膜分離技術(shù)和其具體應(yīng)用

1、膜分離技術(shù)和其具體應(yīng)用膜分離發(fā)展過程和趨勢可用？高增長低增長透析微濾超濾反滲透電滲析控制釋放氣體分離滲透汽化雙極膜液膜膜反應(yīng)器閘膜活化傳遞微濾 10m：細菌、煤灰、發(fā)酵細胞、顏料、蛋白等超濾 m：蛋白、顏料、多糖、大分子納濾 0.005m：低聚糖、染料、多價離子反滲透0.001m：電解質(zhì)、大于100Da的有機溶質(zhì)水、小于100Da的有機溶質(zhì) 膜的適用范圍膜料液水小分子大分子滲透液定義：具有選擇性分離的功能薄膜材料。 “21世紀的多數(shù)工業(yè)中，膜技術(shù)扮演著戰(zhàn)略的角色”“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了21世紀的未來”膜的簡介報告內(nèi)容膜技術(shù)簡介 發(fā)展歷史 專業(yè)術(shù)語 應(yīng)用實例典型膜過程 反滲透 超濾 微濾陶

2、瓷膜技術(shù) 膜的發(fā)展歷史1748年Abble Nelkt 發(fā)現(xiàn)水能自然地擴散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，首次揭示了膜分離現(xiàn)象；1827年Dutrochet引入名詞滲透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超濾概念；1864年Traube成功研制了人類歷史上第一張人造膜（亞鐵氰化銅膜）1918年Zsigmondy提出了商品微濾膜的制備方法，并將其應(yīng)用于微生物、微粒等方面的分離和富集；1950年W.Juda成功研制了第一張具有實用價值的離子交換膜；1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一張不對稱的醋酸纖維素反滲透膜，導致了膜分離技術(shù)進入了實用和裝置的研制階段；1967年以后在美國、丹

3、麥、日本等國出現(xiàn)了多家膜及其組件的生產(chǎn)廠家，逐漸開始了膜分離技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用。我國1958年開始研究離子交換膜和電滲析，1966年開始研究RO、UF、MF、液膜、氣體分離等膜分離過程應(yīng)用與開發(fā)研究。80年代后期又陸續(xù)開展了滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾和膜反應(yīng)等新膜過程的研究，并著手進行膜技術(shù)的推廣應(yīng)用工作。國內(nèi)主要的膜研究和推廣單位：1）氣體分離：大連化學物理研究所（天邦膜公司）2）液體分離：杭州水處理技術(shù)中心（西斗門公司） 天津紡織工學院（膜天公司）3）無機膜：南京工業(yè)大學（久吾高科） 中國科技大學 膜的發(fā)展歷史 膜的發(fā)展歷史膜的簡介特征：具有選擇性分離的功能薄膜材料，以及以其為核心的裝置、過程、

4、工藝的集成與應(yīng)用特點：無相變、低能耗 高效率、污染小工藝簡單、操作方便便于與其它技術(shù)集成濃縮液進料液滲透液膜的分類膜的適用范圍分離對象的粒徑分布膜元件 膜元件膜分離的形式錯流過濾 終端過濾 污染嚴重錯流過濾污染輕膜過程的一些術(shù)語膜過程的一些術(shù)語錯流過濾 錯流過濾的優(yōu)點：(1)便于連續(xù)化操作過程中控制循環(huán)比；(2)流體流動平行于過濾表面，產(chǎn)生的表面剪切力帶走膜表面的沉積物，防止污染層積累，使之處于動態(tài)平衡，從而有效地改善液體分離過程，使過濾操作可以在較長的時間內(nèi)連續(xù)進行；(3)錯流過濾所產(chǎn)生的流體剪切力和慣性舉力能促進膜表面的溶質(zhì)向流體主體的反向運動，提高了過濾速度。膜過程的一些術(shù)語膜過程的一些

5、術(shù)語通量：在一定操作條件下，單位時間通過單位面積膜的體積流量。單位L/m2.h選擇性：將混合物總的組分分離開來的能力。1）液體分離的選擇性常用截留率表示： R1Cp/Cf2）氣體分離或有機溶劑混合物的分離常用分離因子表示選擇性：A/B(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示滲透側(cè)各組分的濃度，x表示原料側(cè)的濃度。當A/B等于1，表示無法實現(xiàn)分離目的，大于1表示A組分通過膜的速度大于B組分。通量衰減系數(shù)m：由于過程的濃差極化、膜的壓密、膜污染等的影響，使得通量隨時間的變化膜過程的一些術(shù)語膜過程的一些術(shù)語推動力： 1）對多孔膜而言，在對流流動的情況下，傳質(zhì)推動力是膜兩側(cè)的壓力差。 膜壓降：P1-

6、P2，是由于流體流動引起的。 2）對致密膜而言，推動力為膜兩側(cè)的化學勢之差。P1P2P3P（P1P2）/2P3膜過程的一些術(shù)語濃差極化：在膜分離過程中，一部分溶質(zhì)被截留，在膜表面及靠近膜表面區(qū)域的濃度越來越高，造成從膜表面到本體溶液之間產(chǎn)生濃度梯度，這一現(xiàn)象稱為“濃差極化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 濃差 膜層 滲透側(cè) 極化層 極化層傳遞阻力：1）膜阻Rm:與膜本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包含膜層到支撐層的傳遞阻力；2）濃差極化阻力Rc：由于被截留組分在膜面濃度的增大而引起的；3）推動力的損失：進料側(cè)和滲透側(cè)的壓力損失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分對膜產(chǎn)生吸附、堵塞、以及沉積等現(xiàn)象而引起的。膜過

7、程的一些術(shù)語Rm 膜管本身阻力Ri 膜孔內(nèi)污染阻力 Rg 凝膠層阻力Rc 濃差極化阻力膜污染膜污染阻力的概念模型 膜過程的一些術(shù)語膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞，這與膜孔結(jié)構(gòu)、膜表面的粗糙度、溶質(zhì)的尺寸和形狀等有關(guān)。化學污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質(zhì)的荷電性、親水性、溶解度等有關(guān)。 膜的用途濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物）純化

8、：除去雜質(zhì)；分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；反應(yīng)促進：把化學反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。膜的應(yīng)用從20世紀初到20世紀90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實驗室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護、化工與石油化工、電子、冶金、國防等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過百億美元，正以年30的速度遞增著。膜的應(yīng)用膜海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質(zhì)利用能源水資源傳統(tǒng)工業(yè)生態(tài)環(huán)境除塵CO2 控制制 藥食 品化工與石化電 子冶 金燃料電池潔凈燃燒膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用舉例金屬工藝金屬回收；污染控制；富氧燃燒 紡織及制革工業(yè)余熱回收；藥劑回收；

9、污染控制造紙工業(yè)代替蒸餾；污染控制；纖維及藥劑回收食品及生化工業(yè)凈化；濃縮；消毒；代替蒸餾；副產(chǎn)品回收化學工業(yè)有機物除去或回收；污染控制；氣體分離；藥劑回收和再利用醫(yī)藥及保健人造器官；控制釋放；血液分離；消毒；水凈化水處理海水、苦咸水淡化；超純水制備；電廠鍋爐用水凈化；廢水處理國防工業(yè)艦艇淡水供應(yīng)；戰(zhàn)地醫(yī)院污水凈化；低放射性水處理；野戰(zhàn)供水膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開發(fā)膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率1580倍滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的4080% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇

10、93 wt%乙醇99.8 wt%乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纖維素發(fā)酵蒸餾蒸餾脫水透醇膜60 wt%乙醇99.8 wt%乙醇透水膜傳統(tǒng)過程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級閃蒸能耗(kWh/m3)3.5710國家或地區(qū)沙特中國長海中國長島中國滄化設(shè)備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75產(chǎn)水成本RMB/m34.886.695.131.83反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本 幾種分離方法

11、能耗比較膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置膜法自來水廠巴黎瓦茲河梅里市14萬立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬居民提供14萬噸飲用水典型膜應(yīng)用過程 反滲透滲透與反滲透的區(qū)別： 滲透是水通過 半透膜，從低溶質(zhì)濃度一側(cè)到高溶質(zhì)濃度一側(cè)，直到兩側(cè)的水的化學位達到平衡。而反滲透是在推動力作用下，溶劑（水）從高溶質(zhì)濃度一側(cè)到低溶質(zhì)濃度一側(cè)，克服的是滲透壓。滲透壓的 計算： 理想水溶液滲透壓RTCsi 實際溶液iRTCsi Csi是溶質(zhì)的濃度，mol/cm3典型膜應(yīng)用過程 反滲透 半透膜純水鹽水純水鹽水純水鹽水hPA、滲透B、滲透平衡C、反滲透滲透、平衡滲透、反滲透示意圖典型膜應(yīng)用過程

12、 反滲透一般而言，無機鹽溶液的滲透壓很高，含1g/l氯化鈉的天然水，滲透壓為，含35g/l氯化鈉的海水，滲透壓為。反滲透是以壓力差為推動力的分離操作，其功能是截留離子物質(zhì)而僅透過溶劑。反滲透不是滲透的逆過程，兩者同樣是在等溫條件下溶劑從高化學位到低化學位的遷移過程。反滲透將料液分成兩部分：透過膜的是含溶質(zhì)很少的溶劑，稱為滲透液；未透過膜的液體，溶質(zhì)濃度增高，稱為濃縮液。1784年Abble Nollet用豬膀胱作透過試驗，發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象；1953年提出用反滲透法淡化海水的方案；1960年Loeb 和制成第一張非對稱結(jié)構(gòu)的醋酸纖維素膜，反滲透技術(shù)進入實用化階段。反滲透過程可以分為三類： 高壓反滲透

13、（）， 低壓反滲透（）， 納濾（）。典型膜應(yīng)用過程 反滲透分離機理反滲透膜上的微孔孔徑約為 2nm，而無機鹽離子的直徑僅為，水合離子的直徑為，明顯小于孔徑，無法用分子篩分原理來解釋分離現(xiàn)象。提出了優(yōu)先吸附毛細管流動模型來解釋非荷電膜的分離；荷電膜分離機理著重考慮的是膜與分離對象之間的Donnan效應(yīng)。溶解擴散模型：膜是無孔的“完整的膜”典型膜應(yīng)用過程 反滲透膜低壓滲透側(cè)Jw=水通量Cw=滲透液溶質(zhì)濃度Qp滲透流量JwACr截留液中溶質(zhì)濃度Qr截留液流量高壓側(cè)p-膜的推動力Cb主體溶質(zhì)濃度Cm膜面溶質(zhì)濃度供料截留液滲透液Qi=進料流量Ci=溶質(zhì)濃度反滲透過程示意圖反滲透過程用三個參數(shù)來評價：R表

14、觀截留率1-Cw/CiJw=滲透通量單位面積上的滲透流量r回收率間歇系統(tǒng)：r= Jw A t / V連續(xù)系統(tǒng)：r= Jw A /Qi典型膜應(yīng)用過程 反滲透反滲透膜：高操作壓力：310MPa；要求膜必須有高透水率，高脫鹽率；耐一定的酸堿、耐微生物、耐壓密；必須滿足工藝要求、性質(zhì)穩(wěn)定，能長期使用。形狀：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纖維膜主要膜材料：醋酸纖維素、芳香聚酰胺、聚砜膜組件反滲透過程的經(jīng)濟性和應(yīng)用性，取決于各種廉價的反滲透膜組件。主要有：管式、板式、中空纖維、卷式卷式組件的銷售占反滲透市場總量的70，中空纖維組件占26，管式、板框組件的銷售量較小。組件必須滿足：1）機械強度：必須承受高壓，

15、及周期性的減壓與膜清洗；2）水力性能好：組件設(shè)計必須使膜的污染和濃差極化最??；3）經(jīng)濟性：組件壽命必須長；4）制造費用低，易于替換。典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 反滲透過程設(shè)計1、原則：設(shè)計變量：組件的流體力學和流速、水的特性（溶質(zhì)濃度和擴散性、滲透壓、粘度等）、操作壓力、水回收率、污染指數(shù)。設(shè)計過程中應(yīng)考慮因素：1）溶液變量：懸浮固體、可溶性無機物、微生物、可溶性有機物、有機溶劑、氧化性化學試劑、溫度、pH2）最低預處理要求 SDI53）膜的變量：膜材料和組件形式、組件中的流速、壓力降、說回收率和濃度、最小運行通量和最大通量、組件排列、清洗

16、要求4）膜與其他過程的結(jié)合；5）膜的性能隨長期運行會發(fā)生變化，隨時間的延長，通量和脫鹽率發(fā)生明顯的變化，一般膜的壽命35年；典型膜應(yīng)用過程 反滲透2、料液預處理每個反滲透系統(tǒng)都包含了一定程度的供料預處理系統(tǒng)。其目的為：延長膜的壽命、防止膜污染、保持系統(tǒng)的去除率和回收率。與預處理相關(guān)的投資成本和操作費用占總生產(chǎn)成本的50。預處理程度取決于：膜組件的類型、料液組成、系統(tǒng)要求達到的性能。預處理的方法：1）防止化學損傷膜的預處理供給水的氯濃度和pH會對膜產(chǎn)生化學損傷。聚酰胺類膜不耐氯，醋酸纖維素特別要控制pH，在pH7的條件下水解特別快。脫氯常用方法：a、用NaHSO3處理；b、炭過濾c、用SO2氣體

17、處理。pH的調(diào)整一般用H2SO4或NaOH典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 反滲透脫鹽裝置的共同單元：供給水吸入系統(tǒng)預處理系統(tǒng)反滲透膜產(chǎn)品水后處理動力回收系統(tǒng)水源供水泵預處理系統(tǒng)高壓泵反滲透膜單元后處理系統(tǒng)分配汽提、消毒能量回收系統(tǒng)濃液排放典型脫鹽系統(tǒng)單元可降低能耗2540沖擊式水輪泵反轉(zhuǎn)泵典型膜應(yīng)用過程 反滲透海水氯氣FeClSO4陽離子聚電介質(zhì)攪拌槽絮凝槽重力過濾器活性炭過濾器氯氣m筒式過濾器阻垢劑 加酸（H2SO4）去膜組件海水淡化預處理系統(tǒng)m筒式過濾器去膜組件深進水加酸阻垢劑軟化水處理中的預處理典型膜應(yīng)用過程 反滲透濃縮液4段滲透液3段滲透液1段滲透液2段滲透液產(chǎn)品水高水回收率的反

18、滲透級聯(lián)工藝典型膜應(yīng)用過程 反滲透應(yīng)用1、海水和苦咸水淡化2、廢水和有害廢水的處理工業(yè)廢水市政廢水3、化學加工工業(yè)的應(yīng)用電鍍和金屬拋光工業(yè)造紙工業(yè)紡織工業(yè)石油工業(yè)電力工業(yè)4、食品加工工業(yè)的應(yīng)用水處理產(chǎn)品回收濃縮和脫水分餾5、地下水和地表水的處理6、納濾的應(yīng)用廢水處理產(chǎn)品脫鹽濃縮典型膜應(yīng)用過程 反滲透反滲透過程已成功使用30多年，據(jù)統(tǒng)計，在全世界所有淡化過程生產(chǎn)11.5106m3/d的飲用水中，反滲透占23.4%。優(yōu)點：能耗和投資運行費用低，占地小，設(shè)備腐蝕輕，易建造、操作、維修，建廠時間短。海水淡化在沙特至少有6套，產(chǎn)水230057000 m3/d，苦咸水淡化13套，350053000 m3/

19、d。典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 反滲透典型膜應(yīng)用過程 超濾定義超濾膜是按分子大小而去除的壓力推動膜過程。一般孔徑 為2 50nm，能夠截留分子量300 500000道爾頓的物質(zhì)。一般物質(zhì)的大小相差10倍時，分離效果最佳。所能除去的物質(zhì)包括糖、生物分子、高分子聚合物、膠體物質(zhì)。超濾的一般操作壓力為 2 5bar。切割分子量 （MWCO）： 膜具有90%以上截留率的最小分子量物質(zhì)。銳截留孔徑分布窄，散截留孔徑分布寬。同分子量的不同溶質(zhì)分子，如球形蛋白（白蛋白）、帶支鏈的多糖（葡聚糖）、線性柔性分子（聚乙二醇），會表現(xiàn)出不同的截留性質(zhì)。有關(guān)分子量與分子大小、截留分子量與膜孔徑之間的關(guān)系報道

20、不多。缺點：不能獲得膜結(jié)構(gòu)性能的定量數(shù)據(jù)；測定結(jié)果的影響因素多，測定結(jié)果不唯一。典型膜應(yīng)用過程 超濾操作壓力0滲透通量 純?nèi)軇?高流速料液低流速料液AA通量與操作壓力之間的關(guān)系膜嚴重污染分離機理膜對溶質(zhì)的截留作用是由于：在膜表面及微孔內(nèi) 的吸附 （一次吸附）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面的機械截留（篩分）。其中一次吸附和阻塞是與膜與溶質(zhì)之間的相互作用、溶質(zhì)濃度、操作條件有很大關(guān)系的。就膜本身而言還是篩分作用為主。典型膜應(yīng)用過程 超濾0時間滲透通量溶劑濃差極化控制嚴重污染滲透通量隨時間的變化將超濾過程分成三個階段： 最初幾秒種：形成準穩(wěn)定態(tài)濃度極化層； 110min：溶質(zhì)吸附； 長時間：凝膠

21、截留率隨污染而提高通常歸于膜面膠體層的篩分作用和毛細孔徑減小。增加壓力即增加截留率，原因是克服滲透壓或凝膠層的壓密作用。pH通常影響吸附過程從而影響滲透通量。典型膜應(yīng)用過程 超濾超濾膜及組件常用超濾膜材料聚合物：聚砜、聚醚砜、醋酸纖維素、再生纖維素、聚酰胺、聚片氟乙烯、聚丙烯腈無機材料：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、硼硅玻璃、熱解碳、鋯/不銹鋼、鋯/碳卷式組件：疏松纏繞組件、清潔流道網(wǎng)（標準螺旋式組件）板框式組件：料液側(cè)壓力520bar，流道為的能耗比的能耗高2040；中空纖維：，其內(nèi)徑必須是需過濾系統(tǒng)中最大粒徑的10倍；陶瓷膜：蜂窩狀組件，單管組件，圓盤式組件。典型膜應(yīng)用過程 超濾典型膜應(yīng)用過程

22、超濾典型膜應(yīng)用過程 超濾膜組件典型膜應(yīng)用過程 超濾膜污染及清洗的方法 根據(jù)污染物的化學性質(zhì)，開發(fā)清洗劑；確定清洗方法：低壓高速清洗、脈沖清洗、化學清洗等清洗劑：表面活性劑、酸、堿、氧化劑、絡(luò)合劑等 用草酸、檸檬酸或EDTA等配制的清洗液可以從膜上除去金屬氧化物沉淀； 加酶洗滌劑對有機物，特別是蛋白質(zhì)、多糖類和油脂類污染物有較好的清洗效果。 雙氧水溶液對有機物也有良好的洗滌效果。 如果在膜的微孔中有膠體堵塞，則可以利用分離效率極差的物質(zhì)，如尿素、硼酸、醇等作清洗劑，這些物質(zhì)易于滲入細孔而達到清洗的目的。 典型膜應(yīng)用過程 超濾操作方式批式濃縮：全循環(huán)、部分循環(huán)供料排放全過濾供料槽供料泵調(diào)節(jié)閥滲透液

23、全循環(huán)V0C0=VtCt+A0tJ(t)Cp(t)dtRi=1-Cp/Cr VCF=V0/VrCr=C0(VCF)Ri典型膜應(yīng)用過程 超濾 供料槽供料泵調(diào)節(jié)閥部分循環(huán)滲透液循環(huán)泵1、全循環(huán)設(shè)備簡單，一般在試驗研究中采用，泵的費用高；2、部分循環(huán)的供料泵提供操作壓力（小流量，高揚程），循環(huán)泵提供膜面流速（大流量，低揚程）排放供料槽滲透液R1R2P2P1兩級連續(xù)操作方式Qn-1=An-1Jn-1+Qn供料排放典型膜應(yīng)用過程 超濾應(yīng)用牛奶中的應(yīng)用：牛奶脫脂、蛋白預濃縮、降低乳糖含量果汁澄清：替代離心過濾、果膠酶處理、用硅藻土預涂地真空過濾等，果汁產(chǎn)量高。發(fā)酵液處理：回收抗生素等排放液處理：造紙工業(yè)回

24、收磺化木質(zhì)素、脫油、脫脂等。典型膜應(yīng)用過程 超濾頭苞霉素C的回收石油化學和食品工業(yè)的萃取過程，用超濾回收溶劑；例如從重碳氫化合物中分離低碳氫化合物；在天然產(chǎn)品和醫(yī)藥用產(chǎn)品的潛在應(yīng)用是將產(chǎn)品生產(chǎn)和超濾分離相結(jié)合；如將超濾與酶糖化作用結(jié)合，生產(chǎn)葡萄糖。與化學絡(luò)合反應(yīng)結(jié)合，生產(chǎn)生物活性物質(zhì)。發(fā)酵液MFUFRO低TDS滲透液HPLC純化的抗生素蛋白質(zhì)、色素去除細胞收集MF：微米UF：1萬分子量RO：聚酰胺反滲透膜典型膜應(yīng)用過程 超濾過程的經(jīng)濟性：膜組件和有關(guān)設(shè)備的成本費；膜組件替換費；化學清洗劑費；能量使用費；勞力費；折舊費。典型膜應(yīng)用過程 超濾典型膜應(yīng)用過程 微濾微濾：當壓力推動流體透過膜或其他過濾

25、介質(zhì)，從流體中分離微米大小的粒子時，這個過程為微濾?？讖剑?.0510m；滲透壓可以忽略，推動力為0.15bar表面過濾：粒子的尺寸比過濾介質(zhì)的尺寸大，粒子以其幾何形狀被阻擋，不能進入和通過膜，這種篩濾機理稱為表面過濾。深度過濾：粒子的尺寸比過濾介質(zhì)的尺寸小，粒子能進入過濾介質(zhì)，并粘附在其上，被除去。典型膜應(yīng)用過程 微濾 錯流過濾與常規(guī)微過濾常規(guī)微濾是指滲透液受壓而垂直通過過濾介質(zhì)，所有大于孔徑的粒子被截留。表面過濾和深度過濾膜堆積層時間時間常規(guī)過濾錯流過濾濾餅厚度通量典型膜應(yīng)用過程 微濾膜及系統(tǒng)1、膜膜材料：有機物、聚合物、陶瓷膜結(jié)構(gòu)：均質(zhì)、不對稱、復合膜制作方法：相轉(zhuǎn)化法、粒子燒結(jié)、示蹤蝕

26、刻形狀：平板、中空纖維、管式和多通道支撐膜和非支撐膜疏水膜和親水膜表面電荷：帶電荷和不帶電荷的膜典型膜應(yīng)用過程 微濾2、膜的性能特征截留率滲透率廢物處置量和產(chǎn)量耐化學性表面能和潤濕行為溫度極限機械強度清洗性吸收性典型膜應(yīng)用過程 微濾3、過濾系統(tǒng)設(shè)計中還需提出的關(guān)鍵問題：a、需要達到的要求：料液是否要澄清、殘留液是否回收？B、能夠達到設(shè)計目標的競爭技術(shù)是什么？C、完成這一分離的可預見的附加值？D、對于大于某一尺寸的懸浮物是否需要進行絕對分離？E、產(chǎn)品質(zhì)量和過程的可靠性的定位問題？F、產(chǎn)量大小及運行時間？G、安裝和操作系統(tǒng)的投資限制情況？典型膜應(yīng)用過程 微濾終端微濾的應(yīng)用1、制藥溶液的消毒2、飲料

27、的澄清60年代初，聚合物膜在啤酒業(yè)得以應(yīng)用，90以上應(yīng)用于啤酒、果汁飲料、礦泉水等過程中。3、半導體生產(chǎn)工業(yè)中液體的純化氣體過濾器：去除氣體中的微粒和膠體、菌體等超純水生產(chǎn)中預處理和最終供水4、選擇性分析應(yīng)用消毒過濾的目的：a、最終消毒，即熱敏感制藥產(chǎn)品細菌的總?cè)コ籅、降低細菌含量，以保持注射液組分中熱源的低含量；c、去除注射液中無機和有機粒子，去除在加工過程中產(chǎn)生的帶懸浮粒子的氣體?？蓱?yīng)用的領(lǐng)域：1）一般服務(wù)：注射用水、氣體、蒸汽的除菌；2）合成非經(jīng)腸道藥；典型膜應(yīng)用過程 微濾3）眼藥水；4）發(fā)酵產(chǎn)品：抗生素、疫苗、生物工程蛋白質(zhì)；5）血漿和血清的處理。過濾器選擇的標準典型膜應(yīng)用過程 微濾

28、典型膜應(yīng)用過程 微濾典型膜應(yīng)用過程 微濾典型膜應(yīng)用過程 微濾典型膜應(yīng)用過程 微濾生物方面的主要應(yīng)用液相澄清：抗生素發(fā)酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白質(zhì)液澄清、酵母溶菌液澄清固相回收：連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵的細胞回收、菌細胞的收獲和沖洗、網(wǎng)狀菌絲體的濃縮、酵母濃縮抗生素的澄清陶瓷膜過濾：膜面流速2.5 4 m/s,操作壓力35bar,回收率大于95%。過濾純化最終產(chǎn)品分離典型分離過程MF離心硅藻土過濾離子交換吸附溶劑萃取等電沉淀液液萃取分級沉淀色譜分離結(jié)晶噴霧干燥冷凍干燥發(fā)酵產(chǎn)物的下游處理分離典型膜應(yīng)用過程 微濾無機膜簡介： 發(fā)展 無機膜的研究始于 1940年，到目前經(jīng)歷了三個階段：1、第一階段始于二戰(zhàn)時期

29、的Manhattan計劃，當時采用多孔陶瓷材料進行鈾同位素的分離富集。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)，采用無機膜富集鈾已不具備技術(shù)上的優(yōu)勢，所以其逐漸退出了這一領(lǐng)域的競爭。（氣體擴散分離階段、軍工階段）2、自80年代，無機膜進入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，相繼開發(fā)出工業(yè)用無機微濾膜和無機超濾膜及其組件，代替高分子膜在其無法使用的苛刻條件下使用。2004年市場將達到100億美元。（進入了民用工業(yè)的快速發(fā)展階段）3、進入90年代，由于無機膜優(yōu)異的性能及材料科學的發(fā)展，新的膜材料、新的制膜技術(shù)日益得到發(fā)展。此后進入了膜反應(yīng)研究的高速發(fā)展期。無機膜簡介： 特點 與有機膜相比1、耐高溫：無機膜的使用溫度可高于400，甚至可達80

30、0，因此特別適合于高溫操作產(chǎn)物的直接分離或人為提高溫度，以用于高粘度流體的分離；另外用于食品和生物工程領(lǐng)域時可直接高溫蒸汽清洗和滅菌。2、化學穩(wěn)定性好：無機膜能耐酸堿、耐有機溶劑，適用于較寬的pH范圍，因此可在強腐蝕性介質(zhì)中使用，并可采用化學試劑進行清洗；另外無機膜可用于非水溶液體系的分離。3、機械強度高：無機膜特別是分離膜一般以載體膜形式制備，其機械強度遠高于有機膜，因此可在較高壓力下使用，膜組件及膜微孔不會產(chǎn)生變形和損壞；還可以高壓反沖進行再生。4、抗微生物能力強：一般不與微生物發(fā)生作用，本身無毒，不污染被分離體系，因此用于食品、生化領(lǐng)域有獨特的優(yōu)勢。5、無機膜具有孔徑分布范圍較窄、分離效

31、率。6、缺點：造價較高，裝填面積較小，運行費用偏高無機膜簡介： 特點平均孔徑：100nm50nm20nm陶瓷膜的孔徑分布圖無機膜簡介：分類與現(xiàn)狀無機膜粗孔膜50nm微孔膜2nm致密膜微濾膜超濾膜納濾膜滲 透蒸發(fā)膜反滲透膜氣體分離膜金屬及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜 250nm無機膜集成過程陶瓷膜在液相分離領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀在食品工業(yè)中的應(yīng)用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒類、果汁飲料、調(diào)味品等料液的澄清、濃縮除菌。 在環(huán)保行業(yè)中的應(yīng)用：以廢水、廢液的處理為主，主要用于含油廢水的處理以及化工、石油化工中生產(chǎn)廢液處理，其目標是回收水中有用成分，使處理后的水循環(huán)利用或達標排放。在生物與制藥工業(yè)中

32、的應(yīng)用：這是一個新的增長點，主要涉及下游細胞回收、發(fā)酵液澄清、產(chǎn)品凈化等諸多方面，另外酶膜反應(yīng)器、膜傳感器等也是研究熱點。在食品工業(yè)中的應(yīng)用在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用牛奶的微濾除菌、乳清濃縮、酸奶處理等 果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用 主要在蘋果汁、獼猴桃汁等生產(chǎn)中已實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。釀酒工業(yè)中的應(yīng)用 無菌低溫啤酒生產(chǎn)、啤酒罐底液處理等工業(yè)已規(guī)模應(yīng)用以及在葡萄酒生產(chǎn)中的應(yīng)用。在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用牛奶MFUFRO脂肪和細菌脫脂牛奶UF截留物UF滲透物RO濃縮物水高脂奶油飲料生產(chǎn)奶酪特殊奶制品全蛋白乳糖生產(chǎn)發(fā)酵食品和非食品生產(chǎn)蒸發(fā)干燥全奶粉奶罐運輸特殊奶品脫脂奶200m3/d固含量蛋白質(zhì)乳糖4.7%灰份預處理UF滲透液167

33、m3/d乳糖灰份RO滲透液122m3/dBOD500g/m3排放陰溝濃縮液45m3/d乳糖17.4%灰份2.6%動物飼料濃縮液33m3/d固含量蛋白質(zhì)21.2%乳糖4.7%灰份奶酪前體46T/d固含量42%添加劑奶油酵母凝乳素青霉素奶酪生產(chǎn)奶酪40T/d固含量47.5%蛋白質(zhì)16.9%UF巴氏殺菌脫脂乳生產(chǎn)奶酪在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用原奶MF脫脂奶UF混合巴氏殺菌 均相化PROCAL奶飲料奶油滲透液超濾法生產(chǎn)飲料奶在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用乳清MF澄清乳清UFUF滲透物RONFEDEDNFRO乳清蛋白濃縮物蛋白質(zhì)分級膜生物反應(yīng)器肽濃縮乳糖膜生物反應(yīng)器燃料化學物質(zhì)脂肪、酪蛋白脫鹽乳清濃縮乳清各種乳清蛋白乳清處

34、理水在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用蘋果汁生產(chǎn) 裝置膜面積：220m2 處理量：17m3/h 全自動控制 運行通量優(yōu)于國外裝置 產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于國外裝置 果汁廠陶瓷膜工程在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用葡萄果漿榨汁未發(fā)酵葡萄汁微濾1擠壓葡萄汁發(fā)酵生酒微濾2準備上市的酒葡萄果漿榨汁未發(fā)酵葡萄汁擠壓作用（亞硫酸鹽處理，冷凍，離心）擠壓葡萄汁發(fā)酵生酒澄清（整理，過濾）化學穩(wěn)定作用：冷凍生物穩(wěn)定作用：巴氏殺菌裝瓶 準備上市的酒A：傳統(tǒng)工藝 B：膜工藝傳統(tǒng)葡萄酒工藝與膜技術(shù)過濾工藝比較在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用未濾啤酒離心沉降預澄清發(fā)酵硅藻土過濾板框過濾終端過濾器滅菌過濾器發(fā)酵未濾啤酒離心沉降預澄清錯流微濾制成

35、無菌濾液啤酒過濾在環(huán)保工業(yè)中的應(yīng)用在含油廢水處理中的應(yīng)用油田回注水、金屬表面切削液、冷軋乳化液、清洗液廢水等 在化工及石化廢水處理中的應(yīng)用 主要用于回收化工廢水中的貴重金屬及其氧化物等。在其它工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用 造紙工業(yè)的黑水和白水處理、紡織廢水中PVA回收等。上海寶鋼集團公司冷軋線設(shè)備處理能力為：6萬m3/年，油截留率大于，水回用率大于90，回收油120噸/年設(shè)備折舊費用 （元）3.3918能耗費用 （元）1.559人工費用 （元）0.691.4維修 （元）0.271.0清洗劑費用（元）0.224.0油回收費（元）2.252.25水回收費（元）0.90(水質(zhì)不穩(wěn)定)項目國產(chǎn)陶瓷膜（元/m3

36、)進口有機膜（元/m3)總費用 （元）2.9731.15說明 1：年處理10萬噸冷軋乳化液廢水設(shè)備，采用國產(chǎn)陶瓷膜300萬元人民幣（武鋼），進口有機膜設(shè)備200萬美元（寶鋼，1988年），成本僅是其1/10。 2：有關(guān)數(shù)據(jù)來源于上海寶鋼集團設(shè)計院。鋼鐵冷軋乳化液廢水處理回用技術(shù)在生化與制藥工業(yè)中的應(yīng)用在發(fā)酵液除菌中的應(yīng)用乳酸、核酸、青霉素G等提取 在中成藥生產(chǎn)中的應(yīng)用 主要用于替代醇沉工藝，除去煎煮液中的雜質(zhì)，研究處于起步階段等。在血漿分離中的應(yīng)用 已被證實是可行的方法，但國內(nèi)尚未開展研究。膜技術(shù)用于中藥精制陶瓷膜的優(yōu)勢：1、煎煮液無需冷卻可直接過濾，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)；2、膜的再生方便，除菌徹底,

37、膜本身可直接高溫滅菌；3、無論中藥水提液性質(zhì)如何,對膜本身沒有影響；4、對中藥有效成份基本無截留；5、口服液生產(chǎn)，放置時間顯著延長，無瓶底沉淀物；6、制片劑或粉劑時，賦型劑用量比醇沉法減少1/3；7、對水提液和醇提液均可適用；8、對單方和復方中藥均可適用。膜技術(shù)用于中藥精制傳統(tǒng)中藥精致工藝(醇沉法)。工藝復雜，成本高、生產(chǎn)周期長，水溶性有效成分損失大洗凈蒸發(fā)煎煮除雜醇沉乙醇回收蒸發(fā)濃縮膜過濾膜濃縮產(chǎn)品保留率()氧化苦參堿苦參總黃酮醇沉66.0254.77微濾79.7277.23注：中藥苦參水醇沉與微濾比較陶瓷分離膜取代醇沉過程的中藥提取新工藝黃芪單方微濾與醇沉之成分損失率、固形物去除率、濁度降

38、低率比較樣品號樣品成分損失率（%）固形物去除率（%）濁度降低率（%）A原液B140%醇沉64.527.194.0B250%醇沉67.120.997.4B360%醇沉67.728.698.0B470%醇沉50.530.398.1B580%醇沉57.738.598.6C1800nm濾液17.14.787.6C2200nm濾液25.914.495.1C350nm濾液50.412.096.01. 經(jīng)醇沉及膜分離，目標成分含量均有下降；2. 膜過濾后目標成分損失明顯低于醇沉工藝。3. 提高收率的方法 a. 多次醇沉 b. 加水洗滌過濾4. 膜過程的優(yōu)化尤為重要 陶瓷分離膜取代醇沉過程的中藥提取新工藝糖可

39、清實驗A:糖渴清復方A組水提液B:糖渴清復方B組水提液C:中藥金剛藤水提液對三種不同中藥體系的滲透性能比較 陶瓷分離膜取代醇沉過程的中藥提取新工藝糖可清中試實驗11味單方藥材A組根莖類B組葉果實類煎煮液煎煮液193kgMF殘留液滲透液加水滲析MF殘留液滲透液加水滲析后續(xù)加工成藥陶瓷分離膜取代醇沉過程的中藥提取新工藝糖可清中試實驗陶瓷膜處理量：250l/h實驗?zāi)み\行時間：小時膜孔徑：微米，氧化鋯材質(zhì)批次：2次 總黃酮收率： 95.4% 固含物去除率：A組：23.4%，B組：32.6% 陶瓷分離膜取代醇沉過程的中藥提取新工藝與醇沉工藝比較檢測目標0.2MF50%醇沉濁度(NTU)90%36016.

40、0MF滲透液0.915.812.4滲透液母液3次洗脫后（加水量為原液的1/3），母液糖度降低了約30，表明母液中的單糖已得到了脫除（95%）；電導率下降了約79；納濾工藝具備脫除單糖、脫鹽、濃縮三重功能。膜集成過程的研究納濾膜分離（洋姜） 溶液糖度和電導率隨操作時間的變化固含量濃縮液 / %滲透液 / %原料 12.4加水批次019.81.75119.51.16218.90.974318.40.864膜集成過程的研究根據(jù)實驗考察以及過程優(yōu)化的結(jié)果，設(shè)計了4m3/hr膜集成工藝，包括陶瓷膜、納濾膜和反滲透膜等分離技術(shù)。 陶瓷膜分離、納濾、反滲透集成新工藝的處理量達12000噸/年洋姜提取膜工藝膜

41、技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用 微生物發(fā)酵在生化行業(yè)中具有舉足輕重的地位,終產(chǎn)物都是在發(fā)酵中形成。但發(fā)酵過程中存在許多制約因素，就分離而言，原料的預處理中除去蛋白，發(fā)酵中及時分離微生物代謝產(chǎn)物，發(fā)酵終了后所要求組分從發(fā)酵液中的分離、其它組分的回收利用，以及發(fā)酵廢液的處理，都是發(fā)酵過程要解決的問題。涉及下游細胞回收、發(fā)酵液澄清、產(chǎn)品凈化等諸多方面，另外酶膜反應(yīng)器、膜傳感器等也是研究熱點。膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用生化產(chǎn)品的特點1、目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低2、初始物料成分相當復雜3、生物活性物質(zhì)穩(wěn)定性差，易失活、降解4、產(chǎn)品種類繁多5、應(yīng)用面廣，對純度和含量要求高膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用采用膜分離的優(yōu)勢：1、條件溫和，能保持生物活性2、選擇性好，分離系數(shù)高3、活性產(chǎn)物的量和具有較高的收率4、分離步驟明顯減少5、分離快速，生產(chǎn)能力顯著提高膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用膜分離的主要應(yīng)用：發(fā)酵液澄清細胞分離與收集酶、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的濃縮與精制抗生素的回收及純化氨基酸類制品的濃縮除菌、除熱源反應(yīng)分離耦合過程高濃度有機廢水的處理膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用 發(fā)酵液澄清膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用 谷氨酸發(fā)酵液澄清谷氨酸發(fā)酵液中菌體直徑大約為3微米，具有很強的親水性，菌體分離十分困難；目前味精廠基本都是不除菌直接等電提?。还劝彼岬寐蕿?1.6%；每生產(chǎn)1噸味精將產(chǎn)生廢噸