食品工程原理-膜分离技术

膜分离技术及其应用膜分离发展过程和趋势可用？高增长低增长透析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透汽化双极膜液膜膜反应器闸膜活化传递微滤

0.1～10m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤0.005～0.1m：蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤0.0005～0.005m：低聚糖、染料、多价离子反渗透0.0001～0.001m：电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da的有机溶质

膜的适用范围膜料液水小分子大分子渗透液定义：

具有选择性分离的功能薄膜材料。

“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”膜的简介报告内容膜技术简介发展历史专业术语应用实例典型膜过程反渗透超滤微滤陶瓷膜技术

膜的发展历史1748年AbbleNelkt发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超滤概念；1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；1960年Loeb和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。国内主要的膜研究和推广单位：1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司）2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司）天津纺织工学院（膜天公司）3）无机膜：南京工业大学（久吾高科）中国科技大学膜的发展历史膜的发展历史膜的简介特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用特点：无相变、低能耗高效率、污染小工艺简单、操作方便便于与其它技术集成浓缩液进料液渗透液膜的分类膜的的适适用用范范围围分离离对对象象的的粒粒径径分分布布膜元元件件

膜元元件件膜分分离离的的形形式式————错错流流过过滤滤终端端过过滤滤污染染严严重重错流流过过滤滤污染染轻轻膜过过程程的的一一些些术术语语膜过过程程的的一一些些术术语语错流流过过滤滤错流流过过滤滤的的优优点点：：(1)便于于连连续续化化操操作作过过程程中中控控制制循循环环比比；；(2)流流体体流流动动平平行行于于过过滤滤表表面面，，产产生生的的表表面面剪剪切切力力带带走走膜膜表表面面的的沉沉积积物物，，防防止止污污染染层层积积累累，，使使之之处处于于动动态态平平衡衡，，从从而而有有效效地地改改善善液液体体分分离离过过程程，，使使过过滤滤操操作作可可以以在在较较长长的的时时间间内内连连续续进进行行；；(3)错错流流过过滤滤所所产产生生的的流流体体剪剪切切力力和和惯惯性性举举力力能能促促进进膜膜表表面面的的溶溶质质向向流流体体主主体体的的反反向向运运动动，，提提高高了了过过滤滤速速度度。。膜过过程程的的一一些些术术语语膜过过程程的的一一些些术术语语通量量：在在一一定定操操作作条条件件下下，，单单位位时时间间通通过过单单位位面面积积膜膜的的体体积积流流量量。。单单位位L/m2.h选择择性性：将将混混合合物物总总的的组组分分分分离离开开来来的的能能力力。。1））液液体体分分离离的的选选择择性性常常用用截截留留率率表表示示：：R＝＝1－－Cp/Cf2））气气体体分分离离或或有有机机溶溶剂剂混混合合物物的的分分离离常常用用分分离离因因子子表表示示选选择择性性：：A/B＝(yA/yB)/(xA/xB)，，其其中中y表表示示渗渗透透侧侧各各组组分分的的浓浓度度，，x表表示示原原料料侧侧的的浓浓度度。。当当A/B等于于1，，表表示示无无法法实实现现分分离离目目的的，，大大于于1表表示示A组组分分通通过过膜膜的的速速度度大大于于B组组分分。。通量量衰衰减减系系数数m：：由于于过过程程的的浓浓差差极极化化、、膜膜的的压压密密、、膜膜污污染染等等的的影影响响，，使使得得通通量量随随时时间间的的变变化化膜过过程程的的一一些些术术语语膜过过程程的的一一些些术术语语推动动力力：1））对对多多孔孔膜膜而而言言，，在在对对流流流流动动的的情情况况下下，，传传质质推推动动力力是是膜膜两两侧侧的的压压力力差差。。膜压压降降：：P1-P2，，是是由由于于流流体体流流动动引引起起的的。。2））对对致致密密膜膜而而言言，，推推动动力力为为膜膜两两侧侧的的化化学学势势之之差差。。P1P2P3P＝＝（（P1＋＋P2））/2－－P3膜过过程程的的一一些些术术语语浓差差极极化化：：在膜膜分分离离过过程程中中，，一一部部分分溶溶质质被被截截留留，，在在膜膜表表面面及及靠靠近近膜膜表表面面区区域域的的浓浓度度越越来来越越高高，，造造成成从从膜膜表表面面到到本本体体溶溶液液之之间间产产生生浓浓度度梯梯度度，，这这一一现现象象称称为为““浓浓差差极极化化””。。123CfCmCp浓差差膜膜层层渗渗透透侧侧极化化层层极极化化层层传递递阻阻力力：：1））膜阻阻Rm:与膜膜本本身身的的结结构构有有关关，，包包含含膜膜层层到到支支撑撑层层的的传传递递阻阻力力；；2））浓差差极极化化阻阻力力Rc：：由于于被被截截留留组组分分在在膜膜面面浓浓度度的的增增大大而而引引起起的的；；3）推动力力的损损失：：进料侧侧和渗渗透侧侧的压压力损损失；；4）膜污染染阻力力：由于物物料中中的成成分对对膜产产生吸吸附、、堵塞塞、以以及沉沉积等等现象象而引引起的的。膜过程程的一一些术术语Rm膜管本本身阻阻力Ri膜孔内内污染染阻力力Rg凝胶层层阻力力Rc浓差极极化阻阻力膜污染染膜污染染阻力力的概概念模模型膜过程程的一一些术术语膜污染染：指处处理物物料中中的微微粒、、胶体体粒子子或溶溶质大大分子子由于于与膜膜存在在物理理化学学相互互作用用或机机械作作用而而引起起的在在膜表表面或或膜孔孔内吸吸附、、沉积积造成成膜孔孔径变变小或或堵塞塞，使使膜产产生渗渗透通通量与与分离离特性性的不不可逆逆变化化现象象。物理污污染包括膜膜表面面的沉沉积，，膜孔孔内的的阻塞塞，这这与膜膜孔结结构、、膜表表面的的粗糙糙度、、溶质质的尺尺寸和和形状状等有有关。。化学污污染包括膜膜表面面和膜膜孔内内的吸吸附，，这与与膜表表面的的电荷荷性、、亲水水性、、吸附附活性性点及及溶质质的荷荷电性性、亲亲水性性、溶溶解度度等有有关。。膜的用用途浓缩：目的的产物物以低低浓度度形式式存在在，因因此需需要除除去溶溶剂；；（截截留物物为产产物））纯化：除去去杂质质；分离：将混混合物物分成成两种种或多多种目目的产产物；；反应促促进：把化化学反反应或或生化化反应应的产产物连连续取取出，，能提提高反反应速速率或或提高高产品品质量量。膜的应应用从20世纪纪初到到20世纪纪90年代代，膜膜技术术基本本已经经从实实验室室步入入工业业化，，并在在水处处理、、食品品工业业、环环境保保护、、化工工与石石油化化工、、电子子、冶冶金、、国防防………等领领域得得到成成功的的应用用。目目前全全球膜膜产业业的规规模超超过百百亿美美元，，正以以年30％％的速速度递递增着着。膜的应应用膜海水淡淡化工业废废水处处理城市废废水资资源化化天然气气生物质质利用用能源水资源源传统工工业生态环环境除尘CO2控制制药药食品品化工与与石化化电子子冶金金燃料电电池洁净燃燃烧膜技术术的工工业应应用工业领域应用举例金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧

纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水膜技术术用于于生物物质资资源开开发膜生物物反应应器技技术取取得间间歇发发酵可可提高高反应应器效效率15－－80倍渗透汽汽化膜膜分离离技术术比传传统共共沸蒸蒸馏节节能60％％生产装装置总总投资资为传传统分分离方方法总总投资资的40－－80%650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纤维素发酵蒸馏蒸馏脱水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜传统过程:发酵速率低、能耗大膜生物反应器：实现连续生产，降低操作成本膜法海海水淡淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10国家或地区沙特中国长海中国长岛中国沧化设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75产水成本RMB/m34.886.695.131.83反渗透透淡化化厂的的能耗耗及产产水成成本几种分分离方方法能能耗比比较膜法海海水淡淡化嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置膜法自自来水水厂巴黎瓦瓦兹河河梅里里市14万万立方方米/天的的纳滤滤厂，，每天天为巴巴黎附附近50万万居民民提供供14万吨吨饮用用水典型膜膜应用用过程程－反渗透透渗透与与反渗渗透的的区别别：渗透是是水通通过半半透透膜，，从低低溶质质浓度度一侧侧到高高溶质质浓度度一侧侧，直直到两两侧的的水的的化学学位达达到平平衡。。而反反渗透透是在在推动动力作作用下下，溶溶剂（（水））从高高溶质质浓度度一侧侧到低低溶质质浓度度一侧侧，克克服的的是渗渗透压压。渗透压压的计计算算：理想水水溶液液渗透透压＝RTCsi实际溶溶液＝iRTCsiCsi是溶质质的浓浓度，，mol/cm3典型膜膜应用用过程程－反渗透透半透膜膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗渗透B、渗渗透平平衡C、反反渗透透渗透、、平衡衡渗透透、反反渗透透示意意图典型膜膜应用用过程程－反渗透透一般而而言，，无机机盐溶溶液的的渗透透压很很高，，含1g/l氯氯化钠钠的天天然水水，渗渗透压压为0.07MPa，含含35g/l氯氯化钠钠的海海水，，渗透透压为为2.5MPa。反渗透透是以以压力力差为为推动动力的的分离离操作作，其其功能能是截截留离离子物物质而而仅透透过溶溶剂。。反渗透不是是渗透的逆逆过程，两两者同样是是在等温条条件下溶剂剂从高化学学位到低化化学位的迁迁移过程。。反渗透将料料液分成两两部分：透透过膜的是是含溶质很很少的溶剂剂，称为渗渗透液；未未透过膜的的液体，溶溶质浓度增增高，称为为浓缩液。。1784年年AbbleNollet用猪膀胱胱作透过试试验，发现现渗透现象象；1953年年C.E.Reid提出用反反渗透法淡淡化海水的的方案；1960年年Loeb和S.Sourirajan制成成第一张非非对称结构构的醋酸纤纤维素膜，，反渗透技技术进入实实用化阶段段。反渗透过程程可以分为为三类：高压反渗透透（5.6~10.5MPa），低压反渗透透（1.0~4.2MPa）），纳滤（0.3~1.0MPa）。典型膜应用用过程－反渗透分离机理反渗透膜上上的微孔孔孔径约为2nm，而无机盐盐离子的直直径仅为0.1~0.3nm，水合离离子的直径径为0.3~0.6nm，明明显小于孔孔径，无法法用分子筛筛分原理来来解释分离离现象。S.Sourirajan提提出了优先先吸附－毛毛细管流动动模型来解解释非荷电电膜的分离离；荷电膜膜分离机理理着重考虑虑的是膜与与分离对象象之间的Donnan效应。。溶解－扩散散模型：膜膜是无孔的的“完整的的膜”典型膜应用用过程－反渗透膜低压渗透侧侧Jw=水通通量Cw=渗透透液溶质浓浓度Qp＝渗透透流量＝Jw×ACr＝截留留液中溶质质浓度Qr＝截留留液流量高压侧p-＝膜的推推动力Cb＝主体体溶质浓度度Cm＝膜面面溶质浓度度供料截留液渗透液Qi=进料料流量Ci=溶质质浓度反渗透过程程示意图反渗透过程程用三个参参数来评价价：R＝表观截截留率＝1-Cw/CiJw=渗透透通量＝单单位面积上上的渗透流流量r＝回收率率间歇系统：：r=JwAt/V连续系统：：r=JwA/Qi典型膜应用用过程－反渗透反渗透膜：：高操作压力力：3－10MPa；要求膜必须须有高透水水率，高脱脱盐率；耐一定的酸酸碱、耐微微生物、耐耐压密；必须满足工工艺要求、、性质稳定定，能长期期使用。形状：平板板膜、管式式膜、卷式式膜、中空空纤维膜主要膜材料料：醋酸纤纤维素、芳芳香聚酰胺胺、聚砜膜组件反渗透过程程的经济性性和应用性性，取决于于各种廉价价的反渗透透膜组件。。主要有：管管式、板式式、中空纤纤维、卷式式卷式组件的的销售占反反渗透市场场总量的70％，中中空纤维组组件占26％，管式式、板框组组件的销售售量较小。。组件必须满满足：1）机械强强度：必须须承受高压压，及周期期性的减压压与膜清洗洗；2）水力性性能好：组组件设计必必须使膜的的污染和浓浓差极化最最小；3）经济性性：组件寿寿命必须长长；4）制造费费用低，易易于替换。。典型膜应用用过程－反渗透典型膜应用用过程－反渗透典型膜应用用过程－反渗透典型膜应用用过程－反渗透过程设计1、原则：设计变量：：组件的流流体力学和和流速、水水的特性（（溶质浓度度和扩散性性、渗透压压、粘度等等）、操作作压力、水水回收率、、污染指数数。设计过程中中应考虑因因素：1）溶液变变量：悬浮浮固体、可可溶性无机机物、微生生物、可溶溶性有机物物、有机溶溶剂、氧化化性化学试试剂、温度度、pH2）最低预预处理要求求SDI<53）膜的变变量：膜材材料和组件件形式、组组件中的流流速、压力力降、说回回收率和浓浓度、最小小运行通量量和最大通通量、组件件排列、清清洗要求4）膜与其其他过程的的结合；5）膜的性性能随长期期运行会发发生变化，，随时间的的延长，通通量和脱盐盐率发生明明显的变化化，一般膜的寿寿命3～5年；典型膜应用用过程－反渗透2、料液预预处理每个反渗透透系统都包包含了一定定程度的供供料预处理理系统。其目的为：：延长膜的的寿命、防防止膜污染染、保持系系统的去除除率和回收收率。与预处理相相关的投资资成本和操操作费用占占总生产成成本的50％。预处理程度度取决于：：膜组件的的类型、料料液组成、、系统要求求达到的性性能。预处理的方方法：1）防止化化学损伤膜膜的预处理理供给水的氯氯浓度和pH会对膜膜产生化学学损伤。聚聚酰胺类膜膜不耐氯，，醋酸纤维维素特别要要控制pH，在pH<4,pH>7的的条件下水水解特别快快。脱氯常用方方法：a、用NaHSO3处理；b、炭过滤c、用SO2气体处理。。pH的调整整一般用H2SO4或NaOH典型膜应用用过程－反渗透典型膜应用用过程－反渗透脱盐装置的的共同单元元：供给水吸入入系统预处理系统统反渗透膜膜产品水后后处理动力回收收系统水源供水泵预处理系系统高压泵反渗透膜膜单元后处理系系统分配汽提、消消毒能量回收收系统浓液排放放典型脱盐盐系统单单元可降低能能耗25～40％冲击式水水轮泵反转泵典型膜应应用过程程－反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚聚电介质质搅拌槽絮凝槽重力过滤滤器活性炭过过滤器氯气0.5m筒式式过滤器器阻垢剂加酸（H2SO4））去膜组件件海水淡化化预处理理系统0.5m筒式式过滤器器去膜组件件深进水加酸阻垢剂软化水处处理中的的预处理理典型膜应应用过程程－反渗透浓缩液4段渗透透液3段渗透透液1段渗透透液2段渗透透液产品水高水回收收率的反反渗透级级联工艺艺典型膜应应用过程程－反渗透应用1、海水水和苦咸咸水淡化化2、废水水和有害害废水的的处理工业废水水市政废水水3、化学学加工工工业的应应用电镀和金金属抛光光工业造纸工业业纺织工业业石油工业业电力工业业4、食品品加工工工业的应应用水处理产品回收收浓缩和脱脱水分馏5、地下下水和地地表水的的处理6、纳滤滤的应用用废水处理理产品脱盐盐浓缩典型膜应应用过程程－反渗透反渗透过过程已成成功使用用30多多年，据据统计，，在全世世界所有有淡化过过程生产产11.5×106m3/d的饮饮用水中中，反渗渗透占23.4%。优点：能能耗和投投资运行行费用低低，占地地小，设设备腐蚀蚀轻，易易建造、、操作、、维修，，建厂时时间短。。海水淡化化在沙特特至少有有6套，，产水2300～57000m3/d，苦苦咸水淡淡化13套，3500～53000m3/d。典型膜应应用过程程－反渗透典型膜应应用过程程－反渗透典型膜应应用过程程－超滤定义超滤膜是是按分子子大小而而去除的的压力推推动膜过过程。一一般孔径径为2~50nm，能够截截留分子子量300~500000道尔尔顿的物物质。一一般物质质的大小小相差10倍时时，分离离效果最最佳。所所能除去去的物质质包括糖糖、生物物分子、、高分子子聚合物物、胶体体物质。。超滤的的一般操操作压力力为2~5bar。切割分子子量（（MWCO）：膜具有90%以以上截留留率的最最小分子子量物质质。锐截留孔孔径分布布窄，散散截留孔孔径分布布宽。同分子量量的不同同溶质分分子，如如球形蛋蛋白（白白蛋白））、带支支链的多多糖（葡葡聚糖））、线性性柔性分分子（聚聚乙二醇醇），会会表现出出不同的的截留性性质。有关分子子量与分分子大小小、截留留分子量量与膜孔孔径之间间的关系系报道不不多。缺点：不不能获得得膜结构构性能的的定量数数据；测测定结果果的影响响因素多多，测定定结果不不唯一。。典型膜应应用过程程－超滤操作压力力0渗透通量量纯溶剂高流速料料液低流速料料液AA通量与操操作压力力之间的的关系膜严重污污染分离机理理膜对溶质质的截留留作用是是由于：：在膜表表面及微微孔内的的吸附附（一次吸附附）、在膜膜孔中的的停留（（阻塞）、在膜膜表面的的机械截截留（筛分）。其中中一次吸吸附和阻阻塞是与与膜与溶溶质之间间的相互互作用、、溶质浓浓度、操操作条件件有很大大关系的的。就膜膜本身而而言还是是筛分作作用为主主。典型膜应应用过程程－超滤0时间渗透通量量溶剂浓差极化化控制严重污染染渗透通量量随时间间的变化化将超滤过过程分成成三个阶阶段：最初几秒秒种：形形成准稳稳定态浓浓度极化化层；1~10min：溶质质吸附；；长时间：：凝胶截留率随随污染而而提高通通常归于于膜面胶胶体层的的筛分作作用和毛毛细孔径径减小。。增加压力力即增加加截留率率，原因因是克服服渗透压压或凝胶胶层的压压密作用用。pH通常常影响吸吸附过程程从而影影响渗透透通量。。典型膜应应用过程程－超滤超滤膜及及组件常用超滤滤膜材料料聚合物：聚砜、聚醚砜、、醋酸纤维维素、再生纤维维素、聚酰胺、、聚片氟乙乙烯、聚聚丙烯腈腈无机材料料：氧化铝、、氧化锆锆、氧化化钛、硼硅玻璃璃、热解解碳、锆锆/不锈锈钢、锆锆/碳卷式组件件：疏松松－缠绕绕组件、、清洁流流道网（（标准螺螺旋式组组件）板框式组组件：料料液侧压压力5～～20bar，，流道为为0.6mm的的能耗比比0.3mm的的能耗高高20～～40％％；中空纤维维：0.5~2.5mm，其其内径必必须是需需过滤系系统中最最大粒径径的10倍；陶瓷膜：：蜂窝状组组件，单单管组件件，圆盘式组组件。典型膜应应用过程程－超滤典型膜应应用过程程－超滤典型膜应应用过程程－超滤膜组件典型膜应应用过程程－超滤膜污染及及清洗的的方法根据污染染物的化化学性质质，开发发清洗剂剂；确定清洗洗方法：：低压高高速清洗洗、脉冲冲清洗、、化学清清洗等清洗剂：：表面活活性剂、、酸、碱碱、氧化化剂、络络合剂等等用草酸、、柠檬酸酸或EDTA等等配制的的清洗液液可以从从膜上除除去金属属氧化物物沉淀；；加酶洗涤涤剂对有有机物，，特别是是蛋白质质、多糖糖类和油油脂类污污染物有有较好的的清洗效效果。双氧水溶溶液对有有机物也也有良好好的洗涤涤效果。。如果在膜膜的微孔孔中有胶胶体堵塞塞，则可可以利用用分离效效率极差差的物质质，如尿尿素、硼硼酸、醇醇等作清清洗剂，，这些物物质易于于渗入细细孔而达达到清洗洗的目的的。典型膜应应用过程程－超滤操作方式式批式浓缩缩：全循循环、部部分循环环供料－排排放全过滤供料槽供料泵调节阀渗透液全循环V0C0=VtCt+A0tJ(t)Cp(t)dtRi=1-Cp/CrVCF=V0/VrCr=C0(VCF)Ri典型膜应应用过程程－超滤供料槽供料泵调节阀部分循环环渗透液循环泵1、全循循环设备备简单，，一般在在试验研研究中采采用，泵泵的费用用高；2、部分分循环的的供料泵泵提供操操作压力力（小流量，，高扬程程），循环环泵提供供膜面流流速（大流量，，低扬程程）排放供料槽渗透液R1R2P2P1两级连续续操作方方式Qn-1=An-1Jn-1+Qn供料－排排放典型膜应应用过程程－超滤应用牛奶中的的应用：：牛奶脱脱脂、蛋蛋白预浓浓缩、降降低乳糖糖含量果汁澄清清：替代代离心过过滤、果果胶酶处处理、用用硅藻土土预涂地地真空过过滤等，，果汁产产量高。。发酵液处处理：回回收抗生生素等排放液处处理：造造纸工业业回收磺磺化木质质素、脱脱油、脱脱脂等。。典型膜应应用过程程－超滤头苞霉素素C的回回收石油化学学和食品品工业的的萃取过过程，用用超滤回回收溶剂剂；例如如从重碳碳氢化合合物中分分离低碳碳氢化合合物；在天然产产品和医医药用产产品的潜潜在应用用是将产产品生产产和超滤滤分离相相结合；；如将超超滤与酶酶糖化作作用结合合，生产产葡萄糖糖。与化学络络合反应应结合，，生产生生物活性性物质。。发酵液MFUFRO低TDS渗透液液HPLC纯化的抗抗生素蛋白质、、色素去去除细胞收集集MF：0.2微微米UF：1万分子子量RO：聚聚酰胺反反渗透膜膜典型膜应应用过程程－超滤过程的经经济性：：膜组件和和有关设设备的成成本费；；膜组件替替换费；；化学清洗洗剂费；；能量使用用费；劳力费；；折旧费。。典型膜应应用过程程－超滤典型膜应应用过程程－微滤微滤：当压力力推动流流体透过过膜或其其他过滤滤介质，，从流体体中分离离微米大小小的粒子时时，这个个过程为为微滤。。孔径：0.05~10m；渗渗透压可可以忽略略，推动动力为0.1~5bar表面过滤滤：粒子的尺寸寸比过滤介质质的尺寸大，，粒子以其几几何形状被阻阻挡，不能进进入和通过膜膜，这种筛滤滤机理称为表表面过滤。深度过滤：粒子的尺寸寸比过滤介质质的尺寸小，，粒子能进入入过滤介质，，并粘附在其其上，被除去去。典型膜应用过过程－微滤错流过滤与常常规微过滤常规微滤是指指渗透液受压压而垂直通过过过滤介质，，所有大于孔孔径的粒子被被截留。表面过滤和深深度过滤膜堆积层时间时间常规过滤错流过滤滤饼厚度通量典型膜应用过过程－微滤膜及系统1、膜膜材料：有机机物、聚合物物、陶瓷膜结构：均质、、不对称、复复合膜制作方法：相相转化法、粒粒子烧结、示示踪蚀刻形状：平板、、中空纤维、、管式和多通通道支撑膜和非支支撑膜疏水膜和亲水水膜表面电荷：带带电荷和不带带电荷的膜典型膜应用过过程－微滤2、膜的性能能特征截留率渗透率废物处置量和和产量耐化学性表面能和润湿湿行为温度极限机械强度清洗性吸收性典型膜应用过过程－微滤3、过滤系统统设计中还需提提出的关键问问题：a、需要达到到的要求：料料液是否要澄澄清、残留液液是否回收？？B、能够达到到设计目标的的竞争技术是是什么？C、完成这一一分离的可预预见的附加值值？D、对于大于于某一尺寸的的悬浮物是否否需要进行绝绝对分离？E、产品质量量和过程的可可靠性的定位位问题？F、产量大小小及运行时间间？G、安装和操操作系统的投投资限制情况况？典型膜应用过过程－微滤终端微滤的应应用1、制药溶液液的消毒2、饮料的澄澄清60年代初，，聚合物膜在在啤酒业得以以应用，90％以上应用用于啤酒、果果汁饮料、矿矿泉水等过程程中。3、半导体生生产工业中液液体的纯化气体过滤器：：去除气体中中的微粒和胶胶体、菌体等等超纯水生产中中预处理和最最终供水4、选择性分分析应用消毒过滤的目目的：a、最终消毒毒，即热敏感感制药产品细细菌的总去除除；B、降低细菌菌含量，以保保持注射液组组分中热源的的低含量；c、去除注射射液中无机和和有机粒子，，去除在加工工过程中产生生的带悬浮粒粒子的气体。。可应用的领域域：1）一般服务务：注射用水水、气体、蒸蒸汽的除菌；；2）合成非经经肠道药；典型膜应用过过程－微滤3）眼药水；；4）发酵产品品：抗生素、、疫苗、生物物工程蛋白质质；5）血浆和血血清的处理。。过滤器选择的的标准典型膜应用过过程－微滤典型膜应用过过程－微滤典型膜应用过过程－微滤典型膜应用过过程－微滤典型膜应用过过程－微滤生物方面的主主要应用液相澄清：抗抗生素发酵液液的澄清、溶溶菌液的澄清清、蛋白质液液澄清、酵母母溶菌液澄清清固相回收：连连续培养发酵酵的细胞回收收、菌细胞的的收获和冲洗洗、网状菌丝丝体的浓缩、、酵母浓缩抗生素的澄清清陶瓷膜过滤：：膜面流速2.5~4m/s,操作压力力3~5bar,回收率率大于95%。过滤纯化最终产品分离离典型分离过程程MF离心硅藻土过滤离子交换吸附附溶剂萃取等电沉淀液液萃取分级沉淀色谱分离结晶喷雾干燥冷冻干燥发酵产物的下下游处理分离典型膜应用过过程－微滤无机膜简介：：发展无机膜的研究究始于1940年，到到目前经历了了三个阶段：：1、第一阶段段始于二战时时期的Manhattan计划，当当时采用多孔孔陶瓷材料进进行铀同位素素的分离富集集。随着激光光技术的出现现，采用无机机膜富集铀已已不具备技术术上的优势，，所以其逐渐渐退出了这一一领域的竞争争。（气体扩散分分离阶段、军军工阶段）2、自80年年代，无机膜膜进入工业应应用领域，相相继开发出工工业用无机微微滤膜和无机机超滤膜及其其组件，代替替高分子膜在在其无法使用用的苛刻条件件下使用。2004年市市场将达到100亿美元元。（进入了民用用工业的快速速发展阶段））3、进入90年代，由于于无机膜优异异的性能及材材料科学的发发展，新的膜材料、、新的制膜技技术日益得到发展展。此后进入入了膜反应研究的高速发展期期。无机膜简介：：特点与有机膜相比比1、耐高温：无机膜的使用用温度可高于于400℃，甚至可达800℃，因此特别适适合于高温操操作产物的直直接分离或人人为提高温度度，以用于高高粘度流体的的分离；另外外用于食品和和生物工程领领域时可直接高温蒸蒸汽清洗和灭灭菌。2、化学稳定性好好：无机膜能耐耐酸碱、耐有有机溶剂，适适用于较宽的的pH范围，，因此可在强强腐蚀性介质质中使用，并并可采用化学学试剂进行清清洗；另外无无机膜可用于于非水溶液体体系的分离。。3、机械强度度高：无机膜特别是是分离膜一般般以载体膜形形式制备，其其机械强度远远高于有机膜膜，因此可在在较高压力下下使用，膜组组件及膜微孔孔不会产生变变形和损坏；；还可以高压反冲冲进行再生。。4、抗微生物能力力强：一般不与微生生物发生作用用，本身无毒毒，不污染被被分离体系，，因此用于食食品、生化领领域有独特的的优势。5、无机膜具有孔孔径分布范围围较窄、分离离效率。6、缺点：造价较高，，装填面积较较小，运行费费用偏高无机膜简介：：特点平均孔径：100nm50nm20nm陶瓷膜的孔径径分布图无机膜简介：：分类与现状无机膜粗孔膜>50nm微孔膜<2nm致密膜微滤膜超滤膜纳滤膜渗透蒸发膜反渗透膜气体分离膜金属及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜2~50nm无机膜集成过程陶瓷膜在液相相分离领域的的应用现状在食品工业中中的应用：始于1980年，主要集中中在奶制品、、酒类、果汁汁饮料、调味味品等料液的的澄清、浓缩缩除菌。在环保行业中中的应用：以废水、废液液的处理为主主，主要用于于含油废水的的处理以及化化工、石油化化工中生产废废液处理，其其目标是回收收水中有用成成分，使处理理后的水循环环利用或达标标排放。在生物与制药药工业中的应应用：这是一个新的的增长点，主主要涉及下游游细胞回收、、发酵液澄清清、产品净化化等诸多方面面，另外酶膜膜反应器、膜膜传感器等也也是研究热点点。在食品工业中中的应用在牛奶工业中中的应用牛奶的微滤除除菌、乳清浓浓缩、酸奶处处理等果汁生产中的的应用主要在苹果汁汁、猕猴桃汁汁等生产中已已实现工业应应用。酿酒工业中的的应用无菌低温啤酒酒生产、啤酒酒罐底液处理理等工业已规规模应用以及及在葡萄酒生生产中的应用用。在牛奶工业中中的应用牛奶MFUFRO脂肪和细菌脱脂牛奶UF截留物UF渗透物RO浓縮物水高脂奶油饮料生产奶酪特殊奶制品全蛋白乳糖生产发酵食品和非非食品生产蒸发干燥全奶粉奶罐运输特殊奶品脱脂奶200m3/d固含量9.2％蛋白质3.6％乳糖4.7%灰份0.7％％预处理UF渗透液167m3/d乳糖4.7％％灰份0.7％％RO渗透液122m3/dBOD<500g/m3排放阴沟浓缩液45m3/d乳糖17.4%灰份2.6%动物饲料浓缩液33m3/d固含量28.7％蛋白质21.2%乳糖4.7%灰份0.7％％奶酪前体46T/d固含量42%添加剂奶油酵母凝乳素青霉素奶酪生产奶酪40T/d固含量47.5%蛋白质16.9%UF巴氏杀菌菌脱脂乳生产产奶酪在牛奶工业中中的应用原奶MF脱脂奶UF混合巴氏杀菌均相化PROCAL奶饮料料奶油渗透液超滤法生产产饮料奶在牛奶工业业中的应用用乳清MF澄清乳清UFUF渗透物物RONFEDEDNFRO乳清蛋白浓浓縮物蛋白质分级级膜生物反应应器肽浓縮乳糖膜生物反应应器燃料化学物物质脂肪、酪蛋蛋白脱盐乳清浓縮乳清各种乳清蛋蛋白乳清处理水在牛奶工业业中的应用用果汁生产中中的应用果汁生产中中的应用苹果汁生产产装置膜面积积：220m2处理量：17m3/h全自动控制制运行通量优优于国外装装置产品质量优优于国外装装置果汁厂陶瓷瓷膜工程在酿酒工业业中的应用用葡萄果浆榨汁未发酵葡萄汁微滤－1挤压葡萄汁发酵生酒微滤－2准备上市的酒葡萄果浆榨汁未发酵葡萄汁挤压作用（亚硫酸盐处理，冷冻，离心）挤压葡萄汁发酵生酒澄清（整理，过滤）化学稳定作用：冷冻生物稳定作用：巴氏杀菌装瓶准备上市的酒A：传统工艺艺B：膜工艺传统葡萄酒酒工艺与膜膜技术过滤滤工艺比较较在酿酒工业业中的应用用未滤啤酒离心沉降预澄清发酵硅藻土过滤板框过滤终端过滤器灭菌过滤器发酵未滤啤酒离心沉降预澄清错流微滤制成无菌滤液啤酒过滤在环保工业业中的应用用在含油废水水处理中的的应用油田回注水水、金属表表面切削液液、冷轧乳化液液、清洗液废水水等在化工及石石化废水处处理中的应应用主要用于回回收化工废废水中的贵贵重金属及及其氧化物物等。在其它工业业废水处理理中的应用用造纸工业的的黑水和白白水处理、、纺织废水水中PVA回收等。上海宝钢集集团公司冷冷轧线设备处理能能力为：6万m3/年，油截截留率大于于99.9％，水回回用率大于于90％，，回收油120吨/年设备折旧费用（元）3.3918能耗费用

（元）1.559人工费用

（元）0.691.4维修

（元）0.271.0清洗剂费用（元）0.224.0油回收费（元）－2.25－2.25水回收费（元）－0.90(水质不稳定)项目国产陶瓷膜（元/m3)进口有机膜（元/m3)总费用

（元）2.9731.15说明1：：年处理10万吨冷冷轧乳化液液废水设备备，采用国国产陶瓷膜膜300万万元人民币币（武钢）），进口有有机膜设备备200万万美元（宝宝钢，1988年）），成本仅仅是其1/10。2：有关数数据来源于于上海宝钢钢集团设计计院。钢铁冷轧乳乳化液废水水处理回用用技术在生化与制制药工业中中的应用在发酵液除除菌中的应应用乳酸、核酸酸、青霉素素G等提取取在中成药生生产中的应应用主要用于替替代醇沉工工艺，除去去煎煮液中中的杂质，，研究处于于起步阶段段等。在血浆分离离中的应用用已被证实是是可行的方方法，但国国内尚未开开展研究。。膜技术用于于中药精制陶瓷膜的优优势：1、煎煮液无需需冷却可直直接过滤，，减少生产产环节；2、膜的再再生方便，，除菌彻底底,膜本身身可直接高高温灭菌；；3、无论中中药水提液液性质如何何,对膜本本身没有影影响；4、对中药药有效成份份基本无截截留；5、口服液液生产，放放置时间显显著延长，，无瓶底沉沉淀物；6、制片剂剂或粉剂时时，赋型剂剂用量比醇醇沉法减少1/3；7、对水提提液和醇提提液均可适适用；8、对单方方和复方中中药均可适适用。膜技术用于于中药精制制传统中药精精致工艺(醇沉法)。工艺复杂，，成本高、、生产周期期长，水溶溶性有效成成分损失大大洗净蒸发煎煮除杂醇沉乙醇回收蒸发浓缩膜过滤膜浓缩产品保留率(％)氧化苦参碱苦参总黄酮醇沉66.0254.77微滤79.7277.23注：中药苦参水醇沉与微滤比较陶瓷分离膜膜取代醇沉沉过程的中中药提取新新工艺黄芪单方微微滤与醇沉沉之成分损失率率、固形物物去除率、、浊度降低低率比较样品号样品成分损失率（%）固形物去除率（%）浊度降低率（%）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滤液17.14.787.6C2200nm滤液25.914.495.1C350nm滤液50.412.096.01.经经醇沉及膜膜分离，目目标成分含含量均有下下降；2.膜膜过滤后目目标成分损损失明显低低于醇沉工工艺。3.提提高收率的的方法a.多次次醇沉b.加水水洗涤过滤滤4.膜膜过程的优优化尤为重重要陶瓷分离膜膜取代醇沉沉过程的中中药提取新新工艺糖可清实验验A:糖渴清清复方A组组水提液B:糖糖渴渴清清复复方方B组组水水提提液液C:中中药药金金刚刚藤藤水水提提液液0.2um对对三三种种不不同同中中药药体体系系的的渗渗透透性性能能比比较较陶瓷瓷分分离离膜膜取取代代醇醇沉沉过过程程的的中中药药提提取取新新工工艺艺糖可可清清中中试试实实验验11味味单单方方药药材材A组组根根茎茎类类B组组叶叶果果实实类类煎煮煮液液188.8kg煎煮煮液液193kgMF残留留液液渗透透液液加水水渗渗析析MF残留留液液渗透透液液加水水渗渗析析后续续加加工工成成药药陶瓷瓷分分离离膜膜取取代代醇醇沉沉过过程程的的中中药药提提取取新新工工艺艺糖可可清清中中试试实实验验陶瓷瓷膜膜处处理理量量：：250l/h实验验膜膜运运行行时时间间：：1.5小小时时膜孔孔径径：：0.2微微米米，，氧氧化化锆锆材材质质批次次：：2次次总黄黄酮酮收收率率：：95.4%固含含物物去去除除率率：：A组组：：23.4%，，B组组：：32.6%陶瓷瓷分分离离膜膜取取代代醇醇沉沉过过程程的的中中药药提提取取新新工工艺艺与醇醇沉沉工工艺艺比比较较检测目标0.2MF50%醇沉浊度(NTU)<0.826.3固含量％0.3120.393生产周期短长成分收率>90%<80%新药药进进入入临临床床阶阶段段建立立了了““糖糖渴渴清清””单单方方和和复复方方的中中试试（（500T/a））装装置置，，糖糖渴清清””获获得得国国家家新新药药临临床床批批件，，成成为为首首例例采采用用陶陶瓷瓷膜膜新新技术术制制备备的的国国家家级级新新药药膜技技术术在在植植物物提提取取工工艺艺中中的的应应用用传统统植植物物提提取取液液分分离离工工艺艺的的三三大大问问题题：：以高高原原料料消消耗耗获获取取目目标标组组分分分分离离；；以高高能能耗耗获获取取溶溶剂剂回回收收和和目目标标组组分分浓浓缩缩；；以环环境境污污染染代代价价获获取取经经济济效效益益经过过陶陶瓷瓷膜膜工工艺艺处处理理后后，，物物料料的的浊浊度度有有了了明明显显的的下下降降膜集成过过程的研研究－陶瓷膜分分离（洋姜）操作压差差、膜面面流速、、操作温温度对渗渗透通量量的影响响洋姜水提液的膜过滤液物性变化样品浊度/NTU糖度/Bix固含量/％水提原液>360－16.0MF渗透液0.915.812.4渗透液母液3次洗脱脱后（加加水量为为原液的的1/3），母母液糖度度降低了了约30％，表表明母液液中的单单糖已得得到了脱脱除（>95%）；电电导率下下降了约约79％％；纳滤工艺艺具备脱脱除单糖糖、脱盐盐、浓缩缩三重功功能。膜集成过过程的研研究－纳滤膜分分离（洋姜）溶液糖度度和电导导率随操操作时间间的变化化

固含量浓缩液/%渗透液/%原料

12.4—加水批次019.81.75119.51.16218.90.974318.40.864膜集成过过程的研研究根据实验验考察以以及过程程优化的的结果，，设计了了4m3/hr膜膜集成工工艺，包包括陶瓷瓷膜、纳纳滤膜和和反渗透透膜等分分离技术术。陶瓷膜分分离、纳纳滤、反反渗透集成新工工艺的处处理量达达12000吨吨/年洋姜提取取膜工艺艺膜技术在在生物与与制药工工业中的的应用微生物发发酵在生生化行业业中具有有举足轻轻重的地地位,终终产物都都是在发发酵中形形成。但但发酵过过程中存存在许多多制约因因素，就就分离而而言，原料的预预处理中中除去蛋蛋白，发酵中中及时分离微生生物代谢谢产物，发酵终终了后所所要求组分从发发酵液中中的分离离、其它组组分的回回收利用用，以及及发酵废液液的处理理，都是发发酵过程程要解决决的问题题。涉及下游游细胞回回收、发发酵液澄澄清、产产品净化化等诸多多方面，，另外酶酶膜反应应器、膜膜传感器器等也是是研究热热点。膜技术在在生物与与制药工工业中的的应用生化产品品的特点点1、目的的产物在在初始物物料中的的含量低低2、初始始物料成成分相当当复杂3、生物物活性物物质稳定定性差，，易失活活、降解解4、产品品种类繁繁多5、应用用面广，，对纯度度和含量量要求高高膜技术在在生物与与制药工工业中的的应用采用膜分分离的优优势：1、条件温和和，能保保持生物物活性2、选择择性好，，分离系系数高3、活性性产物的的量和具具有较高高的收率率4、分离离步骤明明显减少少5、分离离快速，，生产能能力显著著提高膜技术在在生物与与制药工