搜索
膜分离技术简介二○○七年七月目录发展简史基础知识常用技术设备简介特点展望致谢人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。大致历程（20世纪）：30年代：微孔过滤40年代：透析50年代：电渗析60年代：反渗透70年代：超滤和液膜80年代：气体分离90年代：渗透汽化一、发展简史国内研究历程•1958年开始研究离子交换膜；•1965年开始对反渗透膜进行探索；•1966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产，为电渗析工业应用奠定了基础；•70年代相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及组件进行研究开发，进而进入推广应用阶段；•80年代中期我国气体分离膜的研究取得长足进步；•90年代国家科技部对无机陶瓷微滤膜的工业化技术组织了科技攻关，推进了陶瓷微滤膜的工业化进程。二、基础知识1.膜（membrane）（1）定义：在一定流动相（液体or气体）中，有一薄层凝聚相物质，把流动相分隔成两部分，这一薄层即为膜。其厚度在0.5mm以下。（2）分类：按孔径不同（or截留分子量）:可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜按材料不同：无机膜(微滤膜，如：陶瓷膜和金属膜)有机膜（高分子材料做成，如醋酸纤维素CA、聚醚砜PES、芳香族聚酰胺、聚氟聚合物等）。按结构分对称膜（均相膜）：结构与方向无关不对称膜（非均相膜）：结构与方向有关活性层：过滤作用（0.1--1um）支持层：支持作用(100—200um)(3)膜性能参数MWCO,通量，抗压能力，PH适用范围，对热和温度的稳定性等。（4）膜的污染与清洗污染：膜在使用过程中，尽管操作条件不变，但通量仍逐渐降低的现象。不可逆，必须清洗后才能消除。浓差极化：可逆，改变操作条件可消除；清洗：●NaOH:水解蛋白质，皂化脂肪，溶解某些生物大分子●酸：HNO3，H3PO4，HCl（去除无机物）●表面活性剂：SDS（乳化，湿润，分散生物大分子等●氧化剂：NaClO(强氧化能力)●酶：一般不用，但如要去除某些多糖，淀粉酶有一定作用。●有机溶剂：20%--50%的乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂等。但系统必须符合防爆要求。2.原理：膜分离技术是以选择性多孔薄膜为分离介质，使分离的溶液借助某种推动力（如：压力差、浓度差、电位差等）通过膜，低分子溶质透过膜，大分子溶质被截留，以此来分离溶液中不同分子量的物质，从而达到分离、浓缩、纯化目的。示意图3.膜分离过程类型推动力过程孔径机制静压力差MF，UF，NF，RO1000dalton---10um筛分浓度差渗析（透析）1—3nm筛分+扩散蒸气分压差膜蒸馏（MD）微孔扩散渗透蒸发（PV）无孔电位差电渗析200dalton离子迁移4.膜过滤方式：终端过滤(deadendfiltration)以压力作为推动力，料液流动方向与滤膜表面垂直，并且透过液方向与料液一致。错流过滤（crossflowfiltration）透过液方向垂直于进料的方向，而料液流动方向与滤膜表面平行，进料以一定流速冲刷膜表面,减小浓差极化效应。★以微滤为例，主要根据料液中固形物的含量多少来确定，0.1%时，选用终端过滤，0.5%则基本采用错流过滤。三、常用技术分类压力推动膜过程和各自分离特征1.微滤（Microfiltration,MF）微滤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。特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子。2.超滤(Ultrafiltration,UF)原理：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。分类：一般分为板框式（板式）、中空纤维式、管式、卷式等多种结构。应用：浓缩，脱盐，分离，纯化，去热原，缓冲液置换等。★两种压力差△p=p进-p出（回流液的循环动力）一般10psi左右调节方式：泵速，回流阀△pt=[(p进-p0)+(p出-p0)]*1/2=(p进+p出)*1/2-p0(膜过滤推动力)轴向、侧向压力差△pt对通量的影响压力较低：通量随△pt成正比增加，如a压力增大：形成浓差极化层，趋势变缓，如b压力继续增大：浓差极化层达凝胶层浓度，通量不随△pt改变，如c膜两侧平均压力差3.纳滤(Nanofiltration,NF)介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，孔径范围在几个纳米左右。与其他压力驱动型膜分离过程相比，出现较晚。与反渗透相比，其操作压力更低，因此纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”(LooseRO)。应用：食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品深加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保工业……纳滤膜（陶氏）纳滤膜三大特点MWCO介于反渗透膜和超滤膜之间，一般为150～1000dalton；科学家推测其表面分离层可能拥有1nm左右的微孔结构，故被称之为“纳滤”。纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层是由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。超低压大通量，即在超低压下（0.1Mpa≈14.7psi）仍能工作，并有较大的通量。4.反渗透(ReverseOsmosis,RO)原理：依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。应用:美国最早用于将航天员的尿液回收为纯水。医学界还以反渗透法的技术用来洗肾（血液透析）。工业上已应用于海水脱盐，超纯水制备，从发酵液中分离溶剂等。特点：不需添加任何杀菌剂和化学物质，故不会发生化学相变。示意图Vivaflow50回旋流/切向流超滤器Vivaspin系列超滤浓缩离心管25mm可换膜针头式滤器（玻璃杯式）溶剂过滤器四、设备简介：QuixStand中空纤维柱系统Pellicon超滤系统不锈钢圆筒式正压滤器0.1m2陶瓷膜实验设备五、膜分离技术特点•高效的分离过程•低能耗•接近室温的工作温度•纯物理过程，品质稳定性好•连续化操作•灵活性强•环保，无污染•投资少分离技术对比比较点传统技术膜分离技术耗能多少分离效果较差好成本高/低首次投资高维护费用低举例筛分、离心、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、吸附、离子交换等MF、UF、NF、RO等六、问题与展望•膜材料研究薄弱，不少原材料需要进口•膜组件性能低，品种少•膜技术种类少，当前膜多为化学制剂，易造成二次污染•产业规模小，应用领域窄•技术成果产业化转化过程缓慢★研究新的膜材料，开发研究新的聚合膜材料。★研究开发新的成膜工艺，进一步制备超薄、高度均匀、无缺陷的非对称膜。★将新兴的膜分离技术与传统的工艺技术有机的结合起来，不断将膜技术的研究成果从实验室推向产业化应用。★将无机膜的发展推向前。无机膜耐酸、碱、有机溶剂，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物污染能力强，在以后的发展过程中，研究无机膜的新材料、新工艺将是必然之趋势。参考资料:•俞俊棠，等.新编生物工艺学（下册）.北京:化学工业出版社，2003，6（1）•严希康编著.俞俊棠主审.生化分离工程.北京:化学工业出版社，2001，2（1）•••••••••