生物离工程之膜离过程

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1、1p膜分离技术概述膜分离技术概述p膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造p表征膜性能的参数表征膜性能的参数p各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技术及其分离机理2用半透膜作为选择障碍层，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。中其它组分，从而达到分离目的的技术。3概概 述述人类认识到膜的功能源于人类认识到膜的功能源于17481748年，然而用于为人类服年，然而用于为人类服务是近几十年的事。务是近几十年的事。19601960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan制备出制备出第一张具有高透水性和高脱盐率

2、的第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜不对称膜，是，是膜分膜分离技术发展的一个里程碑。离技术发展的一个里程碑。4 1925年以来，差不多每十年就有一项新年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用的膜过程在工业上得到应用 30年代年代 微滤微滤 40年代年代 透析透析 50年代年代 电渗析电渗析 60年代年代 反渗透反渗透 70年代年代 超滤超滤 80年代年代 纳滤纳滤 90年代年代 渗透汽化渗透汽化概概 述述5膜分离的特点膜分离的特点 操作在常温下进行；操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能

3、耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位概概 述述6膜分离技术的重要性膜分离技术的重要性l膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。传统的分

4、离与过滤方法。l膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。l膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近3030年年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。概概 述述7 多孔膜与致密膜：多孔膜与致密膜：前者前者概概 述述8常见膜分离

5、方法常见膜分离方法按分离粒子大小分类：按分离粒子大小分类：透析（透析（DialysisDialysis，DSDS）微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤（超滤（UltrafiltrationUltrafiltration，UFUF）纳滤（纳滤（NanofiltrationNanofiltration，NFNF）反渗透（反渗透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）电渗析（电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervapor

6、ation，PVPV）概述概述9截留分子量：截留分子量：微滤微滤 0.0210m透析透析 3000 Dalton 几万几万Dalton超滤超滤 5010或或500050万万Dalton纳滤纳滤 2001000Dalton或或1nm反渗透反渗透 200Dalton10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）的关系概述概述RONFUFMFF1117.1 膜材料与膜的制造12 耐压：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在力，一般模操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透，反渗透膜的压力更高，约为膜的压力更高

7、，约为110MPa 耐高温耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要 耐酸碱：耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：化学相容性：保持膜的稳定性；保持膜的稳定性；生物相容性：生物相容性：防止生物大分子的变性；防止生物大分子的变性；成本低；成本低；13（一）膜材料 天然材料天然材料：各种纤维素衍生物：各种纤维素衍生物 人造材料人造材料：各种合成高聚物：各种合成高聚物 特殊材料特殊材料：复合膜，无机膜复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜不锈钢膜，陶瓷膜14醋酸纤维特点：醋酸纤维特点：透过速度大透过速度大 截留盐的能力

8、强截留盐的能力强 易于制备易于制备 来源丰富来源丰富 不耐温（不耐温（30）pH 范围窄，清洗困难范围窄，清洗困难 与氯作用，寿命降低与氯作用，寿命降低 微生物侵袭微生物侵袭 适合作反渗透膜适合作反渗透膜15聚砜膜的特点（1 1）温度范围广）温度范围广（2 2）pH pH 范围广范围广（3 3）耐氯能力强）耐氯能力强（4 4）孔径范围宽）孔径范围宽（5)5)操作压力低操作压力低（6 6）适合作超滤膜）适合作超滤膜16芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类u聚酰胺含有酰胺基团（聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-CO-NH-）,亲水性好亲水性好,且其机械稳定且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好性、热稳定性

9、及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯之一，但同样不耐氯u与醋酸纤维素反渗透膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、压力要求低、pH pH 范围广范围广4-114-1117近年来开发的新型膜材料 复合膜；复合膜；无机多孔膜；无机多孔膜；纳米过滤膜。纳米过滤膜。功能高分子膜；功能高分子膜；聚氨基葡糖聚氨基葡糖 18膜材料膜材料 -不同的膜分离技术不同的膜分离技术 透析：透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、微滤膜：微滤膜：硝酸硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，醋酸纤维，

10、聚氟乙烯，聚丙烯，超滤膜：超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 反渗透膜反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 纳滤膜：纳滤膜：聚电解质聚电解质+聚酰胺、聚醚砜聚酰胺、聚醚砜 电渗析：电渗析：离子交换树脂离子交换树脂 渗透蒸发：渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺烯醇、聚丙稀酰胺19(二）膜的制造膜的制造 要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性20相转变制膜相转变制膜 不对称膜通常用相转变法不对称膜通常用相转变法(phase inversion(phase inversio

11、n method)method)制造，其步骤如下：制造，其步骤如下：1 1将高聚物溶于一种溶剂中；将高聚物溶于一种溶剂中；2 2将得到溶液浇注成薄膜；将得到溶液浇注成薄膜；3 3将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，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。的液相，形成膜中空隙。212217.2 表征膜性能的参数23表征膜性能的参数表征膜性能的参数 截断分子量、截断分子量、水通量、水通量、孔的特征、孔的特征

12、、pHpH适用范围、适用范围、抗压能力、抗压能力、对热和溶剂的稳定性等。对热和溶剂的稳定性等。制造商通常提供这些数据，制造商通常提供这些数据，24 1.1.截留率和截断分子量截留率和截断分子量 膜对溶质的截留能力以截留率膜对溶质的截留能力以截留率R R（rejectionrejection）来表示，其定义为来表示，其定义为 R R1 1 CpCpCb Cb 式中式中CpCp和和CbCb分别表示在某一瞬间，透过液分别表示在某一瞬间，透过液（PermeatePermeate）和截留液的浓度。）和截留液的浓度。如如R R1 1，则，则CpCp0 0，表示溶质全部被截留；，表示溶质全部被截留；如如R

13、R0 0，则，则CpCp CbCb，表示溶质能自由透过膜。，表示溶质能自由透过膜。25截断曲线截断曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。质量好的膜应有陡直的截断曲线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；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。反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。26分子形状：分子形状：线状分子易透过，线状分子易透过，线线 m 超滤超滤0.010.10.010.1 纳滤纳滤0.0010.010.0010.01 m m 反渗透反渗透 小于小于0.0010.001 m m 分离粒

14、子：分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、纳滤、反渗透为分子级水平的分离；纳滤、反渗透为分子级水平的分离；分理机理：分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗透机理是渗透现象的逆过程：透机理是渗透现象的逆过程：压差：压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.10.6 MPa0.10.6 MPa331 透透 析析 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质

15、的溶液与水溶液或缓冲其它小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）子溶质（如无机盐）透过膜向透过膜向水水透透渗透，渗透，这就是透析。这就是透析。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。以扩散的形式移动。34透析原理图透析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜35透析法的应用蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液u常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类常用于除去蛋白或

16、核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，的小分子杂质，u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。u由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不由于透析过程以浓差为传质推动力，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。适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。u透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。362.2.微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质，以多孔薄膜为过滤介质，压力差压力差为推动力，利用为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的）得以分离的操作。操作压力

17、操作。操作压力0.05-0.5MPa。37 微滤应用382.2.超超 滤滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一 般为6000到 50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。39蛋白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超滤膜超滤膜P出出背压阀背压阀超滤过程示意图：超滤过程示意图：P进进透出液透出液截留液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大

18、分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。40超滤应用超滤应用 超滤从超滤从7070年代起步，年代起步，9090年代获得广泛应用年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。已成为应用领域最广的技术。u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/纯化纯化u梯度分离（相差梯度分离（相差1010倍）倍）u清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒u除病毒、热源除病毒、热源41微滤和超滤的分离机理微滤和超滤的分离机理 一般认为是简单的筛分过程

19、，一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则截留，相反，较小的分子则能透过膜。能透过膜。毛细管流动模型：毛细管流动模型：膜膜是多孔性的，膜内有很多孔是多孔性的，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内道。水以滞流方式在孔道内流动，流动，因而水通量服从因而水通量服从Hagen-Hagen-PoiseuillePoiseuille方程式；方程式；LpdJv322JvJv水通量；水通量；膜的孔隙度；膜的孔隙度；d d 圆柱形孔道的直径；圆柱形孔道的直径；L L 膜的有效厚度；膜的有效厚度；pp膜两侧压力差；膜两侧压力差；水的粘度。水的粘度。423.

20、3.反渗透反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。操作压差一般为操作压差一般为1.510.5MPa，截留组分为小分子物质。，截留组分为小分子物质。43反渗透法反渗透法分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透；透；渗透和反渗透渗透和反渗透44 反渗透法反渗透法对分子量对

21、分子量300300的电解质、非电解质都可有效的除的电解质、非电解质都可有效的除去，其中分子量在去，其中分子量在100100300300之间的去除率为之间的去除率为9090以上。以上。反渗透工业应用包括：反渗透工业应用包括：海水和苦咸水脱盐制饮用水；海水和苦咸水脱盐制饮用水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；制备医药、化学工业中所需的超纯水；用于处理重金属废水用于处理重金属废水用于浓缩过程，用于浓缩过程，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味。包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩；电镀和印染工业中废水的浓缩；奶品工业中牛奶的浓缩。和印染工业中废水的浓缩；奶

22、品工业中牛奶的浓缩。反渗透法反渗透法45 反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的反渗透中溶剂和溶质是如何透过膜的，在膜中的迁移方式如何？迁移方式如何？溶解扩散模型溶解扩散模型 优先吸附模型优先吸附模型 溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的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，反渗透过程，对有机物优先吸附毛细孔流动模型比较优越。对有机物优先吸附毛细孔流动模型比较优越。反渗透的分离机理反渗透的分离机理46反渗透：溶解扩散模型反渗透：溶解扩散模型（无孔学说）（无孔学说）溶剂通量：溶剂通量：J1AV(p)溶质通量：溶质通量：式中：式中：p压差；压差；渗透压；渗透压；C2膜两侧

23、溶质的浓度膜两侧溶质的浓度差；差；A、B与膜材料和性质有关的常数。与膜材料和性质有关的常数。溶剂通量随压力差增大而线性增大，但溶质通量与压差无溶剂通量随压力差增大而线性增大，但溶质通量与压差无关，因而在透过液中浓度降低（关，因而在透过液中浓度降低（p J1，而，而J2不提高）。不提高）。xRT M1111cDA认为膜是均匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：认为膜是均匀的，无孔，水和溶质分两步通过膜：第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第一步：首先吸附溶解到膜材质表面上；第二步：在膜中扩散传递第二步：在膜中扩散传递(推动力为化学位梯度推动力为化学位梯度)，扩散是控制步，扩散是控制步骤，服从骤，服从

24、Fick定律，推导出溶剂和溶质透过膜的速度公式：定律，推导出溶剂和溶质透过膜的速度公式：）（22222CCBxcDJ47反渗透：优先吸附反渗透：优先吸附-毛细孔流动模型毛细孔流动模型（有孔学说）（有孔学说）优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力优先被吸附的组分在膜面上形成一层吸附层，吸附力弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先弱的组分在膜上浓度急骤下降，在外压作用下，优先被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。被吸附的组分通过膜毛细孔而透过膜。与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。与膜表面化学性质和孔结构等多种因素有关。由由SourirajanSourirajan于于1963196

25、3年建立。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。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分子的大小。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。细孔。48图图17-9优先吸附毛细孔流动模型优先吸附毛细孔流动模型(a)膜表面对水的优先吸附压力压力主体溶主体溶液液界面界面49水 在膜表面处的流动如果毛细孔直径恰等于如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最倍纯

26、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。50膜中的迁移速率水在膜中的迁移系服从水在膜中的迁移系服从FickFick定律定律 J Jww=Ap=Ap =Ap=Ap（i1-i2）（17-1317-13）溶质在膜中的迁移：溶质在膜中的迁移：51纳滤纳滤Z纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发在较低操作压力下运行，进

27、而实现降低成本演变发展而来的。展而来的。Z膜组器于膜组器于8080年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。膜衍化而来。Z纳滤纳滤 (NF(NF，Nanofiltration)Nanofiltration)是一种介于反渗透和是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。超滤之间的压力驱动膜分离过程。Z纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为范围约为 MWCO300MWCO3001000 1000，能截留透过超滤膜的那，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。部分有机小分子，透过无机盐和水

28、。52纳滤膜的特点u纳滤膜的纳滤膜的截留率大于截留率大于95%95%的最小分子约为的最小分子约为nm,nm,故称故称之为纳滤膜。之为纳滤膜。u从结构上看纳滤膜大多是从结构上看纳滤膜大多是复合膜复合膜，即膜的表面分离，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。聚电解质构成。u能透过一价无机盐，能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低渗透压远比反渗透低，故操作，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用比用RORO膜低膜低0.50.53 MPa3 MPa，因此纳滤又被称作，

29、因此纳滤又被称作“低压低压反渗透反渗透”或或“疏松反渗透疏松反渗透”(Loose RO)(Loose RO)。531.1.筛分：筛分：对对Na+Na+和和Cl-Cl-等单价离子的截留率较低，等单价离子的截留率较低，但对但对Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+、SO42-SO42-截留率高，对色素、染截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（00-00-10001000）物质可进行分级分离，实现高相对分子）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，量和低相对分子量有机物的分离，2.2.道南（道南（DonnanDonnan）效应

30、：）效应：纳滤膜本体带有纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。高的截留率。u低压力下仍具有较高脱盐性能；低压力下仍具有较高脱盐性能；u分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。（短肽、氨基酸、抗生素）。纳米膜的分离机理纳米膜的分离机理54纳滤膜分离机理示意图纳滤膜分离机理示意图55膜分离技术第一讲的主要内容膜分离技术第一讲的主要内容u膜分离技术概述膜分离技术概述u膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造u表征膜性能的参数表征膜性能的参数u各种膜分离技术及其分离机理各种膜分离技

31、术及其分离机理56(纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在在DonnanDonnan效应，广泛应用于制药、食品等行业中。效应，广泛应用于制药、食品等行业中。(同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在要对低浓度的二价离子和分子量在500500到数千的溶质进行到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。(应用：应用：（1 1）小分子量的有机物质的分离；）小分子量的有机物质的分离；（2 2）有机物与小分子无机

32、物的分离；）有机物与小分子无机物的分离；（3 3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4 4）盐与其对应酸的分离。）盐与其对应酸的分离。纳滤的应用纳滤的应用57行行 业业处理对象处理对象行行 业业处理对象处理对象制药工业制药工业母液中有效成分的回收母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业化工行业酸碱纯化、回收酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收电镀液中铜的回收食品工业食品工业脱盐与浓缩脱盐与浓缩苛性碱回收苛性碱回收纯水制备纯水制备水的脱盐、高纯水、水的脱盐、高纯水、地下

33、水的净化地下水的净化染料工业染料工业活性染料的脱盐与回收活性染料的脱盐与回收废水处理废水处理印染厂废水脱色印染厂废水脱色造纸厂废水净化造纸厂废水净化58纳滤应用纳滤应用 螺旋霉素的提取：螺旋霉素的提取：SPM发酵滤液发酵滤液微滤和超滤（去除蛋白质等大分微滤和超滤（去除蛋白质等大分子）子）纳纳 滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和水，浓缩水，浓缩SPM。操作条件：进料流量操作条件：进料流量55L/h；操作压力；操作压力1.5MPa。结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；膜的透过通量可高达膜的透过通量可高达30L/h

34、；浓缩倍数和得率高。；浓缩倍数和得率高。59几种膜分离技术的分离范围几种膜分离技术的分离范围60 利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，以外电场电位差为推动力，利用离子交换膜的选利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；操作；电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。阴膜只充许阴离子通过而阳离子被

35、阻挡。6 膜分离技术膜分离技术-电渗析电渗析61正极正极 阴离子交换膜阴离子交换膜 负极负极+固定离子固定离子Cl-Na+-62电渗析分离原理示意图电渗析分离原理示意图63离子交换膜和离子交换树脂的区别：离子交换膜和离子交换树脂的区别：作用机理作用机理使用方法使用方法树脂树脂 离子间交换离子间交换 RSO3H+选择互换作用选择互换作用 Na+H+解吸后须再生，并恢解吸后须再生，并恢复成原来的离子型式，复成原来的离子型式，才能继续使用。才能继续使用。膜膜选择透过作用，选择透过作用，RSO3Na+膜上反离子是膜上反离子是 H2O 什么，无关紧什么，无关紧 Na+Na+要，主要是骨要，主要是骨 Cl

36、 架的电荷作用。架的电荷作用。可连续使用，可连续使用，是透过，不是交换。是透过，不是交换。64电渗析应用电渗析应用u工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理工业上多用于海水、苦咸水淡化、废水处理u生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的脱盐和分离纯化。盐和分离纯化。657 渗透蒸发渗透蒸发 渗透蒸发原理渗透蒸发原理 它是利用膜与被分离有机液体混合物中它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的各组分的亲合力不同（料液侧为疏水亲合力不同（料液侧为疏水膜）膜），而有选择性地优先吸附溶液某一，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中组分，及各组分在膜中扩

37、散速度扩散速度不同，不同，在在膜两侧分压差膜两侧分压差的作用下达到的作用下达到分离分离的目的目的。的。66渗透蒸发原理示意图渗透蒸发原理示意图渗透蒸发膜混合液渗透蒸发膜混合液疏水膜疏水膜抽真空抽真空67特点：特点：u不存在蒸馏法中的共沸点的限制，适合共沸点和不存在蒸馏法中的共沸点的限制，适合共沸点和挥发相差小的双组分分离挥发相差小的双组分分离。u与反渗透相比，渗透蒸发透过侧组分以气体存在，与反渗透相比，渗透蒸发透过侧组分以气体存在，消除了渗透压的作用，可在低压下进行，适合高消除了渗透压的作用，可在低压下进行，适合高浓度混合物的分离。浓度混合物的分离。渗透应用：渗透应用：有机溶剂脱水、水的净化、

38、有机混合物分离，低醇有机溶剂脱水、水的净化、有机混合物分离，低醇酒生产。酒生产。渗透蒸发渗透蒸发68传统的研究中，膜分离和亲和分离是传统的研究中，膜分离和亲和分离是2 2个平行发展个平行发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离速度快，可连续操作，但选择性低；而亲和分离速度快，可连续操作，但选择性低；而亲和分离的选择性和特异性较强，但不宜放大。的选择性和特异性较强，但不宜放大。由膜与亲和

39、分离相结合的亲和膜分离技术，可发由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离技术，可发挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于放大等显著优点。放大等显著优点。8 8膜亲和过滤技术膜亲和过滤技术69包括两种情况：包括两种情况：1.将亲和配基（与产物具特异亲和力）将亲和配基（与产物具特异亲和力）与膜化学结与膜化学结合，制得亲和膜，合，制得亲和膜，膜过滤时，产物与膜孔壁上的配基膜过滤时，产物与膜孔壁上的配基结合被截留，未结合的杂质透过，膜经洗涤后在适宜结合被截留，未结合的杂质透过，膜经洗涤后在适宜的条件下洗脱，使复合物解离，产物透过膜，达到分的条件下洗脱，使复合物解离

40、，产物透过膜，达到分离和浓缩目的。离和浓缩目的。2.将产物结合到亲和载体（具特异亲和能力的高分将产物结合到亲和载体（具特异亲和能力的高分子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子复合物，子水溶性或非水溶性聚合物）上，形成大分子复合物，在合适孔径的膜上被截留，未结合的杂质透过，然后在合适孔径的膜上被截留，未结合的杂质透过，然后再将产物从聚合物上洗脱下来，透过膜，而亲和载体再将产物从聚合物上洗脱下来，透过膜，而亲和载体被截留循环使用。被截留循环使用。膜亲和过滤技术膜亲和过滤技术70亲和膜的作用机理亲和膜的作用机理亲和膜亲和膜7172水溶性亲和聚合物：水溶性亲和聚合物：含含m氨基苯甲脒，是胰蛋白酶的强

41、抑制剂。氨基苯甲脒，是胰蛋白酶的强抑制剂。该亲和聚合物分子量该亲和聚合物分子量10万，以万，以N丙烯酰丙烯酰m氨基苯甲脒（即氨基苯甲脒（即mAB）为单体，加丙烯酰胺在一定条件下聚合而得。）为单体，加丙烯酰胺在一定条件下聚合而得。亲和聚合物与胰蛋白酶结合：亲和聚合物与胰蛋白酶结合：胰蛋白酶胰蛋白酶(含胰凝乳蛋白酶含胰凝乳蛋白酶)溶液置溶液置于于Tris缓冲液缓冲液(含含10mM CaCl2)中，加入聚合物溶液，保温中，加入聚合物溶液，保温2hr。超滤：超滤：用截断分子量用截断分子量10万的万的millipore膜，透析过滤法超滤，保膜，透析过滤法超滤，保持超滤系统体积不变，胰蛋白酶与亲和聚合物结

42、合物为大分子被截持超滤系统体积不变，胰蛋白酶与亲和聚合物结合物为大分子被截留在膜上，胰凝乳蛋白酶不与聚合物结合，为小分子，透过膜。超留在膜上，胰凝乳蛋白酶不与聚合物结合，为小分子，透过膜。超滤滤3hr后测得：后测得：例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：73 洗脱：洗脱：用用L精氨酸作洗脱剂，它是胰蛋白酶底物的竞争精氨酸作洗脱剂，它是胰蛋白酶底物的竞争性抑制剂。将含胰蛋白酶的聚合物溶液用透析过滤法超滤，性抑制剂。将含胰蛋白酶的聚合物溶液用透析过滤法超滤，以与超滤相等的速度加入洗脱剂溶液，胰蛋白酶从聚合物上以与超滤相等的速度加入洗脱剂溶液，胰蛋白

43、酶从聚合物上被洗脱分解后，即透过膜流出，达到纯化。被洗脱分解后，即透过膜流出，达到纯化。解离后的高分子聚合物纯化，然后反复使用。解离后的高分子聚合物纯化，然后反复使用。例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：例：胰蛋白酶与结构相似的胰凝乳蛋白酶的分离：保留液酶活保留液酶活 透过液酶活透过液酶活 胰蛋白酶胰蛋白酶 90 10 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 2 95 74过程过程膜结构膜结构驱动力驱动力应用对象应用对象实实 例例微滤微滤对称微孔膜对称微孔膜0.0510m压力差压力差消毒、澄清收消毒、澄清收集细胞集细胞培养悬浮液除菌，产品培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集消毒，细胞收集超滤超滤不对称

44、微孔膜不对称微孔膜0nm压力差压力差大分子物质分大分子物质分离离蛋白质的分离蛋白质的分离/浓缩浓缩/纯化纯化/脱盐脱盐/去热源去热源纳滤纳滤复合膜复合膜1nm 压力差压力差Donna效应效应小分子物质分小分子物质分离离糖糖/二价盐二价盐/游离酸的分离游离酸的分离反渗透反渗透 致密膜、复合致密膜、复合膜膜1nm压力差压力差小分子物质浓小分子物质浓缩缩单价盐单价盐/非游离酸的分离非游离酸的分离透析透析对称的或不对对称的或不对称的膜称的膜浓度差浓度差小分子有机物小分子有机物/无机离子无机离子除小分子有机物或无机除小分子有机物或无机离子离子电渗析电渗析 离子交换膜离子交换膜电位差电位差离子脱除、氨离子

45、脱除、氨基酸分离基酸分离海水淡化，纯水制备，海水淡化，纯水制备，生产工艺用水生产工艺用水渗透蒸渗透蒸发发致密膜致密膜气压差气压差小分子有机物小分子有机物与水的分离与水的分离醇醇/乙酸与水分离，有机乙酸与水分离，有机液体混合物分离（如脂液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等烃与芳烃的分离等几种膜分离技术的适用范围几种膜分离技术的适用范围75思考题 1 1 理解概念：截留分子量，截留率，水通量。理解概念：截留分子量，截留率，水通量。2 2影响截留率的因素有哪些？影响截留率的因素有哪些？3 3微滤，超滤，纳滤，反渗透分离技术的特点，及微滤，超滤，纳滤，反渗透分离技术的特点，及适用范围？适用范围？4 4

46、 毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模的原理，及各适用于解释哪些膜过程的原理，及各适用于解释哪些膜过程?7677第二讲主要内容第二讲主要内容 膜两侧溶液传递理论膜两侧溶液传递理论 影响膜过滤的因素影响膜过滤的因素 膜的污染膜的污染7817.4 17.4 膜两侧溶液传递理膜两侧溶液传递理论论 许多研究者试图将通量表达成系统操作参数和许多研究者试图将通量表达成系统操作参数和物理特征的函数：物理特征的函数：对于纯溶剂或浓差极化前通量可用对于纯溶剂或浓差极化前通量可用HagenHagen方程方程表示表示 浓差极化浓差极化-凝胶层模型（凝胶层模型（conc

47、entration concentration Polarization-gel layer modelPolarization-gel layer model）阻力模型（阻力模型（resistance modelresistance model）管状收缩效应管状收缩效应(Tubular Pinch effect)(Tubular Pinch effect)的影响的影响791 1 浓差极化浓差极化 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在膜的高压侧表面上，造成膜面浓度，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成

48、边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中，这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路虎。80浓差极化浓差极化透过快的组分透过慢的组分推动力膜浓度极化浓度极化示意图示意图81进料浓差极化浓差极化82浓差极化浓差极化 在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压在反渗透中，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。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

49、面上形成凝胶层，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。增大了阻力而使通量降低。83 当发生浓差极化后，膜面上浓度 Cw大于主体浓度Cb，溶质向主体反扩散；当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层；在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算。推导边界层形成后，通量与Cw及Cb的关系。浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型84浓差极化边界层中的浓度分布浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型85随主体流动进入微元薄层的速度随主体流动进入微元薄层的速度JvCJvC应等于应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有

50、透过膜的通量与反扩散速度之和，故有dxdcDCJCJpvvpbpwvCCCCDJlnpbpwmvCCCCKJln利用边界条件，当x0时，C=Cw；当x=时，C=Cb，将上式积分，并得到 令令KmD/为传质系数，上式成为为传质系数，上式成为浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型86如果溶质完全被截留，如果溶质完全被截留，Cp=0 上式就可以上式就可以写成写成bwmvCCKJln)/exp(mvbwKJCC Cw/Cb称为极化模数称为极化模数（polarization modulus）或或浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型8733.02)(62.1LduDKhm)(023.047.02.057

51、.08.0hdDuKmdh：当量水力直径，：当量水力直径，L：通道长度，：通道长度，u：平均流速，：平均流速，u为黏度为黏度 滞流湍流浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型88凝胶层的形成在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，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或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。bGmvCCKJln浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型89凝胶层形成前后通量凝胶层形成前后通量J JV V与主体浓度与主体浓度log Clog Cb b的关系的关系bwmvCCKJln通量通量bGmvCCKJln浓

52、差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型90浓差极化-凝胶层模型的特点 凝胶层模型是在超滤中广泛使用的模型 很好的解释主体浓度变化效应、流体力学对通量的影响 很好的解释通量曲线平稳段的变化 缺陷：凝胶层形成后通量与膜种类无关 凝胶层的浓度应为常数91*改善浓差极化对策：提高膜面剪切力，减少边界层厚度，Km Km 与流速、液体黏度、通道的水力直径和长度有关 措施：措施：错流；错流；进料流速进料流速；湍流程度提高，设备改进：湍流程度提高，设备改进：a.小型设备装搅拌；小型设备装搅拌；b.装湍流促进装湍流促进器；器；c.对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料料;温度不要太

53、低。温度不要太低。浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型92克服浓差极化的方法浓差极化的减少浓差极化的减少降低压力降低压力降低膜表面的浓度降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜垂直于膜的混合的混合排除膜表面排除膜表面的浓集物的浓集物桨式混合器桨式混合器静态混合器静态混合器边界层减薄边界层减薄机械清洗机械清洗提高膜面粒子提高膜面粒子反向传递反向传递增加流速增加流速短的液流周期短的液流周期增加扩散增加扩散细的通道细的通道932 2 阻力模型阻力模型（resistance modelresistance model）)(cmvRRpJmvRPJ)(cmvRRPJ通量通量

54、Jv表示成推动力和阻力之比：表示成推动力和阻力之比：反渗透中，通常不形成滤反渗透中，通常不形成滤饼，饼，RC可以忽略：可以忽略：在超滤或微滤中，渗透压在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计可以忽略不计：边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力94c 膜面上滤饼的阻力计算322)1(180cccdRFPWVRtc)(tvWVPFJ1)(对于不可压缩滤饼，根据Carman-Kozeny方程式，Rc可写成：对于可压缩滤饼、对于可压缩滤饼、滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数（对不可压缩滤饼，（对不可压缩滤饼，0；对完全可压缩滤饼；对完全可压缩滤饼1，通常在，通常在0.

55、10.8之间，之间，W：单位体积料液中所含有的颗粒重量，：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，：到某一瞬间，滤液的总体积，F：膜面积，：膜面积，：为常数，与滤饼性质有关。为常数，与滤饼性质有关。如果膜的阻力可以忽略，通量为953 管状收缩效应的影响管状收缩效应的影响(Tubular Pinch effect)人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通人们发现，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。量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大。原因就是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

56、应。由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心由于这个现象，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，通量增横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。大。96管状收缩效应管状收缩效应 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：因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力的。32ruVL97本讲内容影响膜过滤的各种因素影响膜过滤的各种因素膜污染膜污染膜装置膜装置膜过滤方式膜过滤方式膜应用膜应用9817.5 影响膜过滤的各种影响膜过滤的各种因素因素压力压力浓度浓度温度温度流速流速其它因素其它因素99 压力压力p1p2P在错流操作中，两种压力差。在错流

57、操作中，两种压力差。一种为通道两端压力差一种为通道两端压力差P=P1-P2另一种为膜两侧平均压力差另一种为膜两侧平均压力差P0)(22)()(210201以表压表示PPPPPPPt100在反渗透中通量与截留率随压力的变化水通量水通量截留率截留率水通量或截留率水通量或截留率J1AV(p)R=1-B/(Jv+B)1011 1）未浓差极化）未浓差极化（开始过滤）：（开始过滤）：符合公式符合公式J JA A P P A A 膜阻力，常数膜阻力，常数 J J与与 P P呈线性关系。呈线性关系。2 2）浓差极化：）浓差极化：符合公式符合公式 或或 J J P/(RP/(Rm mRs)Rs)Cw Cw、Cb

58、Cb同时增加；同时增加；R Rs s随积聚层浓度增加而增大。随积聚层浓度增加而增大。随随 P P，J J不呈线性不呈线性。3 3）形成凝胶层：）形成凝胶层：符合公式符合公式 或或 J J P/(RP/(Rm mR Rg g)P P 时，时，CgCg不变，不变，CbCb和和KmKm增加；加速溶质沉积，导致增加；加速溶质沉积，导致R Rg g 抵消，抵消，滤速基本不变。滤速基本不变。结论：在凝胶层形成后，单纯提高外压，对滤速无帮助。结论：在凝胶层形成后，单纯提高外压，对滤速无帮助。在微滤和超滤中通量与截留率随压力的变化bwmvCCKJlnbGmvCCKJln102在超滤中膜两侧压力差t对通量和截留

59、率的影响通量通量截留率截留率 在超滤中，压力升高引在超滤中，压力升高引起膜面浓度升高，则透起膜面浓度升高，则透过膜的溶质也增大，因过膜的溶质也增大，因而截留率减小而截留率减小 abCH2O103浓度bGmvCCKJlnCG膜面浓度 u在超滤中在超滤中u间歇操作间歇操作(浓缩浓缩模式模式)：CbCb，J J u透析过滤或连续透析过滤或连续操作：料液浓度操作：料液浓度CbCb基本不变，基本不变，J J也不变。也不变。凝胶层形成后凝胶层形成后104当以当以微滤微滤过滤菌体时，通量过滤菌体时，通量与浓度的关系不同于超滤。在与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中，谷氨酸发酵液的微滤中，l开始通量

60、下降很快，可能是开始通量下降很快，可能是由于膜面的污染；由于膜面的污染；l然后通量变化较小，可能由然后通量变化较小，可能由于管状收缩效应引起通量的增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加和浓度增大引起的降低互相对消；对消；l最后通量急剧降低最后通量急剧降低在谷氨酸发酵液中的微滤中在谷氨酸发酵液中的微滤中黏度黏度浓度菌体浓度菌体浓度通量通量105 流速 根据浓差极化-凝胶层模型,流速增大,可使通量增大。JKm lnCg/Cb KmD/料液流速，D，Km,使J。对于超滤，通常在略低于极限通量的条件下操作。在滞流时，直线的斜率为0.3；而在湍流时，斜率为0.83。在以微滤过滤菌体时，

61、斜率可在1.02.0之间。0.83湍流湍流滞流滞流106虽然增大流速有明显的优点，但需考虑：u只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会使通量增加，u增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通道的压力降增大 u增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；u动力消耗增加。流速107温度 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1约降低2.5，所以，一般可认为，每升高1，通量约增加3。108其它因素 在反渗透中特别要注意不要使溶解度小的溶质析出和不要含胶体粒子

62、，以免膜堵塞。在超滤中，通常当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。当料液中含0.1m的微细粒子时，会使通量降低，最好用预过滤除去。如果含1m的坚硬粒子，通常会使通量增大。pH有时也会对截留率有影响。例如在极端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。10917.6 膜污染 膜使用中最大的问题是膜污染。是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学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。膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的

63、压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。膜污染与浓差极化在概念上不同，浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。110膜的污染膜的污染(fouling)膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染 沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。1112 吸附污染 有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致

64、孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。一般来讲膜的亲水性越强有机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。膜的污染膜的污染(fouling)1123 生物污染 是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如

65、聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性被降低和易清洗的聚合物为材质的分离膜，会阻碍生物膜的生长。膜的污染膜的污染(fouling)113防止膜污染的方法 可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的危害，可以通过控制膜污染影响因素，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，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，必须注意以下几点菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:进料液的预处理：预过滤、pH及金属离子控制；选择合适的膜材料：减轻膜的吸附；改善操作

66、条件：加大流速。114膜污染的清洗方法化学法：选择清洗剂要注意三点：1要尽量判别是何种物质引起污染；2清洗剂要不致于对膜或装置有损害，3要符合产品要求。115化学法常用的清洗剂有：1NaOH：发酵工业中用得很普遍，浓度为0.11.0M。它能水解蛋白质，皂化脂肪和对某些生物高分子起溶解作用。2酸：如HNO3、H3PO4 和HCI。用于去除无机污染物，如钙和镁盐。对不锈钢装置不能用HCI。柠檬酸对含铁污染物有效。3表面活性剂：主要对生物高分子、油脂等起乳化、分散、干扰细菌在膜上的粘附。常用的SDS和Triton X-100，有较好的去蛋白质和油脂等作用。膜污染的清洗方法116 4氧化剂：氯有较强的氧化能力。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯，其用量为10-6mg/L活性氯，其最适pH为1011。5酶：酶本身是蛋白质，能用其他清洗剂就酶。但如要去除多糖时，淀粉酶有一定作用的。6有机溶剂：由于有机溶剂对膜和装置有不良作用，因而很少采用。20-50乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂或硅氧烷消泡剂，但使用时系统必须符合防爆要求。膜污染的清洗方法117物理法：海绵球擦洗 热水法 反冲洗和循环清