分離科學(xué)與工程

1、西安建筑科技大學(xué) 課程論文分離科學(xué)與工程課 程 論 文題 目：膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué) 號：時 間：2014年12月6日膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢摘要：膜分離技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，隨著膜設(shè)備和技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其在各行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了膜分離技術(shù)的特性，闡述了膜分離技術(shù)在食品工業(yè)、水處理、生物技術(shù)、醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用，并展望膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景，分析膜分離技術(shù)在膜材料、新的膜過程和膜通量等方面的發(fā)展趨勢，同時指出膜分離技術(shù)將在人類社會的發(fā)展史上起到不可替代的作用。關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；發(fā)展趨勢；膜材料；膜過程。一 膜分離技

2、術(shù)11 膜分離技術(shù)的原理12 膜分離技術(shù)的特點13 膜分離技術(shù)的類型2（1）超濾2（2）納濾2（3）微濾3（4）反滲透3二 膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀31 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用32 在啤酒無菌過濾中的應(yīng)用43 膜分離技術(shù)在飲用水制取中的應(yīng)用54 膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用55 膜分離技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用56 在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用67 膜分離技術(shù)在中草藥中的應(yīng)用6三 膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢71 膜材料72 新的膜過程8( 1 ) 膜蒸餾8( 2 ) 膜萃取93 膜集成過程9四 結(jié)論10膜分離技術(shù)是指用天然或人工合成的具有選擇透過性膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對雙組分或多組分的溶

3、質(zhì)和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的邊緣學(xué)科高新技術(shù)。由于膜分離技術(shù)具有節(jié)能、高效、簡單、造價低、無相變、可在常溫下連續(xù)操作等優(yōu)點， 而且特別適合熱敏性物質(zhì)的處理的特點，其應(yīng)用已滲透到人們生活和生產(chǎn)的各個方面，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、生物工程、醫(yī)藥和保健、食品和生化工程等行業(yè)。雖然膜分離技術(shù)的應(yīng)用在許多方面離產(chǎn)業(yè)化要求還有很長的距離，但是隨著新型膜材料的不斷開發(fā)、高效的強化膜過程分離技術(shù)研究的不斷深入, 膜分離技術(shù)應(yīng)將得到更加廣泛的應(yīng)用，其在未來是世界各國研究的熱點，它將在各個領(lǐng)域發(fā)揮更引人注目的作用。一 膜分離技術(shù)1 膜分離技術(shù)的原理膜分離技術(shù)是一種使用半透膜的分離方法，在常溫下以膜兩側(cè)

4、壓力差或電位差為動力，對溶質(zhì)和溶劑進行分離、濃縮、純化。膜分離技術(shù)主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對雙組分或多組分流質(zhì)和溶劑進行分離、分級、提純和富集操作?，F(xiàn)已應(yīng)用的有反滲透、納濾、超過濾、微孔過濾、透析電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餾膜反應(yīng)器等技術(shù)，其中在食品、藥學(xué)工業(yè)中常用的有微濾、超濾和反滲透3 種。2 膜分離技術(shù)的特點膜分離技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù), 具有以下特點：1 在常溫下進行， 特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級、提純和濃縮， 且可以同步進行能較好地保持產(chǎn)品原有的色、香、味和營養(yǎng)成分；2 分離過程中不發(fā)生相變，揮發(fā)性物質(zhì)損失少，

5、節(jié)約能源；3 具有冷殺菌作用，保存期長，無二次污染；4 選擇性好，應(yīng)用范圍廣，但要選擇相應(yīng)的膜類型；5 設(shè)備簡單，易于操作，可連續(xù)進行， 效率高。3 膜分離技術(shù)的類型目前己經(jīng)研究和開發(fā)的膜分離技術(shù)有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透蒸發(fā)和氣體分離等。正在開發(fā)研究中的新的膜技術(shù)有真空膜蒸餾、支撐液膜、膜萃取、膜生物反應(yīng)器、膜控制釋放、仿生膜以及生物膜等過程。（1）超濾超濾的截留相對分子質(zhì)量在1000-100000之間，選擇某一截留相對分子質(zhì)量的膜可以將雜質(zhì)與目標(biāo)產(chǎn)物分離。超濾技術(shù)在生化產(chǎn)品分離中應(yīng)用最早、最為成熟，已廣泛應(yīng)用于各種生物制品的分離、濃縮。早期的工業(yè)超濾應(yīng)用于廢水和污水處理。三十

6、多年來，隨著超濾技術(shù)的發(fā)展，如今超濾技術(shù)已經(jīng)涉及食品加工、飲料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物制劑、中藥制劑、臨床醫(yī)學(xué)、印染廢水、食品工業(yè)廢水處理、資源回收、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。（2）納濾納濾膜具有納米級孔徑，截留相對分子質(zhì)量為200-1000， 能使溶劑、有機小分子和無機鹽通過。納濾可以采用兩種方式提取抗生素，一是用溶劑萃取抗生素后，萃取液用納濾濃縮，可改善操作環(huán)境；二是對未經(jīng)萃取的抗生素發(fā)酵液進行納濾濃縮，除去水和無機鹽，再用萃取劑萃取，可減少萃取劑用量。納濾的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、精細化工、環(huán)保凈水和污水處理及其資源化工業(yè)。（3）微濾鑒于

7、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、細菌以及其他污染物，以達到凈化、分離、濃縮的目的。微濾是發(fā)展最早、制備技術(shù)最成熟的膜形式之一，孔徑在0.05-10m 之間，可以將細菌、微粒、亞微粒、膠團等不溶物除去，濾液純凈，國際上通稱為絕對過濾。由于微濾孔徑相對較大，單位膜面積透水率高，而且制備成本最低，使用范圍非常廣，其銷售額居于各類膜的首位。（4）反滲透由于反滲透分離技術(shù)的先進、高效和節(jié)能的特點，在國民經(jīng)濟各個部門都得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下：食品工業(yè)、牛奶工業(yè)、飲料工業(yè)、植物（農(nóng)產(chǎn)品）深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、制備

8、飲用水、純水、超純水、海水、苦咸水淡化、電力、電子、半導(dǎo)體工業(yè)用水、醫(yī)藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無菌無熱源純水、食品飲料工業(yè)、化工及其它工業(yè)的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水。二 膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀1 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)開始于20世紀 60 年代末， 首先是從乳品加工和啤酒的無菌過濾開始的， 隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒精類精制等方面。至今，膜分離技術(shù)在食品加工中已得到廣泛應(yīng)用。主要用于以下幾個方面： 1 利用膜分離技術(shù)對植物蛋白進行濃縮、提純和分離。 2 利用膜分離技術(shù)加工乳制品。 3 利用膜分離技術(shù)對卵蛋白驚醒濃縮。 4 利用膜分離技術(shù)對

9、動物血漿進行濃縮。 5 利用膜分離技術(shù)對明膠進行提純。 6 在含酒精飲料加工中的應(yīng)用。 7 在非酒精飲料加工中的應(yīng)用。 8 膜分離技術(shù)在處理淀粉廢水中的應(yīng)用。 9 膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用。 10 膜分離技術(shù)在食用油加工中的應(yīng)用。 11 膜分離技術(shù)在食品添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用。膜分離技術(shù)用于食品加工有很多優(yōu)點： 與傳統(tǒng)方法相比， 不會因加熱而產(chǎn)生色、香、營養(yǎng)成分等質(zhì)量指標(biāo)的惡化；節(jié)省能源、設(shè)備占地面積?。桓匾氖怯捎诜蛛x膜性能的提高， 能在很高精度水平下分離各種成分。2 在啤酒無菌過濾中的應(yīng)用啤酒的無菌過濾是啤酒生產(chǎn)過程中提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系著啤酒品質(zhì)的穩(wěn)定性、外觀及口感。褚良

10、銀等。采用無機陶瓷膜對啤酒進行除菌過濾， 對膜孔徑的選擇、膜器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、膜濾運行過程強化等方面進行了系統(tǒng)的試驗研究， 提出了一套新型高效的膜器結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計的依據(jù)； 翁佩芳等還采用膜錯流過濾和新型的無菌灌裝系統(tǒng)的消毒滅菌方法對無菌生啤酒的生產(chǎn)工藝進行設(shè)計， 使整個生產(chǎn)工藝系統(tǒng)高效、優(yōu)化運行， 同時加強生產(chǎn)操作及衛(wèi)生的管理， 生產(chǎn)出色澤、品質(zhì)優(yōu)良、保質(zhì)期長的無菌鮮啤酒。3 膜分離技術(shù)在飲用水制取中的應(yīng)用近年來，膜分離技術(shù)在飲用水制取方面得到了廣泛應(yīng)用，而且處理規(guī)模也越來越大。僅應(yīng)用超濾工藝的水廠中凈化規(guī)模每天在 20×104m3以上的已有數(shù)座，超濾水廠的總處理量已超過每天 800

11、15;104m3。還有許多廠家利用微濾工藝進行處理，可見，膜處理法已經(jīng)成為飲用水制取最常見的方法。微濾可以有效去除小顆粒有機物和懸浮固體，但天然和人工合成的有機物僅用微濾的方法是不能去除的，需要與其他方法相結(jié)合，微濾結(jié)合混凝、吸附預(yù)飲用水越來越引起人們的關(guān)注，趙鵬等人用兩個PAC結(jié)合微濾技術(shù)處理河水，在兩個反應(yīng)器中維持很高的出水通量達到 167L/m2·h，實驗證明不同粒徑的 PAC，在高通量下都對有機物有很好的去除率。韓國的Jeong-ikOh等人研究微濾結(jié)合在線快速攪拌器加混凝劑生產(chǎn)飲用水，當(dāng)加入混凝劑為1.1 mg/L時，膜阻力最小，電勢接近于零，此時具有很好的處理效果。4 膜

12、分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用隨著工業(yè)化的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生活廢水排入水體中，嚴重影響了水質(zhì)。為了保護環(huán)境不受污染，并能回收一些有用物質(zhì)，需對工業(yè)和生活污水進行處理，以達到排放標(biāo)準要求。廢水處理中常采用超濾和納濾技術(shù)。據(jù)研究采用納濾技術(shù)處理城市污水，可有限地降低水的濁度、色度及有機物；經(jīng)超濾處理后的出水可用于循環(huán)冷卻水、造紙用水等對水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水水源，這大大地提高了水的利用率。5 膜分離技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用在生物技術(shù)方面, 膜技術(shù)也有各種應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣泛的是微濾和超濾技術(shù)。例如： 從植物或動物組織萃取液中進行酶的精制； 從發(fā)酵液或反應(yīng)液中進行產(chǎn)物的分離、濃縮等。膜技術(shù)應(yīng)用于蛋白

13、質(zhì)加水分解或糖液生產(chǎn)， 有助于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量, 提高產(chǎn)品的收率和降低成本。由于應(yīng)用分離膜可以在室溫下進行物理化學(xué)分離， 所以它特別適合于熱敏性生物物質(zhì)的分離。可以想象膜分離技術(shù)在生物技術(shù)方面將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。但膜技術(shù)用于生物技術(shù)也有一些問題，其中最主要的是： 與色譜法比較， 分離精度不高。同時多組分分離做不到；膜上容易形成附著層, 使膜的通量顯著下降； 操作結(jié)束后，膜清洗困難； 膜的耐用性差。這幾點是影響膜技術(shù)在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用的最主要的原因。因此， 如何改進和解決上述問題就成為膜分離技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的主要研究方向。6 在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在這方面的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的

14、歷史,現(xiàn)在微濾、超濾、反滲透和滲透等膜技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。在制藥工業(yè)中膜技術(shù)主要用于：1 利用微濾技術(shù)進行藥物澄清；2 利用超濾和反滲透技術(shù)進行藥液精制和濃縮；3 利用分滲透技術(shù)制備滅菌水，除熱原水和注射水等；4 滲析技術(shù)在醫(yī)藥科學(xué)中的典型應(yīng)用是人工模擬腎臟進行血液的透析分離；5 利用親合膜技術(shù),通過在膜上固載特定的功能配位鍵。在醫(yī)療設(shè)備方面除了用于藥物控制釋放的膜技術(shù)外，膜式人工肺、人工腎也都應(yīng)用了膜分離技術(shù)。隨著新的膜材料的出現(xiàn)以及膜成本的降低，膜技術(shù)將會在醫(yī)藥和醫(yī)院中起到更重要的作用。7 膜分離技術(shù)在中草藥中的應(yīng)用分離純化中的應(yīng)用中草藥所含化學(xué)成分極其復(fù)雜，通常含

15、有苷類、黃酮、生物堿等有效成分，同時還含有蛋白質(zhì)、膠體、淀粉、無機鹽等無效成分，這些無效成分的存在，會降低有效分的濃度,影響其中藥的品質(zhì)和功效，同時也給中藥的分離帶來復(fù)雜性，因此有必要對中草藥的有效部位和有效成分進行分離純化。研究表明，不同組分間的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多數(shù)在200- 1000，無效成分的分子量在50000以上,一些無機鹽類的分子量則不足100。膜分離技術(shù)是利用膜孔徑大小特征在常溫下對溶質(zhì)和溶劑進行分離達到純化目的,研究表明膜分離技術(shù)在中草藥分離純化中的應(yīng)用主要有三大功能，即截留大分子雜質(zhì)、濾除小分子物質(zhì)和脫水濃縮。三 膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢1 膜材料眾所周

16、知 ，生物膜 具有驚人 的分離效率 。例如 ，海帶從海水 中富集碘 ，其 濃度 比海水 中碘 大l 0 0 0多倍 ；石毛 (藻類濃縮鈾的濃縮率達7 5 0 倍。因此，仿生是分離膜的發(fā)展方向。生物膜是建立在分子有規(guī)則排列的基礎(chǔ)上，而目前使用的分離膜多是功能高分子膜 ，是不規(guī)則鏈排列的聚合物 。仿生膜要克服這一根本差別，達到生物膜的分離水平，還是一個比較遙遠的目標(biāo)。當(dāng)前，分離膜材料發(fā)展的趨向是： 1 繼續(xù)開發(fā)功能高分子膜材料。一是根據(jù)現(xiàn)今對膜分離機理的認識，繼續(xù)合成各種分子結(jié)構(gòu)的功能高分子，制成均質(zhì)膜，定量地研究分子結(jié)構(gòu)與分離性能之間的關(guān)系。這類工作主要結(jié)合氣體分離膜過程進行二是在膜的表面進行改

17、性。根據(jù)不同的分離對象，引入不同的活化基團，使其“活化”。一般的表面改性方法有：先將膜材料改性，然后成膜；過化學(xué)反應(yīng)進行表面改性。三是發(fā)展高分子合金膜。兩種高分子混合一般情況下要比通過化學(xué)反應(yīng)合成新材料容易些。它還可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基團，在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其性能技術(shù)上的難點是許多熱力學(xué)性質(zhì)不一致的高分子不容易達到真正互溶，需要選擇合適的高分子對(polymer pair)和尋找能互溶的工藝條件。這一方面的工作主要結(jié)合水溶液分離膜進行。2 開發(fā)無機膜材料。無機膜的制備始于2 0世紀4 0年代，由于存在著不可塑、受沖擊易破損、成型性差以及價格較昂貴等弱點，長期以來發(fā)展不快。但是，隨著

18、膜分離技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，在膜使用條件上提 出愈來愈高的要求，不少膜催化反應(yīng)要求在幾百度高溫下進行；膜用于食品及生物產(chǎn)品分離，要求具有耐高溫蒸汽多次清洗仍能保持分離性 能不變有些顯然是高分子膜材料所無法滿足的 。 2 新的膜過程 膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的分離技術(shù)或反應(yīng)過程相結(jié)合，發(fā)展出一些嶄新的膜過程。這些新的膜過程在不同程度上吸取了二者的優(yōu)點而避免了某些原有的弱點 。 ( 1 ) 膜蒸餾 將膜法與蒸餾法有機地結(jié)合起來的膜蒸餾，是最近幾年發(fā)展起來的一種新型膜分離技術(shù)。在膜蒸餾過程中既有常規(guī)蒸餾中的蒸汽傳質(zhì)冷凝過程，又有分離物質(zhì)擴散透過膜的膜分離過程。它避免了蒸餾法易結(jié)垢、怕腐蝕和反滲透法需要高壓操作

19、的缺點。用作膜蒸餾的高分子都是疏水性的，如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、鹵化聚乙烯、含氟高分子等。普遍認為聚四氟乙烯最好，膜蒸餾目前尚處于起步階段。用于海水脫鹽已建成中型試驗裝置，以期由現(xiàn)場試驗作出評價。提高通量是膜蒸餾技術(shù)目前主攻方向。當(dāng)技術(shù)進一步成熟后，在制藥、生物工程等方面的應(yīng)用將會顯其特色。 ( 2 ) 膜萃取2 0世紀8 0年代初一個將膜分離與液一 液萃取過程相結(jié)合的新過程膜萃取開始出現(xiàn)。膜萃取的傳質(zhì)過程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面進行的，因此它不存在通常萃取過程中液滴的分散與聚合現(xiàn)象。膜萃取的優(yōu)點還在于：1 沒有相的分散和聚結(jié)過程，可減少萃取劑在料液相中夾帶損失。2 不形成

20、直接接觸的液液二相流動，使選擇萃取劑范圍可大大放寬。3 兩相在膜兩側(cè)分別流動 ，使過程免受 “ 返混”的影響和 “ 液泛”條件的限制。4 可較好地發(fā)揮化工單元操作中的某些優(yōu)勢，提高傳質(zhì)效率。5 料液相與萃取相在膜兩側(cè)的同時存在可避免膜內(nèi)溶劑的流失。膜萃取過程目前還處在實驗室研究階段。常用的是中空纖維裝置。近年來正開展膜萃取的工藝過程研究，膜萃取器材料的浸潤性及過程傳質(zhì)機理研究，流體在膜器中流型分布研究以及膜器設(shè)計方法初探性研究等。 3 膜集成過程在解決某一具體分離目標(biāo)時，綜合利用幾個膜過程，使之各盡所長，往往能達到最大限度的分離效果，取得最佳的經(jīng)濟效益。這是近年來膜分離技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的又一個趨向。例如，微電子工業(yè)用超純水要綜合反滲透、離子交換和超濾；造紙工業(yè)黑液回收木質(zhì)素磺酸鈉要用聚凝、超濾加反滲透；從生物發(fā)酵制無水乙醇要用膜反應(yīng)器、膜蒸餾、反