膜分离

1 膜分离概念 一、 膜分离概念 膜分离(Membrane Separation)是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。膜分离所用的膜可以是固相、液相，也可以是气相，而大规模工业应用中多数为固体膜。膜的分类可以按膜材料、膜结构及膜的作用机理来分。按膜结构可分为对称膜和不对称膜，按作用机理分为多孔膜和致密膜。多L膜是起筛分作用，用于超滤、微滤、电渗析；致密膜的机理一般是溶解一扩散，主要用于反渗透、气体分离、渗透汽化。膜分离具有设备简单、操作方便、处理效率高和节省能量等优点，适合于热敏物料、无相变、无化学变化的分离过程，已成为一种新型的分离单元操作之一。反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质(包括离子)而使溶剂通过，操作压力较高，一般为2～1OMPa；纳滤膜孔径为2～5nm，能截留部分离子及有机物，操作压力为0．7～3MPa；超滤膜孔径为2～20nm，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为0．1～l MPa；微滤膜孔径为0．05～10 m，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为0．05～0．5 MPa。[1] 二、 膜分离技术的发展简史 人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年WJuda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。l 960年洛布(Loeb)和索里拉简(Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(IntegratedMembrane Process)也日益得到重视和发展。 三、 膜分离特点 膜分离技术具有如下特点[2]： 1) 膜分离过程不发生相变化，因此膜分离技术是一种节能技术； 2) 膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等； 3) 膜分离技术适用分离的范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型； 4) 膜分离技术以压力差作为驱动力，因此采用装置简单，操作方便。 四、分离膜 分离膜(Membrane)是膜过程的核心部件，其性能直接影响着分离效果、操作能耗以及设备的大小。 1 、分离膜材料 目前使用的固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来又开发了无机材料分离膜。高聚物膜通常是用纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。 2 、分离膜性能 分离膜的性能主要包括两个方面：透过性能与分离性能。 (1) 透过性：能够使被分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。表征膜透过性能的数是透过速率，是指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量。膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。此参数直接决定分离设备的大小。 (2) 分离性能：分离膜必须对被分离混合物中各组分具有选择透过的能力，即具有分离能力，这是膜分离过程得以实现的前提。不同膜分离过程中膜的分离性能有不同的表示方法，如截留率、截留分子量、分离因数等。 五、膜分离技术的应用[3] 1 、反渗透技术 当把溶剂和溶液（或两种不同浓度的溶液）分别置于半透膜的两侧时，纯溶剂将透过膜而自发地向溶液（或从低浓度溶液向高浓度溶液)一侧流动，这种现象称为渗透。若在溶液侧施加一个大于渗透压的压差时，则溶剂将从溶液侧向溶剂侧反向流动，此过程称为反渗透。反渗透是一种节能技术，过程中无相变，一般不需加热，工艺过程简单，能耗低，操作和控制容易，应用范围广泛。其主要应用领域有海水和苦成水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩，以及废水处理等。 2 、超滤与微滤技术[4] 超滤与微滤是在压力差作用下根据膜孔径的大小进行筛分的分离过程。 超滤主要适用于大分子溶液的分离与浓缩，广泛应用在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包括牛奶的浓缩、果汁的澄清、医药产品的除菌、电泳涂漆废水的处理、各种酶的提取等。微滤是所有膜过程中应用最普遍的一项技术，主要用于细菌、微粒的去除，广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化，半导体工业超纯水制备过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等。 3 、渗透汽化技术 渗透汽化是一种有相变的膜渗透过程。将液体混合物在膜的一侧与膜接触，而膜的另一侧维持较低的易挥发组分蒸汽压，在膜两侧易挥发组分蒸汽压差的作用下，易挥发组分较多的溶解在膜上，并扩散通过膜，最后在膜的另一侧汽化而被抽出，这样的膜过程即为渗透汽化。易挥发组分通过膜时发生相变，相变所需的热量来自原料液的降温。在渗透汽化中只要膜择得当，可使含量极少的易挥发溶质透过膜，虽然过程中需要一定的热量，但与大量的溶剂透过过程相比仍为节能操作。渗透汽化的应用主要有以下几个方面： (1) 有机溶剂脱水：最典型的过程为工业乙醇脱水制备无水乙醇，其分离能耗比恒沸精馏低得多，目前在工业上已大规模的应用； (2) 水中有机物的脱除：如从发酵液中除去醇、从废水中除去挥发性有机污染物等； (3) 有机物的分离：如苯／环己烷、丁烷／丁烯等的分离，但目前多处于基础研究阶段。 4 、气体膜分离 气体膜分离是在膜两侧压力差的作用下，利用气体混合物中各组分在膜中渗透速率的差异而实现分离的过程，其中渗透快的组分在渗透侧富集，相应渗透慢的组分则在原料侧富集。气体膜分离的主要应用有： (1) H2的分离回收：主要有合成氨尾气中H2的回收、炼油工业尾气中H2的回收等，是当前气体分离应用最广的领域； (2) 空气分离：利用膜分离技术可以得到富氧空气和富氮空气，富氧空气可用于高温燃烧节能、家用医疗保健等方面；富氮空气可用于食品保鲜、惰性气氛保护等方面； (3) 气体脱湿：如天然气脱湿、压缩空气脱湿、工业气体脱湿等。 现代工业迫切需要节能、资源再生和循环利用，极大地促进了膜技术的迅速发展，目前已出现了一些新型膜技术，如膜蒸馏、膜萃取、膜吸收、亲和膜分离、液膜渗析、膜生物传感器等。在食品生物和化学工业中，膜技术除了在下游 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中不断发挥新的作用外，其中生物膜和膜反应器在生物反应中得到了很好的应用。随着新材料、新技术的不断出现，膜技术在化学和生物工程中的应用愈加显示出令人瞩目的前景。 六、膜分离技术目前在各方面的应用现状及研究进展 1、膜分离技术在微生物制药中的应用 多数抗生素的分子量在300—1200范围，存在于胞外，从发酵液中提取。传统提取方法主要有：吸附法、溶剂萃取法、离子交换法和沉淀法。各种方法各有特点，但工艺往往都十分繁杂，所需时间长，易变性失活，需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、废水污染严重且处理难度大。膜分离过程作为一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术，具有节能，不破坏产品结构、少污染和操作简单、可在常温下连续操作、可直接放大、可专一配膜等特点，且各种膜过程具有不同分离机制，适于不同对象和要求[5]。由于其特别适合用于热敏性物质的分离，在食品加工、医药等领域有其独特的实用性。用于微生物药物分离和纯化中的膜分离技术主要涉及微滤、超滤、纳滤、液膜分离和反渗透等。李十中等先用截留分子量为5万的超滤膜处理土霉素结晶母液，除去母液中的悬浮物和大分子物质。然后反渗透膜处理，这一步脱盐率可达99％。所得浓缩液，再经截留分子量为1万的超滤膜，体积浓缩10倍，最后调pH值从土霉素结晶母液回收土霉素，得到土霉素的纯度82.19％ ，效价771u~mg，回收率62％ 。 2 、膜分离技术在现代中药提取制剂工艺中的应用 微滤技术在中药提取工艺中的应用中，用孔径为0.21m的无机陶瓷膜对多种根及根茎类中药提取液进行微滤， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 无机陶瓷膜对中药水提液具有较好的澄清除杂作用[6]。用陶瓷微滤膜与醇沉法对照处理两种水提液，除杂率及有效成分得滤与醇沉法接近。用陶瓷微滤膜与大孔吸附树脂联用精制苦参水提液，其总黄酮吸附率与除杂率均优于醇沉大孔树脂法。于涛[7]等利用模分离技术，选用截留相对分子质量10000的膜，提取银杏叶黄铜类化合物，得到的产品中黄铜质量分数为33.99％，黄酮类物质的透过率是89.45％，总提取物得率为3.1％。与树脂提取法对比，超滤工艺的总黄酮得率是较高的，效果比较理想。 3、 膜分离技术在饮用水处理的应用研究[8] 在饮用水处理中，膜分离是一种在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能分离水中的离子，分子和杂质的技术。膜分离性能按截留分子量(Molecular Weight Com—pouds，MWC)大小评价。截留分子量是反映膜孔径大小的替代参数。具有较小的MWCs可除去水中较小分子量的物质。由于膜技术可解决传统工艺所难于解决的诸多问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，如去除水中的微污染物(BP)，又具有基建费用低，运行管理简单等优点，所以以被大规模用于处理饮用水。 4 、膜分离在其他方面的应用 膜分离技术在其他各个方面都有广泛的应用。在食品机械方面，用牛奶制干酪，分离后得到乳清，其中含不少可溶蛋白质、矿物质等营养物质，但也含大量的难消化的乳糖。用超滤法回收其中的蛋白质，可使蛋白质含量从3％增加到50％以上。甚至高达80％。膜分离技术在无水乙醇生产中也有应用。[9] 结束语 膜分离是一种应用很广泛的技术，为了使工业大生产提高产品质量，降低成本，缩短处理时间，今后的研究趋势将是分离技术的高效集成化。目前膜分离技术在各个方面的应用研究很活跃。影响膜分离在实际操作中迅速应用发展的主要障碍是膜的污染、堵塞。原料液的粘度很高，使膜通量衰减严重，无法继续分离，更不用说投人工业化大生产。要实现生物制品提纯的规模性应用，还要取决于相关方面的发展，如膜污染机制研究，性能优良、抗污染膜材料的研究。多种类型的膜分离技术在生化产品应用中协同发展，超滤、纳滤、微滤技术联用，取长补短，实行多级分离是发展的趋势。 参考文献 [1] 刘国诠编．生物工程下游技术[M]．北京：化学工业出版杜，2003． [2] 罗丽萍，高荫榆，杨柏云．膜分离技术在食品工业上的应用[J]．江西科学，2004，2(2)：146—150 [3] 时钧，袁权，高从楷编．膜技术 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 [M]．北京：化学工业出版杜，2001． [4] 刘忠洲，续曙光．超滤过程中的膜污染与清洗[J]．水处理技术，1997，23(4)：1 87． [5] 王湛．膜分离技术基础[M]．北京：化学工业出版社，200o：8—72 [6] 刘陶世，郭立纬，金万勤等．无机陶瓷微滤技术精制部分单味及复方水提液的研究．南京中医药大学学报(自然科学版)，2001，17(5)：301—303． [7] 于涛，钱和．膜分离技术在提取银杏叶黄酮类化合物中的应用．无锡轻工大学学报．2004，23(6)：55—58． [8] 王驰，魏东洋．膜处理技术在饮用水处理的应用研究．医药卫生．2005，34(3)：210． [9] 王戬，宋人楷．膜分离技术及其在食品机械中的应用．吉林特产高等专科学校学报．2004，13(1)：12—14