人工膜的研制與應(yīng)用(選學(xué))

1、人工膜的研制與應(yīng)用（選學(xué)）1膜的應(yīng)用從20世紀(jì)初到20世紀(jì)90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、化工與石油化工、電子、冶金、國(guó)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(guò)百億美元，正以年30的速度遞增著。2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：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(jìn)：把化學(xué)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。3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

2、凈燃燒4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；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(xué)工業(yè)有機(jī)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(guó)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5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

3、法總投資的4080% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇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(guò)程:發(fā)酵速率低、能耗大膜生物反應(yīng)器：實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，降低操作成本6膜法海水淡化分離方法反滲透低溫多效多級(jí)閃蒸能耗(kWh/m3)3.5710國(guó)家或地區(qū)沙特中國(guó)長(zhǎng)海中國(guó)長(zhǎng)島中國(guó)滄化設(shè)備能力m3/d568001000100018000原水含鹽量mg/L43700350003400013000能耗kwh/

4、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 幾種分離方法能耗比較7膜法海水淡化嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置8膜法自來(lái)水廠巴黎瓦茲河梅里市14萬(wàn)立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬(wàn)居民提供14萬(wàn)噸飲用水9典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透脫鹽裝置的共同單元：供給水吸入系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)反滲透膜產(chǎn)品水后處理動(dòng)力回收系統(tǒng)水源供水泵預(yù)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10典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透海水氯氣FeClSO4陽(yáng)離子聚電介質(zhì)攪拌槽絮凝槽重力過(guò)濾器活性炭過(guò)濾

5、器氯氣0.5m筒式過(guò)濾器阻垢劑 加酸（H2SO4）去膜組件海水淡化預(yù)處理系統(tǒng)0.5m筒式過(guò)濾器去膜組件深進(jìn)水加酸阻垢劑軟化水處理中的預(yù)處理11典型膜應(yīng)用過(guò)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(xué)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12典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾應(yīng)用牛奶中的應(yīng)用：牛奶脫脂、蛋白預(yù)濃縮、降低乳糖含量果汁澄清：替代離心過(guò)濾、果膠酶處理、用硅藻土預(yù)涂地真空過(guò)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

6、業(yè)回收磺化木質(zhì)素、脫油、脫脂等。13典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾頭苞霉素C的回收石油化學(xué)和食品工業(yè)的萃取過(guò)程，用超濾回收溶劑；例如從重碳?xì)浠衔镏蟹蛛x低碳?xì)浠衔铮辉谔烊划a(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(xué)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(xì)胞收集MF：0.2微米UF：1萬(wàn)分子量RO：聚酰胺反滲透膜14典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性：膜組件和有關(guān)設(shè)備的成本費(fèi)；膜組件替換費(fèi)；化學(xué)清洗劑費(fèi)；能量使用費(fèi)；勞力費(fèi)；折舊費(fèi)。15典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾終端微濾的應(yīng)用1、制藥溶液的消毒2

7、、飲料的澄清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(guò)程中。3、半導(dǎo)體生產(chǎn)工業(yè)中液體的純化氣體過(guò)濾器：去除氣體中的微粒和膠體、菌體等超純水生產(chǎn)中預(yù)處理和最終供水4、選擇性分析應(yīng)用消毒過(guò)濾的目的：a、最終消毒，即熱敏感制藥產(chǎn)品細(xì)菌的總?cè)コ?；B、降低細(xì)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(wú)機(jī)和有機(jī)粒子，去除在加工過(guò)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；16典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾17典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾18典型膜應(yīng)用過(guò)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

8、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(xì)胞回收、菌細(xì)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(guò)濾：膜面流速2.5 4 m/s,操作壓力35bar,回收率大于95%。過(guò)濾純化最終產(chǎn)品分離典型分離過(guò)程MF離心硅藻土過(guò)濾離子交換吸附溶劑萃取等電沉淀液液萃取分級(jí)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19典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾20無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介： 特點(diǎn) 與有機(jī)膜相比1、耐高溫：無(wú)機(jī)膜的使用溫度可高于400，甚至可達(dá)800，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(shí)可直接高溫蒸汽清洗和滅菌。2、

9、化學(xué)穩(wěn)定性好：無(wú)機(jī)膜能耐酸堿、耐有機(jī)溶劑，適用于較寬的pH范圍，因此可在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中使用，并可采用化學(xué)試劑進(jìn)行清洗；另外無(wú)機(jī)膜可用于非水溶液體系的分離。3、機(jī)械強(qiáng)度高：無(wú)機(jī)膜特別是分離膜一般以載體膜形式制備，其機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于有機(jī)膜，因此可在較高壓力下使用，膜組件及膜微孔不會(huì)產(chǎn)生變形和損壞；還可以高壓反沖進(jìn)行再生。4、抗微生物能力強(qiáng)：一般不與微生物發(fā)生作用，本身無(wú)毒，不污染被分離體系，因此用于食品、生化領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。5、無(wú)機(jī)膜具有孔徑分布范圍較窄、分離效率。6、缺點(diǎn)：造價(jià)較高，裝填面積較小，運(yùn)行費(fèi)用偏高21無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介：分類與現(xiàn)狀無(wú)機(jī)膜粗孔膜50nm微孔膜2nm致密膜微濾膜超濾膜納濾膜滲 透

10、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(wú)機(jī)膜集成過(guò)程22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(biāo)是回收水中有用成分，使處理后的水循環(huán)利用或達(dá)標(biāo)排放。在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用：這是一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，主要涉及下游細(xì)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(diǎn)。23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

11、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(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。釀酒工業(yè)中的應(yīng)用 無(wú)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。24在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用牛奶MFUFRO脂肪和細(xì)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(yùn)輸特殊奶品25脫脂奶200m3/d固含量9.2蛋白質(zhì)3.6乳糖4.7%灰份0.7預(yù)處理UF滲透液167m3/d乳糖4.7灰份0.7RO滲透液122m3/dBOD500g/m3排放陰溝濃縮液45m3/d乳糖17.4%灰份2.6%動(dòng)物飼料濃縮液33m3/d固含量28.7蛋白質(zhì)2

12、1.2%乳糖4.7%灰份0.7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26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27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(jí)膜生物反應(yīng)器肽濃縮乳糖膜生物反應(yīng)器燃料化學(xué)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理水在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用28果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用29果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用30蘋果汁生產(chǎn) 裝置膜面積：220m2 處理量：17m3/h 全自動(dòng)控制 運(yùn)

13、行通量?jī)?yōu)于國(guó)外裝置 產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)外裝置 果汁廠陶瓷膜工程31在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用未濾啤酒離心沉降預(yù)澄清發(fā)酵硅藻土過(guò)濾板框過(guò)濾終端過(guò)濾器滅菌過(guò)濾器發(fā)酵未濾啤酒離心沉降預(yù)澄清錯(cuò)流微濾制成無(wú)菌濾液啤酒過(guò)濾32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。33上海寶鋼集團(tuán)公司冷軋線設(shè)備處理能力為：6萬(wàn)m3/年，油截留率大于99.9，水回用率大于90，回收油120噸/年34設(shè)備折舊費(fèi)用 （元）3.3918

14、能耗費(fèi)用 （元）1.559人工費(fèi)用 （元）0.691.4維修 （元）0.271.0清洗劑費(fèi)用（元）0.224.0油回收費(fèi)（元）2.252.25水回收費(fèi)（元）0.90(水質(zhì)不穩(wěn)定)項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)陶瓷膜（元/m3)進(jìn)口有機(jī)膜（元/m3)總費(fèi)用 （元）2.9731.15說(shuō)明 1：年處理10萬(wàn)噸冷軋乳化液廢水設(shè)備，采用國(guó)產(chǎn)陶瓷膜300萬(wàn)元人民幣（武鋼），進(jìn)口有機(jī)膜設(shè)備200萬(wàn)美元（寶鋼，1988年），成本僅是其1/10。 2：有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于上海寶鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)院。鋼鐵冷軋乳化液廢水處理回用技術(shù)35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，

15、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(shí)是可行的方法，但國(guó)內(nèi)尚未開展研究。36膜技術(shù)用于中藥精制陶瓷膜的優(yōu)勢(shì)：1、煎煮液無(wú)需冷卻可直接過(guò)濾，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)；2、膜的再生方便，除菌徹底,膜本身可直接高溫滅菌；3、無(wú)論中藥水提液性質(zhì)如何,對(duì)膜本身沒有影響；4、對(duì)中藥有效成份基本無(wú)截留；5、口服液生產(chǎn)，放置時(shí)間顯著延長(zhǎng)，無(wú)瓶底沉淀物；6、制片劑或粉劑時(shí)，賦型劑用量比醇沉法減少1/3；7、對(duì)水提液和醇提液均可適用；8、對(duì)單方和復(fù)方中藥均可適用。37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(fù)雜，成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，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

16、縮膜過(guò)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38陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)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、濁度降低率比較樣品號(hào)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

17、.01. 經(jīng)醇沉及膜分離，目標(biāo)成分含量均有下降；2. 膜過(guò)濾后目標(biāo)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(guò)濾4. 膜過(guò)程的優(yōu)化尤為重要 39陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清實(shí)驗(yàn)A:糖渴清復(fù)方A組水提液B:糖渴清復(fù)方B組水提液C:中藥金剛藤水提液0.2um對(duì)三種不同中藥體系的滲透性能比較 40陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清中試實(shí)驗(yàn)11味單方藥材A組根莖類B組葉果實(shí)類煎煮液188.8kg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41陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清中試實(shí)驗(yàn)陶瓷膜處理量：2

18、50l/h實(shí)驗(yàn)?zāi)み\(yùn)行時(shí)間：1.5小時(shí)膜孔徑：0.2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% 42陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝與醇沉工藝比較檢測(cè)目標(biāo)0.2MF50%醇沉濁度(NTU)90%36016.0MF滲透液0.915.812.445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(dǎo)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(guò)程的研究納濾膜分離（洋姜） 溶液糖度和電導(dǎo)率隨操作時(shí)間的變化46膜集成過(guò)程的研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)考察以及過(guò)程優(yōu)化的結(jié)果，設(shè)

19、計(jì)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)。 47陶瓷膜分離、納濾、反滲透集成新工藝的處理量達(dá)12000噸/年洋姜提取膜工藝48膜技術(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(guò)程中存在許多制約因素，就分離而言，原料的預(yù)處理中除去蛋白，發(fā)酵中及時(shí)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(guò)程要解決的問題。涉及下游細(xì)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(diǎn)。49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(diǎn)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(dāng)復(fù)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(duì)純度和含量要求高50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(shì)：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51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(xì)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(guò)程高濃度有機(jī)廢水的處理52膜技術(shù)在生物與