膜分离技术的应用

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1、膜分离技术应用与展望 膜分离是在20世纪初出现，上世纪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，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。 膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。 引言 引言 大多数人会认为，膜离我们的生活非常遥远。其实不然，膜分离技术非常贴近我们的日常生活。如水、果汁

2、、牛奶、保健品、中药、茶食品、饮料、调味品等我们随时可能接触到的，都会用到膜分离技术。 随着国民经济的迅速发展，膜分离技术的应用领域不但会越来越广泛，而且其会被越来越多的人认识和接受。据初步统计，2001年全世界膜和膜组件的销售额已接近80亿美元，成套设备和膜工程的市场则已达到数百亿美元，而且每年还在以10%20%的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景。 膜分离技术的应用膜分离技术的应用 水的脱盐水的脱盐和净化和净化 食品工业食品工业 医疗、卫生方面医疗、卫生方面 化工方面化工方面 环境工程环境工程 其他方面其他方面 海水与苦海水与苦咸水淡化咸水淡化 电厂锅炉电厂锅炉供水脱盐供水脱盐 超纯水

3、制备超纯水制备 城市家庭饮城市家庭饮用水的净化用水的净化 乳品乳品加工加工 酒类酒类生产生产 果汁果汁加工加工 酶制剂酶制剂生产生产 医疗、卫医疗、卫生用水生用水 药品生产药品生产 医疗应用医疗应用 中药提炼中药提炼 回收有机蒸气回收有机蒸气 制取富氧空气制取富氧空气 无水乙醇生产无水乙醇生产 膜与生膜与生物技术物技术 国防上国防上的应用的应用 交通、交通、运输方运输方面面 脱脱气气膜膜 电泳漆电泳漆废水废水 电镀废水电镀废水 纤维纤维工业工业废水废水 造纸造纸工业工业废水废水 其他废水其他废水 应用应用 一、应用 膜分离技术在化工中的应用 膜分离技术在医药生产中的应用 膜分离技术在手性化合物

4、分离中的应用 膜分离技术在水处理及环境保护中的应用 膜分离技术在食品生产中的应用 膜分离技术在其它方面的应用 二、膜分离技术前景与展望 膜分离技术在化工中的应用 膜分离法：用天然或人工合成的高分子膜， 以外加压力或化学位差为推动力， 对双组分或多组分的溶液进行分离、分级、提纯和富集的方法，通称为膜分离法。 膜技术被认为是固液分离的新型技术，具有分离过程无相变，能耗低，效率高等优点，因此在化工生产中得到广泛应用。 利用膜分离方法提取合成氨释放气中的氢，通过二级膜分离流程，回收氢的浓度达98以上，回收的氢用于合成氨生产可增产23，加上节电等效应，因此能给企业带来明显的经济效益。 利用超滤法回收造纸

5、黑液中的木质素，能回收95.9木质素。 利用陶瓷微滤膜澄清钛白废酸，陶瓷膜对钛白废酸具有很好的澄清效果，渗透液浊度小于0.5NTU。 应用实例： 用CA(纤维素醋酸酯)钠滤膜对苯胺蓝染料水溶液进行脱盐浓缩，染料的截留率大于99.9，总脱盐率达到51，染料的浓度提高了2.76倍，回收率达到约97。 利用CA50纳滤膜对水溶性黄染料进行分离，纳滤技术能将主体染料的纯度提高20，且染料工业的经济、环境和社会效益得到了显著提高。 利用DK纳滤膜对活性黑染料进行间歇恒容渗透，在25和1 MPa条件下，经过7次80 h的过滤后，染料纯度从76提高到87以上，在提高活性黑染料产品质量的同时，还降低了后续干燥

6、工序中的能耗。 膜分离虽然在化工中得到广泛应用，但对化工生产中高温、高压、强腐蚀的介质而言，对膜材料提出了特殊要求，因此需要开发出适用化工生产范围广的膜材料；此外，化工生产一般规模较大，需要的处理量也大，所以需要研究出过滤时间长、通量大的强化膜过程。 膜分离技术在医药生产中的应用 膜分离技术在传统中药生产中的应用 膜分离技术在微生物制药中的应用 膜分离技术在传统中药生产中的应用 传统的中药提取方法 传统提取方法大多首先采用溶剂初步提取含中药有效成分的混合物，得到的各个部分经活性测试确定有效部位后再通过层析、重结晶等分离技术对药效成分进一步精制。 膜分离技术的应用 中药成分复杂且具有多元性,膜分

7、离技术依据药效活性与其分子结构及分子量水平密切相关的特性,通过选用不同截留特性的膜组件构成膜分离系统对中药有效部位和有效成分进行分离和纯化。 操作通常以压力为推动力,可在常温下完成,无需添加其它物质,具有高选择性、高产品收率等优势。产物可以是单一成分(有效成分) ,也可以是某一分子量区段的多种成分(有效部位或有效部位群) ,在一定程度上保证了中药复方的特色、克服了传统工艺的不足。 表1 10 种中药在超滤前后药液成分的测试结果 聚苯乙稀 纤维素 醋酸酯 膜分离技术在微生物制药中的应用 膜分离技术作为一种新型的分离技术，在现代生物制药分离工程中具有巨大的应用潜力，得到了广泛的发展，已经用于酶、活

8、性蛋白、氨基酸、维生素、甾体、疫苗等物质的分离纯化。而膜分离技术在抗生素提炼中的应用也是重点推广的领域之一。 抗生素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，这些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。 膜分离技术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的分离机制，适用于不同对象和要求。 抗生素的制备抗生素的制备 膜分离技术在手性化合物分离中的应用 手性是自然界的一种普遍现象，天然存在的手

9、性化合物很多，构成生物体的基本物质如氨基酸、糖类和蛋白质等也都是手性分子外消旋体药物的手性拆分目前在单一手性药物的制备上仍占有极其重要的地位手性拆分膜包括基于对映体间亲和性差异的固体膜和基于选择性萃取的液膜两大类膜分离技术具有能耗低、易于连续操作等优点，被普遍认为是进行大 规模手性拆分非常有潜力的方法之一，具有良好的应用前景 氨基酸的生物转移通常是由埋在生物膜中载体蛋白来传递的，这种转移的对映体选择性很高。很久以来，人们就希望将这种对映体转移体系用于分离技术中，通过膜分离进行旋光异构体拆分正是这种生物过程的模拟。膜拆分法又可分为液体膜拆分法和手性固定膜拆分法。前者基于选择性萃取； 后者基于对映

10、体间亲和性的差异。在各种膜技术中，选择性比较好的是适用流动载体的 液体膜方法，选择性的大小取决于所使用的载体分子的性质。载体分子通常为大分子配体化合物，如冠醚、穴状配体等。膜拆分具有低能耗、连续生产的特点，有良好的应用前 景，但是该技术的研究才刚起步。 龙远德等以-环糊精聚合物膜拆分氨基酸(DL- 苯丙氨酸、 DL-色氨酸、 DL-酪氨酸等)取得良好效果，5 种氨基酸在反应1015小时后，D-对映体与L-对映体之间的绝对量差值达到最大，色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的对映体过量值最大时分别是25.4%、20.2%和16.4%，渗透速率分别比文献报道的提高一个数量级。 Pirkle和Bowen用含有脂

11、肪酸酯或(S)-N-(1-萘基)亮氨酸的氨基化合物作为高效手性选择性载体，将中空纤维膜改为液态膜，该装置的手性选择性大于95。最近，Nakamura等用牛血清白蛋白多层有孔中空纤维膜分离了色氨酸外消旋溶液。Okamoto等人也研究了用纤维素膜来分离心得平(oxprenolol)的外消旋体溶液。另有一个非常独特的概念是Keurentjes等人提出的将逆流手性选择性液液萃取和非选择性膜相结合的方法(具体见图1)。这个技术的特点在于只要适当调整设备的长度(25 m)，在很低的手性选择率(a=1.051.2)下，也可以成功地进行分离。 膜分离技术在水处理及环境保护中的应用 高质量饮用水供给 随着水体的

12、污染和人民生活水平提高,人们越来越希望得到高质量的饮用水供给。采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水,设备投资少,制水成本低,是优质饮用水制备的经济有效方法,具有广阔的市场前景。 工业供水 自来水和地下水的水质不能满足许多化学工业、电子工业和纺织工业的要求,需要经过净化处理方可以使用,超滤膜技术是净化工业用水的重要技术之一。 医药用水 医药针剂用水是采用多级蒸馏制备的,其工艺繁琐、能耗高、而且质量常常得不到保证。用超滤膜技术除针剂热源和终端水热源,取得很好效果。 工艺水的处理(分离、浓缩、分级和纯化) 在各工业生产过程中,往往有分离、浓缩、分级和纯化某种水溶液的需求。传统用的方法是沉淀、

13、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶等过程。这些方法表现出流程长、耗能多、物料损失多、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点,以超滤膜技术取代某种传统技术可以获得显著的经济效益。 纯净水处理工艺流程图纯净水处理工艺流程图 各种含油废水及废油的处理 1.采油回注水的处理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油,提高注入水的质量。 2.含油废水的处理:许多工业生产和运输业都产生大量的含油废水,膜滤技术是达标排放最有效的方法。 3.废润滑油的纯化:用常规技术加膜分离,可得到很纯的润滑油,适用于汽车等废机油的处理。 4.机床切削油的纯化回收:膜法可除去废切削油中的细菌和杂质,处理后回用。 5.废食用油的纯化处理技术:

14、食用油在连续高温下产生致癌物质,用膜法可将这部分除去。 6.食用菜籽油的纯化:菜籽油中含有15 %48 %高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,达到标准(芥子酸5 %) 。 废水的处理及回用 1.膜生物反应器处理生活污水回用,其占地面积小,设备投资低,处理水质好。 2.印刷显影废水的处理及回用,采用膜技术处理可以达标排放,也可回收。 3.电镀废水可采用膜技术处理,水回用,污染物回槽利用。 4.印染废水采用膜分离可除去有色染料,得到的水回用。牛仔布印染废水可回收靛蓝燃料。 5.造纸废水用膜可将废水中的木质素、色素等分离出来,净化水可排放或回用。 膜分离水处理设备装置膜分离水处理设备装置 膜分离技术在食

15、品生产中的应用 对包括超滤和反渗透等膜渗过程的膜分离, 由于其具有较好地保持食品的营养, 生理活性、香气和风味, 以及低能耗等优点, 已速迅地应用于食品工业中的工艺用水处理, 低度酒澄清、果汁和茶汁的浓缩、乳清蛋白和蛋白酶的分离, 谷氨酸的浓缩等领域。 膜分离技术在低度白酒除浊中具有很大的应用前景，正在成为酿酒业的一个重要过滤技术，在去除杂质、保持品质、降低能耗、缩短处理时间方面具有较大的优势。 利用超滤膜技术把发酵液中产品和菌体分离,再采用其它方法精制流程。其优点是:生产效率和产品质量提高;简化了工艺流程;菌体蛋白不含外加杂质,利用价值高,达到资源综合利用。 膜分离技术在白酒除浊的应用 干酪

16、乳清先进行预处理，pH 值调整到5.25.9，在 7185灭菌15s。然后进行超滤分离，常用醋酸纤维素膜、聚砜膜或聚丙烯腈膜等， 截留相对分子质量2000025000，压力70700kPa。乳清蛋白被截留，截留率为95%99%，而含有乳糖和无机盐的溶液透过。利用该法乳清蛋白提得率提高近4倍,而乳糖下降40%。截留的浓缩乳清蛋白经喷雾干燥可得乳清粉，可用于配制婴儿乳粉、老人乳粉等。 透过的乳糖液再经反渗透膜回收乳糖，压力不小于1.4MPa，得到乳糖浓缩液，乳糖酶解后可生产饮料。 膜分离技术在乳清蛋白的回收的应用 膜法处理乳清膜法处理乳清 膜技术在果汁澄清中的应用膜技术在果汁澄清中的应用 澄清后的

17、果汁用反渗透法进行浓缩。采用真空浓缩，果汁容易氧化变质，但能浓缩至46 倍。用反渗透法通过只能浓缩到24 倍， 因此常用二级浓缩工艺。 第一级浓缩先用对糖截留率高的膜浓缩至23 倍，第二级再用对糖截留率的膜，让一部分溶质透过以减小渗透压，最终可以浓缩到45 倍。一般果汁浓缩限度为2530BX（糖度 )。果汁浓缩多用醋酸纤维素膜， 这种膜对醇和有机酸的截留率比较低， 随着浓缩的进行， 会有脱酸效果，增大了糖酸比。同时由于一部分醇的失去，会增加芳香感和清凉感。与蒸发法相比，膜法浓缩的果汁品质较好，特别是能保留果汁中的芳香成分。蒸发法芳香成分几乎全部散失， 速冻法也只能保存8%，而膜法可保留30%6

18、0%，且脂溶性部分比水溶性部分保留得更多。因此，膜法浓缩果汁再生后与鲜汁相比无多大差别。 膜分离技术在其它方面的应用 膜分离技术在 冶金 能源 电子 仿生 等方面也有显著的应用 二、膜分离技术前景与展望 目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取代传统的低效分离技术。但我们也应该清醒的认识到，膜分离技术许多方面还不成熟，主要面临三个方面的主要问题，即选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。 选择性问题应集中于膜材的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料。对仿生膜、高效电解质膜、分

19、子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标。 膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上。研究一种适用面广的强化膜过程分离技术，以减少膜污染、增大过滤通量、延长膜寿命。这需要将许多因素结合起来综合考虑，如选择合适的膜材，合理的膜组件设计、具有针对性的清洗和防污染方法、以及周密的工艺流程设计等方面。 (1)、技术上的发展趋势技术上的发展趋势 从技术上看,虽然膜分离已经获得了巨大的进展,但是它毕竟还只是一门年轻的发展中的新技术,目前在技术上已经达到比较成功的膜分离过程还是少数,多数膜分离过程还处在探索和发展阶段,具体可概括为下列四点。 、新的膜材料和膜工艺的研究开

20、发新的膜材料和膜工艺的研究开发 为了进一步提高膜分离技术的经济效益,增加竞争能力,扩大应用范围,要求降低膜成本,提高膜性能,具有更好的耐热、耐压、耐酸、耐碱、耐有机溶剂、抗污染、易清洗等, 这些要求推动了膜材料和膜工艺研究开发。 A、 高聚物膜高聚物膜 在今后相当长的一段时期内,高聚物仍将是分离膜的主要材料。其发展趋向是开发新型高性能的高聚物膜材料,加强研究使膜皮层“超薄”和“活化”的技术。 B、无机膜、无机膜 由于存在不可塑、受冲击易破碎、成塑差以及价格较贵等缺点,一直发展较慢。无机膜今后的发展方向是研究新材料和新的制膜工艺。 C、生物膜、生物膜 与高聚物膜在分子结构上存在巨大差异。高聚物膜

21、是以长链状大分子为基础;生物膜的基本组成为脂质、蛋白质和少量碳氢化合物。生物膜具有最好的天然传递性能,具有高选择性、高渗透性的特点。但近几年来研制的合成生物膜都不稳定,寿命很短。今后的发展趋势是制造出真正能在工业上实际应用的生物膜。 、开发集成膜过程和杂化过程、开发集成膜过程和杂化过程 、开发膜分离与传统的分离技术相结合的新型膜分、开发膜分离与传统的分离技术相结合的新型膜分离过程离过程 、开发膜分离与反应过程相结合的膜反应过程、开发膜分离与反应过程相结合的膜反应过程 (2)(2)、应用上的发展趋势、应用上的发展趋势 目前,虽然膜分离技术已经在许多领域得到应用,但是在各行各业的应用还有很多方面尚

22、待开发。例如:膜技术在人工器官中的应用、在传感器上的应用、在生物反应器上的应用等。 即使是比较成熟的应用领域(如食品工业)也能开发出新的应用。下表即为在食品工业中膜技术有可能应用的范围。 总之，膜技术的前景十分广泛，发展潜力很大，是一个值得重点研究的方向。 参考文献： 刘自力. 膜分离技术反渗透和超滤在食品生产中的应用（上） J. 2009-01-070 郭立玮. 中药膜分离领域的科学与技术问题. 南京中医药大学植物药深加工工程研究中心J. 何志礼.膜分离在食品工业中的应用性研究与展望J. 成都大学轻化工系成都 戴荣继，苏彩莲，佟斌，孟薇薇. 膜拆分法分离制备手性药物J .北京理工大学.生命科学与技术学院,材料科学与工程学院，北京100081 郭士岭,任国宾，詹予忠. 手性拆分技术进展J .郑州大学化工学院