膜是具有选择性分离功能的材料,利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在於,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜,根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要是陶瓷膜和金属膜,其过滤精度较低,选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚醯胺、聚醚碸、聚氟聚合物等等。错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别,下图简单示意了五种不同的膜分离过程:(箭头反射表示该物质无法透过膜而被截留):

膜分离的基本工艺原理是较为简单的。在过滤过程中料液通过泵的加压,料液以一定流速沿着滤膜的表面流过,大於膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐,小於膜截留分子量的物质或分子透过膜,形成透析液。故膜系统都有两个出口,一是回流液(浓缩液)出口,另一是透析液出口。在单位时间(Hr)单位膜面积(m2)透析液流出的量(L)称为膜通量(LMH),即过滤速度。影响膜通量的因素有:温度、压力、固含量(TDS)、离子浓度、黏度等。

由於膜分离过程是一种纯物理过程,具有无相变化,节能、体积小、可拆分等特点,使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的有机物,根据有机物的分子量,选择不同的膜,选择合适的膜工艺,从而达到最好的膜通量和截留率,进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。

微滤(MF)

又称微孔过滤,它属於精密过滤,其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类,有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚碸、聚醯胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴於微孔滤膜的分离特徵,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。

微孔过滤(MF)也是一种低压(通常为10-50psi)的薄膜分离技术。它的过滤能力仅介於一般滤器和UF之间,通常只被用来分离从0.05到10μ的悬浮物质,其他水的溶解物质都能透过MF膜。其筛选作用来滤掉气体或液体中的微粒和细菌。

对於微滤而言,膜的截留特性是以膜的孔径来表徵,通常孔径范围在0.1-1微米,故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。

超滤(UF)

是介於微滤和纳滤之间的一种膜过程,膜孔径在0.05um至1000分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术,超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力,以超滤膜为过滤介质,在一定的压力下,当水流过膜表面时,只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过,达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

利用低压10-150psi半透膜来分离高分子物质(分子量1,000-300,000)的薄膜技术就是「超过滤(UF)」。同样,NF具有RO与UF之特性,薄膜对两价离子与分子量大於300有高去除率,单价离子在高浓度时仅有0-20%之去除率。二者的结构虽略有不同,功能的重点对象也略有差异,但具有下列的共同特点:

它是一项液体对液体的分离技术,能源消耗低廉。

过程无热或化学剂作用,溶液质不受影响。

利用具不同分子量阻挡能力的不同UF及NF膜,可使不同分子量的筛选

对於超滤而言,膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表徵,通常截留分子量范围在1000-300000,故超滤膜能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体、悬浮固体等进行分离,广泛应用於料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。

纳滤(NF)

是介於超滤与反渗透之间的一种膜分离技术, 其截留分子量在80-1000的范围内,孔径为几纳米,因此称纳滤。基於纳滤分离技术的优越特性,其在制药、生物化工、 食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。

对於纳滤而言,膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表徵,通常截留率范围在60%-90%,相应截留分子量范围在100-1000,故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离,实现脱盐与浓缩的同时进行。

反渗透(RO)

是利用反渗透膜只能透过溶剂(通常是水)而截留离子物质或小分子物质的选择透过性,以膜两侧静压为推动力,而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分,因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点 ,而成为海水和苦咸水淡化,以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用於医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。

当两项不同浓度的浓液,被半透膜间隔,依自然现象,浓度较低的溶液会往度较高的一侧渗透。纯水往盐水方面渗透,就是典型的例子。但如果在盐水的一方施加足够的压力(亦即大於渗透压),那麽,就会产生盐水往纯水方面渗透的反常现象,称之为「逆渗透(RO)」,此项技术的特点是:

是液体对液体的分离技术,过程中无相的变化

属物理性分离,超过99.0%的盐类及微生物都能完全去除。

反渗透的截留物件是所有的离子,仅让水透过膜,对NaCl的截留率在98%以上,出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质,也即能截留所有的离子,在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。

电透析膜ED (Electro Dialysis)

在外加直流电场的作用下,利用离子交换膜,使水中离子作定向迁移,以进行脱盐的功能,就是「电透析」(ED)。由於离子交换膜对水中的离子具有选择透过性,阳离子膜允许溶液中的阳离子通过而阻挡阴离子;反之,阴离子膜会阻挡阳离子。「电透析膜」技术就是利用此一特性,达到淡化或浓缩的目的。

相关粒径比对

膜分离系统应用

1、澄清纯化技术-超/微滤膜系统

澄清纯化分离所采用的膜主要是超/微滤膜,由於其所能截留的物质直径大小分布范围广,被广泛应用於固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。

超/微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。

澄清纯化技术可采用的膜分离元件主要有:陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。

采用膜分离澄清纯化的优点:

1)、可得到绝对的真溶液,产品稳定性好;

2)、过滤分离收率高;

3)、分离效果好,产品品质高,运行成本低;

4)、缩短生产周期,降低生产成本;

5)、过程无需添加化学药品、溶媒溶剂,不带入二次污染物质;

6)、操作简便,占地面积小,劳动力成本低;

7)、可拓展性好,容易实现工业化扩产需求;

8)、设备可自动运行,稳定性好,维护方便。

2、浓缩提纯技术――纳滤膜系统

膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100-1000Dal的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高於98%,而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有30～50%的透过性能,常被应用於溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。

纳滤膜分离技术常被用於取代传统工艺中的冷冻乾燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。

浓缩提纯技术可采用的膜元件主要有:卷式膜、管式膜。

采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点:

(1)、能耗极低,节省浓缩过程成本;

(2)、过程无化学反应、无相变化,不带入其他杂质及造成产品的分解变性;

(3)、在常温下达到浓缩提纯目的,不造成有效成分的破坏,工艺过程收率高;

(4)、可完全脱除产品的盐分,减少产品灰分,提高产品纯度;

(5)、可回收溶液中的酸、碱、醇等物质;

(6)、设备结构简洁紧凑,占地面积小;

(7)、操作简便,可实现自动化作业,稳定性好,维护方便。

行业应用

1.制药行业

生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制

树脂解析液的浓缩及解析剂回收

农药水剂、粉剂的生产应用

中药浸提液过滤除杂及浓缩

中药浸膏生产应用

合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩

结晶母液回收

2.食品行业

乳清废水处理

? 乳制品生产加工应用

? 果汁澄清脱色

? 食品添加剂纯化浓缩

茶饮料澄清浓缩

? 啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工

? 天然色素提取液的除杂及浓缩

? 氨基酸发酵液过滤澄清及精制

3.染料化工&助剂

? 水溶性染料反应液的脱盐浓缩

? 染料盐析母液废水回收

4.淀粉糖品

? 糖液分离纯化及浓缩

? 果葡糖浆色普分离纯化

? 糖醇色普分离纯化

? 单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩

5.环保及水处理领域

? 纺织、染整、印染废水处理及回用

? 电镀工业废水零排放及资源回收

? 矿山及冶金废水处理回收

? 淀粉废水处理

? 造纸废水木质素回收及废水处理

? 电泳漆废水涂料回收

? 酸、碱废水处理回收

? 市政污水的处理及回用

? 洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等回圈处理

? 工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备

6.生物技术

? 生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制

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