壞。 細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菌污染。所以，生物親和性被降低和易清洗聚合物為材質分離膜，會妨礙生物膜生長。膜分離技術第24頁預防膜污染方法能夠經過控制膜污染影響原因，降低膜污染危害，延長膜有效操作時間，降低清洗頻率，提升生產能力和效率，所以在用微濾，超濾分離，濃縮細胞，菌體或大分子產物時，必須注意以下幾點:進料液預處理：預過濾、pH及金屬離子控制；選擇適當膜材料：減輕膜吸附；改進操作條件：加大流速。膜分離技術第25頁膜污染清洗方法化學法：選擇清洗劑要注意三點：1要盡可能判別是何種物質引發污染；2清洗劑要不

12、致于對膜或裝置有損害，3要符合產品要求。膜分離技術第26頁化學法慣用清洗劑有：1NaOH：發酵工業中用得很普遍，濃度為0.11.0M。它能水解蛋白質，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、干擾細菌在膜上粘附。慣用SDS和Triton X-100，有很好去蛋白質和油脂等作用。膜分離技術第27頁4氧化劑：氯有較強氧化能力。當NaOH或表面活性劑不起作用時，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， 能用其它清洗劑就酶。但如要去除多糖時，淀粉酶有一定作用。6有機溶劑：因為有機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，但使用時系統必須符合防爆要求。膜分離技術第28頁物理法：海綿球擦洗熱水法反沖洗和循環清洗膜分離技術第29頁膜技術應用領域1、海水淡化、高質量飲用水、工業供水、醫藥用水采取活性炭吸附過濾和超濾結合制取高質量飲用水，設備投資少，成本低，是優質飲用水制備經濟有效方法。醫藥針劑用水是采取多級蒸餾制備，其工藝繁瑣、能耗高、而且質量經常得不到確保。用膜技術除針劑熱源，取得很好效果。膜分離技術第30頁2、膜技術在各種工業

14、生產中應用凡包括分子級濃縮和分離過程，都有膜技術應用機會。汽車電泳漆在線純化采取超濾膜除去雜質；燃料工業用超濾膜技術分離和濃縮中間體。3、在環境保護和廢水應用膜技術在廢水處理（印染、影印、電鍍、造紙）得到廣泛應用。在許多情況下，不但處理了廢水，保護環境，還能回收有用物質。4、膜技術在食品領域應用醬油、醋、果汁澄清和濃縮、乳制品生產、制糖工業、食用菜籽油純化都采取了膜技術。膜分離技術第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）膜分離技術第32頁管式膜工業設備圖:膜分離技術第33頁板式反滲透(納濾)膜裝置(生產型) 膜分離技術第34頁板式膜超濾工業設備圖:膜分離技術第35頁卷式納濾膜濃縮設備 (生產型) 膜分離技術第36頁中空纖維膜管中空纖維超濾膜無菌水裝置(生產型) 膜分離技術第