第九章 膜分离法
（ Membrane Seprartion）
一, 概述
1,定义 —在一定压力条件下, 溶液中各组成选择性透过一半透性
薄膜而达到分离纯化的过程 。
2,发展史 （ 1748年发现； 1850’年天然膜应用； 1864年第一张人
工无机膜 —亚铁氰化铜诞生； 1930’有机膜出现 …… ）
3,特点 —均相分离, 无相变；无需加入化学物质；浓缩与纯化同
时进行
二、膜的分类
1,膜的定义, 在一定流体相中, 有一薄层凝聚相物质, 把
流体相分隔成为两部分, 这一薄层物质称为膜 。
2,膜组成
3,膜结构
? 对称膜
? 非对称膜 ——均相, 非均相 （ 复合膜 ）
膜组成
1,无机物
? 亚铁氰化铜、陶瓷、多孔玻璃等
2,有机物
? 天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊、醋酸纤维素、
硝酸纤维素等
? 人工合成聚合物：聚砜类、聚酰胺类、聚碳酸酯等
3,特殊材料
? 聚电解质复合物,ZrO2/聚丙烯酸,ZrO2 /碳等
图 1 对称膜 图 2 非对称膜
图 2 对称膜 图 3 非对称膜
图 5 对称膜 图 6 非对称膜
三、膜分离过程的类型及其特点
粒子项目 粒子大小 分离方法 分离动力
粗粒 ≥10 0μm 常规过滤 压力差
细粒 1—100μm 高速离心、常规过 滤 压力差
微粒 0.01—10μm 微滤 压力差
大分子 1—100 nm 超滤、透析 压力差、扩散
小分子、离子 0.1—10 nm 反渗透、电渗析 压力差、电能
膜分离过程的类 型
1,微孔膜分离 （ 微滤, Microfiltration,简称 MF）
2,超级膜分离 （ 超滤, Ultrafiltration,简称 UF）
3,反渗透膜分离 （ 反渗透, Reverse Osmosis,简称 RO）
1、微孔膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中各微粒依据尺寸大小选择性
透过半透性薄膜的过程 。
? 分离机理：筛分
εd2Δp
J = ————
32μL
? 膜材,纤维素酯类（ 醋酸纤维素、硝酸纤维素等 ）
? 膜结构,对称膜
? 膜孔径,0.1—5.0μm(常用有 0.22,0.45,0.65,1.0 μm)
? 操作压力,0.01—0.2 MPa
2、超级膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中溶质依据分子量大小选择性
透过半透性薄膜的过程 。
? 分离机理,筛分
εd2Δp
J = ————
32μL
ε3Δp
J = ————————
k’(1- ε)2S02μL
? 膜材,聚砜类、聚酰胺类
? 膜结构,非对称膜
? 膜孔径,1—50nm
? 操作压力,0.1—0.5 MPa
3、反渗透膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中溶剂选择性透过半透性薄膜
的过程 。
? 分离机理：
– 优先吸附 —毛细孔流理论
– 溶解 —扩散理论
? 膜材,纤维素酯类, 聚酰胺类等
? 膜结构,非对称膜
? 膜孔径,0.5—10nm
? 操作压力,2—10MPa
优先吸附 — 毛细孔流动模型示意图
溶解 — 扩散理论模型示意图
溶液
溶质
溶剂
反
渗
透
膜
四、表征膜性能的参数
1,水通量 （ J） （ m3/m2·s ）
2,截留率 （ σ）
σ= 1—CP/CB
3,截留分子量 （ MWCO,Molecular Weight Cut Off）,
相当于一定截留率 （ 90%以上 ） 的最小被截留溶质的
分子量 。
CP
CB
4,pH适用范围
5,热稳定
6,抗溶剂能力
五、浓差极化现象
1,定义 ——在膜分离过程中, 膜表面上溶质浓度高于
主体溶质浓度的现象 。 如下图：
2,浓差极化对通量的影响
3,改进措施 （ 流动方式, 流速, 浓度, 温度等 ）
六、膜分离工艺流程及设备
1,工艺流程图
1-料液 2-泵 3-膜组件 4-滤液 5阀 6-压力表
2、膜设备
1） 膜组件
– 管式膜组件
– 中空纤维膜组件
– 平板式膜组件
– 卷式膜组件
管式膜组件
?管式膜组件
–形式,直通式、狭
沟式；内流、外流式
–特点,易清洗，单
根管子容易调换，无
机组件可在高温下可
用有机溶剂进行操作
并可用化学试剂来消
毒。保留体积大，单
位体 积中所含过滤面
积较小，压力降大 。
? 中空纤维膜组件
– 形式,内压、外压
– 特点,保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以
逆流操作，压力较低，设备投资低 。料液需要预处理，单
根纤维损坏时，需调换整个组件。
中空纤维膜组件
板式膜组件
板式膜组件
?形式,类似于板
框过滤机
? 特点,保留体积小，
操作费用低的压力降，
液流稳定，比较成熟 。
死体积较大，易漏，
高固含量会堵塞进料
液通道，拆卸比清洁
管道更费时间
–形式,内压、外压
–特点,设备投资很低，操作费用也低，单位体积中所含过滤
面积大，换新膜容易。料液需经预处理，压力降大、易污染、难
清洗、液流不易控制 。
卷式膜组件
3、泵
1) 蠕动泵 —微滤、超滤
2) 旋涡泵 —超滤
3) 柱塞泵 —反渗透
板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（实验室用）
板式膜分离器（实验室用）
Millipore公司板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（工业用）
卷式膜分离器（工业用）
七、膜的维护和保养
1,膜的污染及预防措施
– 膜的污染 （ 膜孔的堵塞, 膜表面的吸附 ）
– 预防措施
? 预处理 （ 过滤, 离心 ）
? 调节 pH
? 膜预吸附
2、清洗方法
? 物理清洗法
– 高速水洗
– 等压水洗
– 反冲洗
? 化学清洗法
– 碱（ 0.1%,35℃,NaOH）
– 酸（ 0.1M HCl）
– 酶（非特异蛋白水解酶）
– 表面活性剂
– 螯合剂（ EDTA）
– 氧化剂（过氧化氢、次氯酸盐）
3、保存
1) 短期（ 1,2天）：无菌水
2) 中期（ 1,2星期）,0.1% NaOH
3) 长期（ 1个月以上）, 2-5% 甲醛 5%甘油（冬天）
八、膜分离的应用
1,生物大分子的分离纯化及浓缩
2,微生物, 热源的去除
3,澄清处理
4,水处理, 脱盐
思考题
1,何谓膜分离？ 主要有那几种膜分离方法？
2,膜在结构上可分为那几种？ 膜材料主要用什么？
3,简述微滤, 超滤膜, 反渗透膜在膜材料, 结构, 性能, 分离机理及
其应用等方面的异同点
4,膜分离的表征参数有那些？ 何谓膜截留分子量？
5,何谓浓差极化现象？ 它是如何影响膜分离的？ 减少浓差极化现象的
措施？
6,膜的清洗及保存方法有那几种？
7,膜分离设备按膜组件形式可分为几种？ 相比较的优缺点？
（ Membrane Seprartion）
一, 概述
1,定义 —在一定压力条件下, 溶液中各组成选择性透过一半透性
薄膜而达到分离纯化的过程 。
2,发展史 （ 1748年发现； 1850’年天然膜应用； 1864年第一张人
工无机膜 —亚铁氰化铜诞生； 1930’有机膜出现 …… ）
3,特点 —均相分离, 无相变；无需加入化学物质；浓缩与纯化同
时进行
二、膜的分类
1,膜的定义, 在一定流体相中, 有一薄层凝聚相物质, 把
流体相分隔成为两部分, 这一薄层物质称为膜 。
2,膜组成
3,膜结构
? 对称膜
? 非对称膜 ——均相, 非均相 （ 复合膜 ）
膜组成
1,无机物
? 亚铁氰化铜、陶瓷、多孔玻璃等
2,有机物
? 天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊、醋酸纤维素、
硝酸纤维素等
? 人工合成聚合物：聚砜类、聚酰胺类、聚碳酸酯等
3,特殊材料
? 聚电解质复合物,ZrO2/聚丙烯酸,ZrO2 /碳等
图 1 对称膜 图 2 非对称膜
图 2 对称膜 图 3 非对称膜
图 5 对称膜 图 6 非对称膜
三、膜分离过程的类型及其特点
粒子项目 粒子大小 分离方法 分离动力
粗粒 ≥10 0μm 常规过滤 压力差
细粒 1—100μm 高速离心、常规过 滤 压力差
微粒 0.01—10μm 微滤 压力差
大分子 1—100 nm 超滤、透析 压力差、扩散
小分子、离子 0.1—10 nm 反渗透、电渗析 压力差、电能
膜分离过程的类 型
1,微孔膜分离 （ 微滤, Microfiltration,简称 MF）
2,超级膜分离 （ 超滤, Ultrafiltration,简称 UF）
3,反渗透膜分离 （ 反渗透, Reverse Osmosis,简称 RO）
1、微孔膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中各微粒依据尺寸大小选择性
透过半透性薄膜的过程 。
? 分离机理：筛分
εd2Δp
J = ————
32μL
? 膜材,纤维素酯类（ 醋酸纤维素、硝酸纤维素等 ）
? 膜结构,对称膜
? 膜孔径,0.1—5.0μm(常用有 0.22,0.45,0.65,1.0 μm)
? 操作压力,0.01—0.2 MPa
2、超级膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中溶质依据分子量大小选择性
透过半透性薄膜的过程 。
? 分离机理,筛分
εd2Δp
J = ————
32μL
ε3Δp
J = ————————
k’(1- ε)2S02μL
? 膜材,聚砜类、聚酰胺类
? 膜结构,非对称膜
? 膜孔径,1—50nm
? 操作压力,0.1—0.5 MPa
3、反渗透膜分离
? 定义,在一定压力条件下, 溶液中溶剂选择性透过半透性薄膜
的过程 。
? 分离机理：
– 优先吸附 —毛细孔流理论
– 溶解 —扩散理论
? 膜材,纤维素酯类, 聚酰胺类等
? 膜结构,非对称膜
? 膜孔径,0.5—10nm
? 操作压力,2—10MPa
优先吸附 — 毛细孔流动模型示意图
溶解 — 扩散理论模型示意图
溶液
溶质
溶剂
反
渗
透
膜
四、表征膜性能的参数
1,水通量 （ J） （ m3/m2·s ）
2,截留率 （ σ）
σ= 1—CP/CB
3,截留分子量 （ MWCO,Molecular Weight Cut Off）,
相当于一定截留率 （ 90%以上 ） 的最小被截留溶质的
分子量 。
CP
CB
4,pH适用范围
5,热稳定
6,抗溶剂能力
五、浓差极化现象
1,定义 ——在膜分离过程中, 膜表面上溶质浓度高于
主体溶质浓度的现象 。 如下图：
2,浓差极化对通量的影响
3,改进措施 （ 流动方式, 流速, 浓度, 温度等 ）
六、膜分离工艺流程及设备
1,工艺流程图
1-料液 2-泵 3-膜组件 4-滤液 5阀 6-压力表
2、膜设备
1） 膜组件
– 管式膜组件
– 中空纤维膜组件
– 平板式膜组件
– 卷式膜组件
管式膜组件
?管式膜组件
–形式,直通式、狭
沟式；内流、外流式
–特点,易清洗，单
根管子容易调换，无
机组件可在高温下可
用有机溶剂进行操作
并可用化学试剂来消
毒。保留体积大，单
位体 积中所含过滤面
积较小，压力降大 。
? 中空纤维膜组件
– 形式,内压、外压
– 特点,保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以
逆流操作，压力较低，设备投资低 。料液需要预处理，单
根纤维损坏时，需调换整个组件。
中空纤维膜组件
板式膜组件
板式膜组件
?形式,类似于板
框过滤机
? 特点,保留体积小，
操作费用低的压力降，
液流稳定，比较成熟 。
死体积较大，易漏，
高固含量会堵塞进料
液通道，拆卸比清洁
管道更费时间
–形式,内压、外压
–特点,设备投资很低，操作费用也低，单位体积中所含过滤
面积大，换新膜容易。料液需经预处理，压力降大、易污染、难
清洗、液流不易控制 。
卷式膜组件
3、泵
1) 蠕动泵 —微滤、超滤
2) 旋涡泵 —超滤
3) 柱塞泵 —反渗透
板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（实验室用）
板式膜分离器（实验室用）
Millipore公司板式膜分离器（实验室用）
中空纤维膜分离器（工业用）
卷式膜分离器（工业用）
七、膜的维护和保养
1,膜的污染及预防措施
– 膜的污染 （ 膜孔的堵塞, 膜表面的吸附 ）
– 预防措施
? 预处理 （ 过滤, 离心 ）
? 调节 pH
? 膜预吸附
2、清洗方法
? 物理清洗法
– 高速水洗
– 等压水洗
– 反冲洗
? 化学清洗法
– 碱（ 0.1%,35℃,NaOH）
– 酸（ 0.1M HCl）
– 酶（非特异蛋白水解酶）
– 表面活性剂
– 螯合剂（ EDTA）
– 氧化剂（过氧化氢、次氯酸盐）
3、保存
1) 短期（ 1,2天）：无菌水
2) 中期（ 1,2星期）,0.1% NaOH
3) 长期（ 1个月以上）, 2-5% 甲醛 5%甘油（冬天）
八、膜分离的应用
1,生物大分子的分离纯化及浓缩
2,微生物, 热源的去除
3,澄清处理
4,水处理, 脱盐
思考题
1,何谓膜分离？ 主要有那几种膜分离方法？
2,膜在结构上可分为那几种？ 膜材料主要用什么？
3,简述微滤, 超滤膜, 反渗透膜在膜材料, 结构, 性能, 分离机理及
其应用等方面的异同点
4,膜分离的表征参数有那些？ 何谓膜截留分子量？
5,何谓浓差极化现象？ 它是如何影响膜分离的？ 减少浓差极化现象的
措施？
6,膜的清洗及保存方法有那几种？
7,膜分离设备按膜组件形式可分为几种？ 相比较的优缺点？
