食品工程原理 第十章 膜分离

第十章膜分离本章学习目的与要求了解膜分离的基本原理、各种膜分离的机理和各种分离膜的构造与特性了解膜组件的构成、膜分离装置及典型流程。了解各种因素对膜分离的影响。掌握膜分离过程中浓差极化与膜污染的产生原因与消除方法。重点掌握膜分离装置的选用。10-1概述按膜的孔径、传质动力和传递机理膜分离过程过程孔径推动力传递机制微滤0.02~10μm压力差约为105Pa筛分超滤0.001~0.02μm相对分子质量103~106压力差105~106Pa筛分纳滤1nm相对分子量200~1000压力差5×105~1.5×106Pa溶解扩散Donnan效应反渗透0.1~1nm压力差106~107Pa优先吸附、毛细管流动、溶解-扩散气体分离无孔压力差106~107Pa溶解-扩散渗析1~3nm浓度差筛分加上扩散度差电渗析相对分子质量200电位差反离子迁移渗透蒸发无孔分压差、浓度差溶解-扩散按动力本质分以静压力差为推动力的过程微滤（microfiltration,MF)超滤（ultrafiltration,UF）反渗透（reverseosmosis,RO)纳滤（nanofiltration,NF)以蒸汽分压为推动力的过程膜蒸馏（membranedistillation,MD)渗透蒸发（pervaporation,PV）以浓度差为推动力的过程渗析（dialysis,D)以电位差为推动力的过程电渗析（electrodialysis,ED)膜的分类常用的膜分离类型有以下几种：1．微滤在压力差作用下，将溶液通过孔径为0.02~10.00μm的多孔膜来除去其中微粒的过程。通常，微滤操作的跨膜压差为0.1~0.5MPa。可用于分离淀粉离子、细菌等。2．超滤在压力差作用下，应用孔径为10-2~10-3μm的超滤膜来过滤溶液，使大分子或微粒从溶液中分离的过程。一般超滤操作的跨膜压差为0.3~1.0MPa。主要用于大分子物质的分离。3．纳滤又称纳米过滤，是近年来发展起来的介于超滤和反渗透之间的膜分离方法。适于分离相对分子质量在200以上，分子大小约为1nm的组分。其跨膜压差为0.5~3.0MPa。4．反渗透在高于溶液渗透压的压强作用下，通过反渗透膜将溶液中溶质包括无机盐类截流在膜内，而使溶剂（通常是水）压至膜外。其跨膜压差为1~15MPa，主要用于海水淡化。5．电渗析在外加电场作用下，利用离子交换膜对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与溶液分离。主要用于制备去离子水、去除溶液中的无机盐类等。各种膜分离过程具有不同的机理和适用范围，与其他分离方法相比，有许多显著特点：①膜分离过程无相变发生，能耗通常较低；②一般无需从外界加入其他物质，从而可以节约资源，保护环境；③可以实现分离与浓缩、分离与反应同时进行，从而大大提高过程的效率；④通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集；⑤膜分离的使用范围广泛。不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范围的有机物或无机物的分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如共沸物或近沸物的分离；⑥膜的性能可以灵活调节；⑦膜组件简单，可实现连续操作，易与其他分离过程或反应过程耦合，易于控制、维修和放大。因此食品在膜分离过程中风味和香味成分不易失散；易保持食品的某些功效，如蛋白的泡沫稳定性；另外与蒸发浓缩、冷冻浓缩不同，它不存在相变过程，故经济性好。膜性能分离透过性分离效率渗透通量通量衰减系数物化稳定性膜强度压力温度pH耐受性1pbcRc'1wbcRc0mJJ常见膜均质膜非对称性膜微孔对称性膜常见膜铝膜纳米管膜聚酰胺转相膜10-2反渗透反渗透的基本原理渗透与反渗透图6-23渗透和反渗透示意图（a）渗透（b）渗透平衡（c）反渗透反渗透的传质机理轻键模型水分子逐渐从膜面进入膜内，最后透过膜；溶质通过高分子链间空穴，以空穴型扩散透过膜。优先吸附－毛细孔流动模型溶解扩散模型溶质先溶解（或吸附）在原料一侧膜表面，然后以扩散的方式通过膜，在膜另一侧表面解吸。可用于通过致密均质膜的传质过程，不要求致密是有孔的。反渗透的浓差极化现象浓差极化现象浓差极化对反渗透的影响反渗透的渗透通量影响渗透通量的因素：操作压差操作温度料液速度料液的浓缩程度膜材料与结构浙江玉环海水淡化项目船用海水淡化设备10-3超滤超滤原理超滤是应用孔径为10-2~10-3μm的超滤膜来过滤含有大分子或微粒的溶液，使大分子或微粒从溶液中分离出来的过程。超滤的推动力是压力差，在溶液侧加压，一定大小的溶质分子将随溶剂一起透过超滤膜。超滤对大分子的截留机理主要是筛分作用。决定截留效果的主要是膜表面活性层上孔的大小与形状。除了筛分作用外，膜表面、微孔内的吸附和粒子在膜孔中的滞留也使大分子被截留。有些情况下，膜表面的物化性质对分离也有重要影响。由于超滤处理的是大分子溶液，溶液的渗透压对过程也有一定的影响。超滤过程的传质模型筛子模型wgmpJRR1bswpcJJc溶剂的渗透通量：溶质的渗透通量：水的渗透通量：细孔模型22224816119211pwsFpssFpprJPrSrrrSrr超滤的浓差极化现象超滤的浓差极化现象减轻差极化的方法回收率的控制（单个组件15%,整机50％）流动型态和流程的控制（压降控制在3.92－4.9MPa）提高温度搅拌法扩大扩散系数法影响超滤渗透通量的因素及控制方法影响因素：操作压差料液浓度料液流速温度截留液浓度操作时间控制方法选择合适的膜材料料液的预处理膜的清洗超滤和反渗透的主要设备主要设备反渗透和超滤操作的基本设备包括预处理过滤器、高压泵、膜组件。其中膜组件是反渗透和超滤操作的主体设备。膜组件板式管式螺旋卷式中空纤维式平板式膜组件管式膜组件螺卷式膜组件中空纤维膜组件聚偏乙烯膜组件10-4电渗析基本原理电渗析的基本原理电渗析在外电场的作用下，利用离子交换膜对具有不同的选择透过性而使溶液中阴、阳离子与其溶剂分离。由于溶液的导电是靠溶液中离子的迁移来实现的，其导电性取决于溶液中离子浓度和离子的绝对速率。离子浓度越高，离子绝对速率越大，则溶液的导电性越强，即溶液的电阻越小。纯水的主要特征，一是不导电，二是极性较大。当水中有电解质（盐类离子等）存在时，其电阻率就比纯水小，即导电性强。电渗析正是利用含离子的溶液在通电时发生离子迁移者一特点。10-4电渗析电渗析中的传递过程与伴随过程10-4电渗析离子交换膜的选择透过性空隙作用磺酸型阳膜的空隙结构作用静电作用和扩散作用离子交换膜的选择透过性0-4电渗析电渗析中的电化学过程电渗析的推动力－电位差电极反应膜电位电阻电流+--222-1+-21HO=H+OH;2OH-2e=O+HO21Cl-e=Cl;H+Cl=HCl2+-+22+-H+OH=HO;2H+2e=H+OH=NaOHNa阳极阴极10-4电渗析浓差极化浓差极化和极限电流密度防治极化的方法极限电流密度的计算极化时的浓度分布和离子迁移电流极限密度：0limAAAZFDcittZ和DA分别是阳离子A的价数和扩散系，F法拉第常数10-4电渗析电渗析装置基本结构电渗析的主要部件膜堆极区其他部件浓、淡水隔板（a）有回路（b）无回路1，6—料液流道；2，5—进水孔；3，8—出水孔；4，7—隔网膜分离技术在食品工业中的应用10-5液膜分离技术析液膜的分类与组成乳状液膜支撑液膜乳状液膜示意图支撑液膜示意图液膜的组成包括膜溶剂、表面活性剂和活性载体等。液膜分离机理无载体液膜分离机理选择型渗透机理选择性渗透与化学反应结合机理萃取与吸附机理有机载体液膜分离机理逆相迁移和同相迁移逆相迁移同相迁移