1、第五章第五章 制药工程气固分离设备制药工程气固分离设备需要气固分离的场合： （一）、发尘量大的设备：如粉碎、过筛、混合、制粒、干燥、压片、包衣等设备。 （二）、需要将固体粉末收集后再排空的气体排放过程。 （三）、气体的净化处理和过滤除菌。本章内容： （一） 旋风分离器 （二） 袋滤器结构及原理：适用场合： 以切向导入式 旋风分离器为例 （一）捕集直径510m以上粉尘，粉尘颗粒较粗，含尘浓度较大。 （二）作为硫化床反应器的内分离装置，或作为预分离器使用。特点： （一）结构简单、操作弹性大、效率较高、管理维护方便，价格低廉。 （二）实际操作中应注意控制风速，风速大易产生涡流及返混现象，风速小分离效
2、率低。其它形式： 螺旋型、涡旋型、旁路型、扩散型、旋流型、多管式等。第六章第六章 制药工程膜分离设备制药工程膜分离设备膜分离技术发展简史膜分离技术发展简史 高分子膜的分离功能很早就已发现。高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年，耐克特（年，耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透膜渗透的研究。的研究。 1861年，施密特（年，施密特（A. Schmidt）首先提出了）首先提出了超过滤超过滤的概念。的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，
3、若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为这种过滤可称为超过滤。按现代观点看，这种过滤应称为微微孔过滤孔过滤。 然而，真正意义上的分离膜出现在然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪世纪60年代。年代。1961年，年，米切利斯（米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水高分子电介质混合物以水丙酮丙酮
4、溴化钠为溶剂，制成了可溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜超过滤膜。 50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反反渗透膜渗透膜的研究。的研究。 1967年，年，DuPont公司研制成功了以尼龙为主要组分公司研制成功了以尼龙为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研公司研制成功制成功平板式反渗透膜组件平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。反渗透膜开始工业化。自上世纪自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实年代中期以来，膜分离技术
5、真正实现了工业化。首先出现的分离膜是现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜超过滤膜（简称（简称UF膜）、膜）、微孔过滤膜微孔过滤膜（简称（简称MF膜）和膜）和反渗透膜反渗透膜（简称（简称RO膜）膜）。以后又开发了许多其它类型的分离。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也膜。在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。获得很大的发展。80年代年代气体分离膜气体分离膜的研制成功，的研制成功，使功能膜的地位又得到了进使功能膜的地位又得到了进步提高。步提高。 具有分离选择性的人造具有分离选择性的人造液膜液膜是马丁（是马丁（Martin）在）在60年年代初
6、研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在固体膜之上的，为支撑液膜。上的，为支撑液膜。 60年代中期，美籍华人年代中期，美籍华人黎念之博士黎念之博士发现含有表面活性发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。年获得纯粹液膜的第一项专利。 70年代初，卡斯勒（年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功）又研制成功含流动载含流动载体的液膜体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性，使液膜分离技术具有更高的选择性膜形态推
7、动 力膜 过 程应 用 实 例对称非对称复合压力差反渗透超 滤微 滤纳 滤气体分离海水淡化超纯水/白蛋白浓缩前处理/终端过滤医药/啤酒气体/蒸汽分离*电位差电渗析海水淡化/废水*浓度差浓度差浓度差（分压差）浓度差化学反应渗析控制释放渗透蒸发液膜人工肾医用/农药无水乙醇金属分离/废水*一、膜及其分理机理：1、定义：膜是分离两相和作为选择性传递物质的屏障。膜是分离两相的中间相。有分离作用的膜称之为分离膜，通常亦简称为膜。2、型态：可以是固态的，也可以是液态的。本章主要内容为固体膜。3、结构：可能是均质的，也可能是非均质的；可以是中性的，也可以是带电的。4、传递过程：可以是主动传递过程，也可以是被动
8、传递过程。5、推动力：压力差、浓度差、电位差等膜中间相相相原料透过物传质推动力 膜的分类膜的分类根据膜的材质液体膜根据材料来源天然膜合成膜无机材料膜有机高分子膜根据膜的结构多孔膜无孔膜离子交换膜渗析膜微孔过滤膜超过滤膜反渗透膜渗透汽化膜气体渗透膜根据膜的功能固体膜 固体膜固体膜根据膜断面的物理形态对称膜不对称膜复合膜根据固体膜的形态平板膜管式膜中空纤维膜l膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。 用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合用作分离膜的材料包括广泛的天然材料和人工合成的成的有机高分子材料有
9、机高分子材料和和无机材料无机材料。 原则上讲，凡能成膜的高分子有机材料和无机材料原则上讲，凡能成膜的高分子有机材料和无机材料均可用于制备分离膜。均可用于制备分离膜。 但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。等。此外，也取决于膜的制备技术。膜材料膜材料种类膜材料种类高分子高分子有机膜有机膜纤维素衍生物类纤维素衍生物类聚砜类聚砜类聚酰胺类聚酰胺类聚酰亚胺类聚酰亚胺类聚酯类聚酯类聚烯烃类聚烯烃类乙烯类聚合物乙烯类聚合物含硅聚合
10、物含硅聚合物含氟聚合物含氟聚合物甲壳素类甲壳素类无机膜无机膜致密膜致密膜多孔膜多孔膜致密的金属膜致密的金属膜致密的固体电解质膜致密的固体电解质膜致密的致密的”液体充实固体化液体充实固体化“动态原位形成的致密膜动态原位形成的致密膜Pd膜及膜及Pd合金膜合金膜Ag膜及膜及Ag合金膜合金膜氧化锆膜氧化锆膜 复合固体氧化膜复合固体氧化膜多孔负载膜多孔负载膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔金属膜，多孔不锈钢膜多孔多孔Ni膜，多孔膜，多孔Ag膜，多孔膜，多孔Pd膜，多孔膜，多孔Ti膜膜多孔陶瓷膜，包括多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，膜，SiO2膜，膜，ZrO2膜，膜，TiO2膜膜（多孔玻璃膜，分子筛膜，包括碳分
11、子筛）（多孔玻璃膜，分子筛膜，包括碳分子筛）具体分类具体分类种类种类具体分类具体分类纤维素衍生物纤维素衍生物类类再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋再生纤维素，硝酸纤维素，二醋酸纤维素，三醋酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物酸纤维素，乙基纤维素，其他纤维素衍生物聚砜类聚砜类双酚双酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺类聚酰胺类脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交联芳香聚酰胺芳香聚酰胺聚酰亚胺类聚酰亚胺类脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚脂肪族二酸聚酰亚胺，全芳香聚酰亚胺，含氟聚酰亚胺
12、酰亚胺聚酯类聚酯类涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯涤纶，聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烃类聚烯烃类聚乙烯，聚丙烯，聚聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基甲基-1-戊烯戊烯乙烯类聚合物乙烯类聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲壳素类甲壳素类无无高分子有机膜材料的具体分类高分子有机膜材料的具体分类 目前，实用的有机高分子膜材料有：目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料
13、类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。 醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发
14、生水解。 醋酸纤维素类材料醋酸纤维素类材料易受微生物侵蚀，易受微生物侵蚀，pH值适应范值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。显显微微镜镜下下膜膜的的照照片片醋酸纤维素膜的结构示意图99表皮层，孔径表皮层，孔径（810）1010m过渡层，孔径过渡层，孔径2001010m多孔层，孔径多孔层，孔径（10004000）1010m1%非纤维素酯类膜材料非纤维素酯类膜材料 常见的有常见的有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物物等
15、。等。基本特性：基本特性： 分子链中含有亲水性的极性基团；分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；高的抗压密性和耐热性； 化学稳定性好；化学稳定性好； 具有可溶性；具有可溶性； 早期使用的早期使用的聚酰胺聚酰胺是是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龙，如尼龙4、尼龙尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在的分离率在8090之间，但透水率很低，仅之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。 以后发展了以后发展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，用它
16、们制成的分离膜，pH适用范围为适用范围为311，分离率可达，分离率可达99.5（对盐水），（对盐水），透水速率为透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求较高要求。 离子性聚合物离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用
17、的是强等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。酸型阳离子交换膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离是最常用的两种离子聚合物膜。子聚合物膜。 典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术及应用领域典型的膜分离技术主要有微孔过滤典型的膜分离技术主要有微孔过滤(MF)、超、超滤滤(UF)、反渗透、反渗透(RO)、纳滤、纳滤(NF)、渗析、渗析(D)、电渗析电渗析(ED)、液膜、液膜(LM)及渗透蒸发及渗透蒸发( PV)等，等，下面分别介绍之。下面分别介绍之。化工纺织海水淡化制药和生物工程环境保护电子工业纯水生产应用应用膜形态推 动 力膜 过 程应 用 实
18、 例对称非对称复合压力差反渗透超 滤微 滤纳 滤气体分离海水淡化超纯水/白蛋白浓缩前处理/终端过滤医药/啤酒气体/蒸汽分离*电位差电渗析海水淡化/废水*浓度差浓度差浓度差（分压差）浓度差化学反应渗析控制释放渗透蒸发液膜人工肾医用/农药无水乙醇金属分离/废水*微孔过滤技术微孔过滤技术微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城市微孔过滤技术始于十九世纪中叶，二战时被用于检测城市给水系统的微生物污染。我国给水系统的微生物污染。我国20世纪世纪70年代开始研究。到目前年代开始研究。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计类，总计400多种。多种。1）推动力：
19、）推动力：压力差压力差（静压差），为静压差），为0.010.2MPa2）膜类型特点：）膜类型特点：均匀的多孔薄膜，厚度在均匀的多孔薄膜，厚度在90150m左右，左右，过滤粒径在过滤粒径在0.025 10m之间之间 （也有称（也有称10nm 10m）,孔隙孔隙率率70%80%，107108个小孔个小孔/cm2滤膜。滤膜。微滤膜本身性脆、易碎，机械强度差，实际使用时必须衬微滤膜本身性脆、易碎，机械强度差，实际使用时必须衬贴在多孔支撑体上，如烧结的不锈钢、烧结镍等；尼龙布、丝贴在多孔支撑体上，如烧结的不锈钢、烧结镍等；尼龙布、丝绸（需以密孔筛板支撑）。绸（需以密孔筛板支撑）。1. 微孔过滤和微孔膜的
20、特点微孔过滤和微孔膜的特点微孔膜的主要优点为：微孔膜的主要优点为： 孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；于制定孔径的微粒全部截留； 孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔孔/cm2，微孔体积占膜总体积的，微孔体积占膜总体积的7080。由于膜很。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍； 无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之间，因而吸附量很少，可忽略不计。之间，因而吸附量很少，可忽略不计。
21、无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。滤液。 微孔膜的缺点：微孔膜的缺点： 颗粒容量较小，易被堵塞；颗粒容量较小，易被堵塞； 使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。常工作。2.1 微孔过滤技术微孔过滤技术3）透过组分：）透过组分：小于膜孔的物质，如水、溶剂、溶解物小于膜孔的物质，如水、溶剂、溶解物 截留组分：截留组分：大于膜孔的物质，如悬浮物、细菌等大于膜孔的物质，如悬浮物、细菌等 1. 微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤
22、和微孔膜的特点4）分离机理）分离机理根据颗粒大小、形状进行分离根据颗粒大小、形状进行分离溶解物：溶解物： 1nm胶体物质：胶体物质： 1nm 200nm悬浮物：悬浮物： 200nm机械截留（筛分作用）机械截留（筛分作用）主要机理主要机理 物理作用：包括吸附作用、电性能影响物理作用：包括吸附作用、电性能影响架桥作用架桥作用 网络内部截流网络内部截流2. 微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术应用领域 微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。）微粒和细菌的过滤。 可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌
23、、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。 大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等，大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等，溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。助微孔膜去除。（2）微粒和细菌的检测。）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。（3）食糖与酒类的精制。）食糖与酒类的精制。微孔膜对食糖溶液和啤、微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类黄酒等酒类进行过
24、滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。不会使酒类产品变味。（4）药物的除菌和除微粒。）药物的除菌和除微粒。以前药物的灭菌主要采以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出不能采用热压法灭菌。对于这类情况，
25、微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。坏和变性。 许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。超滤技术超滤技术 超滤技术始于超滤技术始于 1861 年，最早使用的超滤膜是动物脏器年，最早使用的超滤膜是动物脏器膜。膜。1864年年Traube合成了第一张人工膜。我国于合成了第一张人工膜。我国于20世纪世纪70年年
26、代末开始研究，代末开始研究，80年代发展迅速。年代发展迅速。1）推动力：）推动力：压力差，为压力差，为0.10.5MPa2）透过组分：）透过组分：溶剂、离子、小分子（分子量溶剂、离子、小分子（分子量1000） 截留组分：截留组分：生物制品、胶体、大分子（分子量生物制品、胶体、大分子（分子量1000300000）如酶、蛋白质等）如酶、蛋白质等3）分离机理：）分离机理：根据分子特性、大小、形状进行分离根据分子特性、大小、形状进行分离 与微滤相似，主要也是为筛分作用。与微滤相似，主要也是为筛分作用。1. 超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 4）膜类型特点：）膜类型特点：超滤膜均为不对称膜，其过滤粒
27、径介于超滤膜均为不对称膜，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，微滤和反渗透之间，约约510 nm。 超滤膜的结构一般由三层结构组成：超滤膜的结构一般由三层结构组成：即最上层的即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度为，致密而光滑，厚度为0.11.5m，其，其中细孔孔径一般小于中细孔孔径一般小于10nm； 中间的中间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为110m； 最下面的最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度为50250m，具有，具有50nm以上的以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。 膜的
28、分离性能主要取决于表面活性层和过度层。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。1. 超滤和超滤膜的特点超滤和超滤膜的特点 超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的超滤是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面：归纳为以下方面：2. 超滤技术应用领域超滤技术应用领域（1）纯水的制备。）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中的细菌、超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。子工业超净水和医用无菌水等。（2）
29、在牛奶加工厂中用超滤技术可从在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖白和低分子量的乳糖。（3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。）果汁、酒等饮料的消毒与澄清。应用超滤技应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。操作方便，成本较低。（4）在医药和生化工业中用于在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。（5）食品工业中
30、及造纸厂的废水处理。）食品工业中及造纸厂的废水处理。2. 超滤技术应用领域超滤技术应用领域中空纤维超滤膜结构超滤膜装置超滤膜装置反渗透技术反渗透技术1. 反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 渗透是自然界一种常见的现象。反渗透技术渗透是自然界一种常见的现象。反渗透技术20世纪世纪60年代美国为解决宇航员太空饮水问题而年代美国为解决宇航员太空饮水问题而研制的，现已经发展成为一种普遍使用的现代分研制的，现已经发展成为一种普遍使用的现代分离技术。离技术。图图4 渗透与反渗透原理示意图渗透与反渗透原理示意图 渗透和反渗透的原理如下渗透和反渗透的原理如下图图所示。所示。1）推动力：）推动
31、力：压力差，为压力差，为110MPa2）透过组分：）透过组分：水、溶剂（分子量水、溶剂（分子量200） 截留组分：截留组分：全部颗粒物、溶质和盐（粒径全部颗粒物、溶质和盐（粒径0.1 1nm）3）反渗透膜：）反渗透膜：大部分为不对称膜、复合膜。常用的主要为醋大部分为不对称膜、复合膜。常用的主要为醋酸纤维素膜（酸纤维素膜（CA膜），其致密层孔隙约膜），其致密层孔隙约0.2 1.0nm 。4）反渗透膜的分离机理）反渗透膜的分离机理根据溶剂的扩散传递进行分离根据溶剂的扩散传递进行分离 无机盐离子的直径仅为无机盐离子的直径仅为0.10.3nm，水合离子的直径为，水合离子的直径为0.30.6nm，明显小
32、于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有现象。反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要有溶解扩溶解扩散理论、氢键理论、选择吸附散理论、氢键理论、选择吸附毛细管流动理论毛细管流动理论等。等。1. 反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点溶解扩散理论：溶解扩散理论：1. 反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点 认为反渗透膜的认为反渗透膜的致密层可以是无致密层可以是无孔的，孔的，具体过程包括：具体过程包括：溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸溶质和溶剂在膜的料液侧表面外吸附和溶解。附和溶解。溶
33、质和溶剂之间没有相互作用，它溶质和溶剂之间没有相互作用，它们在各自化学位差的推动下仅以们在各自化学位差的推动下仅以分分子扩散方式子扩散方式（不存在溶质和溶剂的（不存在溶质和溶剂的对流传递）通过反渗透膜的活性层。对流传递）通过反渗透膜的活性层。溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解溶质和溶剂在膜的透过液侧表面解吸。吸。氢键理论氢键理论:主要针对醋酸纤维素膜提出主要针对醋酸纤维素膜提出 醋酸纤维素膜具有高度矩阵结构，盐水中的水分子能与膜醋酸纤维素膜具有高度矩阵结构，盐水中的水分子能与膜上的极性基团（如羰基）形成氢键。在反渗透压力作用下，以上的极性基团（如羰基）形成氢键。在反渗透压力作用下，以氢键结合进入膜
34、内的水分子由第一氢键位置断裂而转移到另一氢键结合进入膜内的水分子由第一氢键位置断裂而转移到另一个位置形成氢键；水分子通过一连串的氢键个位置形成氢键；水分子通过一连串的氢键“断开断开形成形成断断开开”过程依次从一个极性基团移到另一个极性基团，直至离开过程依次从一个极性基团移到另一个极性基团，直至离开表层，进入膜的多孔层。表层，进入膜的多孔层。 选择吸附选择吸附毛细管流动理论毛细管流动理论 膜是由含有适当亲水基团的多孔材料组成。在盐溶液中，膜是由含有适当亲水基团的多孔材料组成。在盐溶液中，膜表面有选择性吸附能力，即吸附水分子而排斥盐分子。因此，膜表面有选择性吸附能力，即吸附水分子而排斥盐分子。因此
35、，在膜和溶液界面形成一个纯水层，在反渗透压力推动下，此水在膜和溶液界面形成一个纯水层，在反渗透压力推动下，此水层的纯水通过毛细作用而不断流出。层的纯水通过毛细作用而不断流出。1. 反渗透原理及反渗透膜的特点反渗透原理及反渗透膜的特点优先吸附优先吸附-毛细孔流动模型毛细孔流动模型2. 反渗透与超滤、微滤的比较反渗透与超滤、微滤的比较 都是以都是以压力差压力差为推动力的膜分离过程，它们组成了分离为推动力的膜分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。一般来说，分离溶液中说，分离溶液中分子量低于分子量低于500的低分子物质
36、，的低分子物质，应该采用应该采用反反渗透膜；渗透膜；分离溶液中分离溶液中分子量大于分子量大于1000的大分子或极细的胶体的大分子或极细的胶体粒子粒子可以选择可以选择超滤膜，超滤膜，而分离溶液中的而分离溶液中的直径直径0.0110m的粒的粒子子应该选应该选微孔膜微孔膜。 以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。表表 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较和操作特点比较分离技术类型反渗透超滤微孔过滤膜的形
37、式表面致密的非对称膜、复合膜等非对称膜，表面有微孔均匀微孔膜膜材料纤维素、聚酰胺等聚丙烯腈、聚砜等纤维素、PVC等操作压力 /MPa1100.10.50.010.2分离的物质分子量小于500的小分子物质分子量大于1000的大分子和细小胶体微粒0.0110m的粒子分离机理非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用筛分，膜的物化性能对分离起一定作用筛分，膜的物理结构对分离起决定作用水的渗透通量 /(m3.m-2.d-1)0.12.50.55202003. 反渗透膜技术应用领域反渗透膜技术应用领域 反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩
38、展到化工、电子及医药等领发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。定了它以下的应用范围。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。（2）在医药、食品工业中
39、用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用，回收利用废业中有用的物质等。废业中有用的物质等。3. 3. 反渗透膜技术应用领域反渗透膜技术应用领域工工业业应应用用的的反反渗渗透透装装置置工业工业应用应用的反的反渗透渗透装置装置的膜的膜组件组件之间之间的连
40、的连接接纳滤技术纳滤技术（nanofiltration, NF） 纳滤膜是纳滤膜是20世纪世纪80年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗低压反渗透膜透膜或或松散反渗透膜松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。来，成为独立的分离技术。1 1）纳滤膜的特点：）纳滤膜的特点：一般为复合膜，孔径及一般为复合膜，孔径及其被分离物的尺寸其被分离物的尺寸，介于反渗透膜介于反渗透膜(RO)(RO)和超滤膜和超滤
41、膜(UF)(UF)之间，为纳米级，因此称为之间，为纳米级，因此称为“纳滤纳滤”。 1. 纳滤及纳滤膜的特点纳滤及纳滤膜的特点纳滤技术纳滤技术（nanofiltration, NF）2 2）推动力：）推动力：压力差，压力差， 0.51MPa （0.52.5MPa）3）透过组分：）透过组分：水、溶剂、一价盐和分子量水、溶剂、一价盐和分子量200的小分子物质的小分子物质 截留组分：截留组分：多价盐，粒径在多价盐，粒径在1nm左右，分子量为左右，分子量为3001000左左右的小分子有机物，如糖、染料等。右的小分子有机物，如糖、染料等。1. 纳滤及纳滤膜的特点纳滤及纳滤膜的特点 纳滤恰好填补了超滤与反渗
42、透之间的空白纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白, ,它能截留透过超它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物滤膜的那部分小分子量的有机物, ,透过被反渗透膜所截留的无机透过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, ,对单价离子对单价离子的截留率低的截留率低(10%-80%),(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子价离子(90%)(90%)以上。以上。4)分离机理分离机理根据分子（离子）大小及电荷进行分离根据分子（离子）大小及电荷进行分离对小分子的分离：筛分作用对小分
43、子的分离：筛分作用对带电离子分离：对带电离子分离：唐南平衡唐南平衡（ DonnanDonnan，或称唐南效应或称唐南效应）内相内相 外相外相H20Na+Cl-允许小分子、离子自允许小分子、离子自由通过，但不允许大由通过，但不允许大分子离子通过分子离子通过Na+Cl-Na+Cl-不管初始时两边的盐浓不管初始时两边的盐浓度是否相等，平衡时度是否相等，平衡时 NaNa+ + = Na= Na+ + Cl Cl- - = Cl= Cl- - 问题：问题：如果往内相加入如果往内相加入大量的高分子电解质，大量的高分子电解质，( (如如NaNa2 2Pr),Pr),平衡时膜两边的平衡时膜两边的NaNa+ +
44、和和ClCl- -浓度还相等吗？浓度还相等吗？电解质溶液平衡时，优先满足电解质溶液平衡时，优先满足电中性条件电中性条件 Na+= Cl- +Pr2- Na+= Cl-内相 外相H20Na+Cl-Pr2-平衡时，膜两边的平衡时，膜两边的Cl-的浓度不相等的浓度不相等唐南平衡：唐南平衡：在半透膜两边，一边放大分子电解质，一边放纯水，在半透膜两边，一边放大分子电解质，一边放纯水，大分子离子（如大分子离子（如PrPr2- 2- ）不能透过半透膜，而离解出的小离子）不能透过半透膜，而离解出的小离子（如（如NaNa+ +）及杂质电解质离子（）及杂质电解质离子（ 如如ClCl- - ）可以通过。因膜两边）可
45、以通过。因膜两边要保持电中性，在达到渗透平衡时，使小离子在膜两边的浓度要保持电中性，在达到渗透平衡时，使小离子在膜两边的浓度不等，这种平衡称不等，这种平衡称唐南平衡唐南平衡。 由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压，又称之为由于离子分布的不平衡会造成额外的渗透压，又称之为唐南唐南效应效应。该效应会影响渗透压法测定大分子摩尔质量的准确性。该效应会影响渗透压法测定大分子摩尔质量的准确性。2. 纳滤膜及其技术的应用领域纳滤膜及其技术的应用领域 纳滤技术最早也是应用于纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化海水及苦咸水的淡化方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特方面。由于该技术对低价离子与高价离
46、子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业中，纳滤膜可用于中，纳滤膜可用于果汁生产果汁生产，大大节省能源；在医，大大节省能源；在医药行业可用于药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收氨基酸生产、抗生素回收等方面；在等方面；在石化生产的石化生产的催化剂分离回收催化剂分离回收等方面更有着不可比拟等方面更有着不可比拟的作用。的作用。静压差膜分离小结静压差膜分离小结MF蛋白质细菌MW 1umROUFF新型的新型的NFNF正好介于正好介于UFUF和和RORO之间，截流分子
47、量大概在之间，截流分子量大概在300 - 1000300 - 1000。 RO membrane NF membrane UF membrane MF membrane原理原理动漫动漫 NF 纳滤电渗析电渗析 电渗析是在外加直流电场作用下，通过具有选择透过性电渗析是在外加直流电场作用下，通过具有选择透过性及导电性良好的离子交换膜把电解质从溶液中分离的技术。及导电性良好的离子交换膜把电解质从溶液中分离的技术。1 1）推动力：）推动力：电位差电位差2）透过组分：）透过组分：离子离子 截留组分：截留组分：所有非解离和大分子颗粒所有非解离和大分子颗粒3）膜类型：）膜类型：离子交换膜离子交换膜阴离子交换
48、膜阴离子交换膜:只允许阴离子通过而阻止阳离子通过。主要为只允许阴离子通过而阻止阳离子通过。主要为季胺型，即季胺型，即R-N(CH3)3OH，在水中解离为，在水中解离为R-N+(CH3)3，带正电，带正电，吸引水中负离子可与吸引水中负离子可与OH-交换通过。交换通过。阳离子交换膜：阳离子交换膜：只允许阳离子通过而阻止阴离子通过。主要只允许阳离子通过而阻止阴离子通过。主要为磺酸基型，即为磺酸基型，即R-SO3H，在水中解离为，在水中解离为R-SO3- ，带负电，吸引，带负电，吸引水中阳离子可与水中阳离子可与H+交换通过。交换通过。1. 电渗析原理及膜类型电渗析原理及膜类型4 4）分离原理）分离原理
49、根据电解质离子选择传递进行分离根据电解质离子选择传递进行分离 在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳电泳。如果在阴、。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为膜，这一过程就称为电渗析电渗析。电渗析电渗析1. 电渗析原理及膜
50、类型电渗析原理及膜类型正极正极 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+-+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜v电渗析过程原理图电渗析过程原理图图图65 电渗析器示意图电渗析器示意图A：阴离子膜，：阴离子膜，K：阳离子膜；：阳离子膜；D：稀室，：稀室，C：浓室：浓室Na+ClNa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ClClClClClClClClAKKKKKAAAADCDDDDCCC阳极水阴极水咸水Cl2NaOH脱盐水浓缩液v电渗析过程原理图电渗析
