无机微粒膜在液体分离和净化中的应用(食品工业中的应用).ppt

无机微滤膜在液体分离和净化中的应用 （在食品工业中的应用 ）,07应用化学 组员：叶梅强、叶舒婷、岳官荣、张翔,1、概述,无机膜是固体膜的一种,它是由无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、无机高分子材料等制成的半透膜。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，近年来发展迅速，已在众多领域中得到广泛的应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。 鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜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。食品工业是微孔过滤最大的应用和开发市场，现已开发和应用的范围遍及酒类的过滤 。,与聚合分离膜相比,无机膜具有以下一些优点:化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂; 机械强度大,担载无机膜可承受几十个大气压的外压,并可反向冲洗; 抗微生物能力强,不与微生物发生作用,可以在生物工程及医学科学领域中应用; 耐高温,一般均可以在400下操作,最高可达800以上; 孔径分布窄,分离效率高。 由于膜技术在食品工业应用中需要涉及清洗和消毒等操作，同时在处理高黏度物料时还需要较高的剪切速度，因此无机膜是合适的选择，无机膜不仅具有使用寿命长，运行稳定，分离效率高等优点，对食品领域而言，可以进行原位蒸汽消毒，这对于保证食品质量是十分重要的。,膜分离技术及其系统应用,2 无机膜过滤特性 2. 1 基本原理 2. 2 基本现象 2. 2. 1 吸附 2. 2. 2 浓差极化 2. 3 分离过程影响因素 2. 3. 1 膜结构参数对分离过程的影响 2. 3. 2 体系性质对分离过程的影响 2. 3. 3 操作参数对分离过程的影响,2. 1 基本原理 无机膜技术在液相分离中基本原理是:在压力差下,利用膜孔的筛分特性,使混合物组分得到分级或分离。产品可以是渗透液、截留液或两者皆是。无机膜的分离特性以渗透通量和渗透选择性为衡量指标,二者均与膜结构、分离对象体系性质及操作条件等密切相关。,2. 2 基本现象 2. 2. 1 吸附 凡大分子与膜表面接触都会发生强弱不同的相互作用,此现象通称为吸附。吸附的直接结果就是导致膜孔减小而使渗透通量衰减。膜表面上形成吸附层的趋势与其表面性质有密切的关系。例如,当过滤液中存在有机物时,常常观测到憎水表面的吸附比亲水表面强的多。吸附总是从单分子层开始,即使是单层吸附,也可能降低渗透通量20% 30%。在高的溶质浓度下,容易形成多层吸附,更会引起渗透通量进一步衰减,以至失去原有渗透通量的80%90% ,严重者几乎全部丧失。由于孔径级别的差异,超滤膜比微滤膜更容易因吸附而被阻塞。,2. 2. 2 浓差极化 在膜分离过程中,溶质被膜截留而在膜表面附近积累,使得局部浓度高于主体浓度,这种浓度累积会导致溶质向原料液主体的反向扩散运动,这种浓差极化现象经过一定时间会成为定态。浓差极化会使膜的截留率和膜通量发生变化。对于溶质为盐等低分子量物质时,往往因为膜表面处溶质浓度升高,实测的截留率会低于真实或本征截留率。而对于大分子溶质混合物,往往会出现被完全截留的高分子量溶质形成动态膜,而使得小分子量溶质的截留率升高的现象。浓差极化往往造成膜通量的下降。在超滤过程中浓差极化显得特别显著,当膜表面溶质浓度增大时,局部浓度达到最大的凝胶值,称为凝胶极化,凝胶层成为决定通量的制约因素,此时操作压差增大使得凝胶阻力增大,推动力的增大为阻力的增大所抵消,渗透通量不变。,2. 3 分离过程影响因素 2. 3. 1 膜结构参数对分离过程的影响 （1）膜孔径是影响膜通量和截留率等分离性能的主要因素。一般来说,孔径越小,对粒子或溶质的截留率越高而相应的通量往往越低。对于纯溶剂介质而言,膜孔径越大,通量越高,但在实际体系分离中,由于浓差极化、吸附、堵塞等膜污染现象的影响,实际体系过滤渗透通量值很少能与膜的纯溶剂渗透通量值相比拟。,（2）膜厚度的影响 膜厚度对膜性能的影响主要表现在渗透通量上,由于膜厚度的增加必然使流体透过的路程增加,因此过滤阻力增加,通量下降。在应用中期望所采用的膜厚度越小越好,但实际膜的制备中,由于支撑体表面、制备控制技术等多方面影响,在减小膜厚度的同时,必须考虑膜的完整性。 （3）膜的孔隙率的影响 孔隙率高的膜具有较多的开孔结构,所以在相同的孔径下具有高的渗透通量。一般来说,多孔无机膜特别是陶瓷膜,其膜层的孔隙率在20% 60%之间,支撑体孔隙率应高于分离层,对微滤而言,希望孔隙率大于30%。,2. 3. 2 体系性质对分离过程的影响 影响膜分离性能的体系性质主要包括两方面:一是黏度、成分、pH值等溶液性质,二是所含溶质或颗粒的大小、荷电性质、分散状态等。这些性质中,溶质或颗粒的性质直接关系到其对膜的污染方式、程度等,从而影响膜的分离性能。另外,由于陶瓷膜都带有电荷,而且其电位受溶液性质影响,因此溶液性质改变往往改变膜的表面荷电性质,使得膜与溶质或颗粒、膜与溶剂的相互作用发生变化,进而对膜分离性能产生影响。,2. 3. 3 操作参数对分离过程的影响 （1）操作压力 对于压力推动的膜过滤过程,操作压力差将直接影响膜通量,无机膜过滤过程中存在一临界压力,在临界压力之下,操作压差与膜通量呈正比关系;而在临界压力之上,由于浓差极化等因素的影响,过滤压差与膜通量不再存在线性关系,而且操作压差对通量的影响不大,前者称为压力控制区,后者称为质量传递控制区,此临界压力对应的膜通量称为极限通量。确定临界压力有助于选择合适的操作压力,这对降低能耗,获得较高的膜通量,避免过滤操作的条件恶化具有非常重要的意义。有关参数影响的一般规律是流速增大、温度升高、浓度降低将使临界压力增大,通量升高,在相同的膜通量下,所需推动力降低。,（2）错流速度 错流速度是影响膜渗透通量的重要因素之一。错流速度的大小主要取决于原料液的性质和膜材料机械强度,在绝大多数的操作过程中,错流速度的范围一般在28ms- 1之间。一般认为,较高的剪切速度有利于带走沉积于膜表面的颗粒、溶质等,减轻膜污染,因而可以有效地提高膜通量,而且提高错流速度还有利于减轻浓差极化的影响,对分离过程能量消耗等也有着非常重要的影响。,（3）温度 一般情况下,温度的升高,会使溶液黏度下降,悬浮颗粒的溶解度增加,传质扩散系数增大,还可以促进膜表面溶质向主体运动,减薄了浓差极化层,从而提高过滤速度,增加膜通量。如果膜通量升高将减少单位产量所需的膜面积,从而降低投资成本;不过升高温度也会使能耗增加,提高运行费用;而且对于易变性的体系反而不宜升温。 （4）临界通量 学者根据微滤试验现象提出了临界通量的概念。微滤过程的临界通量是指在微滤过程启动时存在某通量值,在该通量值之下过滤不发生通量随时间的衰减,而在该通量之上有膜污染出现,这个通量即为临界通量。由于不同体系的物种表面作用变化十分显著,临界通量的测定很难事先确定,不过作为对体系优化的指导,临界通量的概念还是有价值的。,3 膜分离工艺在食品工业中应用的先进性 3. 1节能 3.2 保持色香味和营养成分 3.3 应用范围广 3.4 简化流程和操作,3 膜分离工艺在食品工业中应用的先进性 3. 1节能 膜分离过程不发生相变化，具有冷杀菌优势，与相变的分离方法和其它分离方法相比，能耗低，且采用洁净能源电力。因此膜分离技术又称节能技术。 3.2 保持色香味和营养成分 膜分离过程是在常温下进行，因而特别适用于对热敏感的物质，如果汁、氨基酸、维生素等的分离、分级、浓缩与富集；同时膜分离工艺中物料是在闭合回路中运转，这样减少了空气中氧的影响，而热和氧都对食品加工影响很大；物料在通过膜的迁移过程中也不会发生性质的改变；膜分离过程也可用于冷法杀菌，代替沿袭的加热巴氏杀菌工艺等；所以在膜分离工艺中，可尽可能地不改变产品的色、香、味及营养成分，保持产品的原汁原味,3.3 应用范围广 只要是大于0.1m的物质，都可以通过我公司生产的无机膜进行滤除，可以把细菌、酵母和霉菌全部截留，而食品中的有效成分大多能透过膜。 3.4 简化流程和操作 膜分离过程工艺操作相对简单，容易实现自动化控制，装置占地面积也少，设备维修方便，装置寿命长，三费减少。,4 无机膜在液相分离食品工业中的应用 4. 1 脱脂牛乳的处理 4. 2 啤酒的酿制 4. 3 饮用水生产中的应用,无机膜在食品工业中的应用,4 无机膜在液相分离食品工业中的应用 4. 1 脱脂牛乳的处理 王荫榆等人利用陶瓷膜微滤技术对ESL牛乳的生产应用进行了研究,利用该过滤工艺处理脱脂牛乳,即可保证牛乳新鲜,同时有效成分不受损失,使高品质牛乳的批量生产成为可能,尤其结合高温灭菌可以显著延长产品的货架期。 吕加平等人在均一孔径膜微滤系统的基础上,通过梯度膜切向流反向脉冲微滤系统的构建,研究了梯度膜用于牛奶微滤除菌的效果。梯度膜对细菌和芽孢高效的截留率分别达到99. 94%和99. 86%,但对脱脂乳成分几乎没有截留。,4. 2 啤酒的酿制 范广璞等人选择0. 5m孔径的陶瓷膜对生啤酒进行过滤,陶瓷膜对啤酒中蛋白质和色素的截留率均很低,过滤后啤酒中的微生物数量亦符合要求,能达到除菌的目的,理化指标较为理想,尤其是双乙酰含量的降低,使得生啤酒的口味更能满足大众的要求。 4. 3 饮用水生产中的应用 传统饮用水生产多采用沙、活性炭等介质过滤,但只适用处理低浊度的水。无机膜可用于地下水和地表水的净化过程,用于除去水中的颗粒,河水、井水、湖水中的细菌及某些重金属污染物。0. 2m和4nm氧化铝膜过滤氧化塘水,细菌水平从10005000个/ cm3降到0. 030. 4个/ cm3 ,大肠杆菌总数从50500 / cm3降到零水平。,5 膜分离技术的发展史、现状和展望 5.1发展史 5.2现状 5.3展望,5 膜分离技术的发展史、现状和展望 5.1发展史 膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。,5.2现状 随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。她们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。 半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用。 由于膜分离技术本身具有的优越性能，故膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界把膜过程视为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。曾有专家指出：谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。,东莞市广南水处理设备有限公司的设备,5.3展望 目前，这一潜力巨大的新兴行业正在以蓬勃的激情挑战市场，为众多的企业带来了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。 当前，膜分离技术已获得巨大的进展，但它毕竟还是处于上升发展阶段，还有许多工作要我们去做。21世纪的膜科学与技术将进一步改进、完善已有的膜过程，不断探索和开拓新的过程与材料，并不断扩充原有的应用领域，使膜技术发挥发挥更大的作用。,我们要致力于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。我们要致力于研究新的膜材料，开发研究新的