超纯水及纯净水的生产

②超纯水及纯净水的生产反渗透技术已被普遍用于电子工业纯水及医药工业等无菌纯水的制备系统中。半导体工业所用的高纯水,以往主要采用化学凝集、过滤、离子交换树脂等制备方法,这些方法的最大缺点是流程复杂,再生离子交换树脂的酸碱用量较大,成本较高。现在采用反渗透法与离子交换法相结合过程生产的纯水,其流程简单,成本低廉,水质优良,纯水中杂质含量已接近理论纯水值。超纯水生产的典型工艺流程如图所示。原水首先通过过滤装置除去悬浮物及胶体,加入杀菌剂次氯酸纳防止微生物生长,然后经过反渗透和离子交换设备除去其中大部分杂质,最后经紫外线处理将纯水中微量的有机物氧化分解成离子,再由离子交换器脱除,反渗透膜的终端过滤后得到超纯水送入用水点。③电镀废水处理由反渗透机理可知,反渗透膜对高价离子具有良好的去除效果,特别是离子的价数越高越容易分离。电镀操作中,排放的电镀废水总会含有大量的有害重金属,采用反渗透技术可以回收废液中几乎全部的重金属离子,而且不需加人任何化学物质,不会产生污染和残渣,不造成二次污染。处理后的废水可以循环使用。此法比较经济,很有应用前途。④食品工业中的应用反渗透技术在乳品加工中的应用是与超滤技术结合进行乳清蛋白的回收。其工艺流程如图所示(图中的BOD为生化需氧量,是一种间接表示水被有机污染物污染程度的指标)。把原乳分离出干酪蛋白,剩余的是干酪乳清,它含有7%的固形物、0.7%的蛋白质、5%的乳糖以及少量灰分、乳酸等。先采用超滤技术分离出蛋白质浓缩液,再用反渗透设备将乳糖与其他杂质分离。这种方法与传统工艺相比,可以大量节约能量,乳清蛋白的质量明显提高,而且同时还能获得多种乳制品。反渗透技术还应用于水果和蔬菜汁的浓缩,枫树糖液的预浓缩等过程。⑤造纸工业中的应用造纸工业每生产1吨纸浆,约需100~460吨水,其中80%用作洗涤。用超滤和反渗透技术结合可处理造纸厂排放出来的亚硫酸纸浆废水,它含有很多有用物质,其中主要是木质素磺酸盐,还有糖类(甘露醇、半乳糖、木糖)等。过去多用蒸发法提取糖类,成本较高。采用膜法处理,可以降低成本,简化工艺,提高经济效益。⑥含油废水的处理含油和脱脂废水的来源十分广泛,如石油炼制厂及油田含油废水;海洋船舶中的含油废水;金属表面处理前的含油废水等。废水中的油通常以浮油、分散油和乳化油三种状态存在,其中乳化油可采用反渗透和超滤技术相结合的方法除去。⑦制药工业中的应用反渗透技术在制药工业中的典型应用是链霉素的浓缩。链霉素是灰色链霉菌产生的碱性物质,它是氨基糖苷类抗生素。在链霉素的提取精致过程中,传统的真空蒸发浓缩方法对热敏性的链霉素很不利,而且能耗很大。采用反渗透取代传统的真空蒸发,可提高链霉素的回收率和浓缩液的透光度,还节约了能耗。其工艺流程见图。原料液经二级过滤器处理,打入料液贮槽,由供料泵、往复泵对料液增压。经过冷却的料液进入板式反渗透组件,料液中的小分子物质透过膜,透过液经流量计排放,链霉素被膜截留返回料液贮槽。如此循环,直至浓缩液的浓度达到指标。2、超滤(1)、超滤原理超滤过程基本原理如图所示。在以静压差为推动力的作用下,原料液中溶剂和小于超滤膜孔的小分子溶质将透过膜成为滤出液或透过液,而大分子物质被膜截留,使它们在滤剩液中的浓度增大。超滤所用的膜为非对称性膜,膜孔径为1~20nm,能够截留分子量500以上的大分子和胶体微粒,操作压力一般为0.1~0.5MPa。目前,常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。超滤广泛用于化工、医药、食品、轻工、机械、电子、环保等工业部门。超滤技术应用的历史不长,只是近30年才在工业上大规模地应用,但因其具有独特的优点,使之成为当今世界分离技术领域中一种重要的单元操作。(2)、浓差极化在超滤分离过程中,膜截留下来的溶质粒子在膜前积累,使膜表面溶质浓度逐渐高于原料液主体溶质浓度,在此浓度差为推动力的作用下,溶质便从膜表面向料液主体扩散,形成具有浓度梯度的边界层,这就是超滤过程的浓差极化。当这种扩散的溶质通量与随着溶剂到达膜表面的溶质通量相等时,即达到动态平衡。由于浓差极化,膜表面处溶质浓度高,会导致溶质截留率的下降和渗透通量的下降。当膜表面处溶质浓度达到饱和时,在膜表面形成凝胶层,使溶质截留率增大,但渗透率显著减小。(3)、影响渗透通量的因素①操作压力压差是超滤过程的推动力,对渗透通量产生决定性的影响。一般情况下,在压差较小的范围内,渗透通量随压差增长较快;当压差较大时,随压差的增加渗透通量增长逐渐减慢,且当膜表面形成凝胶层时,渗透量趋于定值不再随压差而变化,此时的渗透通量称为临界渗透通量。实际超滤操作压力应接近临界渗透通量时的压差,若压差过高不仅无益而且有害。②料液流速浓差极化是超滤过程不可避免的现象,为了提高渗透通量,必须使极化边界层尽可能的小。目前,超滤过程采用错流操作,即加料错流流过膜表面,可清除一部分极化边界层。为了进一步减薄边界层厚度,提高传质系数,可增加料液的流速和湍流程度,这种方法与单纯提高流速相比可节约能量,降低料液对膜的压力。实现料液端动的方法有在流道内附加带状助湍流器、脉冲流动等。③温度料液温度升高,粘度降低,有利于增大流体流速和湍动程度,减轻浓差极化,提高传质系数,提高渗透通量。但温度上升会使料液中某些组分的溶解度降低,增加膜污染,使渗透通量下降,如乳清中的钙盐;有些物质会因温度的升高而变形,如蛋白质。因此,大多数超滤应用的温度范围为30~60℃。牛奶、大豆体系的料液,最高超滤温度不超过55~60℃。④截留液浓度随着超滤过程的进行,截留液浓度不断增加,极化边界层增厚,容易形成凝胶,会导致渗透通量的降低。因此,对不同体系的截留液浓度均有允许最大值。如颜料和分散染料体系,最大截留液浓度为30%~50%,多糖和低聚糖体系,最大截留液浓度为1%~10%等。(4)、超滤过程的工艺流程超滤的操作方式可分为重过滤和错流过滤两大类。重过滤是靠料液的液柱压力为推动力,但这样操作浓差极化和膜污染严重,很少采用,而常采用错流操作。错流操作工艺流程又可分为间歇式和连续式。①间歇式常见的间歇式流程见图。图中(a)为间歇操作——开式回路流程,将一批料液加入贮槽,用泵加压后送往膜组件,使之连续排出透过液,浓缩液则返回槽中与贮槽中原料液混合后送往膜组件。如此循环操作,直到浓缩液浓度达到预定值为止。这种流程操作简单,浓缩速度快,所需膜面积小,但全循环时泵的能耗高。为了降低能耗,可采用部分循环操作,如图(b)所示为间歇操作——闭式回路流程。间歇操作通常在实验室中和小型中试厂使用。②连续式连续式超滤过程是指料液连续不断加人贮槽和产品的不断产出。可分为单级和多级。单级连续式操作过程的效率较低,一般采用如图所示的多级连续式操作。将几个循环回路串联起来,每一个回路即为一级,每一级都在一个固定的浓度下操作,从第一级到最后一级浓度逐渐增加。最后一级的浓度是最大的,即为浓缩产品。多级操作只有最后一级在高浓度下操作,渗透通量低,其他级操作浓度均较低,渗透通量相应也较大,因此级效率高;而且多级操作所需的总膜面积较小。它适合在大规模生产中使用,特别适用于食品工业领域。(5)、超滤技术的应用超滤的工艺应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面,也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。前面在讲述反渗透技术应用时提到超滤与反渗透结合可回收干酪乳清蛋白、分离油水乳液、处理生活废水。下面介绍超滤技术在其他方面的应用。①回收电泳涂漆废水中的涂料世界各国的汽车工业几乎都采用电泳涂装技术给汽车车身上底漆,该技术也被用在机电工业、钢制家具、军事工业等部门。在金属电泳涂漆过程中,带电荷的金属物件浸入一个装有带相反电荷涂料的池内。由于异电相吸,涂料便能在金属表面形成一层均匀的涂层,金属物件从池中捞出并用水洗除随带的涂料,因而产生电泳漆废水。可采用超滤技术将废水中的高分子涂料及颜料颗粒截留下来,而让无机盐、水及溶剂穿过超滤膜除去,浓缩液再回到电泳漆贮槽循环使用,透过液用于淋洗新上漆的物件。②矿泉水的制造矿泉水的水源必须是地下水,而这种水在地下流动时会溶入某些无机盐。采用超滤和微滤组合工艺可制造合乎饮用水标准的矿泉水,③酶制剂的生产酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质。相对分子质量在1万~10万之间。采用超滤技术处理粗酶液,低分子物质和盐与水一起透过膜除去,而酶得到浓缩和精制。目前超滤已用于细菌蛋白酶、葡萄糖苷酶、凝乳酶、果胶酶、胰蛋白酶、葡萄糖氧化酶等的分离。与传统的盐析沉淀和真空浓缩等方法相比,采用超滤法提高可酶的回收率,防止酶失活,而且可简化提取工艺,降低操作成本。下图所示为糖化酶超滤浓缩流程示意图。糖化酶发酵液加2%酸性白土处理,经板框压滤,除去培养基等杂质,澄清的滤液经过过滤器压入循环槽进行超滤浓缩。透过液由超滤器上端排出,循环液中糖化酶被超滤膜截留返回循环液贮槽循环操作,直至达到要求的浓缩倍数。