膜分離
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-28
膜分離的實例教程
膜是一層薄的阻擋層，在外界能量作用下，憑借各組分在膜中傳質的選擇性差異，對多組分的流體物質進行分離、分級、提純和富集的方法。
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膜的定義
膜是一種起分子級分離過濾作用的介質，當溶液或混和氣體與膜接觸時，在壓力下，或電場作用下，或溫差作用下，某些物質可以透過膜，而另些物質則被選擇性的攔截，從而使溶液中不同組分，或混和氣體的不同組分被分離，這種分離是分子級的分離。
膜的定義
一種最通用的廣義定義是“膜”為兩相之間的一個不連續區間。因而膜可為氣相、液相和固相，或是他們的組合。簡單的說，膜是分隔開兩種流體的一個薄的阻擋層。描述膜傳遞速率的膜性能是膜的滲透性。
以常見的超濾過程為例，分離機理主要為篩分：膜表面有微孔，流體流經膜一側的表面時，部分較小的分子隨部分溶劑穿過膜到達另一側，形成透析液，而大分子則被截留在原來的一側，形成截留液，從而達到了將大分子溶質與小分子溶質及溶劑分離開的目的。
形象地說，膜就像一張篩網，可以攔下大的、透過小的。但這張篩網與眾不同的是它的孔徑很小，進行的是大小分子的分離。我們只要選擇合適孔徑的膜，就可以進行所需的分子級分離。
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膜分離技術的定義
把上述的膜制成適合工業使用的構型，與驅動設備（壓力泵、或電場、或加熱器、或真空泵） 、閥門、儀表和管道聯成設備。在一定的工藝條件下操作，就可以來分離水溶液或混和氣體。透過膜的組分被稱為透過流分。這種分離技術被稱為膜分離技術。
展開 在這種形式下，
膜分離技術以其節能、高效、無相變的特點
，在氨基酸發酵液的澄清除菌體、母液除鹽和濃縮、氨基酸產品精制等方面，正在成為開發和應用的熱點之一。
大多數發酵液的除菌過濾仍采用板框、真空轉鼓、離心機、硅藻土機等傳統固液分離設備。這些方法只能將發酵液中的菌絲體、固體雜質等固體物予以粗分離，同時又無法將發酵液中大量存在的可溶性蛋白、膠體、雜質多糖、微小顆粒不溶物等予以分離，濾液透光率低，提高了對后序工藝的提取難度，并且會影響最終成品質量與收率；同時這些傳統工藝存在著提取步驟多、勞動強度大，產品收率低等缺點，以無機陶瓷膜技術為基礎的新一代流體分離工藝以其獨有的技術優勢，逐漸成為解決這一難題的最佳途徑之一。
蘇氨酸發酵液提取中的應用
蘇氨酸發酵液中存在著大量的菌體和雜蛋白,這些物質的存在使蘇氨酸收率和結晶質量下降。因此,在進行蘇氨酸結晶前必須先將其除去。傳統工藝主要采用絮凝法，通過絮凝劑使菌體沉淀。由于發酵液中菌體含量高,絮凝劑使用量大，而絮凝劑又有很強的吸附作用,在吸附沉降過程中部分氨基酸被吸附，降低了蘇氨酸收率;同時又引入新的雜質，導致后續工藝處理難度加大。采用陶瓷膜分離發酵液內菌體，既可避免絮凝劑的使用，減輕后續工藝的處理壓力，同時操作便捷，適用大規模工業化生產。
色氨酸發酵液提取純化中的應用
在傳統的色氨酸提取工藝中,需要在板框過濾時添加硅藻土,而硅藻土收取率大約為85%,板框過濾硅藻土的回收價值很低。傳統的色氨酸提取工藝能耗大,成本高,色氨酸的整體提取率還達不到80%,因此必須進行優化。
展開 （1）非多孔均質膜的溶解擴散機理
該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質膜分四步進行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進行活性擴散，分子在膜的另一側逸出。
（2）多孔膜的透過擴散機理
用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細孔時產生的速度差來進行的。
影響氣體分離膜性能的因素
1、化學結構的影響
通過對不同化學結構聚合物所制備的氣體分離膜的氣體透過率P、擴散系數D和溶解系數S的考察，可得出化學結構對透氣性影響的定性規律。
2、形態結構的影響
一般情況下，聚合物中無定型區的密度小于晶區的密度。因此氣體透過高聚物膜主要經由無定形區，而晶區則是不透氣的。這可以通過自由體積的差別來解釋。但對某些聚合物可能出現例外，如4-甲基戊烯（PNP）晶區的密度反而小于非晶區的密度，故其晶區可能對透氣性能也有貢獻。
制備氣體分離膜的主要材料
1、H2的分離
美國Monsanto公司1979年首創Prism中空纖維復合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞胺是近年來新開發的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機械性能高等優點。
2、O2的分離富集
制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產品和含三甲基硅烷基的高分子材料。
PDMS是目前工業化應用的氣體分離膜中P氧氣最高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。
展開 利用膜分離技術來實現油水分離被認為是最具有效的分離手段之一，特別是針對乳化的油水體系。然而，傳統的膜分離材料在油水分離過程中會遭受嚴重的污染，導致分離通量以及油水分離效率的急劇下降，嚴重阻礙了膜分離技術在油水分離領域中的發展和應用。因此，開發新型的分離膜材料，解決分離膜材料的污染問題，是實現油水的高效、快速以及穩定分離的關鍵所在。
圖1兩親離子性納米水凝膠接枝改性PVDF多孔膜（ZNG-g-PVDF）示意圖。
近期，為了解決膜分離材料的抗污染問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所靳健研究員課題組在前期工作的基礎上，設計和制備了一種磺基甜菜堿型兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜（ZNG-g-PVDF）（如圖1所示）。這一兩親離子性納米水凝膠的尺寸~50nm，這一納米級尺寸有助于納米水凝膠的快速浸潤和吸水，從而賦予了PVDF多孔膜超親水的性質。由于兩親離子性納米水凝膠同時具有水凝膠的高保水性能以及兩親離子性聚電解質的強水合能力，能夠在PVDF多孔膜的表面構筑出牢固的水合層以及近中性的表面。這一超親水的近中性表面賦予了PVDF多孔膜在水下對原油近乎零粘附的效果（如圖2所示）。此外，磺基甜菜堿型兩親離子性納米水凝膠具有優異的抗鹽性以及耐酸堿性能，保證了兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜在不同種類的鹽溶液中以及寬泛的pH范圍內均能夠保持超親水特性以及水下超低油粘附效果。為了進一步考察這一分離膜材料的抗污染性能，研究人員通過模擬現實的乳化油水，利用這一兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜來分離含有表面活性劑、蛋白質以及生物有機質（NOM）的油水乳液并監測其多次循環過程中通量的變化情況。實驗結果表明（如圖3所示），這一兩親離子性納米水凝膠接枝改性的PVDF多孔膜具有優異的綜合性抗污染能力，循環過程中通量的恢復率幾乎高達100%。
展開 （1）非多孔均質膜的溶解擴散機理
該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質膜分四步進行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進行活性擴散，分子在膜的另一側逸出。
（2）多孔膜的透過擴散機理
用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細孔時產生的速度差來進行的。
影響氣體分離膜性能的因素
1、化學結構的影響
通過對不同化學結構聚合物所制備的氣體分離膜的氣體透過率P、擴散系數D和溶解系數S的考察，可得出化學結構對透氣性影響的定性規律。
2、形態結構的影響
一般情況下，聚合物中無定型區的密度小于晶區的密度。因此氣體透過高聚物膜主要經由無定形區，而晶區則是不透氣的。這可以通過自由體積的差別來解釋。但對某些聚合物可能出現例外，如4-甲基戊烯（PNP）晶區的密度反而小于非晶區的密度，故其晶區可能對透氣性能也有貢獻。
制備氣體分離膜的主要材料
1、H2的分離
美國Monsanto公司1979年首創Prism中空纖維復合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞胺是近年來新開發的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機械性能高等優點。
2、O2的分離富集
制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產品和含三甲基硅烷基的高分子材料。
PDMS是目前工業化應用的氣體分離膜中P氧氣最高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。
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