第九讲电泳与膜分离 6学时 、通过本章学习应掌握的内容 1、膜分离的概念 膜的概念 3、膜分离技术的分类 4、基本的膜材料有哪些? 5、常用的膜组件有哪些? 6、何谓反渗透?实现反渗透分离的条件是什么? 7、强制膜分离的概念? 8、电渗析的工作原理? 9、电泳的概念 10、电泳的基本原理 11、电泳技术的分类 12、基本的电泳系统组成 13、常规聚丙烯酰胺凝胶电泳的分离原理 14、 SDS PAGE的分离原理 何谓等电聚焦?如何形成载体两性电解质pH梯度? 16、何谓双相电泳?其作用是什么? 二、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
第九讲 电泳与膜分离 6 学时 一、通过本章学习应掌握的内容 1、膜分离的概念 2、膜的概念 3、膜分离技术的分类 4、基本的膜材料有哪些？ 5、常用的膜组件有哪些？ 6、何谓反渗透？实现反渗透分离的条件是什么？ 7、强制膜分离的概念？ 8、电渗析的工作原理？ 9、电泳的概念 10、 电泳的基本原理 11、 电泳技术的分类 12、 基本的电泳系统组成 13、 常规聚丙烯酰胺凝胶电泳的分离原理 14、 SDS PAGE 的分离原理 15、 何谓等电聚焦？如何形成载体两性电解质 pH 梯度？ 16、 何谓双相电泳？其作用是什么？ 二、膜分离技术 1、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。 2、膜的概念 (1)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 (2)膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 (3)被膜分开的流体相物质是液体或气体 (4)膜的厚度应在0.5mm以下,否则不能称其为膜。 3、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 (1)微滤:以多孔细小薄膜为过滤介质,压力为推动力,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; (2)超滤:分离介质同上,但孔径更小,为0001-002μm,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; (3)反渗透:是一种以压力差为推动力,从溶液中分离岀溶剂的膜分离操作 孔径范围在0.0001~0.001ψm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); (4)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 (5)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
液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。 2、膜的概念 （1）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。 （2）膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 （3）被膜分开的流体相物质是液体或气体 （4）膜的厚度应在 0.5mm 以下，否则不能称其为膜。 3、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： （1）微滤：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，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； （2）超滤：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，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； （3）反渗透：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 0.0001~0.001 μm 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）； （4）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； （5）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；
4、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 5、膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个基本要求 (1)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 (2)耐高温髙通量带来的温度升高和清洗的需要 (3)耐酸碱∶防止分离过程中,以及清洗过程中的水解; (4)化学相容性:保持膜的稳定性; (5)生物相容性:防止生物大分子的变性 (6)成本低 6、各种膜材料 (1)有机高分子膜 纤维素酯膜、缩合系聚合物(聚砜类λ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 (2)无机多孔膜:陶瓷膜 7、膜组件 (1)管式 (2)中空纤维
4、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 5、膜材料的特性 对于不同种类的膜都有一个基本要求： （1）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 （2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 （3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； （4）化学相容性：保持膜的稳定性； （5）生物相容性：防止生物大分子的变性； （6）成本低； 6、各种膜材料 （1）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； （2）无机多孔膜：陶瓷膜 7、膜组件 （1）管式 （2）中空纤维
(3)螺旋卷绕式 (4)平板式 共同的特点 (1)尽可能大的膜表面积 (2)可靠的支撑装置 (3)可引出透过液 (4)膜表面浓度差极化达到最小 8、超滤和反渗透 目的:将溶质通过一层具有选择性的薄膜,从溶液中分离出来 分离时的推动力都是压强,由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔 结构不同,其采用的压强大小不同 反渗透膜的操作压力高达10MPa 超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两 种不同浓度的溶液隔开(淡水或盐水),因此都存在渗透压。 渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度 一般说来,无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。 9、渗透与反渗透 渗透是由于存在化学势存在梯度而引起的自发扩散现象 溶液中水的化学势 u=Ho+RTIn a n的
（3）螺旋卷绕式 （4）平板式 共同的特点 （1）尽可能大的膜表面积 （2）可靠的支撑装置 （3）可引出透过液 （4）膜表面浓度差极化达到最小 8、超滤和反渗透 目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来 分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔 结构不同，其采用的压强大小不同。 反渗透膜的操作压力高达 10 MPa 超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两 种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。 渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。 9、渗透与反渗透 渗透是由于存在化学势存在梯度而引起的自发扩散现象。 溶液中水的化学势 = 0 + RT ln 0 溶液中水的活度 纯水的化学势
因此,通常情况下,μ〉μ其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透, 使后者的液位抬高。 如果在溶液一侧施加压力P,外界力做功使溶液中水的化学势升高,则纯水 通过膜的渗透就会逐渐减小,并最终停止(条件?),此时的压力差就是溶液的 渗透压。 超P>P>户m 半透膜 反渗遗户>户。≯户tm 淡水盐水 v三 1 :°。°?; 图10-6渗透平衡 压力户一操作压力,户一渗遭压,户一大 溶剂;2一溶液,3一半透旗;。一高分子化合物 低分子化合物 当-P>π时,水将从溶液—侧向纯水一侧移动,此种渗透称之为反渗透。 0、实现超滤和反渗透的条件 ◆超滤:需要增加流体的静压力,改变天然过程的方向,才可能发生含有低分子量化合物的溶 剂流通过膜,此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差 p>Po pa P> po >> p ◆反渗透:过程类似于超滤,只是纯溶剂通过膜,而低分子量的化合物被截留。因此,操作压 力比超滤大得多。◆因此,超滤和反渗透通常又被称之为ˆ强制膜分离过程'I、超 滤的基本方程 12、纳米膜过滤 度(单位时间、单位膜面积的处理量) 介于反渗透与超滤膜之间,能截留有机小分孑而使大部分无机盐通过;
因此，通常情况下， o 其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透， 使后者的液位抬高。 如果在溶液一侧施加压力 P1 ，外界力做功使溶液中水的化学势升高，则纯水 通过膜的渗透就会逐渐减小，并最终停止（条件？），此时的压力差就是溶液的 渗透压 。 当 P1 − P0 时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。 10、实现超滤和反渗透的条件 ◆超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶 剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差； ◆反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压 力比超滤大得多。◆因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”11、超 滤的基本方程 12、纳米膜过滤技术 介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过； pp p0 patm pp p0 patm J L ( p a ) w = p − Lp：穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）