第二篇第二章过滤与分离设备

第八章过滤与分离设备第四节膜分离设备第四节膜分离设备一、膜分离方法20世纪60年代以后发展起来的新型分离技术。为半透膜。膜分离与传统的分离方法相比：分离效率高、容易控制、节约能源。由于在常温下操作，对于处理热敏性物料，如：食品、药品及其他生物工业制品，尤为重要。上世纪70年代我国的膜分离技术处于研究阶段。近30年来，一批膜分离装置逐渐用于工业生产中，在某些应用领域中（如酶制剂工业、水质处理等）引起了工艺技术的重大变革.膜过滤：指液体在透过膜状物时，其中的部分物质被截留的现象。膜应具备的技术特性：较大的透过速度；较高的选择性等。膜的分类：从制造材料上:膜可分为有机膜和无机膜；无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。从几何形状上:可分为平板膜、卷式膜、管式膜、中空纤维膜；过程示意图透过物质推动力截留物质微滤水和溶解物质压力差，通常为0.1MPa悬浮物质如硅石、细菌等。截断粒子大小可以变化超滤水和盐压力差，0．1～0．6MPa生物大分子，胶体物质，截断分子量可以变化反渗透水压力差，通常为1～8MPa溶解或悬浮物质常用于生物工程的膜分离方法按膜孔径大小分类：二、膜1、材料：如聚砜膜、聚醚砜膜（超滤膜）优点：①耐热性能好80℃聚醚砜膜可达90℃②pH范围宽pH=1~13有利于酸洗或碱洗③耐氯能力强利于清洗或贮存④孔径范围宽（1~20）×103μm缺点：操作压力低。平板膜不超过0.7MPa，中空纤维膜为0.17MPa。2.几种常用膜几种常用膜的适用范围膜的厚度：0.5~1.5μm，加支撑层总厚度：0.125~1.5mm。膜材料pH范围使用的上限温度/℃适用膜类型醋酸纤维3~840~45反渗透膜聚丙烯腈2~1045~50超滤膜聚烯烃1~1345~50超滤膜聚砜1~1380超滤膜聚醚砜1~1390超滤膜根据分离的目的选用膜分离设备需去除物分子量（道尔顿）外形尺寸（μm）选用设备菌体2——104MFUF胶体10——103MFUF蛋白质5×103--106UF多糖104--106UF酶5×103--106UF单糖200--400NFRO有机酸100--500NFRO无机离子10--100NFRO三、膜分离过程生物工业中常用膜分离过程：微滤超滤反渗透三种方法原理：都是以压差为推动力。只是所用膜的孔径不同，截流粒子的大小不同。应用：微滤：主要用于发酵液分离菌体，超滤：用于分离发酵液中的大分子蛋白质和色素反渗透：用于分离蔗糖、无机离子等。超滤膜分离原理：超滤是一种筛分过程。溶液在静压力的作用下，通过超滤膜，在常压和常温下收集透过液，溶液中一个或几个组分在截留中富集，高浓度的溶液留在膜的高压端。超滤过程中溶质的截留主要有三种：膜表面的机械截留在膜孔中停留而被除去膜表面及膜孔内的吸附浓差极化：当溶液从膜的一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质在靠近膜面处被截流。并不断返回于溶液主流中，当这一返回速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，则会在膜的一侧形成高浓度的溶质层，这就是浓差极化。随着浓缩倍数的提高，浓差极化现象越来越严重，膜的透过通量也越来越低。如何降低浓差极化现象提高液流的雷诺准数，可以减小层流区的厚度，增大被阻留分子返回液体主流的速度，这是削弱浓差极化的重要措施。但其些酶在高的剪切应力下，容易丧失其部分酶活力，因此不能无限提高液体流速（提高液流的雷诺准数方法之一）。提高液流的雷诺准数最有效的方法是使超过滤液体沿着与膜平行的方向流动是克服浓差极化的最有效方法，这种方法称为：TFF(TangentialFlowFilration)切向流式过滤。四、膜分离设备（一）平板式膜过滤器（二）管式膜膜过滤器（三）中空纤维式膜分离器（四）螺旋卷式膜分离器（一）平板式膜过滤器结构：类似于板框过滤机，由滤板、刚性多孔支持板、超滤膜组成。原理:料液从膜面上流过时,水及小分子溶质透过膜,透过液从支撑板的下部孔道汇集排出.为了减少浓差极化，滤板的表面为凹凸形，以形成浓液流的湍动。浓缩液则从另一孔道流出收集。1.滤过液体2.滤板3.刚性多孔支持板4.超滤膜圆形滤膜板组装成的膜分离装置过滤板被分成若干组，用不锈钢隔板分开，各组之间液流的流向是串联的，每一组内过滤板间的液流流向是并联的。由于料液经过每一组过滤板透过部分液体，液流量不断减小，每组板的数量从进口到出口依次减少，膜板中心带有小孔的透过液管与滤板的沟槽连通，透过液即由此管流出。为了增加液流的湍流程度和降低浓差极化，在膜面上装有导流板，导流板上带有螺旋流道，导流板常用苯乙烯薄片经真空模压而成。板式膜装置保留体积小，但死角多（二）管式膜过滤器：结构：管式类似列管换热器管子是膜的支撑体管状膜装入管内---微孔管或直接在管内浇膜--钻孔管工作原理：管内流动浓液，渗透液在管外汇集。特点：结构简单，适应性强，清洗方便，单根管子可以更换，耐压高，无死角，适宜于处理高粘度及固体含量较高的料液。不足：压降大，单位体积所含过滤面积小。改良型管式膜过滤器：管式动态膜压力过滤器——瑞士Sulzer公司生产结构：由内外两圆筒组成，圆筒上覆有超滤膜，内圆筒旋转以减少浓差极化。（三）中空纤维式膜分离器结构：空心纤维管状膜：内径一般为0.5~1.4mm，外径1.1~2.3mm.用环氧树脂将许多中空纤维的两端胶合在一起，形似管板，装入一管壳中。料液流向：常用的内压式——料液从空心管内流过，透过液从经纤维管膜流出管外。外压式——料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维管内流出。（水处理常用外压式）中空纤维膜分离装置的特点：单位体积内提供的膜面积大操作压力低（＜0.30MPa）可反清洗不足之处：单根纤维管损坏时需要更换整个膜件。种类：细丝型——适用于黏性低的溶液。粗丝型——可用于黏度较高带有固体粒子的溶液。目前日本开发的中空纤维带电膜——将聚砜空心纤维材料表面经过特殊处理，引入带电基，这样，除过滤效果外，又产生一个与溶质的静电排斥效果，从而可以分离某些非带电膜不能分离的溶质，并能抑制溶质的吸附。（四）螺旋卷式膜分离器结构：将膜、支撑材料、膜间隔卷成膜组。若干膜组顺次连接装入外壳内。操作：料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，由于两张平板膜中夹入导流层，使透过液则沿螺旋形流向中心管。中心管为多孔滤液收集管。螺旋卷式膜分离器材料：中心管可用钢、不锈钢或聚氯乙烯管制成，管上钻小孔。透过液侧的支撑材料采用玻璃微粒层，两面衬以微孔涤纶布，间隔材料应考虑减少浓差极化及降低压力降。优点：膜面积大，湍流状况好，换膜容易。适用于反渗透。缺点：是流体阻力大，清洗困难。不论采用何种形式的膜分离装置，都必须对料液进行预处理，除去其中的颗粒悬浮物、胶体和某些不纯物，必要时还应包括调节pH和温度，这对延长膜的使用寿命和防止膜孔堵塞是非常重要的。膜清洗技术的发展，大大推动了膜技术的应用。膜片是膜分离设备的核心，良好的膜分离设备应具备以下条件：①膜面切向速度快，以减少浓差极化。②单位体积中所含膜面积比较大。③容易拆洗和更换新膜。④保留体积小，且无死角。⑤具有可靠的膜支撑装置。各种膜组件的特性和应用范围。表6-5膜组件的特性和应用范围膜组件比表操作透水率设备操作膜面应用面积压力费费吸附控制m2/m3kg/cm2m2/m3d平板式492561.00高低容易UFMFPV内压管式328561.00极高高容易UFMF外压管式328700.61极高高很容易UFMF螺旋卷绕式656561.00低低难ROUFMF中空纤维式9180270.073很低低很难RODS