膜分離技術(shù)及其系統(tǒng)應(yīng)用
第一部分——膜分離技術(shù)簡介
膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級(jí)，依據(jù)其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，根據(jù)材料的不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜，無機(jī)膜主要是陶瓷膜和金屬膜，其過濾精度較低，選擇性較小。有機(jī)膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。錯(cuò)流膜工藝中各種膜的分離與截留性能以膜的孔徑和截留分子量來加以區(qū)別，下圖簡單示意了四種不同的膜分離過程：（箭頭反射表示該物質(zhì)無法透過膜而被截留）：
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微濾（MF） 又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質(zhì)分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，有機(jī)聚合物有醋酸纖維素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。無機(jī)膜材料有陶瓷和金屬等。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。 對于微濾而言，膜的截留特性是以膜的孔徑來表征，通？讖椒秶0.1～1微米，故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)行分離？勺鳛橐话懔弦旱某吻、保安過濾、空氣除菌。
超濾（UF） 是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑在0.05um至1000um分子量之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，超濾過程通？梢岳斫獬膳c膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程。以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時(shí)，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過，達(dá)到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。
對于超濾而言，膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)物的截留分子量來表征，通常截留分子量范圍在1000～300000，故超濾膜能對大分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、細(xì)菌）、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離，廣泛應(yīng)用于料液的澄清、大分子有機(jī)物的分離純化、除熱源。
納濾（NF） 是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)， 其截留分子量在80～1000的范圍內(nèi)，孔徑為幾納米，因此稱納濾；诩{濾分離技術(shù)的優(yōu)越特性，其在制藥、生物化工、 食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
對于納濾而言，膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表征，通常截留率范圍在60～90%，相應(yīng)截留分子量范圍在100～1000，故納濾膜能對小分子有機(jī)物等與水、無機(jī)鹽進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)脫鹽與濃縮的同時(shí)進(jìn)行。
反滲透（RO） 是利用反滲透膜只能透過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)或小分子物質(zhì)的選擇透過性，以膜兩側(cè)靜壓為推動(dòng)力，而實(shí)現(xiàn)的對液體混合物分離的膜過程。反滲透是膜分離技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，因具有產(chǎn)水水質(zhì)高、運(yùn)行成本低、無污染、操作方便運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn) ，而成為海水和苦咸水淡化，以及純水制備的最節(jié)能、最簡便的技術(shù).目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業(yè)。反滲透技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)中首選的水處理技術(shù)。
反滲透的截留對象是所有的離子，僅讓水透過膜，對NaCl的截留率在98%以上，出水為無離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機(jī)物、細(xì)菌、膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì)，也即能截留所有的離子，在生產(chǎn)純凈水、軟化水、無離子水、產(chǎn)品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經(jīng)應(yīng)用廣泛。
膜分離的基本工藝原理是較為簡單的（參見下圖）。在過濾過程中料液通過泵的加壓，料液以一定流速沿著濾膜的表面流過，大于膜截留分子量的物質(zhì)分子不透過膜流回料罐，小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過膜，形成透析液。故膜系統(tǒng)都有兩個(gè)出口，一是回流液（濃縮液）出口，另一是透析液出口。在單位時(shí)間（Hr）單位膜面積（m2）透析液流出的量（L）稱為膜通量（LMH），即過濾速度。影響膜通量的因素有：溫度、壓力、固含量（TDS）、離子濃度、黏度等。
膜分離操作基本工藝流程：
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由于膜分離過程是一種純物理過程，具有無相變化，節(jié)能、體積小、可拆分等特點(diǎn)，使膜廣泛應(yīng)用在發(fā)酵、制藥、植物提取、化工、水處理工藝過程及環(huán)保行業(yè)中。對不同組成的有機(jī)物，根據(jù)有機(jī)物的分子量，選擇不同的膜，選擇合適的膜工藝，從而達(dá)到最好的膜通量和截留率，進(jìn)而提高生產(chǎn)收率、減少投資規(guī)模和運(yùn)行成本。
第二部分——膜分離系統(tǒng)應(yīng)用
1、澄清純化技術(shù)——超/微濾膜系統(tǒng)
澄清純化分離所采用的膜主要是超/微濾膜，由于其所能截留的物質(zhì)直徑大小分布范圍廣，被廣泛應(yīng)用于固液分離、大小分子物質(zhì)的分離、脫除色素、產(chǎn)品提純、油水分離等工藝過程中。
超/微濾膜分離可取代傳統(tǒng)工藝中的自然沉降、板框過濾、真空轉(zhuǎn)鼓、離心機(jī)分離、溶媒萃取、樹脂提純、活性炭脫色等工藝過程。
澄清純化技術(shù)可采用的膜分離組件主要有：陶瓷膜、平板膜、不銹鋼膜、中空纖維膜、卷式膜、管式膜。
采用膜分離澄清純化的優(yōu)點(diǎn)：
1)、可得到絕對的真溶液，產(chǎn)品穩(wěn)定性好；
2)、過濾分離收率高；
3)、分離效果好，產(chǎn)品質(zhì)量高，運(yùn)行成本低；
4)、縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本；
5)、過程無需添加化學(xué)藥品、溶媒溶劑，不帶入二次污染物質(zhì)；
6)、操作簡便，占地面積小，勞動(dòng)力成本低；
7)、可拓展性好，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化擴(kuò)產(chǎn)需求；
8)、設(shè)備可自動(dòng)運(yùn)行，穩(wěn)定性好，維護(hù)方便。
2、濃縮提純技術(shù)——納濾膜系統(tǒng)
膜分離技術(shù)在濃縮提純工藝上主要采用截留分子量在100～1000Dal的納濾膜。納濾膜的主要特點(diǎn)是對二價(jià)離子、功能性糖類、小分子色素、多肽等物質(zhì)的截留性能高于98%，而對一些單價(jià)離子、小分子酸堿、醇等有30～50%的透過性能，常被應(yīng)用于溶質(zhì)的分級(jí)、溶液中低分子物質(zhì)的洗脫和離子組分的調(diào)整、溶液體系的濃縮等物質(zhì)的分離、精制、濃縮工藝過程中。
納濾膜分離技術(shù)常被用于取代傳統(tǒng)工藝中的冷凍干燥、薄膜蒸發(fā)、離子交換除鹽、樹脂工藝濃縮、中和等工藝過程。
濃縮提純技術(shù)可采用的膜組件主要有：卷式膜、管式膜。
采用納濾膜分離技術(shù)濃縮提純的優(yōu)點(diǎn)：
1)、能耗極低，節(jié)省濃縮過程成本；
2)、過程無化學(xué)反應(yīng)、無相變化，不帶入其他雜質(zhì)及造成產(chǎn)品的分解變性；
3)、在常溫下達(dá)到濃縮提純目的，不造成有效成分的破壞，工藝過程收率高；
4)、可完全脫除產(chǎn)品的鹽分，減少產(chǎn)品灰分，提高產(chǎn)品純度；
5)、可回收溶液中的酸、堿、醇等物質(zhì)；
6)、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，占地面積；
7)、操作簡便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，穩(wěn)定性好，維護(hù)方便。
第三部分——行業(yè)應(yīng)用
1、制藥行業(yè)
●生物發(fā)酵液過濾除菌及下游分離純化精制
●樹脂解析液的濃縮及解析劑回收
●農(nóng)藥水劑、粉劑的生產(chǎn)應(yīng)用
●中藥浸提液過濾除雜及濃縮
●中藥浸膏生產(chǎn)應(yīng)用
●合成藥、原料藥、中間體等的脫鹽濃縮
●結(jié)晶母液回收
二、食品行業(yè)
●乳清廢水處理
●乳制品生產(chǎn)加工應(yīng)用
●果汁澄清脫色
●食品添加劑純化濃縮
●茶飲料澄清濃縮
●啤酒、葡萄酒、黃酒的精制加工
●天然色素提取液的除雜及濃縮
●氨基酸發(fā)酵液過濾澄清及精制
三、染料化工和助劑
水溶性染料反應(yīng)液的脫鹽濃縮
●染料鹽析母液廢水回收
四、淀粉糖品
●糖液分離純化及濃縮
●果葡糖漿色普分離純化
●糖醇色普分離純化
●單糖、低聚糖及多糖的分離純化及濃縮
五、環(huán)保及水處理領(lǐng)域
●紡織、染整、印染廢水處理及回用
●電鍍工業(yè)廢水零排放及資源回收
●礦山及冶金廢水處理回收
●淀粉廢水處理
●造紙廢水木質(zhì)素回收及廢水處理
●電泳漆廢水涂料回收
●酸、堿廢水處理回收
●市政污水的處理及回用
●洗車水、桑拿水、游泳池水、洗浴廢水等循環(huán)處理
●工業(yè)生產(chǎn)所用的各類軟化水、純水、超純水制備
六、生物技術(shù)
●生物蛋白、多肽、酶制劑等酵液過濾澄清及精制
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