膜分离技术应用综述

1、膜分离技术应用综述一、膜分离技术    膜分离是在20世纪初出现，上世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。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，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，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。    膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。&#

2、160;   大多数人会认为，膜离我们的生活非常遥远。其实不然，膜分离技术非常贴近我们的日常生活。如水、果汁、牛奶、保健品、中药、茶食品、饮料、调味品等我们随时可能接触到的，都会用到膜分离技术。    随着国民经济的迅速发展，膜分离技术的应用领域不但会越来越广泛，而且其会被越来越多的人认识和接受。据初步统计，2001年全世界膜和膜组件的销售额已接近80亿美圆，成套设备和膜工程的市场则已达到数百亿美圆，而且每年还在以10%20%的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景。二、膜分离技术发展史、现状及展望（一）发展史 &

3、#160;  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。（二）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

4、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。    80年代以来我国膜技术跨入应用阶段，同时也

5、是新膜过程的开发阶段。在这一时期，膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。并且，在这一时期，国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。    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。（三）展望    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

6、充原有的应用领域，使膜技术发挥发挥更大的作用。  展望之一：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。  展望之二：我们要致力于研究新的膜材料，开发研究新的聚合膜材料。  展望之三：我们要致力于研究开发新的成膜工艺，进一步制备超薄、高度均匀、无缺陷的非对称膜皮层技术与工艺。  展望之四：我们要致力于将无机膜的发展推向前。无机膜由于拥有其他聚合物膜所无法具有的一些优点，如：无机膜具有耐酸、碱、耐有机溶剂，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物污染能力强，耐

7、高温，孔径分布窄，分离效率高等，而受到学术界和工业化应用越来越多的重视。在以后的发展过程中，研究无机膜的新材料、新工艺是必然的趋势。  展望之五：无论在学术上还是工业化应用当中，微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化等课题的研究都将是重中之重。三、膜分离技术特点    膜分离过程是一个高效、环保的分离过程，它是多学科交叉的高新技术，它在物理、化学和生物性质上可呈现出各种各样的特性，具有较多的优势。与传统的分离技术如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等相比，膜分离技术具有以下特点。 高效的分离过程 低能耗 接近室温的工作温度

8、 品质稳定性好 连续化操作 灵活性强 纯物理过程 环保 四、膜分离过程的基本特性    膜分离技术以其节能效果显著、设备简单、操作方便、容易控制而受到广大用户的普遍欢迎。选择适当的膜分离过程，可替代鼓式真空过滤、板框压滤、离子交换、离心分离、溶媒抽提、静电除尘、袋式过滤、吸附/再生、絮凝/共聚、倾析/沉淀、蒸发、结晶等多种传统的分离与过滤方法。五、常用的膜分离过程（一）微滤    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。具体涉及领域主

9、要有：医药工业、食品工业（明胶、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高纯水、城市污水、工业废水、饮用水、生物技术、生物发酵等。（二）超滤    早期的工业超滤应用于废水和污水处理。三十多年来，随着超滤技术的发展，如今超滤技术已经涉及食品加工、饮料工业、医药工业、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收、环境工程等众多领域。（三）纳滤                  

10、 纳滤的主要应用领域涉及：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、环保净水和污水处理及其资源化工业（四）反渗透    由于反渗透分离技术的先进、高效和节能的特点，在国民经济各个部门都得到了广泛的应用，主要应用于水处理和热敏感性物质的浓缩，主要应用领域包括以下：食品工业、牛奶工业、饮料工业、植物（农产品）深加工、生物医药、生物发酵、制备饮用水、纯水、超纯水、海水、苦咸水淡化、电力、电子、半导体工业用水、医药行业工艺用水、制剂用水、注射用水、无菌无热源纯水、食品饮料工业、化工及其它工业的工艺用水、锅炉用水、洗涤用

11、水及冷却用水（五）其他常用膜分离过程    除了以上四种常用的膜分离过程，另外还有渗析、控制释放、膜传感器、膜法气体分离等。六、无机膜专栏（一）无机膜概述及其特点    无机膜的发展始于20世纪40年代，至今发展已经历三个阶段。由于无机膜的优异性能和无机材料科学的发展，无机膜的应用领域日益扩大，将无机膜与催化反应过程结合而构成的膜催化反应过程被认为是催化学科的未来三大发展方向之一。因此无机膜的应用成为当前膜技术领域的一个研究开发热点。    我国的无机膜研究始于20世纪80年

12、代末，通过国家自然科学基金及各部委的支持，我国已能在实验室制备出无机微滤膜、超滤膜以及金属钯膜。    进入九十年代，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。    2002年第七届国际无机膜大会在中国召开，标志着我国无机膜的研究与工业化应用已经进到国际领先水平。    无机膜是由无机材料加工而成，是一种固态膜，以无机材料科学为基础的无机膜具有聚合物分离膜所无法比拟的优点： 孔径分布窄、分离效率高，过滤效果稳定。 化学稳定性好，耐酸

13、、碱、有机溶剂。 耐高温，可用蒸气反冲再生和高温消毒灭菌。 抗微生物污染能力强，适宜在生物医药领域应用。 机械强度大，可高压反冲洗，再生能力强。 无溶出物产生，不会产生二次污染，不会对分离物料产生负面影响。 分离过程简单，能耗低，操作运转简便。 膜使用寿命长。（二）无机膜分类  1、无机分离膜从表层结构上可以分为：致密膜和多孔膜两大类。应工业化生产的需要，目前，多孔陶瓷膜应用较为成熟和广泛。  2、无机膜按照制膜材料，可以分为：陶瓷膜、金属膜、合金膜、高分子金属络和物膜、分子筛复合膜、沸石膜、玻璃膜等。  3、无机膜按照结构特点，可以

14、分为：非担载膜（主要在实验室和科研工作中居多）和担载膜（主要应用于工业化生产居多） 。（三）无机膜结构    工业上应用推广极为成功的无机多孔分离膜元件，主要由三层结构构成：多孔载体、过渡层和活性分离层。（四）无机膜元件、膜组件  1、无机膜元件    无机膜元件从微观角度来看，有对称和非对称两种结构。由于非对称膜元件具有处理效果稳定、机械强度高、高渗透通量等优势，因而，是目前工业化应用的主要形式。    从几何外形来看，商业无机膜有多种形式：多通道、管式

15、、平板式、蜂窝体等。鉴于工业化生产需要较大的过滤面积，且多通道膜元件采用的是错流过滤方式，不同于其他膜过滤形式，况且其具有安装简便、机械强度高、适合于工业化大生产应用等优点，因而多通道无机膜成为工业生产应用的主要产品。  2、无机膜组件    为了保证无机膜元件的正常使用，我们是要求将膜元件和膜外壳配套使用的，因此膜组件应运而生了。通常膜组件的形式按照装填膜元件的支数命名，非常简单明了。无机膜的具体应用在是在分离和反应过程中以膜组件形式出现。无机膜组件是由1根、3根、7根、19根、37根或者是更多的根数的膜元件组成，这就根据具体使用者

16、实际生产或者实验的要求而定了。一台无机膜设备通常包括很多膜组件。（五）无机膜分离系统过滤方式    无机膜分离系统包括膜组件、原料输送系统、压力流量测量控制系统等等。采用的主要是错流过滤方式，与终端过滤不同的是，错流过滤存在着渗透液和循环流体两股液体。（六）无机膜应用领域    膜分离技术以其节能效果显著、操作维护简便、控制简易而受到广大用户的普遍欢迎。选择适当的膜分离过程，可替代真空过滤、板框压滤、离子交换多种传统的分离与过滤方法。    无机膜的应用主要涉及液相分离与净化

17、，气体分离与净化和膜反应器三个方面。无机膜的工业化应用主要集中于液相分离领域，无机膜在液体分离方面的应用主要是微滤和超滤，其中使用最多的是陶瓷膜，占据了80%的市场。食品饮料  植（药）物深加工  果汁、蔬菜汁  乳品工业  农产品深加工  糖类  食品添加剂、天然色素、调味品  酒类等生化医药  生物发酵液  蛋白、酶  中药、保健品口服液  动物血浆、血清 

18、60;医药及中间体化学工业  合成印染料及中间体  精细化工  化工原料及中间体  合成及微生物农药  催化剂颗粒回收利用   有机化工原料的回收   精制化工酸、碱液环境工程  饮料工业、食品工业等各类工艺用水的制备  食品、生物发酵、染料等工艺废水处理   制浆造纸、纺织工业、脱脂废水处理  含油废水处理空气过滤    在气体分离领域

19、应用主要包括气体（空气）的净化和气体组分的分离，但目前成功应用的仅是铀同位素的分离，其他气体净化与分离过程均处于研究开发过程中。 膜分离技术的发展和应用,为许多行业,如纯水生产、海水淡化、苦咸水淡化,电子工业、制药和生物工程、环境保护、食品、化工、纺织等工业,高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题,为循环经济、清洁生产提供依托技术。1 膜分离技术简介1. 1 膜的定义膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或混和气体与膜接触时,在压力下,或电场作用下,或温差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性的拦截,从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离

20、。1. 2 膜的种类分离膜包括:反渗透膜(0. 00010. 005m ,纳滤膜(0. 001 0. 005m 超滤膜(0. 001 0. 1m 微滤膜(0. 11m 、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。他们对应不同的分离机理,不同的设备,有不同的应用对象。膜本身可以由聚合物,或无机材料,或液体制成,其结构可以是均质或非均质的,多孔或无孔的,固体的或液体的,荷电的或中性的。膜的厚度可以薄至100m ,厚至几毫米。不同的膜具有不同的微观结构和功能,需要用不同的方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题,也是各公司严格保密的核心技术。1. 3 膜分离技术的定义把上述的膜制成适合

21、工业使用的构型,与驱动设备(压力泵、或电场、或加热器、或真空泵 、阀门、仪表和管道联成设备。在一定的工艺条件下操作,就可以来分离水溶液或混和气体。透过膜的组分被称为透过流分。这种分离技术被称为膜分离技术。2 膜技术的应用领域2. 1 供水2. 1. 1 高质量饮用水供给随着水体的污染和人民生活水平提高,人们越来越希望得到高质量的饮用水供给。采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水,设备投资少,制水成本低,是优质饮用水制备的经济有效方法,具有广阔的市场前景。2. 1. 2 工业供水自来水和地下水的水质不能满足许多化学工业、电子工业和纺织工业的要求,需要经过净化处理方可以使用,超滤膜技术是净化

22、工业用水的重要技术之一。2. 1. 3 医药用水医药针剂用水是采用多级蒸馏制备的,其工艺繁琐、能耗高、而且质量常常得不到保证。用超滤膜技术除针剂热源和终端水热源,取得很好效果。2. 2 工艺水的处理(分离、浓缩、分级和纯化在各工业生产过程中,往往有分离、浓缩、分级和纯化某种水溶液的需求。传统用的方法是沉淀、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶等过程。这些方法表现出流程长、耗能多、物料损失多、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点,以超滤膜技术取代某种传统技术可以获得显著的经济效益。2. 2. 1 膜技术在制药工业的应用膜技术广泛应用于生物制备和医药生产中的分离、浓缩和纯化。如血液制备的分离、抗菌素和干

23、扰素的纯化、蛋白质的分级和纯化、中草药剂的除菌和澄清等。发酵是生物制药的主流技术,从发酵液中提取药物,传统工艺是溶剂萃取或加热浓缩,反复使用有机溶剂和酸碱溶液,耗量大,流程长,废水处理任务重。特别是许多药物热敏性强,使传统工艺的实用性多受限制。国际先进的制药生产线,大量采用膜分离技术代替传统的分离、浓缩和纯化工艺。如以膜设备浓缩纯化抗生素、中药汤及中药针剂澄清等。2. 2. 2 膜技术在食品领域工业的应用利用超滤膜技术把发酵液中产品和菌体分离,再采用其它方法精制流程。其优点是:生产效率和产品质量提高;简化了工艺流程;菌体蛋白不含外加杂质,利用价值高,达到资源综合利用。酱油、醋的澄清、果汁澄清和

24、浓缩、乳制品生产、制糖工业都采用了膜技术。2. 2. 3 膜技术在各种工业生产中的应用凡是涉及分子级的浓缩和分离的过程,都有膜技术应用的机会。汽车电泳漆的在线纯化采用超滤膜除去杂质,持续保证涂漆质量;燃料工业泳超滤膜技术分离和浓缩中间体。2. 3 在环境保护和水资源化的应用膜技术在废水处理、污染防治和水资源综合利用方面得到广泛应用。在许多情况下,不仅处理了废水,还能回收有用物质和能量。2. 3. 1 各种含油废水及废油的处理采油回注水的处理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油,提高注入水的质量。含油废水的处理:许多工业生产和运输业都产生大量的含油废水,膜滤技术是达标排放最有效的方法。废润滑油的纯化

25、:用常规技术加膜分离,可得到很纯的润滑油,适用于汽车等废机油的处理。机床切削油的纯化回收:膜法可除去废切削油中的细菌和杂质,处理后回用。废食用油的纯化处理技术:食用油在连续高温下产生致癌物质,用膜法可将这部分除去。食用菜籽油的纯化:菜籽油中含有15 %48 %高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,达到标准(芥子酸<5 % 。2. 3. 2 废水的处理及回用膜生物反应器处理生活污水回用中水,其占地面积小,设备投资低,处理水质好。印刷显影废水的处理及回用,采用膜技术处理可以达标排放,也可回收。电镀废水可采用膜技术处理,水回用,污染物回槽利用。印染废水采用膜分离可除去有色染料,得到的水回用。牛仔布印

26、染废水可回收靛蓝燃料。造纸废水用膜可将废水中的木质素、色素等分离出来,净化水可排放或回用。序言膜分离技术是6 0 年代发展起来的一门应用科学，包括反渗透 ( R O 、纳滤( N F 、 超滤( U F 及微孔滤膜( M F ， 另外还有离子交换膜、电渗析、 压渗析、仿生迁移膜、渗透汽化、 控制稀释和液膜等，是一门包含多种专业的新兴边缘学科，本文重点涉及超滤膜等前四种类型的应用简介。超滤技术的基本原理是: 膜表面孔径的选择性筛分作用，以多孔薄膜为分离介质， 使分离的溶液借助外界压力以一定的流速， 沿着具有一定孔径的膜表面流动， 小分子溶质通过膜， 大分子溶质被截留，以 此来分离溶液中不同分子量

27、的物质， 利用不同规格的超滤膜对不同分子量物质的分离。 纳滤技术是八十年代后才发展起来的新技术， 是一种分离特性介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。 在生化领域， 对蛋白 质的浓缩、 分离、 净化、 精制及除菌、 除热源、 透析等， 采用膜分离技术已发展成为现代分离领域最先进的技术之一。 膜技术可维持在原生物体系的环境条件下实现分离， 操作方便、结构紧凑、能耗低、 过程简单又无二次污染，目 前己广泛应用于生物发酵、医药等领域，与传统的离心分离、沉降、过滤、萃取等方法相比，膜技术具有很大潜在优势。二、膜分离技术的主要特点:1 、在分离浓缩时温度变化不大，同时由于在闭合回路中运行，减少了空气

28、中氧的影响，传统浓缩热和氧对有些生物组织影响很大。2 、在操作时，只是简单的加压输送反复循环，工艺简单。3 、在分离水时，由于无相变化，所以能耗低，操作顺利，它的运行费用大约为蒸发浓缩法或冷冻浓缩法的1 / 3 左右。4 、在传统浓缩中，对稀溶液中微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩方面有许多困 难，膜分离技术解决是可能的。5 、物质在通过膜的迁移中不会发生性质的改变。三、在酶制剂工业中的应用6 0年代中 期， 开始采用超滤技术对酶进行浓缩提纯， 它具有以 下优点( ( 1 在常温下浓缩提纯， 减少了 热对发酵产品质量的影响， 产品纯度高， 收率也高， 并对低浓度的酶产品也能进行有效的 浓缩。(

29、2 能耗低， 与真空蒸发法相比， 它们的能耗比为1 : 8 . 8 3 0 ( 3 操作工艺简单。( 4 与盐析沉淀， 溶剂萃取法相比， 可节省无机盐和有机溶剂， 如硫酸钱， 硫酸镁， 乙醇， 丙酮等。1 ,超滤技术在酶制剂工业中的应用2 ,影响超滤效果的主要因素影响超滤的因素除了膜本身 特性外， 主要与酶溶液在膜表面的流速、 压力、温度、P H 值、溶质酶浓度、成分及分子形态和浓缩倍数等因素有关。在某些酶剂的超滤过程中， 通过添加无机盐， 调节P H 值， 保持一定的离子强度， 同样也能改变和提高酶的透过率， 由图中看出， 各种盐类及其不同浓度下， 对膜的透过速度有不同影响。四、在生化制药中

30、的应用1 、反渗透 ( R O 、纳滤 ( N F 、超滤 ( U F 和微孔过滤 ( M F 是制药工业中进行浓缩分离的四种主要膜分离技术，可以根据分离对象的不同分子量采用适合的膜。R 0 , N F主要用于维生素、生物碱和抗生素等低分子物质的浓缩分离，O F主要用蛋白质，千扰素和疫苗等生物制剂的分离与浓缩，微孔过滤主要用于除菌和澄清过滤， 孔径0 . 2 -0 .于澄清过滤。4 5 1 u m 微孔滤膜用于除菌过滤， 孔径>0 . 6 5 i lm 的膜用2 、采用超滤技术用于蛋白质生化药品， 国内有很多成功的例子， 中科院生态 采用超滤技术浓缩工业酶制剂工艺流程已有报道， 工业酶制

31、剂超滤浓缩的工艺流程简单，经过预处理的酶清液进入料液储槽，然后开始进行超滤循环浓缩，透过液由超滤器一端排出。间歇式的工艺示意图如下:环境研究中心采用超滤分离、 浓缩、脱盐青霉素酸化酶的洗脱液， 操作方便， 化学药品消耗量少， 处理效率高， 成本低，且回收率高，适用于工业化生产，超滤回收率达 9 5 % 左右，在太原制药厂和哈尔滨制药厂等药厂广泛应用。又如江苏靖江制药在维生素C的生产中采用超滤膜对古龙酸进行浓缩分离，效果很好。3 、利用控制释放膜分离技术制造缓释药剂，一般药物在人体内释放往往有一段时间，浓度太高进入毒性领域， 而在另一段时间浓度偏低，达不到药效所要求的浓度范围。缓释药物利用控制释

32、放膜分离技术，可以使药物在人体内的浓度始终保持在药效浓度与最适药物浓度的范围内，可维持比一般药物几倍长的时间。缓释药物一般有二类，一种是口服药，另一种是外敷的。4 、超滤技术在中草药针剂中的应用:我国进行了长达2 0 多年的试验研究工作，并己在很多品种中取得了工业化应用，例如采用中空纤维超滤膜作为双黄莲粉针剂工艺终端， 得到令人满意的结果， 其主要作用是1 0 0 % 的细菌被拦截， 微检远远优于药检要求，而且部分热源被拦截。用高强度膜，在承受压力方面是普通滤水用膜的2 倍。五、在生化医疗方面的应用1 、医疗用水的制备 医疗用水分为普通水 ( 自 来水或井水 、精制水 ( 脱盐水 、灭菌精制水

33、( 无菌脱盐水，但仍含有热源 和注射用水 ( 无菌无热源的精制水 。 膜技术用于医疗用水制备，主要是指用反渗透制造注射用水。其中预处理和终端处理常用到超滤和微滤， 美国已于1 9 7 5 年将反渗透医疗注射用水列入国家药典， 我国科技重点攻关观项目己建有试验示范工程。2 、制药车间空气净化 用于制药车间的空气灭菌与净化:这类膜多属于聚四氟乙烯或偏二氟乙烯类微孔滤膜，用折叠式微孔滤膜为多，如美国 P A L L 公司、 M i l l i p o r e 都有商品出售，此类膜也可用于啤酒和净水的终端过滤。3 、人工脏器( 1 血液净化器血液透析器:市场已大批量生产，主要用中空纤维膜组件，膜材料有聚矾和聚醚矾等。 其主要是利用浓度差通过透析膜， 将血液中有害物质除去。血液过滤膜:利用膜过滤技术将血液中有害物质除去。血浆分离膜:帮助血浆交换以治疗，免疫性疾患及代谢性疑难病。血浆净化膜:是从血浆中去除抗体及免疫复合体等患病物质。( 2 人工脏器 人工肺是通过膜分离技术促进血液中C 0 2 与0 2 的交换，因此也可看作另一类型血液净化器， 其他有人工肾( 即血液透析器 、 人工胰、 人工皮肤、人工硬膜、人工细胞膜等。六、在豆制品工业中的应用膜分离技术在豆制品工业中主要是用于蛋白质的分离和回收，豆制品主要有酱和豆腐等，