膜分离技术与分类

7膜分离(MembraneSeparation)膜分离包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜分离。从分离科学的角度看,超滤、渗析、反渗析、电渗析等位垒分离过程是靠在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作用的界面时在速度上的差别来进的。膜分离法一般属于F(=)d分离类型。膜分离特点※膜的种类、孔径可以根据需要选择※不管流有多强，膜对于阻止大的粒子或分子透过的能力是很强的。※把产物分在两侧，很容易收集样品※节能、环保§7.1概述所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜的特性：◆不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触◆膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜是什么？有何特性？膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游透膜膜下游选择性透膜分离膜种类分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜阳离子膜阴离子膜过滤膜精密过滤膜超滤膜反渗透膜纳米滤膜膜分离的物理化学原理截流机理和筛孔效应渗透和渗透压Donnan效应机械截留（筛孔效应）物理作用或吸附截留架桥作用网络内部截流渗透和渗透压1885年,Van’tHoff渗透压定律：·R·T·Ci渗透是在膜两边渗透压差——的作用下的溶剂流动；而反渗透、超滤是在一外加压力差P的作用下,溶剂逆向流动。盐溶液纯水H2O渗透P反渗透Donnan效应问题：如果往内相加入大量的高分子电解质，平衡时膜两边的Na+和Cl-浓度还相等吗？不管初始时两边的盐浓度是否相等，平衡时[Na+]Ⅰ=[Na+]Ⅱ[Cl-]Ⅰ=[Cl-]Ⅱ内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-允许小分子、离子自由通过，但不允许大分子离子通过Na+Cl-Na+Cl-平衡时[Na+]Ⅰ[Cl-]Ⅰ=[Na+]Ⅱ[Cl-]Ⅱ电中性条件[Na+]Ⅰ=[Cl-]Ⅰ+[X-]Ⅰ[Na+]Ⅱ=[Cl-]Ⅱ代入，得[Cl-]2Ⅱ=[Cl-]2Ⅰ+[Cl-]Ⅰ·[X-]Ⅰ即[Cl-]Ⅱ[Cl-]Ⅰ“NaCl”浓缩倍数为：(CNaClⅡ/CNaClⅠ)=1＋(CNaXⅠ/CNaClⅠ)内相Ⅰ外相ⅡH20Na+Cl-X-火胶棉H20Na+Cl-X-H20Na+Cl-结论：平衡时，膜两边的Cl-的浓度不相等在一相中加大不扩散离子的浓度能防止可扩散离子渗入该相讨论：阴离子可以进入强酸型阳离子交换树脂内部吗？为什么？膜分离应用特点低能耗、低成本和单级效率高室温下，特别适合于热敏物质的分离应用广泛装置简单，操作方便，不污染环境§7.2静压差膜分离微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。1)微滤2)超滤3)纳滤4）反渗透微孔过滤用于从气相或液相物质中截留分离微粒、细菌、污染物等。1微过滤膜:孔径0.025~3m，特种纤维素酯、高分子聚合物制成。三醋酸酯纤维素聚四氟乙烯尼龙－66亲水型憎水型通用型水、低级醇有机溶剂*滤膜溶解法(SolubleMembraneFilter)对于微过滤膜富集,通常采用酸等溶剂将沉积物溶解进行后续测定。而可溶滤膜法将目标成分转变为憎水的适应收集的形式；抽滤于合适的可溶膜上；将滤膜及收集物溶于合适溶剂中；有机相可直接分光等直接测定。如用硝化纤维素膜过滤,可以用甲基溶纤剂和DMF或浓硫酸溶解,也可用丙酮、乙腈、THF等溶解。超滤超滤是在1-10大气压作用下分离分子量约大于1000的大分子和胶体粒子的方法。超滤膜是一种微孔结构的膜，分离是依靠孔径的分布来完成的。超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为：R=(1－Cp/Cf)×100Cp和Cf分别是溶质在过滤产物中和原料中的浓度。纳滤过滤（nanofiltration,NF）纳滤过滤是上世纪80年代末问世的新型膜分离技术。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间，因此称为“纳滤”。纳滤膜能够截留分子量为几百的物质，对NaCl的截留率为50%-70%，对某些低分子有机物的截留率可达90%。纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度，以形成大量具纳米级的表层孔。纳滤截留的相对分子量为100-1000其操作压力较低,一般在0.5-1.5MPa同时纳滤膜的通量高,与反渗透相比，纳滤具有能耗低的优点。因此,纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分量的有机物,透析被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)以上。应用：低聚糖的分离和精制果汁的高浓度浓缩多肽和氨基酸的分离离子与荷电膜之间存在道南(Donnan)效应,即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的,当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团,基于静电相互作用,对离子有一定的截留率,可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零,因为溶质是电中性的并且大小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率表现出较高的截留率,因为溶质离子与膜之间产生静电排斥,即Donnan效应而被截留。反渗透原理反渗透（ReverseOsmosis）分离过程是使溶液在一定压力（10-100atm）下通过一个多孔膜，在常压和环境温度下收集膜渗透液。溶液中的一个或几个组分在原液中富集，高浓度溶液留在膜的高压侧。反渗透膜(homogeneousmembraneorskin–typemembrane):反渗透膜可截留0.X-60nm的粒子,截留粒子分子量可达500以下。在分析上,反渗透膜可用于富集水溶液中微量有机物。1)膜的选择性常用被分离溶质的截留率/去留率表示：R=(CF－CP)/CF×100%CF：原液浓度,CP：透过液中溶质浓度。2)浓度极化现象通常沉淀溶液过滤时会出现“滤饼”现象,使滤膜孔洞受阻变小,流速变慢。对于实际过程,膜的排除率应修正为：(CM－CP)/(CF－CP)=exp(JV/k)JV：膜透过流束(cm2/cm·s)；k：物质移动系数(cm/s)；CM：膜表面浓度。静压膜分离操作静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW3501000~300000.0025~10um1umROUFF新型的NF正好介于UF和RO之间，截流分子量大概在300-1000。1溶剂2小分子3大分子4微粒盐分子糖蛋白病毒胶体几种静压差膜分离法应用比较1234MF1234UF1234RO电渗析(Electrodialysis)电渗析是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐；溶解的电离物质和中性物质的分离。电化学分离•Electrodialysis•Electrophoresis•Electrodeposition•Electrostaticprecipitation•……海水淡化----电渗析原理1离子在电场下的定向迁移2膜的选择性透过3分离对象/产品的去向关注+-极水盐水淡水一、基本原理在直流电场的作用下,溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜(ChargedMembranes)。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用。正极阴离子交换膜负极+固定离子Cl-Na+-高分子膜中间有足够大的孔隙，水中的离子在膜孔隙通道（比膜厚度大得多）中电迁移运动。例如，在水溶液中,阴离子交换膜的活性基团会发生离解，留下的是带正电荷的固定基团，构成了强烈的正电场。在外加直流电场作用下，根据异电相吸原理，溶液中带负电的阴离子就可被它吸引、传递而通过离子交换膜到另一侧，而带正电荷的阳离子则离子膜上固定负电荷基团的排斥不能通过交换膜。在电渗析过程中,膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用,而是对不同电性的离子起选择透过作用,因而离子交换膜实际上应称为离子选择性透过膜。应用举例中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。纯水制备：电渗析制备初级水,可去盐80-90%；再用离子交换除盐10-20%制备高级水。这样既降低成本,又减少污染。水污染处理：如回收镀镍废水等等液膜分离液膜分离是一种新发展的膜分离技术，是新兴的节能型分离手段。液态膜通常是3-5m的液滴组成的膜。在液膜分离过程中,组分主要是依靠在互不相溶的两相间的选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等机理而进行分离。这时欲分离组分从膜外相透过液膜进入内相而富集起来。液膜类型①浸渍型：以多孔高分子膜作为支架,使液体膜溶液(有机溶剂)浸渍在其孔穴部位,并在内外相均接触水溶液。WW内相外相O膜支架②乳化型：将表面活性剂、添加剂及溶剂(内相试剂)的水溶液高速搅拌(2000转/分钟),制成一个油包水(W/O)的乳状液,然后再把这种乳状液加入到低速搅拌(100转/分钟)的试液中,并使乳状液均匀分散在试液中,结果形成水包油,再包水(W/O/W)的多相乳浊液。液膜组成●膜溶剂：有机溶剂或水,构成膜的基体●表面活性剂：控制液膜的稳定性●添加剂/流动载体：提高膜的选择性,实现分离传质的关键因素①表面活性剂乳化型液膜的主要成分之一,它可以控制液膜的稳定性。根据不同体系的要求,可以选择适当的表面活性剂作成油膜或水膜。②膜溶剂主要考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。对无载体液膜,膜溶剂能优先溶解欲分离组分,而对其它组分溶质的溶解度则应很小；对有载体液膜,膜溶剂要能溶解载体,而不溶解溶质。③流动载体流动载体的条件：○载体及其溶质形成的配合物必须溶于膜相,而不溶于膜的内外相,且不产生沉淀。○载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适当的稳定性,在膜的外侧生成的配合物能在膜中扩散,而到膜的内侧要能解络。○载体不应与膜相的表面活性剂反应,以免降低膜的稳定性。④添加剂/稳定剂分离过程一般要求液膜要有一定的稳定性,而到破乳阶段又要求容易破碎,便于回收处理。液膜分离原理及应用1.无载体液膜的分离机理2.有载体液膜的分离机理(a)选择性渗透液膜料液(b)滴内化学反应RC液膜料液C+R→PR1液膜料液(c)膜中化学反应C+R1→P1(d)萃取和吸附液膜料液液膜料液无载体液膜的分离机理①选择性渗透：分离物在液膜中的溶解度差异②化学反应：为提高富集的效果,可使待富集成分在内水相发生化学反应以降低其浓度,促使迁移不断进行。③萃取和吸附液膜法处理含酚废水酚在油膜中有较大的溶解度,选择性地透过膜,渗透到膜内相生成酚钠。除酚后的废水即可排放。膜相和内水相过程乳浊液经破乳后,膜相可循环使用,而内水相另作处理。碱性水酸性含酚水2.有载体液膜的分离机理“载体输送”AAAA+XAX+XAX载体膜内膜外有载体液膜分离是靠加入的流动载体进行分离的。加入的流动载体与特定溶质或离子所生成的配合物必须溶于膜相,而不溶于邻接的两个溶液相。此载体在膜的一侧强烈地与特定离子配位,因而可以传递它。但在膜的另一侧只能很微弱地和特定溶质配位,因而可以释放它。这样,流动载体在膜内外两个界面之间来回地传递被迁移物质。①反向迁移②同相迁移反向迁移当液膜中含有离子型载体时的溶质迁移过程。由于液膜两侧要求电中型,在某一方向一种阳离子移动穿过膜,必须由相反方向的另一种阳离子迁移来平衡,所以