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有关膜的基础知识

有关膜的基础知识

水白
2009-03-20 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《有关膜的基础知识doc》,可适用于工程科技领域

膜(membrane)膜是一种薄的具有一定物理和/或化学特性的屏障物它可与一种或两种相邻的流体相之间构成不连续区间并影响流体中各组分的透过速度。因此膜可以看作是一种具有分离功能的介质它可以是固态、液态甚至是气态。平板膜(flatmembrane)外形像平板或纸片状的膜。通常是把铸膜液刮在无纺布或纤维支撑布上制得的主要用于制备板框式和螺旋卷式二种膜分离元件。中空纤维膜(hollowfibermembrane)外形像纤维状具有自支撑作用的膜。它是非对称膜的一种其致密层可位于纤维的外表面/如反渗透膜也可位于纤维的内表面(如微滤膜和超滤膜)。对气体分离膜来说致密层位于内表面或外表面均可。有机膜(organicmembrane)以有机高分子聚合物为材料制成的具有分离功能的渗透膜。这类膜的优点是容易加工成型成本低。其缺点是在高温高压和有强吸附组分下性能不稳定。无机膜(inorganicmembrane)以无机材料为分离介质制成的具有分离功能的渗透膜如金属膜、合金膜、陶瓷膜、高分子金属配合物膜、分子筛复合膜、沸石膜和玻璃膜等它具有化学稳定性好、耐高温、孔径分布窄和分离效率高等特点可用于气体分离等。金属膜(metalmembrane)以金属材料如钯、银为介质制成的具有分离功能的渗透膜。可利用其对氢的溶解机理制备超纯氢和进行加氢或脱氢膜反应。陶瓷膜(ceramicmembrane)以多孔陶瓷材料为介质制成的具有分离功能的渗透膜。如以玻璃、二氧化硅、氧化铝、莫来石等为介质制成的膜它可承受高温和宽的PH范围而且其化学惰性要比聚合物膜的高一般用于微滤和超滤。陶瓷微滤膜从液体中滤除微米级及亚微米粒子其中包括固体颗粒絮凝物、细菌、乳胶和乳化油等。对废水中乳化油及固体颗粒除率可达%废水中油含量可达国家排放标准(<ppm)饮料中药液及其它工业物料的过滤可使滤过液完全澄清无菌对油类脱水与汽加热脱水相比可大幅度降低能量消耗该陶瓷微滤膜可耐压大气压以上可长期在℃下操作用较高压力反冲可使能量长期保持稳定再生能力很强。此种膜尤其适应难过滤流体的过滤。气态膜(gasmembrane)按制膜材料形态来分类的一种即以气态物质为分离介质制成的膜亦叫气相膜。它通常以充斥于疏水多孔聚合物膜孔隙中的气体为分离介质构成的当把这种载有气体的膜将两种水溶液隔开时可使一种液体中含有的挥发性溶质迅速扩散通过膜在另一种溶液中富集或分离出去。液态膜(liquidmembrane)按制膜材料形态来分类的一种即以液态物质为分离介质形成的膜亦叫液相膜或液膜。这种膜可以把两种气相气液两相或两相不互溶的液体进行分隔和促进分离如乳化液膜和支撑液膜。固态膜(solidmembrane)按制膜材料形态来分类的一种即以固态物质为分离介质制成的膜亦叫固相膜或固体膜。非对称膜(asymetricmembrane)由同种材料制成的一层为致密分离层其厚度通常为~um另一层或多层(如无机膜)为支撑层(其厚度为~um)。对称膜(symmetricmembrane)一般指膜的各部分具有相同的特性其孔结构不随深度而变化的膜。膜的厚度范围为~um。膜分离技术及其系统应用第一部分膜分离技术简介  膜是具有选择性分离功能的材料利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于膜可以在分子范围内进行分离并且这过程是一种物理过程不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级依据其孔径的不同(或称为截留分子量)可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜根据材料的不同可分为无机膜和有机膜无机膜主要是陶瓷膜和金属膜其过滤精度较低选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别下图简单示意了四种不同的膜分离过程:(箭头反射表示该物质无法透过膜而被截留):微滤(MF)又称微孔过滤它属于精密过滤其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴于微孔滤膜的分离特征微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物以达到净化、分离、浓缩的目的。  对于微滤而言膜的截留特性是以膜的孔径来表征通常孔径范围在~微米故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。  超滤(UF)是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程膜孔径在um至um分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力以超滤膜为过滤介质在一定的压力下当水流过膜表面时只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。  对于超滤而言膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征通常截留分子量范围在~故超滤膜能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体、悬浮固体等进行分离广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。  纳滤(NF)是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术其截留分子量在~的范围内孔径为几纳米因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。  对于纳滤而言膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO、CaCl溶液的截留率来表征通常截留率范围在~相应截留分子量范围在~故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离实现脱盐与浓缩的同时进行。  反渗透(RO)是利用反渗透膜只能透过溶剂(通常是水)而截留离子物质或小分子物质的选择透过性以膜两侧静压为推动力而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点而成为海水和苦咸水淡化以及纯水制备的最节能、最简便的技术目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。  反渗透的截留对象是所有的离子仅让水透过膜对NaCl的截留率在以上出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质也即能截留所有的离子在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。  膜分离的基本工艺原理是较为简单的(参见下图)。在过滤过程中料液通过泵的加压料液以一定流速沿着滤膜的表面流过大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐小于膜截留分子量的物质或分子透过膜形成透析液。故膜系统都有两个出口一是回流液(浓缩液)出口另一是透析液出口。在单位时间(Hr)单位膜面积(m)透析液流出的量(L)称为膜通量(LMH)即过滤速度。影响膜通量的因素有:温度、压力、固含量(TDS)、离子浓度、黏度等。  膜分离操作基本工艺流程:  由于膜分离过程是一种纯物理过程具有无相变化节能、体积小、可拆分等特点使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的有机物根据有机物的分子量选择不同的膜选择合适的膜工艺从而达到最好的膜通量和截留率进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。第二部分膜分离系统应用   、澄清纯化技术超微滤膜系统   澄清纯化分离所采用的膜主要是超微滤膜由于其所能截留的物质直径大小分布范围广被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。   超微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。   澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有:陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。   采用膜分离澄清纯化的优点:   )、可得到绝对的真溶液产品稳定性好   )、过滤分离收率高   )、分离效果好产品质量高运行成本低   )、缩短生产周期降低生产成本   )、过程无需添加化学药品、溶媒溶剂不带入二次污染物质   )、操作简便占地面积小劳动力成本低   )、可拓展性好容易实现工业化扩产需求   )、设备可自动运行稳定性好维护方便。   、浓缩提纯技术纳滤膜系统   膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在~Dal的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有~的透过性能常被应用于溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。   纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。   浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有:卷式膜、管式膜。   采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点:   )、能耗极低节省浓缩过程成本   )、过程无化学反应、无相变化不带入其他杂质及造成产品的分解变性   )、在常温下达到浓缩提纯目的不造成有效成分的破坏工艺过程收率高   )、可完全脱除产品的盐分减少产品灰分提高产品纯度   )、可回收溶液中的酸、碱、醇等物质   )、设备结构简洁紧凑占地面积小   )、操作简便可实现自动化作业稳定性好维护方便。第三部分行业应用   、制药行业   ●生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制   ●树脂解析液的浓缩及解析剂回收   ●农药水剂、粉剂的生产应用   ●中药浸提液过滤除杂及浓缩   ●中药浸膏生产应用   ●合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩   ●结晶母液回收   二、食品行业   ●乳清废水处理   ●乳制品生产加工应用   ●果汁澄清脱色   ●食品添加剂纯化浓缩   ●茶饮料澄清浓缩   ●啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工   ●天然色素提取液的除杂及浓缩   ●氨基酸发酵液过滤澄清及精制   三、染料化工和助剂   水溶性染料反应液的脱盐浓缩   ●染料盐析母液废水回收   四、淀粉糖品   ●糖液分离纯化及浓缩   ●果葡糖浆色普分离纯化   ●糖醇色普分离纯化   ●单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩   五、环保及水处理领域   ●纺织、染整、印染废水处理及回用   ●电镀工业废水零排放及资源回收   ●矿山及冶金废水处理回收   ●淀粉废水处理   ●造纸废水木质素回收及废水处理   ●电泳漆废水涂料回收   ●酸、碱废水处理回收   ●市政污水的处理及回用   ●洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等循环处理   ●工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备   六、生物技术   ●生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制 第四部分膜系统图片、陶瓷膜系统(生物发酵液过滤除菌、中药植提浸提液过滤除杂)  、卷式膜系统(流体的过滤除杂精制及浓缩)  、中空膜系统(水处理行业预处理)膜组件构型膜组件设计可以有多种形式他们均根据两膜构性设计而成:)平板构型)管式构型。板框式和卷式膜组件均使用平板膜而管状、毛细管和中空纤维膜组件均使用管式膜。原料以一定组成、一定流速进入膜组件由于其中某一组分更容易通过膜所以膜组件内原料的组成和流速均随位置变化。下图为单一膜组件系统的示意图板框式膜组件示意图卷式膜组件示意图管式膜组件示意图毛细管和中空纤维膜组件示意图毛细管膜组件与中空纤维膜组件的形式相同其差异仅在于膜的规格不同。从内向外流动式从外向内流动式膜应用概况膜并非一般人所想象的一层塑料状的东西而是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料它能把流体分隔成不相通的两部分使其中一种或几种物质透过而将其他物质分离出来。 HYPERLINK"http:wwwsuntarcomhmjczshtml" 膜无所不在无所不有。维生素C等医药产品的生产过程离不开膜我们喝的纯净水、饮料等离不开膜穿的衣服也离不开膜。膜系统及设备在生物制药、化工、石油、染料、纺织、电子、冶金、食品、饮料、环保资源再生利用等领域都派上了大用场。膜分离原理膜是两个浓度相之间具有选择性的栅栏(屏障)膜分离过程膜是每一膜过程的核心部件它可以看成是两相之间一个具有透过选择性的屏障或看作两相之间的界面膜分离过程可由下图示意相为原料或上游侧相为渗透物或下游侧。原料混合物中某一组分可以比其他组分更快的通过膜而传递到下游侧从而实现分离。膜组件构型膜组件设计可以有多种形式他们均根据两膜构性设计而成:)平板构型)管式构型。板框式和卷式膜组件均使用平板膜而管状、毛细管和中空纤维膜组件均使用管式膜。 HYPERLINK"http:wwwsuntarcomhmzjasp" 原料以一定组成、一定流速进入膜组件由于其中某一组分更容易通过膜所以膜组件内原料的组成和流速均随位置变化。 下图为单一膜组件系统的示意图 板框式膜组件示意图 卷式膜组件示意图 管式膜组件示意图 毛细管和中空纤维膜组件示意图毛细管膜组件与中空纤维膜组件的形式相同其差异仅在于膜的规格不同。从内向外流动式 从外向内流动式按孔径划分的膜类型按孔径划分的膜类型膜结构膜分离优点在常温下进行 有效成分损失极少特别适用于热敏性物质如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩无相态变化 保持原有的风味能耗极低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的无化学变化 典型的物理分离过程不用化学试剂和添加剂产品不受污染选择性好 可在分子级内进行物质分离具有普遍滤材无法取代的卓越性能适应性强 处理规模可大可小可以连续也可以间隙进行工艺简单操作方便易于自动化

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