第三章+过滤与膜分离技术

1第三章过滤与膜分离技术第一节非膜过滤第二节膜分离技术第三节实验2过滤：是借助过滤介质将不同大小、不同形状的物质分离的技术过程。过滤介质多种多样，常用的有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等，可以根据需要选用。根据过滤介质的不同，过滤可以分为膜过滤和非膜过滤两大类。3非膜过滤：粗滤和部分微滤采用高分子膜以外的物质作为过滤介质，称为非膜过滤。膜过滤：大部分微滤以及超滤、反渗透、透析、电渗析等采用各种高分子膜为过滤介质，称为膜过滤。4第一节非膜过滤一、非膜过滤的分类1、粗滤由于过滤介质截留悬浮液中的物质直径大于2μm，这种固形物与液体分离的技术称为粗滤。通常所说的过滤是指粗滤而言。粗滤主要用于分离酵母、霉菌、动物细胞、植物细胞、培养基残渣及其他大颗粒固形物。52.微滤微滤又称为微孔过滤。微滤介质截留的物质颗粒直径为0.2~2μm，主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可以看到的物质颗粒的分离。在无菌水、矿泉水、汽水等软饮料的生产中广泛使用。非膜微滤一般采用微孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质，也可采用微滤膜为过滤介质进行膜分离。6微孔金属过滤器7陶瓷过滤器8910filterfilterfilterfiltratesolidsrecoveryuponbackflushFigure2.1SchematicrespresentationodsfilterpressConceptualrepresentationofplateandframefilter11FlowsheetforcontinuousrotaryvacuumfiltrationwashspraysAirconnectioncakeContinuosrotaryfilterWashwaterpumpWashFiltratepumpMoisturetrap30'AiroutDryvacuumpumpBarometricsealVacuumreceiversFigure2.2Flowsheetforcontinuousrotaryvacuumfiltration12滤饼传统的过滤cakeConventionalfiltration13根据推动力的产生条件不同，过滤有常压过滤、加压过滤、减压过滤3种。（1）常压过滤常压过滤是以液位差为推动力的过滤。过滤装置竖直安装，悬浮液置于过滤介质的上方，由于存在液位差，在重力的作用下，滤出液通过过滤介质从下方流出，大颗粒的物质被截留在介质表面，从而达到分离。实验室常用的滤纸过滤以及生产中使用的吊蓝或吊袋过滤都属于常压过滤。常压过滤设备简单，操作方便易行。但是过滤速度较慢，分离效果较差，难于大规模连续使用。14（2）加压过滤加压过滤是以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力。生产中常用的各式压滤机进行加压过滤。添加助滤剂、降低悬浮液黏度、适当提高温度等措施，均有利于加快过滤速度和提高分离效果。加压过滤设备比较简单，过滤速度较快，过滤效果较好，在生产中广泛应用。15（3）减压过滤减压过滤又称为真空过滤或抽滤，是通过在过滤介质的下方抽真空的方法，以增加过滤介质上下方之间的压力差，推动液体通过过滤介质，而把大颗粒截留的过滤方法。实验室常用的抽滤瓶和生产中使用的各种真空抽滤机均属于此类。减压过滤需要配备有抽真空系统。由于压力差最高不超过0.1Mpa，多用于黏性不大的物料的过滤。16二、非膜过滤的操作过程过滤的设备简单、操作方便，在实验室和工业生产中广泛应用。其基本操作过程如下：1.过滤介质的选择过滤介质主要有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等。在实际应用中，应选择那些孔径大小适宜，孔的数量较多又分布均匀，过滤效果好，具有一定的机械强度，化学稳定性好、廉价易得的过滤介质。172.助滤剂的选择为了加快过滤速度,提高分离效果，经常需要添加助滤剂。常用的助滤剂有硅藻土、活性炭、纸粕等。在添加助滤剂时，添加量要求在过滤介质的表面形成一定厚度的薄层，量太少则大不到助滤效果，量过多则不但造成浪费，还会对过滤带来一定的不利影响。183.过滤条件的确定在过滤过程中，除了选择好过滤介质和助滤剂以外，还要控制好各种过滤条件。主要包括压力差、混合液的黏度、混合液的浓度、温度、PH值等。过滤条件的确定应该以过滤速度快和过滤效果好为指标。通常情况下，增大压力差，降低混合液黏度，降低混合液的浓度，升高温度都有利于提高过滤速度。过滤速度是指在单位时间内通过单位过滤面积的液体体积，以[L/h·m2]或[ml/min·cm2]表示。影响过滤速度和过滤效果的因素很多，主要包括：过滤介质的孔径和厚度、压力差、混合液的黏度、混合液中组分的种类和浓度、温度、PH值等。在过滤过程中，必须采取适当的措施，以提高过滤速度，增强过滤效果。190020040060061218pH4.6pH4.2pH3.8pH2.83Time,minutesFig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1pH值对过滤体积的影响20(b)Effectoffilteraid1%filteraidinfeed2%3%5%Time,minutes0010040060061218Fig2.1TheeffectonfiltratevolumeofpHandfilteraid图2.1助滤剂对过滤体积的影响21第二节膜分离技术膜分离技术的概念。膜分离技术的分类。各种膜的分离特性和材料的基本要求。膜组件类型。超滤和反渗透过程中渗透压的影响了解亲和膜分离技术了解电渗析的工作原理22膜分离技术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。23膜的概念在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜24膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；25反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001~0.001μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；26扩散与渗透27微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐单价盐水各种膜的分离特性28膜分离法与物质大小(直径)的关系29膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤（MF）压差0.05～0.5筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差0.1～1.0筛分蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差1.0～10筛分盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造渗析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机酸分离渗透气化压差、温差溶质与膜的亲和作用有机溶剂与水的分离，共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范围30膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜31膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；32各种膜材料有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜33目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。341.纤维素酯类膜材料纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：OHOHOHHOHHOHHCH2OHHHOHHOHHOCH2OHOOHOHOHHOHHOHHCH2OHHHHOHHOHHOCH2OHHn_2235从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH36醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。372.非纤维素酯类膜材料（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性①分子链中含有亲水性的极性基团；②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；③化学稳定性好；④具有可溶性；常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。38（2）主要的非纤维素酯类膜材料（i）聚砜类聚砜结构中的特征基团为，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N—甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。SOO39聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：40OCCH3CH3OS聚砜聚芳砜聚醚砜聚苯醚砜OO[]nO[]nSOOSOOO[]nSOOO[]nSOOO41（ii）聚酰胺类早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙—4、尼龙—66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。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较高要求。42DuPont公司生产的DP—I型膜即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：H2NnCONHNH2Cl+nCOCClNHCONHNHCCnDMACOOO43类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：NHCONHNHCO[]nNH[CONHNHCONHCOCO]n44（iii）芳香杂环类①聚苯并咪唑类如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：NH2H2NNH2H2N+nOCOCOONNCHNNCH+2nOH+2nH2On45②聚苯并咪唑酮类这类膜的代表是日本