教学素材：膜分离技术

【教学素材】 膜分离技术 湖北省石首市文峰初级中学 刘涛（正高级教师） 【知识链接】“膜分离技术”是一种以选择性分离膜为核心，在分子水平上对混合物组分进行分离、浓缩和提纯的物理技术。该技术通常在常温下操作，无需发生相变和添加化学试剂，具有高效、节能、环保、操作简单且易于控制等显著特点，目前已广泛应用于食品、医药、水处理、化工等多个领域。 膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域 。 一、技术原理与核心分类 膜分离技术的核心在于膜的选择性透过功能。‌膜是一种具有特定孔径或化学特性的薄层材料，在外界能量（如压力差、浓度差或电位差）的驱动下，允许某些物质透过而截留其他物质，从而实现分离。 按分离精度分类：根据膜孔径或截留分子量的大小，主要的压力驱动膜分离技术分为四类： ①微滤（MF）：孔径约为0.1～10 μm，主要用于去除悬浮颗粒、细菌及部分病毒。 ②超滤（UF）：孔径约为0.01～0.1 μm（或截留分子量1000以上），用于分离胶体、蛋白质、大分子有机物等。 ③纳滤（NF）：孔径约为0.001～0.01 μm（或截留分子量200～1000），能有效截留二价及高价离子和小分子有机物，同时允许部分一价盐透过。 ④反渗透（RO）：孔径最小（约0.0001～0.001 μm），可截留几乎所有离子和小分子有机物，主要用于海水淡化、超纯水制备等。 二、发展历程与主要优势 膜分离技术的工程应用始于20世纪60年代的海水淡化。1960年，第一张高性能醋酸纤维素反渗透膜的制成，标志着该技术从实验室走向工业应用。 此后，各种新型膜和过程（如超滤、纳滤、气体分离）相继发展。该技术相较于传统分离方法（如蒸发、萃取）具有多重优势： （1）操作条件温和：通常在常温下进行，特别适用于热敏性物质（如抗生素、果汁、酶）的分离，能极大保留有效成分和原有风味。 （2）物理过程，绿色环保：分离过程不发生相变和化学变化，无需添加化学试剂，产品不受污染. （3）高效与节能：其能耗仅为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3至1/8，且分离与浓缩可同时进行，效率高。 （4）适应性强：处理规模可大可小，可连续或间歇操作，工艺简单，易于实现自动化。 三、广泛应用领域：膜分离技术因其独特的优势，已成为许多行业不可或缺的分离手段。 （1）水处理与环保：这是膜技术最早和最重要的应用领域之一。反渗透大规模用于海水淡化和超纯水制备；超滤和微滤用于饮用水净化、废水处理及作为深度处理的预处理；纳滤用于脱除硬度、色度和物料浓缩。 （2）食品工业：广泛应用于果汁的澄清（超滤）与浓缩（反渗透/纳滤），能保留更多芳香成分；用于乳品工业中乳清蛋白的回收和牛奶浓缩；用于酒类的精滤和无菌过滤，改善澄清度并延长保存期。 （3）生物医药与化工：用于抗生素、蛋白质等热敏性生物制品的分离、纯化和浓缩；在生物科技领域，用于规模化制备高纯度物质。 （4）其他工业领域：在气体分离（如氢气纯化）、石油化工、冶金、电子等行业也有重要应用，用于工艺物料的分离、浓缩及资源回收。 【同步训练设计】 1．如图是采用“膜分离技术”淡化海水的原理图，以下分析正确的是（ ） A．加压后，浓海水中溶质的质量不变 B．这种半透膜可用滤纸代替 C．加压后浓海水中溶剂质量不变 D．加压后浓海水中溶质的质量分数不变 2．如图，海水淡化可采用膜分离技术，对淡化膜右侧的海水加压，水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池，而海水中的各离子不能通过淡化膜，从而得到淡水．对加压后右侧海水成分变化进行分析，其中正确的是（ ） A．溶质质量增加 B．溶剂质量减少 C．溶液质量不变 D．溶质质量分数减少 3．二氧化硅可用于制造分离膜。“膜分离技术”技术（如图）能使二氧化碳穿过分离膜，而其他气体则不能透过；二氧化碳被氨水吸收生成可用作化肥的碳酸氢铵（NH4HCO3）。回答下列问题： （1）“膜分离”技术的原理类似于化学实验中常用的 操作。 （2）二氧化硅的化学式为 ，其中硅元素的化合价为 。二氧化硅化学性质与二氧化碳相似，能与氢氧化钠溶液反应，生成硅酸钠和水。反应的化学方程式为 。 （3）氨水能使无色酚酞试液变红，是因为溶液中含有 离子（填符号）。 （4）碳酸氢铵属于化肥中的 （填“氮”“磷”“钾”或“复合”）肥，其不能与熟石灰混用的原因是 。 4．海水淡化可采用膜分离技术，如图所示，对淡化膜右侧的海水加压，水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池，而海水中的各种离子不能通过淡化膜，从而得到淡水。请回答下列问题。 （1）采用膜分离技术淡化海水的原理，与化学实验中常见的 操作相似。淡化膜 （填“能”或“不能”）换成滤纸 （2）对淡化膜右侧的海水加压后，海水中溶质的质量分数会 （填“降低”“不变”或“升高”）。 （3）关于膜分离技术，以下描述正确的是 （填字母） A．膜分离技术只能用于液体混合物的分离 B．膜分离过程中不发生相变 C．膜分离技术能耗高 D．膜分离技术不能用于气体分离 5．家用冰箱常用“温控保鲜”和“气调保鲜”是两类食品保鲜技术。它们通过降低温度和改变气体成分，达到抑制储藏物细胞呼吸的目的。如图是冰箱用膜分离技术实现“气调保鲜”的流程。 （1）干冰可用于“温控保鲜”，利用干冰的性质是 。 （2）“气调保鲜”中会使用CO2来抑制细菌。CO2进入细菌细胞液后能产生酸性物质，抑制细菌生长。请用化学方程式解释酸性物质产生的原因： 。 （3）冰箱中常用下图所示的膜分离技术实现“气调保鲜”。分离后，通入冰箱保鲜室内的气体是 （填“富氧”或“富氮”）空气。该过程发生 （填“物理”或“化学”）变化。 （2）富氧空气中氧气和其他气体之和的体积比可能是 （2）富氧空气中氧气和其他气体的体积比可能是 （填字母序号）。 A．1∶3 B．1∶4 C．1∶5 D．1∶6 6．阅读科普短文，回答问题： 奇妙的分离膜 膜分离技术是分离科学中最重要的手段之一，能够高效环保的解决问题，已经广泛的应用于各种领域。膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、分子筛膜。微滤膜主要分离液体或水中的悬浮物、细菌等，超滤膜过滤一些比较大的蛋白质分子，纳滤膜用于纳米级别的颗粒分离。而分子筛膜可以进行分子级别的分离，用于天然气的纯化、二氧化碳捕获、液体物质与水的分离等。 目前纯氧的制取技术主要是深冷分离（）在低温条件下加压，使空气转变为液态，然后蒸发）和变压吸附，但是能耗比较高生产受到很多限制。而用膜分离技术直接从空气中分离出纯氧，能耗节省30%～50%。该技术的核心是一种致密的透氧膜，空气中的氧气接触膜变成离子并在膜中传导，最后就可以在膜的另一侧得到纯氧。 （1）微滤膜在生产生活中的一种具体用途 。 （2）从自然界开采出来的天然气还有很多杂质，燃烧后产生较多的污染物，除去这些杂质可以用到上面的 膜。天然气主要成分燃烧的化学方程式为 。 （3）深冷分离制取氧气的原理是利用空气成分的 不同（填“沸点”“密度”或“熔点”），该技术制取氧气的缺点是 。 （4）利用透氧膜技术制取氧气的过程是 ______ 变化。 参考答案 1～2．A、D； 3．（1）过滤；（2）SiO2；＋4；（3）OH－；（4）氮；碳酸氢铵与熟石灰氢氧化钙发生复分解反应生成氨气，降低肥效（合理即可）。 4．（1）过滤；不能；（2）升高；（3）B。 5．（1）冰升华时会吸收大量的热，使周围环境温度降低；（2）CO2＋H2O ＝H2CO3；（3） 富氮；（4）A。 6．（1）来水厂净水（合理即可）；（2）分子筛；CH4＋2O2 ( 点燃 ) CO2＋2H2O；（3）沸点；能耗比较高；（4）物理。 学科网（北京）股份有限公司 $