微滤-超滤-纳滤

微滤、超滤、纳滤膜分离技术膜分离定义：膜分离过程以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等）时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。通常膜原料侧称膜上游，透过侧称膜下游。不同的膜过程使用的膜不同，推动力也不同。•膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；•膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式：•无化学变化：典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染；膜分离技术的优点•选择性好可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能；•适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。表一几种主要分离膜的分离过程膜过程推动力膜类型透过物截留物微滤压力差纤维多孔膜0.1~10μm水、溶剂溶解物悬浮物颗粒超滤压力差非对称性膜１~５0nm水、溶剂小分子胶体和超过截留分子量的分子纳滤压力差Donna效应复合膜＜1nm水、一价离子、多价离子有机物一、微滤(MF)以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10m）得以分离的操作。操作压力0.05-0.5MPa。微滤膜的应用在工业发达国家，从家庭生活到尖端技术都在不同程度上应用MF技术，其主要用于无菌液体的制备、生物制剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的检测等方面。①.在医疗卫生领域中的应用主要体现在药用水（包括纯净水、注射用水）的过滤、小针剂及眼药液的精滤及终端过滤，血液过滤，中草药液、后发酵液的澄清过滤，空气、蒸汽的过滤等。在制药工业中，终端过滤的选择相当关键，其去除效率取决于选择合适的滤膜材料、膜孔径及流程。②.在生物化学和微生物研究中的应用利用不同孔径的MF膜收集细菌、酶、蛋白、虫卵等提供分析。利用膜进行生物培养时，可根据需要在培养过程中变换培养基，以达到多种不同的目的，并可进行快速检验。因此，MF技术已被用于水质检验、临床微生物标本的分离、溶液的澄清、酶活性的测定等。③.在食品饮料工业领域中的应用MF技术普遍用于酒类、饮用水、茶饮料、果汁、奶制品、碳酸饮料的澄清和除菌过滤。如用孔径小于0.5μm的微孔滤膜（滤芯过滤器）对啤酒和酒进行过滤后，可脱除其中的酵母、霉菌和其他微生物。经这样处理的产品清澈、透明、存放期长，且成本低。我国经多年努力，已研制出多种材质的系列孔径的MF膜元件，并形成产业化规模，已广泛用于国内各大著名的饮料生产商，如旭日升、汇源果汁、农夫果汁等企业。原料糖化发酵后发酵硅藻土过滤膜过滤Ⅰ缓冲罐膜过滤Ⅱ罐装鲜生啤酒生产中膜过滤流程④.在电子工业中的应用电子工业使用的流体包括气体和液体，过滤器大致分为气体过滤器和液体过滤器。气体过滤器采用疏水性MF膜来从主体气体（氮、氧、氢）和特殊气体（如硅烷、胂、磷化氢、氨）中去除粒子。液体过滤器分成化学药剂过滤、光敏抗蚀剂过滤器及去离子水过滤器。在电子工业中，对去离子水的要求很高，因此应选择洁净度高，滤膜完整性好，孔径均匀的MF膜，否则会影响去离子水的水质，进而导致电子元器件或集成电路板的报废。MF膜在纯水制备中主要用处有两方面：一是在RO或ED前用作保安过滤器，用以清除细小的悬浮物质；二是在阳/阴或混合交换柱后，作为最后一级终端过滤手段，用它滤除树脂碎片或细菌等杂质。原水絮凝沉淀砂、无烟煤过滤加氯消毒杀菌预过滤RO阳床阴床阴阳混床MF用户电子工业超纯水制备流程⑤.在油田注水的应用在石油开采中，向低渗透油田实行早期注入高质量的水是对低渗透油田补充能量，稳定产量的长期的根本保证。在石油开采注水工艺中一个核心的环节是如何保证注入水的水质，MF技术在其中已发挥了较大的作用，国内主要用PE烧结微孔管、折叠式MF膜过滤芯及中空纤维UF组件等。⑥.在家庭生活中的应用由于我国城市自来水供给系统在输送过程中的不完善，我们日常饮用的自来水往往存在着二次污染的问题，这对我们的人身健康带灰很大的隐患。采用MF技术制造的家用净水器，通过MF膜的过滤不仅能有效去除水中的铁锈、泥沙等肉眼可见物，还能截留住水中的细菌、大肠杆菌等。二、超滤(UF)是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。超滤膜的应用•超滤从70年代起步，90年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。蛋白、酶、DNA的浓缩脱盐/纯化梯度分离（相差10倍）清洗细胞、纯化病毒除病毒、热源工业废水处理回收电泳涂漆废水中的涂料含油废水的处理；上浆液的回收；乳胶的回收；造纸工业废液的处理；采矿及冶金工业废水的处理城市污水处理家庭污水处理；阴沟污水的处理水的净化饮用水的生产；高纯水的制备食品与医药工业的应用回收乳清中的蛋白质；牛奶超滤以增加奶酪得率；果汁的澄清；明胶的浓缩；浓缩蛋清中的蛋白质；屠宰动物血液的回收；食用油的精炼；蛋白质的回收；医药产品的除菌生物技术工业的应用酶的提取激素的提取；从血液中提取血清白蛋白；回收病毒；从发酵液中分离菌体，从发酵液中分离L-苯丙氨酸其他应用酿酒工业化学工业表二超滤膜的应用领域超滤装置示意图1．蛋白酶的浓缩例蛋白酶液恒流泵平板式超滤膜△P出背压阀超滤过程示意图：△P进透出液截留液2．果汁的澄清•刚刚从苹果中榨取的果汁，由于含有丹宁、果胶和苯酚等化合物而呈现出浑浊状。传统方法采用酶、皂土和明胶使其沉淀，然后取上清液过滤而获得澄清的果汁。•通过超滤或微滤来澄清果汁，只需先部分脱除果胶，可减少酶的用量、省去皂土和明胶、节约原材料，并且省工省时；同时果汁回收率也有所提高，达98％~99％。另外，经超滤处理的果汁质量也有所提高，浊度仅0.4~0.6NTU(传统工艺为1.5~3.0NTU)。又因超滤可除去菌体，因而使其获得了更长的保质期。3．乳品工业中的应用•乳品工业奶酪生产过程中将产生大量的乳清，因而该领域成为超滤应用的最大领域。•一种新的奶酪生产工艺，即先将脱脂牛奶用超滤浓缩3~4倍，然后再将其浓缩液用于发酵生产奶酪。因为用处理过的浓缩液生产奶酪，其得率可提高20％以上，可节约6%以上的牛奶；此外，因乳糖从牛奶中被除去而使奶酪味道更加鲜美；最后还减少了乳清的处理量。三、纳滤(NF)纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。膜组器于80年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。纳滤(NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为300～1000，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。纳滤膜的特点纳滤膜的截留率大于95%的最小分子约为１nm,故称之为纳滤膜。从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用RO膜低0.5～3MPa，因此纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”(LooseRO)。1.筛分：对Na+和Cl-等单价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离。2.Donnan效应：纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。低压力下仍具有较高脱盐性能；分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。纳滤膜的分离机理纳滤膜分离机理示意图-＋＋－料液带负电荷的膜透过通量1112+2-纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在Donnan效应，广泛应用于制药、食品等行业中。同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在500到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。应用：（1）小分子量的有机物质的分离；•（2）有机物与小分子无机物的分离；•（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；•（4）盐与其对应酸的分离。纳滤膜的应用行业处理对象行业处理对象制药工业母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收食品工业脱盐与浓缩苛性碱回收纯水制备水的脱盐、高纯水、地下水的净化染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色造纸厂废水净化表三纳滤膜的应用领域例、1.废液处理和再用•由于纳滤膜具有截留住分子量较大(1000)的组分(浓缩)同时又可以使分子量较小的(200)组分(如盐类)透过的特点，因此可用于乳清的浓缩、脱盐。乳清含有4％～6％NaCl、6％的固体，BOD达45000mg/L，直接排放则是极严重的污染源。用纳滤处理，可溶盐在渗透液中可再循环或排放，截留物可加到常规乳清中。(1)乳清脱盐(2)含铬废水的处理•在制革过程中，多用硫酸铬进行鞣制，但仅70％左右被利用，故废水中大量铬盐会引起严重的排放问题，因此使铬盐回用，不仅经济效益好，且保护了环境。（3）有机化工废液处理•有机化工废液的污染性是严重的，应严格处理。通常因其含有盐等而难以处理，用纳滤可浓缩这些有机物，进行分别处理。2.纯化和浓缩•(1)抗生素的纯化和浓缩发酵法生产的抗生素原液中含4％的生物残渣，不定的盐分，约0.1％~0.2％的抗生素。纳滤膜可用两种方法回收和纯化抗生素：•一种是先用纳滤膜浓缩再用溶剂萃取，调节酵液pH值和温度，用纳滤浓缩到抗生素的溶解度极限附近，小分子的有机物和盐进入渗透液，这一方法可大大提高萃取设备的生产能力，降低溶剂的用量；•另一种是先用溶剂萃取，再用纳滤膜浓缩，从发酵液中通过澄清和溶剂萃取来分离，对萃取液进行纳滤处理来浓缩抗生素。先用溶剂萃取，再用纳滤膜浓缩，这一过程由于溶剂可循环利用，可节约80％的成本。•（2）多肽的纯化和浓缩医药工业中，肽和多肽通常用色谱柱或层析从有机或水溶液中纯化，再通过热蒸发方式抽真空进一步浓缩。由于过低的肽浓度(0.1％~0.5％)，蒸发过程持续时间太长，就可能破坏提纯的产品。同时还会消耗大量的有机水淋洗液。用纳滤代替蒸发是很好的选择，其优点是可低温高效进行，操作简便；在浓缩的同时，对多肽进行纯化，将非常小的有机污染物和低分子量的盐分除去。