膜分離技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)于膜分離技術(shù)的應(yīng)用膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，上世紀(jì)60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

膜可以是固相、液相、甚至是氣相的。用各種天然或人工材料制造出來的膜品種繁多，在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)上呈現(xiàn)出各種各樣的特性。

引言第2頁,共42頁，星期六，2024年，5月引言

大多數(shù)人會認(rèn)為，膜離我們的生活非常遙遠(yuǎn)。其實(shí)不然，膜分離技術(shù)非常貼近我們的日常生活。如水、果汁、牛奶、保健品、中藥、茶食品、飲料、調(diào)味品等我們隨時(shí)可能接觸到的，都會用到膜分離技術(shù)。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不但會越來越廣泛，而且其會被越來越多的人認(rèn)識和接受。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2001年全世界膜和膜組件的銷售額已接近80億美元，成套設(shè)備和膜工程的市場則已達(dá)到數(shù)百億美元，而且每年還在以10%~20%的幅度遞增，顯示出這一新興產(chǎn)業(yè)的廣闊前景。

第3頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)的應(yīng)用水的脫鹽和凈化食品工業(yè)醫(yī)療、衛(wèi)生方面化工方面環(huán)境工程其他方面海水與苦咸水淡化電廠鍋爐供水脫鹽超純水制備城市家庭飲用水的凈化乳品加工酒類生產(chǎn)果汁加工酶制劑生產(chǎn)醫(yī)療、衛(wèi)生用水藥品生產(chǎn)醫(yī)療應(yīng)用中藥提煉回收有機(jī)蒸氣制取富氧空氣無水乙醇生產(chǎn)膜與生物技術(shù)國防上的應(yīng)用交通、運(yùn)輸方面脫氣膜電泳漆廢水電鍍廢水纖維工業(yè)廢水造紙工業(yè)廢水其他廢水應(yīng)用第4頁,共42頁，星期六，2024年，5月一、應(yīng)用膜分離技術(shù)在化工中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在手性化合物分離中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在水處理及環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在其它方面的應(yīng)用二、膜分離技術(shù)前景與展望第5頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在化工中的應(yīng)用膜分離法：用天然或人工合成的高分子膜，以外加壓力或化學(xué)位差為推動力，對雙組分或多組分的溶液進(jìn)行分離、分級、提純和富集的方法，通稱為膜分離法。膜技術(shù)被認(rèn)為是固液分離的新型技術(shù)，具有分離過程無相變，能耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在化工生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。第6頁,共42頁，星期六，2024年，5月利用膜分離方法提取合成氨釋放氣中的氫，通過二級膜分離流程，回收氫的濃度達(dá)98％以上，回收的氫用于合成氨生產(chǎn)可增產(chǎn)2％～3％，加上節(jié)電等效應(yīng)，因此能給企業(yè)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。利用超濾法回收造紙黑液中的木質(zhì)素，能回收95.9％木質(zhì)素。利用陶瓷微濾膜澄清鈦白廢酸，陶瓷膜對鈦白廢酸具有很好的澄清效果，滲透液濁度小于0.5NTU。應(yīng)用實(shí)例：第7頁,共42頁，星期六，2024年，5月用CA(纖維素醋酸酯)鈉濾膜對苯胺藍(lán)染料水溶液進(jìn)行脫鹽濃縮，染料的截留率大于99.9％，總脫鹽率達(dá)到51％，染料的濃度提高了2.76倍，回收率達(dá)到約97％。利用CA50納濾膜對水溶性黃染料進(jìn)行分離，納濾技術(shù)能將主體染料的純度提高20％，且染料工業(yè)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益得到了顯著提高。利用DK納濾膜對活性黑染料進(jìn)行間歇恒容滲透，在25℃和1MPa條件下，經(jīng)過7次80h的過濾后，染料純度從76％提高到87％以上，在提高活性黑染料產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，還降低了后續(xù)干燥工序中的能耗。第8頁,共42頁，星期六，2024年，5月

膜分離雖然在化工中得到廣泛應(yīng)用，但對化工生產(chǎn)中高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕的介質(zhì)而言，對膜材料提出了特殊要求，因此需要開發(fā)出適用化工生產(chǎn)范圍廣的膜材料；此外，化工生產(chǎn)一般規(guī)模較大，需要的處理量也大，所以需要研究出過濾時(shí)間長、通量大的強(qiáng)化膜過程。第9頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在傳統(tǒng)中藥生產(chǎn)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用第10頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在傳統(tǒng)中藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的中藥提取方法傳統(tǒng)提取方法大多首先采用溶劑初步提取含中藥有效成分的混合物，得到的各個(gè)部分經(jīng)活性測試確定有效部位后再通過層析、重結(jié)晶等分離技術(shù)對藥效成分進(jìn)一步精制。第11頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)的應(yīng)用中藥成分復(fù)雜且具有多元性,膜分離技術(shù)依據(jù)藥效活性與其分子結(jié)構(gòu)及分子量水平密切相關(guān)的特性,通過選用不同截留特性的膜組件構(gòu)成膜分離系統(tǒng)對中藥有效部位和有效成分進(jìn)行分離和純化。操作通常以壓力為推動力,可在常溫下完成,無需添加其它物質(zhì),具有高選擇性、高產(chǎn)品收率等優(yōu)勢。產(chǎn)物可以是單一成分(有效成分),也可以是某一分子量區(qū)段的多種成分(有效部位或有效部位群),在一定程度上保證了中藥復(fù)方的特色、克服了傳統(tǒng)工藝的不足。第12頁,共42頁，星期六，2024年，5月表1

10種中藥在超濾前后藥液成分的測試結(jié)果聚苯乙稀

纖維素醋酸酯第13頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在微生物制藥中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)，在現(xiàn)代生物制藥分離工程中具有巨大的應(yīng)用潛力，得到了廣泛的發(fā)展，已經(jīng)用于酶、活性蛋白、氨基酸、維生素、甾體、疫苗等物質(zhì)的分離純化。而膜分離技術(shù)在抗生素提煉中的應(yīng)用也是重點(diǎn)推廣的領(lǐng)域之一。第14頁,共42頁，星期六，2024年，5月

抗生素傳統(tǒng)提取方法主要有吸附法、溶劑萃取法、離子交換法和沉淀法，這些方法各有特點(diǎn)但工藝往往都十分繁雜所需時(shí)間長、易變性失活、需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、廢水污染嚴(yán)重且處理難度大。膜分離技術(shù)作為一門新型的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)具有節(jié)能、不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、少污染和操作簡單，可在常溫下連續(xù)操作、可直接放大、可專一配膜等特點(diǎn)，且各種膜過程具有不同的分離機(jī)制，適用于不同對象和要求。第15頁,共42頁，星期六，2024年，5月抗生素的制備第16頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在手性化合物分離中的應(yīng)用

手性是自然界的一種普遍現(xiàn)象，天然存在的手性化合物很多，構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)如氨基酸、糖類和蛋白質(zhì)等也都是手性分子．外消旋體藥物的手性拆分目前在單一手性藥物的制備上仍占有極其重要的地位．手性拆分膜包括基于對映體間親和性差異的固體膜和基于選擇性萃取的液膜兩大類．膜分離技術(shù)具有能耗低、易于連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為是進(jìn)行大規(guī)模手性拆分非常有潛力的方法之一，具有良好的應(yīng)用前景．氨基酸的生物轉(zhuǎn)移通常是由埋在生物膜中載體蛋白來傳遞的，這種轉(zhuǎn)移的對映體選擇性很高。很久以來，人們就希望將這種對映體轉(zhuǎn)移體系用于分離技術(shù)中，通過膜分離進(jìn)行旋光異構(gòu)體拆分正是這種生物過程的模擬。膜拆分法又可分為液體膜拆分法和手性固定膜拆分法。前者基于選擇性萃?。坏?7頁,共42頁，星期六，2024年，5月

后者基于對映體間親和性的差異。在各種膜技術(shù)中，選擇性比較好的是適用流動載體的液體膜方法，選擇性的大小取決于所使用的載體分子的性質(zhì)。載體分子通常為大分子配體化合物，如冠醚、穴狀配體等。膜拆分具有低能耗、連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，有良好的應(yīng)用前景，但是該技術(shù)的研究才剛起步。龍遠(yuǎn)德等以β-環(huán)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種氨基酸在反應(yīng)10~15小時(shí)后，D-對映體與L-對映體之間的絕對量差值達(dá)到最大，色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的對映體過量值最大時(shí)分別是25.4%、20.2%和16.4%，滲透速率分別比文獻(xiàn)報(bào)道的提高一個(gè)數(shù)量級。第18頁,共42頁，星期六，2024年，5月

Pirkle和Bowen用含有脂肪酸酯或(S)-N-(1-萘基)亮氨酸的氨基化合物作為高效手性選擇性載體，將中空纖維膜改為液態(tài)膜，該裝置的手性選擇性大于95％。最近，Nakamura等用牛血清白蛋白多層有孔中空纖維膜分離了色氨酸外消旋溶液。Okamoto等人也研究了用纖維素膜來分離心得平(oxprenolol)的外消旋體溶液。另有一個(gè)非常獨(dú)特的概念是Keurentjes等人提出的將逆流手性選擇性液液萃取和非選擇性膜相結(jié)合的方法(具體見圖1)。這個(gè)技術(shù)的特點(diǎn)在于只要適當(dāng)調(diào)整設(shè)備的長度(2~5m)，在很低的手性選擇率(a=1.05～1.2)下，也可以成功地進(jìn)行分離。第19頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在水處理及環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用高質(zhì)量飲用水供給

隨著水體的污染和人民生活水平提高,人們越來越希望得到高質(zhì)量的飲用水供給。采用活性炭吸附過濾和超濾結(jié)合制取高質(zhì)量飲用水,設(shè)備投資少,制水成本低,是優(yōu)質(zhì)飲用水制備的經(jīng)濟(jì)有效方法,具有廣闊的市場前景。工業(yè)供水

自來水和地下水的水質(zhì)不能滿足許多化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)和紡織工業(yè)的要求,需要經(jīng)過凈化處理方可以使用,超濾膜技術(shù)是凈化工業(yè)用水的重要技術(shù)之一。

第20頁,共42頁，星期六，2024年，5月醫(yī)藥用水

醫(yī)藥針劑用水是采用多級蒸餾制備的,其工藝繁瑣、能耗高、而且質(zhì)量常常得不到保證。用超濾膜技術(shù)除針劑熱源和終端水熱源,取得很好效果。工藝水的處理(分離、濃縮、分級和純化)

在各工業(yè)生產(chǎn)過程中,往往有分離、濃縮、分級和純化某種水溶液的需求。傳統(tǒng)用的方法是沉淀、過濾、加熱、冷凍、蒸餾、萃取和結(jié)晶等過程。這些方法表現(xiàn)出流程長、耗能多、物料損失多、設(shè)備龐大、效率低、操作繁瑣等缺點(diǎn),以超濾膜技術(shù)取代某種傳統(tǒng)技術(shù)可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

第21頁,共42頁，星期六，2024年，5月純凈水處理工藝流程圖第22頁,共42頁，星期六，2024年，5月各種含油廢水及廢油的處理

1.采油回注水的處理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油,提高注入水的質(zhì)量。

2.含油廢水的處理:許多工業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸業(yè)都產(chǎn)生大量的含油廢水,膜濾技術(shù)是達(dá)標(biāo)排放最有效的方法。

3.廢潤滑油的純化:用常規(guī)技術(shù)加膜分離,可得到很純的潤滑油,適用于汽車等廢機(jī)油的處理。

第23頁,共42頁，星期六，2024年，5月4.機(jī)床切削油的純化回收:膜法可除去廢切削油中的細(xì)菌和雜質(zhì),處理后回用。

5.廢食用油的純化處理技術(shù):食用油在連續(xù)高溫下產(chǎn)生致癌物質(zhì),用膜法可將這部分除去。

6.食用菜籽油的純化:菜籽油中含有15%～48%高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(芥子酸<5%)。第24頁,共42頁，星期六，2024年，5月廢水的處理及回用

1.膜生物反應(yīng)器處理生活污水回用,其占地面積小,設(shè)備投資低,處理水質(zhì)好。

2.印刷顯影廢水的處理及回用,采用膜技術(shù)處理可以達(dá)標(biāo)排放,也可回收。

3.電鍍廢水可采用膜技術(shù)處理,水回用,污染物回槽利用。

第25頁,共42頁，星期六，2024年，5月4.印染廢水采用膜分離可除去有色染料,得到的水回用。牛仔布印染廢水可回收靛藍(lán)燃料。

5.造紙廢水用膜可將廢水中的木質(zhì)素、色素等分離出來,凈化水可排放或回用。第26頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離水處理設(shè)備裝置第27頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用

對包括超濾和反滲透等膜滲過程的膜分離,由于其具有較好地保持食品的營養(yǎng),生理活性、香氣和風(fēng)味,以及低能耗等優(yōu)點(diǎn),已速迅地應(yīng)用于食品工業(yè)中的工藝用水處理,低度酒澄清、果汁和茶汁的濃縮、乳清蛋白和蛋白酶的分離,谷氨酸的濃縮等領(lǐng)域。第28頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在低度白酒除濁中具有很大的應(yīng)用前景，正在成為釀酒業(yè)的一個(gè)重要過濾技術(shù)，在去除雜質(zhì)、保持品質(zhì)、降低能耗、縮短處理時(shí)間方面具有較大的優(yōu)勢。利用超濾膜技術(shù)把發(fā)酵液中產(chǎn)品和菌體分離,再采用其它方法精制流程。其優(yōu)點(diǎn)是:生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提高;簡化了工藝流程;菌體蛋白不含外加雜質(zhì),利用價(jià)值高,達(dá)到資源綜合利用。膜分離技術(shù)在白酒除濁的應(yīng)用第29頁,共42頁，星期六，2024年，5月

干酪乳清先進(jìn)行預(yù)處理，pH值調(diào)整到5.2~5.9，在71~85℃滅菌15s。然后進(jìn)行超濾分離，常用醋酸纖維素膜、聚砜膜或聚丙烯腈膜等，截留相對分子質(zhì)量20000~25000，壓力70~700kPa。乳清蛋白被截留，截留率為95%~99%，而含有乳糖和無機(jī)鹽的溶液透過。利用該法乳清蛋白提得率提高近4倍,而乳糖下降40%。截留的濃縮乳清蛋白經(jīng)噴霧干燥可得乳清粉，可用于配制嬰兒乳粉、老人乳粉等。透過的乳糖液再經(jīng)反滲透膜回收乳糖，壓力不小于1.4MPa，得到乳糖濃縮液，乳糖酶解后可生產(chǎn)飲料。膜分離技術(shù)在乳清蛋白的回收的應(yīng)用第30頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜法處理乳清第31頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜技術(shù)在果汁澄清中的應(yīng)用澄清后的果汁用反滲透法進(jìn)行濃縮。采用真空濃縮，果汁容易氧化變質(zhì)，但能濃縮至4~6倍。用反滲透法通過只能濃縮到2~4倍，因此常用二級濃縮工藝。第一級濃縮先用對糖截留率高的膜濃縮至2~3倍，第二級再用對糖截留率的膜，讓一部分溶質(zhì)透過以減小滲透壓，最終可以濃縮到4~5倍。一般果汁濃縮限度為25~30°BX（糖度)。果汁濃縮多用醋酸纖維素膜，這種膜對醇和有機(jī)酸的截留率比較低，隨著濃縮的進(jìn)行，會有脫酸效果，增大了糖酸比。同時(shí)由于一部分醇的失去，會增加芳香感和清涼感。與蒸發(fā)法相比，膜法濃縮的果汁品質(zhì)較好，特別是能保留果汁中的芳香成分。蒸發(fā)法芳香成分幾乎全部散失，速凍法也只能保存8%，而膜法可保留30%~60%，且脂溶性部分比水溶性部分保留得更多。因此，膜法濃縮果汁再生后與鮮汁相比無多大差別。第32頁,共42頁，星期六，2024年，5月膜分離技術(shù)在其它方面的應(yīng)用膜分離技術(shù)在冶金能源電子仿生等方面也有顯著的應(yīng)用第33頁,共42頁，星期六，2024年，5月二、膜分離技術(shù)前景與展望

目前膜分離技術(shù)在許多方面得到廣泛應(yīng)用，而且在某些方面應(yīng)用得還比較成熟。在對產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高、生產(chǎn)成本要求不斷降低的今天，膜技術(shù)的優(yōu)勢越來越明顯，其必將取代傳統(tǒng)的低效分離技術(shù)。但我們也應(yīng)該清醒的認(rèn)識到，膜分離技術(shù)許多方面還不成熟，主要面臨三個(gè)方面的主要問題，即選擇性問題、通量穩(wěn)定性問題和產(chǎn)值問題。第34頁,共42頁，星期六，2024年，5月選擇性問題應(yīng)集中于膜材的研究，繼續(xù)開發(fā)功能高分子膜材料和無機(jī)膜材料。對仿生膜、高效電解質(zhì)膜、分子識別型膜的研究需要達(dá)到智能化、高效化和專一化目標(biāo)。膜通量的穩(wěn)定性和產(chǎn)值比問題應(yīng)集中于滲透時(shí)的防污染和膜過程強(qiáng)化的研究上。研究一種適用面廣的強(qiáng)化膜過程分離技術(shù)，以減少膜污染、增大過濾通量、延長膜壽命。這需要將許多因素結(jié)合起來綜合考慮，如選擇合適的膜材，合理的膜組件設(shè)計(jì)、具有針對性的清洗和防污染方法、以及周密的工藝流程設(shè)計(jì)等方面。第35頁,共42頁，星期六，2024年，5月(1)、技術(shù)上的發(fā)展趨勢從技術(shù)上看,雖然膜分離已經(jīng)獲得了巨大的進(jìn)展,但是它畢竟還只是一門年輕的發(fā)展中的新技術(shù),目前在技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到比較成功的膜分離過程還是少數(shù),多數(shù)膜分離過程還處在探索和發(fā)展階段,具體可概括為下列四點(diǎn)。①、新的膜材料和膜工藝的研究開發(fā)第36頁,共42頁，星期六，2024年，5月為了進(jìn)一步提高膜分離技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益,增加競爭能力,擴(kuò)大應(yīng)用范圍,要求降低膜成本,提高膜性能,具有更好的耐熱、耐壓、耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑、抗污染、易清洗等,這些要求推動了膜材料和膜工藝研究開發(fā)。A、高聚物膜在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi),高聚物仍將是分離膜的主要材料。其發(fā)展趨向是開發(fā)新型高性能的高聚物膜材料,加強(qiáng)研究使膜皮層“超薄”和“活化”的技術(shù)。B、無機(jī)膜由于存在不可塑、受沖擊易破碎、成塑差以及價(jià)格較貴等缺點(diǎn),一直發(fā)展較慢。無機(jī)膜今后的發(fā)展方向是研究新材料和新的制膜工藝。第37頁,共42頁，星期六，2024年，5月C、生物膜與高聚物膜在分子結(jié)構(gòu)上存在巨大差異。高聚物膜是以長鏈狀大分子為基礎(chǔ);