膜分离技术

西南民族大学2014-2015学年第1学期2014年硕士生现代分离与技术课综述任课老师：李新莹课程名称：现代分离与技术学院：化学与环境保护工程学院专业：有机化学姓名：2014年12月30日膜分离技术的发展应用状况以及展望摘要：膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据粒径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离采用错分流过滤的方式。本文将讨论膜分离技术在以上几个方面的运用和发展。1膜分离1.1膜分离技术的起源膜分离现象广泛存在于自然界中，特别是生物体内，但人类对它的认识和研究却经过了漫长而曲折的道路。膜分离技术的工程应用是从20世纪60年代海水淡化开始的-1960）年洛布和索里拉金教授制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤纸素膜，这种膜具有推对称结构，从此使反渗透从实验室走向工业应用。其后各种新型膜陆续问世，1967年美国杜邦公司首先研制出以尼龙-66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“PemiasepB-9”中空纤维膜组件，并获得1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖。从此反渗透技术在美国得到迅猛的发展，随后在世界各地相继应用。其间微滤和超滤技术也得到相应的发展。膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的。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。1.2膜分离技术的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。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。1.3膜分离原理在膜分离过程中，由于膜具有选择通透性，当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差等）,原料侧组分选择性的透过膜以达到分离提纯的目的。其传送过程极为复杂，通过多孔型的膜有孔模型、微孔扩散模型、优先吸附-毛细管流动模型；通过非多孔膜的主要是溶解-扩散模型等。因而不同的膜过程使用的膜不同，推动力不同，其传导机理也不同。（引自：新疆大学学报——郭瑞丽，李玲著）2膜分离技术的应用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于，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、芳香族聚酰胺、聚醚砜、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。2.1微滤透（MF）微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，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、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。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。对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，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。微滤的过滤原理有三种：筛分、滤饼层过滤、深层过滤。微滤膜的分离机制十分复杂，影响因素较多。基于现已进行的研究，微滤膜的分离机制为筛孔分离过程，膜的物理结构对分离起决定性作用。此外，吸附、膜表面的化学性质和电性能等因素对分离也有影响。2.1.1微滤的技术特点膜分离技术具有如下特点：①膜分离过程不发生相变化，因此膜分离技术是一种节能技术。②膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等。③膜分离技术适用分离的范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型。④膜分离技术以压力差作为驱动力，因此采用装置简单，操作方便。2.2超滤膜（UF）超滤膜属于非对称多孔膜，孔径为2~50nm，利用高分子薄膜选择渗透性，在常温下依靠一定的压差和流速，使小于膜孔径的低分子量物质透过膜而使高子物质被截留。已开发具有不同分子截留的各种超滤膜(Mr1000~100万)，它可按分子大小选择膜孔径，处理发酵液可以截留病毒、蛋白质、酶、多糖等大分子物质，对目的产物进行纯化[9]；与传统方法相比，超滤过程不发生相变化，操作条件温和，有利于保持生物活性组分的生理活性，减少环境污染，缩短生产周期，提高分离效率。2.3纳滤膜（NF）纳滤膜是上世纪80年代末期问世的一种新型液体分离膜，平均孔径2nm左右，具有两个显著特征：①其截留相对分子质量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200~2000。②纳滤膜因其表面分离层由聚电解质所构成对无机盐有一定的截留率。根据第一个特征，推测纳滤膜可能拥有孔径为1nm左右的微孔结构，因而称之为“纳滤”。纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，对目的产物起浓缩作用，由于其操作压力低，对一、二价离子有不同选择性，对小分子有机物有较高的截留性等特点，加之膜表面具负电性，抗水垢污染，发展较快[10]；并具有不影响分离物质生物活性、节能、无公害等特点，越来越广泛地被应用于医药工业中的各种分离、精制和浓缩过程。2.4反渗透膜（RO）反渗透装置就是利用高压泵将待处理水经过增压以后，借助半透膜的选择截留作用来除去水中的无机离子的，由于反渗透膜在高压情况下只允许水分子的通过，而不允许钾、钠、钙、锌等离子及病菌、细菌通过，从而获得高质量的纯水。其主要应用领域有海水和苦成水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩以及废水处理等。2.5正渗透技术尽管目前依靠渗透压驱动的正渗透膜分离技术的应用范围，还未达到各种依靠外加压力驱动的膜分离技术那么广泛，但是它已在许多领域得到了应用。2.5.1水纯化应用在水纯化中，正渗透滤水器是目前正渗透膜分离技术少有的几种商业化应用之一。正渗透滤水器的基本原理是，在其膜组件里面填装可食用的驱动液(如糖或饮料粉)，当把滤水器浸没到任何水体(如清洁水、泥浆、盐水、污水等)中时，由于这些水体中的渗透压低于驱动液中的渗透压，这些水体中的水将透过正渗透膜进入驱动液中，而水体中的污染物(如悬浮固体、有机物、病毒、细菌等)将被截留下来，水体进入驱动液后，驱动液渐渐被稀释，被稀释的驱动液可被人体直接安全饮用，并且里面富含营养物质与矿物元素，它将能长时间维持人类生存。2.5．2海水淡化在海水淡化方面，正渗透的方法一直不够成熟。不过近几年来，耶鲁大学MenachemElimelech教授课题组发明了一种新型的利用正渗透膜分离方法进行海水脱盐的技术，并且进行了中试研究。这种正渗透脱盐过程的关键在于其选择的驱动液，它的驱动液是将碳酸氢铵与氨水按照一定比例混合，然后溶解于水中配置成一定浓度的铵盐作为驱动液，这种驱动液既具有较高的渗透压，又能方便的将溶质和水分离。驱动液吸收海水中的水分后得到稀释，对于稀释后的驱动液，只需将其加热到60℃，驱动液中的铵盐就被分解为氨气和二氧化碳，采用合适的方法(如蒸馏)就能将其与水分离，得到纯净的产品水，分离出的氨气和二氧化碳再次浓缩溶解于水中，便能得到铵盐驱动液，使得驱动液能够得以循环使用。3讨论膜分离技术应用广泛，为提高产品质量，降低成本，缩短处理时间，今后的研究趋势将是分离技术的高效集成化。目前膜分离技术在各个方面的应用研究很活跃，但膜的污染、堵塞，原料液的黏度高，使膜通量衰减严重，无法继续分离，影响了膜分离在实际操作中迅速应用发展。要实现生物制品提纯的规模性应用，还要取决于相关方面的发展，如膜污染机制研究，对性能优良、抗污染膜材料的研究。将来多种类型的膜分离技术在生化产品应用中协同发展，取长补短，超滤、纳滤、微滤技术联用，实行多级分离是其发展趋势。参考文献：[1]何明,尹国强,王品.微滤膜分离技术的应用进展[J].广州化工,2009,37(6):35-37.[2]宁培勇,丁津华,徐文体,等.滤膜过滤技术应用研究进展[J].中国消毒学杂志,2006,23(1):63-65.[3]张慧,朱淑飞,鲁学仁.膜技术在水处理中的应用与发展[J].水处理技术,2002,28(5):256.[4]林开建.膜分离技术及其在医药工业中的应用[J].化学工程与装备,2006,35(3):48-51.[5]罗丽萍，高荫榆，杨柏云.膜分离技术在食品工业上的应用[J].江西科学，2004，2(2)：146-150.[6]岑琴,周丽莉,礼彤.膜分离技术及其在中药领域中的应用[J].沈阳药科大学学报,2008,25(1):77-80.[7]李平华,赵汉臣,闫荟.膜分离技术在中药研究开发中的应用[J].中国药房，2007，18(24)：1918-1920.[8]邬方宁.膜分离技术在药物分离中的应用[J].天津药学，2010，22(2)：65-69.[9]顾觉奋.膜分离技术在微生物制药中的应用[J].中国抗生素杂志,2005,30(1)：26-31.[10]何毅,李光明,苏鹤祥,等.纳滤膜分离技术的研究进展[J].过滤与分离,2003,13(3):5.[11]CaiBX.Studyofmembraneseparationprocessesofabetaine-likemedicinalsolution.Desalination.2006;191(1-3):432.[12]管萍,胡小玲,范晓东,等.纳滤膜分离技术分离纯化多肽和氨基酸[J].化学通报,2006,69(2):91.[13]张治国,王世展,姜作禹,等.板式反渗透装置在链霉素生产工艺中的应用[J].水处理技术,1994,20(6):349.。