膜分離技術(shù)及其系統應用

第一部分——膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介

膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實(shí)現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分離。它與傳統過(guò)濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進(jìn)行分離，并且這過(guò)程是一種物理過(guò)程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級，依據其孔徑的不同（或稱(chēng)為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，根據材料的不同，可分為無(wú)機膜和有機膜，無(wú)機膜主要是陶瓷膜和金屬膜，其過(guò)濾精度較低，選擇性較小。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。錯流膜工藝中各種膜的分離與截留性能以膜的孔徑和截留分子量來(lái)加以區別，下圖簡(jiǎn)單示意了四種不同的膜分離過(guò)程：（箭頭反射表示該物質(zhì)無(wú)法透過(guò)膜而被截留）：

微濾（MF） 又稱(chēng)微孔過(guò)濾，它屬于精密過(guò)濾，其基本原理是篩孔分離過(guò)程。微濾膜的材質(zhì)分為有機和無(wú)機兩大類(lèi)，有機聚合物有醋酸纖維素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。無(wú)機膜材料有陶瓷和金屬等。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到凈化、分離、濃縮的目的。 對于微濾而言，膜的截留特性是以膜的孔徑來(lái)表征，通�？讖椒秶�在0.1～1微米，故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)行分離�？勺鳛橐话懔弦旱某吻�、保安過(guò)濾、空氣除菌。

超濾（UF） 是介于微濾和納濾之間的一種膜過(guò)程，膜孔徑在0.05um至1000um分子量之間。超濾是一種能夠將溶液進(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，超濾過(guò)程通�？梢岳斫獬膳c膜孔徑大小相關(guān)的篩分過(guò)程。以膜兩側的壓力差為驅動(dòng)力，以超濾膜為過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當水流過(guò)膜表面時(shí)，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過(guò)，達到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。

對于超濾而言，膜的截留特性是以對標準有機物的截留分子量來(lái)表征，通常截留分子量范圍在1000～300000，故超濾膜能對大分子有機物（如蛋白質(zhì)、細菌）、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離，廣泛應用于料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。

納濾（NF） 是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)， 其截留分子量在80～1000的范圍內，孔徑為幾納米，因此稱(chēng)納濾�；�于納濾分離技術(shù)的優(yōu)越特性，其在制藥、生物化工、 食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應用前景。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

對于納濾而言，膜的截留特性是以對標準NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來(lái)表征，通常截留率范圍在60～90%，相應截留分子量范圍在100～1000，故納濾膜能對小分子有機物等與水、無(wú)機鹽進(jìn)行分離，實(shí)現脫鹽與濃縮的同時(shí)進(jìn)行。

反滲透（RO） 是利用反滲透膜只能透過(guò)溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)或小分子物質(zhì)的選擇透過(guò)性，以膜兩側靜壓為推動(dòng)力，而實(shí)現的對液體混合物分離的膜過(guò)程。反滲透是膜分離技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，因具有產(chǎn)水水質(zhì)高、運行成本低、無(wú)污染、操作方便運行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn) ，而成為海水和苦咸水淡化，以及純水制備的最節能、最簡(jiǎn)便的技術(shù).目前已廣泛應用于醫藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業(yè)。反滲透技術(shù)已成為現代工業(yè)中首選的水處理技術(shù)。

反滲透的截留對象是所有的離子，僅讓水透過(guò)膜，對NaCl的截留率在98%以上，出水為無(wú)離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細菌、膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì)，也即能截留所有的離子，在生產(chǎn)純凈水、軟化水、無(wú)離子水、產(chǎn)品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經(jīng)應用廣泛。
膜分離的基本工藝原理是較為簡(jiǎn)單的（參見(jiàn)下圖）。在過(guò)濾過(guò)程中料液通過(guò)泵的加壓，料液以一定流速沿著(zhù)濾膜的表面流過(guò)，大于膜截留分子量的物質(zhì)分子不透過(guò)膜流回料罐，小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過(guò)膜，形成透析液。故膜系統都有兩個(gè)出口，一是回流液（濃縮液）出口，另一是透析液出口。在單位時(shí)間（Hr）單位膜面積（m2）透析液流出的量（L）稱(chēng)為膜通量（LMH），即過(guò)濾速度。影響膜通量的因素有：溫度、壓力、固含量（TDS）、離子濃度、黏度等。

膜分離操作基本工藝流程：

由于膜分離過(guò)程是一種純物理過(guò)程，具有無(wú)相變化，節能、體積小、可拆分等特點(diǎn)，使膜廣泛應用在發(fā)酵、制藥、植物提取、化工、水處理工藝過(guò)程及環(huán)保行業(yè)中。對不同組成的有機物，根據有機物的分子量，選擇不同的膜，選擇合適的膜工藝，從而達到最好的膜通量和截留率，進(jìn)而提高生產(chǎn)收率、減少投資規模和運行成本。

第二部分——膜分離系統應用

1、澄清純化技術(shù)——超/微濾膜系統

澄清純化分離所采用的膜主要是超/微濾膜，由于其所能截留的物質(zhì)直徑大小分布范圍廣，被廣泛應用于固液分離、大小分子物質(zhì)的分離、脫除色素、產(chǎn)品提純、油水分離等工藝過(guò)程中。

超/微濾膜分離可取代傳統工藝中的自然沉降、板框過(guò)濾、真空轉鼓、離心機分離、溶媒萃取、樹(shù)脂提純、活性炭脫色等工藝過(guò)程。

澄清純化技術(shù)可采用的膜分離組件主要有：陶瓷膜、平板膜、不銹鋼膜、中空纖維膜、卷式膜、管式膜。

采用膜分離澄清純化的優(yōu)點(diǎn)：

1)、可得到絕對的真溶液，產(chǎn)品穩定性好；

2)、過(guò)濾分離收率高；

3)、分離效果好，產(chǎn)品質(zhì)量高，運行成本低；

4)、縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本；

5)、過(guò)程無(wú)需添加化學(xué)藥品、溶媒溶劑，不帶入二次污染物質(zhì)；

6)、操作簡(jiǎn)便，占地面積小，勞動(dòng)力成本低；

7)、可拓展性好，容易實(shí)現工業(yè)化擴產(chǎn)需求；

8)、設備可自動(dòng)運行，穩定性好，維護方便。

2、濃縮提純技術(shù)——納濾膜系統

膜分離技術(shù)在濃縮提純工藝上主要采用截留分子量在100～1000Dal的納濾膜。納濾膜的主要特點(diǎn)是對二價(jià)離子、功能性糖類(lèi)、小分子色素、多肽等物質(zhì)的截留性能高于98%，而對一些單價(jià)離子、小分子酸堿、醇等有30～50%的透過(guò)性能，常被應用于溶質(zhì)的分級、溶液中低分子物質(zhì)的洗脫和離子組分的調整、溶液體系的濃縮等物質(zhì)的分離、精制、濃縮工藝過(guò)程中。

納濾膜分離技術(shù)常被用于取代傳統工藝中的冷凍干燥、薄膜蒸發(fā)、離子交換除鹽、樹(shù)脂工藝濃縮、中和等工藝過(guò)程。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)

濃縮提純技術(shù)可采用的膜組件主要有：卷式膜、管式膜。

采用納濾膜分離技術(shù)濃縮提純的優(yōu)點(diǎn)：

1)、能耗極低，節省濃縮過(guò)程成本；

2)、過(guò)程無(wú)化學(xué)反應、無(wú)相變化，不帶入其他雜質(zhì)及造成產(chǎn)品的分解變性；

3)、在常溫下達到濃縮提純目的，不造成有效成分的破壞，工藝過(guò)程收率高；

4)、可完全脫除產(chǎn)品的鹽分，減少產(chǎn)品灰分，提高產(chǎn)品純度；

5)、可回收溶液中的酸、堿、醇等物質(zhì)；

6)、設備結構簡(jiǎn)潔緊湊，占地面積��；

7)、操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現自動(dòng)化作業(yè)，穩定性好，維護方便。

第三部分——行業(yè)應用

1、制藥行業(yè)

●生物發(fā)酵液過(guò)濾除菌及下游分離純化精制

●樹(shù)脂解析液的濃縮及解析劑回收

●農藥水劑、粉劑的生產(chǎn)應用

●中藥浸提液過(guò)濾除雜及濃縮

●中藥浸膏生產(chǎn)應用

●合成藥、原料藥、中間體等的脫鹽濃縮

●結晶母液回收

二、食品行業(yè)

●乳清廢水處理

●乳制品生產(chǎn)加工應用

●果汁澄清脫色

●食品添加劑純化濃縮

●茶飲料澄清濃縮

●啤酒、葡萄酒、黃酒的精制加工

●天然色素提取液的除雜及濃縮

●氨基酸發(fā)酵液過(guò)濾澄清及精制

三、染料化工和助劑

水溶性染料反應液的脫鹽濃縮

●染料鹽析母液廢水回收

四、淀粉糖品

●糖液分離純化及濃縮

●果葡糖漿色普分離純化

●糖醇色普分離純化

●單糖、低聚糖及多糖的分離純化及濃縮

五、環(huán)保及水處理領(lǐng)域

●紡織、染整、印染廢水處理及回用

●電鍍工業(yè)廢水零排放及資源回收

●礦山及冶金廢水處理回收

●淀粉廢水處理

●造紙廢水木質(zhì)素回收及廢水處理

●電泳漆廢水涂料回收

●酸、堿廢水處理回收

●市政污水的處理及回用

●洗車(chē)水、桑拿水、游泳池水、洗浴廢水等循環(huán)處理

●工業(yè)生產(chǎn)所用的各類(lèi)軟化水、純水、超純水制備

六、生物技術(shù)

●生物蛋白、多肽、酶制劑等酵液過(guò)濾澄清及精制