膜分离在线视频

同学们 大家好

我是本次课的主讲老师郎明

本节课我们学习第四节 膜分离

膜分离技术在我们的日常生活中就有应用

比如说 我们家用的净水器

就用到RO反渗透膜

其过滤精度高达0.1nm

可以有效的过滤掉自来水中的重金属

挥发性有机物等有害物质

如果大家有进入过科研实验室

可能也会见过这种配合注射器使用的微孔滤膜

一般孔径为0.22微米 能够起到过滤除菌的作用

我们来看一下膜分离技术的基本概念

它指的是利用膜的选择性

在膜两侧的推动力作用下

混合物各组分选择性地透过膜

从而达到分离 纯化和浓缩目的的技术

这里的选择性主要是通过膜的孔径大小来实现的

膜分离技术的关键核心就在于膜材料

很多新型膜技术的发展

就是从制备高效的膜材料开始的

我们可以根据所用材料的不同将膜分为

由高分子材料制成的聚合物膜

和由无机材料制成的无机膜两类

从结构方面

我们还可以将膜分为对称膜和非对称膜

对称膜两侧截面的结构及形态相同

而且孔径尺寸和分布一致

包括了多孔膜和无孔膜两种

而非对称膜的膜截面上下两侧结构和形态不同

通常上层是致密的活性表皮层 下层是多孔的支撑层

由于支撑层的作用 非对称膜的强度高

能承受较高的压力 不易引起变形

膜分离过程中的推动力主要有压力差 浓度差

电位差 以及蒸汽分压差

根据推动力的不同 可以分为以下四种不同的类型

首先是以静压力差为推动力的膜分离过程

包括微滤 超滤 纳滤和反渗透四种

它们的区别主要在于膜材料的孔径上

从左到右 膜孔径越来越小

相应的截留分子量也是越来越小

而需要的推动力越来越大

微滤的孔径最大 在0.1到10微米之间

可以截留分子量大于30万的大分子

而反渗透膜小于1纳米

对分子量在40到500的小分子具有截留作用

在实际应用中

可以根据不同的需求选择相应的滤膜

微滤可以截留水中的悬浮颗粒 胶体颗粒以及细菌

超滤可以截留大分子有机物

纳滤可以截留分子量更小的功能性糖类 色素

多肽等小分子有机物或者多价盐

而反渗透膜仅允许水分子通过

第二种是以浓度差为推动力的膜分离过程

主要是渗析 也可以称为透析

其基本原理是

将装有样品的半透膜袋放入蒸馏水

或者缓冲液组成的透析液中

半透膜袋中的小分子可以透过膜进入到透析液

而大分子被截留在袋内 达到分离的目的

透析最主要的应用就是血液的解毒

也可以称为人工肾

用于尿毒症患者的治疗

使用的设备就是透析器

另外 也常用来除去蛋白质中的小分子杂质以及脱盐

透析法虽然速度相对比较缓慢

但是方法和设备都很简单

所以应用比较广泛

使用到的产品主要有透析袋 透析管 透析机

以及一些操作辅材 比如透析夹子

第三种是以电位差为推动力的膜分离过程

称为电渗析

它指的是在直流电场的作用下

电解质溶液中的离子选择性通过离子交换膜

从而得到分离的过程

使用到的离子交换膜是使离子具有选择透过性的膜

可以分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种

阳离子交换膜带有负电荷 只有阳离子能透过

阴离子受负电荷的排斥无法通过

而阴离子交换膜带有正电荷 允许阴离子通过

而阳离子受到电荷的排斥无法通过

如图所示

将阴阳离子交换膜交替的排列在正负电极之间

阴离子可以透过阴离子交换膜向正极运动

但是会受到阳离子交换膜的阻止

而阳离子可以透过阳离子交换膜向负极运动

但是会受到阴离子交换膜的阻止

最终的结果是阴阳离子汇集在中间的浓缩液区域

而两边是离子含量低的脱盐液

电渗析的主要设备是电渗析器

可用于蛋白质 氨基酸等的分离纯化

第四种是以蒸汽分压为推动力的膜分离过程

比如膜蒸馏

它是在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下

水蒸汽从被加热的原水一侧 穿过疏水膜后

再被冷凝为液态的分离过程

用到的膜材料是疏水性微孔膜

气态的水分子可以透过而液相的水

因为膜的疏水性被阻止通过

它对无机离子 大分子 胶体等

不挥发组分的理论截留率可达100%

主要应用于高纯水的生产 溶液的脱水浓缩

以及挥发性有机溶剂的分离

膜材料一般不可以直接使用

需要将膜与固定膜的支撑材料 间隔物

或者管式外壳等组装成膜组件

工业上应用的膜组件主要有板框式膜组件

管式膜组件 螺旋卷式膜组件

以及中空纤维式膜组件四种

首先是板框式膜组件

它是最早使用的一种膜组件

是由平板膜 支撑板 挡板交替重叠组成

支撑板的作用是支撑膜

挡板的作用是改变流体的流向

板框式膜组件的优点是

原料液流道截留面积大

压力损失小 流速高

另外 因为两片膜之间的渗透物可以被单独引出来

可以通过关闭个别膜组件来消除操作中的故障

缺点是对膜的机械强度要求高 密封边界线长

第二种是管式膜组件

由管状膜 圆筒形支撑体 管束板

外壳以及端部密封等部件组成

可以分为内压式和外压式两种

对于内压式膜组件

膜被直接浇铸在多孔不锈钢管内

或用玻璃纤维增强的塑料管内

加压的料液从管内流过

透过膜的渗透溶液在管的外侧被收集

也就是从内向外流动

相反 对于外压式膜组件

膜被浇铸在多孔支撑管的外侧面

加压的料液从管外侧流过

溶剂经管外侧通过膜进入多孔支撑管内

第三种是螺旋卷式膜组件

它是由袋状的膜材料

多孔支撑层 原料水隔网

多孔中心管以及外壳组成

内填有多孔支撑材料 三边封口的膜袋

和料液隔网一起缠绕于中心管上

膜袋内部的多孔支撑材料形成透过液流道

而膜袋之间的填充网状材料形成原料液流道

工作时溶液平行于中心管流动

进入膜袋内的透过液旋转着流向中心收集管

第四种是中空纤维膜组件

中空纤维膜是一种外形像纤维状

具有自支撑作用的膜

将大量的中空纤维安装在一个管状容器内

中空纤维一端密封

另一端以环氧树脂与管外壳固封制成的膜组件

称为中空纤维膜组件

和管式膜组件类似

也可以分为内压式和外压式两种

这类膜组件最大的特点是

单位装填膜面积比其它的组件大

最高可达到3万平方米每立方

随着膜材料的不断发展

膜分离技术被广泛应用于海水淡化 工业废水处理

再生水利用 制药 化工与石化 食品等领域

大家可以课后自行查阅了解相关应用

本节课程就讲到这里 谢谢大家