膜分离技术及应用

膜分离技术及应用第1页，课件共63页，创作于2023年2月膜的应用从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防……等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30％的速度递增着。第2页，课件共63页，创作于2023年2月膜的用途浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。第3页，课件共63页，创作于2023年2月膜的应用膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2

控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧第4页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术的工业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；野战供水第5页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术用于生物质资源开发膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15－80倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60％生产装置总投资为传统分离方法总投资的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，降低操作成本第6页，课件共63页，创作于2023年2月膜法海水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反渗透淡化厂的能耗及产水成本几种分离方法能耗比较第7页，课件共63页，创作于2023年2月膜法海水淡化嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置第8页，课件共63页，创作于2023年2月膜法自来水厂巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水第9页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－反渗透脱盐装置的共同单元：供给水吸入系统预处理系统反渗透膜产品水后处理动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗25～40％冲击式水轮泵反转泵第10页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂

加酸（H2SO4）去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的预处理第11页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－反渗透浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺第12页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－反渗透应用1、海水和苦咸水淡化2、废水和有害废水的处理工业废水市政废水3、化学加工工业的应用电镀和金属抛光工业造纸工业纺织工业石油工业电力工业4、食品加工工业的应用水处理产品回收浓缩和脱水分馏5、地下水和地表水的处理6、纳滤的应用废水处理产品脱盐浓缩第13页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤操作方式批式浓缩：全循环、部分循环供料－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第14页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤

供料槽供料泵调节阀部分循环渗透液循环泵1、全循环设备简单，一般在试验研究中采用，泵的费用高；2、部分循环的供料泵提供操作压力（小流量，高扬程），循环泵提供膜面流速（大流量，低扬程）排放供料槽渗透液R1R2P2P1两级连续操作方式Qn-1=An-1Jn-1+Qn供料－排放第15页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤应用牛奶中的应用：牛奶脱脂、蛋白预浓缩、降低乳糖含量果汁澄清：替代离心过滤、果胶酶处理、用硅藻土预涂地真空过滤等，果汁产量高。发酵液处理：回收抗生素等排放液处理：造纸工业回收磺化木质素、脱油、脱脂等。第16页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤头苞霉素C的回收石油化学和食品工业的萃取过程，用超滤回收溶剂；例如从重碳氢化合物中分离低碳氢化合物；在天然产品和医药用产品的潜在应用是将产品生产和超滤分离相结合；如将超滤与酶糖化作用结合，生产葡萄糖。与化学络合反应结合，生产生物活性物质。发酵液MFUFRO低TDS渗透液HPLC纯化的抗生素蛋白质、色素去除细胞收集MF：0.2微米UF：1万分子量RO：聚酰胺反渗透膜第17页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤过程的经济性：膜组件和有关设备的成本费；膜组件替换费；化学清洗剂费；能量使用费；劳力费；折旧费。第18页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－超滤第19页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－微滤终端微滤的应用1、制药溶液的消毒2、饮料的澄清60年代初，聚合物膜在啤酒业得以应用，90％以上应用于啤酒、果汁饮料、矿泉水等过程中。3、半导体生产工业中液体的纯化气体过滤器：去除气体中的微粒和胶体、菌体等超纯水生产中预处理和最终供水4、选择性分析应用消毒过滤的目的：a、最终消毒，即热敏感制药产品细菌的总去除；B、降低细菌含量，以保持注射液组分中热源的低含量；c、去除注射液中无机和有机粒子，去除在加工过程中产生的带悬浮粒子的气体。可应用的领域：1）一般服务：注射用水、气体、蒸汽的除菌；2）合成非经肠道药；第20页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－微滤第21页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－微滤第22页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－微滤生物方面的主要应用液相澄清：抗生素发酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白质液澄清、酵母溶菌液澄清固相回收：连续培养发酵的细胞回收、菌细胞的收获和冲洗、网状菌丝体的浓缩、酵母浓缩抗生素的澄清陶瓷膜过滤：膜面流速2.5~4m/s,操作压力3~5bar,回收率大于95%。过滤纯化最终产品分离典型分离过程MF离心硅藻土过滤离子交换吸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游处理分离第23页，课件共63页，创作于2023年2月典型膜应用过程－微滤第24页，课件共63页，创作于2023年2月无机膜简介：发展

无机膜的研究始于1940年，到目前经历了三个阶段：1、第一阶段始于二战时期的Manhattan计划，当时采用多孔陶瓷材料进行铀同位素的分离富集。随着激光技术的出现，采用无机膜富集铀已不具备技术上的优势，所以其逐渐退出了这一领域的竞争。（气体扩散分离阶段、军工阶段）2、自80年代，无机膜进入工业应用领域，相继开发出工业用无机微滤膜和无机超滤膜及其组件，代替高分子膜在其无法使用的苛刻条件下使用。2004年市场将达到100亿美元。（进入了民用工业的快速发展阶段）3、进入90年代，由于无机膜优异的性能及材料科学的发展，新的膜材料、新的制膜技术日益得到发展。此后进入了膜反应研究的高速发展期。第25页，课件共63页，创作于2023年2月无机膜简介：特点

与有机膜相比1、耐高温：无机膜的使用温度可高于400℃，甚至可达800℃，因此特别适合于高温操作产物的直接分离或人为提高温度，以用于高粘度流体的分离；另外用于食品和生物工程领域时可直接高温蒸汽清洗和灭菌。2、化学稳定性好：无机膜能耐酸碱、耐有机溶剂，适用于较宽的pH范围，因此可在强腐蚀性介质中使用，并可采用化学试剂进行清洗；另外无机膜可用于非水溶液体系的分离。3、机械强度高：无机膜特别是分离膜一般以载体膜形式制备，其机械强度远高于有机膜，因此可在较高压力下使用，膜组件及膜微孔不会产生变形和损坏；还可以高压反冲进行再生。4、抗微生物能力强：一般不与微生物发生作用，本身无毒，不污染被分离体系，因此用于食品、生化领域有独特的优势。5、无机膜具有孔径分布范围较窄、分离效率。6、缺点：造价较高，装填面积较小，运行费用偏高第26页，课件共63页，创作于2023年2月无机膜简介：特点平均孔径：100nm50nm20nm陶瓷膜的孔径分布图第27页，课件共63页，创作于2023年2月无机膜简介：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无机膜集成过程第28页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷膜在液相分离领域的应用现状在食品工业中的应用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒类、果汁饮料、调味品等料液的澄清、浓缩除菌。

在环保行业中的应用：以废水、废液的处理为主，主要用于含油废水的处理以及化工、石油化工中生产废液处理，其目标是回收水中有用成分，使处理后的水循环利用或达标排放。在生物与制药工业中的应用：这是一个新的增长点，主要涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。第29页，课件共63页，创作于2023年2月在食品工业中的应用在牛奶工业中的应用牛奶的微滤除菌、乳清浓缩、酸奶处理等果汁生产中的应用

主要在苹果汁、猕猴桃汁等生产中已实现工业应用。酿酒工业中的应用

无菌低温啤酒生产、啤酒罐底液处理等工业已规模应用以及在葡萄酒生产中的应用。第30页，课件共63页，创作于2023年2月在牛奶工业中的应用牛奶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食品生产蒸发干燥全奶粉奶罐运输特殊奶品第31页，课件共63页，创作于2023年2月脱脂奶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巴氏杀菌脱脂乳生产奶酪在牛奶工业中的应用第32页，课件共63页，创作于2023年2月原奶MF脱脂奶UF混合巴氏杀菌均相化PROCAL奶饮料奶油渗透液超滤法生产饮料奶在牛奶工业中的应用第33页，课件共63页，创作于2023年2月乳清MF澄清乳清UFUF渗透物RONFEDEDNFRO乳清蛋白浓縮物蛋白质分级膜生物反应器肽浓縮乳糖膜生物反应器燃料化学物质脂肪、酪蛋白脱盐乳清浓縮乳清各种乳清蛋白乳清处理水在牛奶工业中的应用第34页，课件共63页，创作于2023年2月果汁生产中的应用第35页，课件共63页，创作于2023年2月果汁生产中的应用第36页，课件共63页，创作于2023年2月苹果汁生产

装置膜面积：220m2

处理量：17m3/h

全自动控制

运行通量优于国外装置

产品质量优于国外装置

果汁厂陶瓷膜工程第37页，课件共63页，创作于2023年2月在酿酒工业中的应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

B：膜工艺传统葡萄酒工艺与膜技术过滤工艺比较第38页，课件共63页，创作于2023年2月在酿酒工业中的应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第39页，课件共63页，创作于2023年2月在环保工业中的应用在含油废水处理中的应用油田回注水、金属表面切削液、冷轧乳化液、清洗液废水等在化工及石化废水处理中的应用

主要用于回收化工废水中的贵重金属及其氧化物等。在其它工业废水处理中的应用

造纸工业的黑水和白水处理、纺织废水中PVA回收等。第40页，课件共63页，创作于2023年2月上海宝钢集团公司冷轧线设备处理能力为：6万m3/年，油截留率大于99.9％，水回用率大于90％，回收油120吨/年第41页，课件共63页，创作于2023年2月设备折旧费用（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10万吨冷轧乳化液废水设备，采用国产陶瓷膜300万元人民币（武钢），进口有机膜设备200万美元（宝钢，1988年），成本仅是其1/10。

2：有关数据来源于上海宝钢集团设计院。钢铁冷轧乳化液废水处理回用技术第42页，课件共63页，创作于2023年2月在生化与制药工业中的应用在发酵液除菌中的应用乳酸、核酸、青霉素G等提取在中成药生产中的应用

主要用于替代醇沉工艺，除去煎煮液中的杂质，研究处于起步阶段等。在血浆分离中的应用

已被证实是可行的方法，但国内尚未开展研究。第43页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术用于中药精制陶瓷膜的优势：1、煎煮液无需冷却可直接过滤，减少生产环节；2、膜的再生方便，除菌彻底,膜本身可直接高温灭菌；3、无论中药水提液性质如何,对膜本身没有影响；4、对中药有效成份基本无截留；5、口服液生产，放置时间显著延长，无瓶底沉淀物；6、制片剂或粉剂时，赋型剂用量比醇沉法减少1/3；7、对水提液和醇提液均可适用；8、对单方和复方中药均可适用。第44页，课件共63页，创作于2023年2月

膜技术用于中药精制传统中药精致工艺(醇沉法)。工艺复杂，成本高、生产周期长，水溶性有效成分损失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第45页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

黄芪单方微滤与醇沉之成分损失率、固形物去除率、浊度降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.经醇沉及膜分离，目标成分含量均有下降；2.膜过滤后目标成分损失明显低于醇沉工艺。3.提高收率的方法

a.多次醇沉

b.加水洗涤过滤4.膜过程的优化尤为重要

第46页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清实验A:糖渴清复方A组水提液B:糖渴清复方B组水提液C:中药金刚藤水提液0.2um对三种不同中药体系的渗透性能比较

第47页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清中试实验11味单方药材A组根茎类B组叶果实类煎煮液188.8kg煎煮液193kgMF残留液渗透液加水渗析MF残留液渗透液加水渗析后续加工成药第48页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清中试实验陶瓷膜处理量：250l/h实验膜运行时间：1.5小时膜孔径：0.2微米，氧化锆材质批次：2次总黄酮收率：95.4%

固含物去除率：A组：23.4%，B组：32.6%

第49页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

与醇沉工艺比较检测目标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%第50页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术在植物提取工艺中的应用传统植物提取液分离工艺的三大问题：

以高原料消耗获取目标组分分离；以高能耗获取溶剂回收和目标组分浓缩；以环境污染代价获取经济效益

第51页，课件共63页，创作于2023年2月经过陶瓷膜工艺处理后，物料的浊度有了明显的下降膜集成过程的研究－陶瓷膜分离（洋姜）操作压差、膜面流速、操作温度对渗透通量的影响

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第52页，课件共63页，创作于2023年2月渗透液母液3次洗脱后（加水量为原液的1/3），母液糖度降低了约30％，表明母液中的单糖已得到了脱除（>95%）；电导率下降了约79％；纳滤工艺具备脱除单糖、脱盐、浓缩三重功能。膜集成过程的研究－纳滤膜分离（洋姜）溶液糖度和电导率随操作时间的变化

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第53页，课件共63页，创作于2023年2月膜集成过程的研究根据实验考察以及过程优化的结果，设计了4m3/hr膜集成工艺，包括陶瓷膜、纳滤膜和反渗透膜等分离技术。第54页，课件共63页，创作于2023年2月陶瓷膜分离、纳滤、反渗透集成新工艺的处理量达12000吨/年洋姜提取膜工艺第55页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术在生物与制药工业中的应用

微生物发酵在生化行业中具有举足轻重的地位,终产物都是在发酵中形成。但发酵过程中存在许多制约因素，就分离而言，原料的预处理中除去蛋白，发酵中及时分离微生物代谢产物，发酵终了后所要求组分从发酵液中的分离、其它组分的回收利用，以及发酵废液的处理，都是发酵过程要解决的问题。涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。第56页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术在生物与制药工业中的应用生化产品的特点1、目的产物在初始物料中的含量低2、初始物料成分相当复杂3、生物活性物质稳定性差，易失活、降解4、产品种类繁多5、应用面广，对纯度和含量要求高第57页，课件共63页，创作于2023年2月膜技术在生物与制药工业中的应用采用膜分离的优势：1、条件温和，能保持生物活性2、选择