現(xiàn)代化工技術(shù)

1、現(xiàn)代化工技術(shù)膜分別技術(shù)1203趙俊男一：簡(jiǎn)介膜是具有選擇性分別功能的材料。利用膜的選擇性分別實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分別、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分別。膜分別與傳統(tǒng)過(guò)濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)展分別，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(jí)，依據(jù)其孔徑的不同或稱(chēng)為截留分子量，可將膜分為微濾膜M膜U膜N膜R 聚醚砜、聚氟聚合物等。膜分別是一門(mén)興的跨學(xué)科的高技術(shù)。膜的材料涉及無(wú)機(jī)化學(xué)和高分子化學(xué)；膜的制備、分別過(guò)程的特征、傳遞性質(zhì)和傳遞機(jī)理屬和物理化學(xué)數(shù)學(xué)爭(zhēng)辯范疇；膜分別過(guò)程中涉及的流體力學(xué)、傳熱、化學(xué)動(dòng) 力學(xué)以及工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)，主要屬于化學(xué)工程爭(zhēng)辯范疇；從膜分

2、別主要應(yīng)用的領(lǐng)域來(lái)看，還涉及生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)以及與食品、石油化工、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)相關(guān)的學(xué)科。膜分別過(guò)程已成為工業(yè)上氣體分別、水溶液分別、化學(xué)品和生化產(chǎn)品的分別與純化的重要過(guò)程。廣泛應(yīng)用于食品、飲料加工過(guò)程、工業(yè)污水處理、大規(guī)?？諝夥謩e、濕法冶金技術(shù)、氣體和液體燃料的生產(chǎn)以 及石油化工制品生產(chǎn)等。膜可以是固相，液相，甚至是氣相的。用各種自然或人工材料制造出來(lái)的膜品種繁多，在物理、化學(xué)和生物性質(zhì)上呈現(xiàn)出多樣的特性。膜可以對(duì)雙組分或多組分體系進(jìn)展分別，分級(jí)，提純或濃縮。大局部的分別膜都是固體膜，其中尤以有機(jī)高分子材質(zhì)制成的膜及其分別過(guò)程為主。但仍有待進(jìn)展。氣體在理論上可以構(gòu)成分別膜，但爭(zhēng)辯它的人很少。

3、膜分別是膜分別是20 世紀(jì)初消滅，20 世紀(jì) 60 年月后快速崛起的一門(mén)分別技術(shù)。膜分別技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)潔、易于把握等特征， 因此，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分別科學(xué)中最重要的手段之一。產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分別科學(xué)中最重要的手段之一。二：進(jìn)展歷史與現(xiàn)狀膜分別現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，特別是生物體內(nèi)，但人類(lèi)對(duì)它的生疏和爭(zhēng)辯卻經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)而曲折的 道路。膜分別技術(shù)的工程應(yīng)用是從20 世紀(jì) 60 年月海水淡化開(kāi)頭

4、的-1960年洛布和索里拉金教授制成了第一張高通量和高脫鹽率的醋酸纖紙素膜，這種膜具有推對(duì)稱(chēng)構(gòu)造，從今使反滲透從試驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用。 其后各種型膜間續(xù)問(wèn)世，1967-661970 年又研制出以芳香聚酰胺為膜材料的“Pemiasep B-9”中空纖維膜組件，并獲得1971 年美國(guó)柯克帕特里克化學(xué)工程最高獎(jiǎng)。從今反滲透技術(shù)在美國(guó)得到迅猛的進(jìn)展，隨后在世界各地相繼應(yīng)用。其間微濾和超濾技 術(shù)也得到相應(yīng)的進(jìn)展。1958 年?duì)庌q離子交換膜開(kāi)頭的。6019651967我國(guó)膜科技的進(jìn)展。70 年月進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。這時(shí)期，微濾、電滲析、反滲透超濾等各種膜和組器件都相繼爭(zhēng)辯開(kāi)發(fā)出來(lái)， 80 年月跨入了推廣應(yīng)用階段。

5、 80 年月又是氣體分別和其他膜開(kāi)發(fā)階段。隨著我國(guó)膜科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，相應(yīng)的學(xué)術(shù)、技術(shù)團(tuán)體也相繼成立。她們的成立為標(biāo)準(zhǔn)膜行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、 成為一項(xiàng)高效節(jié)能的型分別技術(shù)。1925 年以來(lái)，差不多每十年就有一項(xiàng)的膜過(guò)程在工業(yè)上得到應(yīng)用。由于膜分別技術(shù)本身具有的優(yōu)越性能，故膜過(guò)程已經(jīng)得到世界各國(guó)的普遍重視。在能源緊急、資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化的今日，產(chǎn)業(yè)界和科技界把膜過(guò)程視為二十一世紀(jì)工業(yè)技術(shù)改造中的一項(xiàng)極為重要的 技術(shù)。曾有專(zhuān)家指出：誰(shuí)把握了膜技術(shù)誰(shuí)就把握了化學(xué)工業(yè)的明天。80 年月以來(lái)我國(guó)膜技術(shù)跨入應(yīng)用階段，同時(shí)也是膜過(guò)程的開(kāi)發(fā)階段。在這一時(shí)期，膜技術(shù)在食品加工、海水淡化、純水、超純水制備、醫(yī)藥、生物、

6、環(huán)保等領(lǐng)域得到了較大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。并且，在這 一時(shí)期，國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)工程和自然科學(xué)基金中也都有了膜的課題。這一潛力巨大的興行業(yè)正在以蓬勃的激情挑戰(zhàn)市場(chǎng)，為眾多的企業(yè)帶來(lái)了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。當(dāng)前，膜分別技術(shù)已獲得巨大的進(jìn)展，但它到底還是處于上升進(jìn)展階段，還有很多工作要我們?nèi)プ觥?1 世紀(jì)的膜科學(xué)與技術(shù)將進(jìn)一步改進(jìn)、完善已有的膜過(guò)程，不斷探究和開(kāi)拓的過(guò)程與材料，并不斷擴(kuò)大原有的應(yīng)用領(lǐng)域，使膜技術(shù)發(fā)揮發(fā)揮更大的作用。三：工藝優(yōu)點(diǎn)常溫下進(jìn)展常溫下進(jìn)展有效成分損失極少，特別適用于熱敏性物質(zhì)，如抗生素等醫(yī)藥、果汁、酶、蛋白的分別與濃縮無(wú)相態(tài)變化保持原有的風(fēng)味無(wú)化學(xué)變化典型的物理

7、分別過(guò)程，不用化學(xué)試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染選擇性好可在分子級(jí)內(nèi)進(jìn)展物質(zhì)分別，具有普遍濾材無(wú)法取代的卓越性能適應(yīng)性強(qiáng)處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間隙進(jìn)展，工藝簡(jiǎn)潔，操作便利，易于自動(dòng)化能耗低只需電能驅(qū)動(dòng)，能耗極低，其費(fèi)用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/3-1/8四：應(yīng)用領(lǐng)域微濾 具體涉及領(lǐng)域主要有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。超濾 早期的工業(yè)超濾應(yīng)用于廢水和污水處理。三十多年來(lái)，隨著超濾技術(shù)的進(jìn)展，如今超濾技術(shù)已經(jīng)涉及食品加工、飲料工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、生物制劑、中藥制劑、臨床醫(yī)學(xué)、印染廢水、食品工業(yè) 廢水處理、資源回

8、收、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域。納濾 納濾的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及：食品工業(yè)、植物深加工、飲料工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、精細(xì)化工、環(huán)保工業(yè)等。反滲透 由于反滲透分別技術(shù)的先進(jìn)、高效和節(jié)能的特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)都得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于水處理和熱敏感性物質(zhì)的濃縮，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下：食品工業(yè)、牛奶工業(yè)、飲料 工業(yè)、植物農(nóng)產(chǎn)品深加工、生物醫(yī)藥、生物發(fā)酵、制備飲用水、純水、超純水、海水、苦咸水淡化、 電力、電子、半導(dǎo)體工業(yè)用水、醫(yī)藥行業(yè)工藝用水、制劑用水、注射用水、無(wú)菌無(wú)熱源純水、食品飲料工 業(yè)、化工及其它工業(yè)的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水。其他 除了以上四種常用的膜分別過(guò)程，另

9、外還有滲析、把握釋放、膜傳感器、膜法氣體分別、液膜分別法等。五：技術(shù)特點(diǎn)膜是具有選擇性分別功能的材料，利用膜的選擇性分別實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分別、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分別。它與傳統(tǒng)過(guò)濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)展分別，并且這過(guò)程是一種物理過(guò)程， 納濾膜和反滲透膜，依據(jù)材料的不同，可分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜，無(wú)機(jī)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(jī)膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、聚醚砜、聚氟聚合物等。微濾MF微濾又稱(chēng)微孔過(guò)濾，它屬于周密過(guò)濾，其根本原理是篩孔分別過(guò)程。微濾膜的材質(zhì)分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)，有機(jī)聚合物有醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。無(wú)機(jī)膜材

10、料有陶瓷和金屬等。鑒 于微孔濾膜的分別特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以 到達(dá)凈化、分別、濃縮的目的。對(duì)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?.11 微米，故微濾膜能對(duì)大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)展分別?？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 1nm 之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)展凈化、分別、濃縮的膜分別技術(shù)，超濾過(guò)程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過(guò)程。以膜兩側(cè)的壓力 差為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過(guò)濾介質(zhì)，在肯定的壓力下，當(dāng)水流過(guò)膜外表時(shí)，只允許水及比膜孔徑小的小分

11、子物質(zhì)通過(guò)，到達(dá)溶液的凈化、分別、濃縮的目的。1000 300000，故超濾膜能對(duì)大分子有機(jī)物如蛋白質(zhì)、細(xì)菌、膠體、懸浮固體等進(jìn)展分別，廣泛應(yīng)用于料液 的澄清、大分子有機(jī)物的分別純化、除熱源。納濾NF是介于超濾與反滲透之間的一種膜分別技術(shù)， 其截留分子量在 801000 的范圍內(nèi)，孔徑為幾納米，因此稱(chēng)納濾。基于納濾分別技術(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)域顯示出寬闊的應(yīng)用前景。對(duì)于納濾而言，膜的截留特性是以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)MgSO4、CaCl2 溶液的截留率來(lái)表征，通常截留率范圍在6090%，相應(yīng)截留分子量范圍在 1001000，故納濾膜能對(duì)小分子有機(jī)物等與水、無(wú)機(jī)鹽進(jìn)展分別，實(shí)現(xiàn)脫鹽

12、與濃縮的同時(shí)進(jìn)展。反滲透反滲透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(cè)靜壓為推動(dòng)力，而實(shí)現(xiàn)的對(duì)液體混合物分別的膜過(guò)程。反滲透是膜分別技術(shù)的一個(gè)重要組成局部，因具有產(chǎn) 水水質(zhì)高、運(yùn)行本錢(qián)低、無(wú)污染、操作便利運(yùn)行牢靠等諸多優(yōu)點(diǎn) ，而成為海水和苦咸水淡化，以及純水制備的最節(jié)能、最簡(jiǎn)便的技術(shù).已廣泛應(yīng)用于醫(yī)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(xiàn)代工業(yè)中首選的水處理技術(shù)。反滲透的截留對(duì)象是全部的離子，僅讓水透過(guò)膜，對(duì)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(jī)物、細(xì)菌、膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì)，也即

13、能截留全部的離子，在生產(chǎn)純潔水、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(yīng)用廣泛，如垃圾滲濾液的處理。六：工藝原理膜分別的根本工藝原理是較為簡(jiǎn)潔的。在過(guò)濾過(guò)程中料液通過(guò)泵的加壓，料液以肯定流速沿著濾膜的 外表流過(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(tǒng)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。由于膜分別過(guò)程是一種純物理過(guò)程，具有無(wú)相變化，節(jié)能、體積小、可拆分等特點(diǎn)，使

14、膜廣泛應(yīng)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(duì)不同組成的有機(jī)物，依據(jù)有機(jī)物的分子 量，選擇不同的膜，選擇適宜的膜工藝，從而到達(dá)最好的膜通量和截留率，進(jìn)而提高生產(chǎn)收率、削減投資 規(guī)模和運(yùn)行本錢(qián)。系統(tǒng)應(yīng)用澄純潔化技術(shù)超/微濾膜系統(tǒng)澄純潔化分別所承受的膜主要是超/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(yīng)用于固液分別、大小分子物質(zhì)的分別、脫除色素、產(chǎn)品提純、油水分別等工藝過(guò)程中。超/微濾膜分別可取代傳統(tǒng)工藝中的自然沉降、板框過(guò)濾、真空轉(zhuǎn)鼓、離心機(jī)分別、溶媒萃取、樹(shù)脂提純、活性炭脫色等工藝過(guò)程。澄純潔化技術(shù)可承受的膜分別組件主要有：陶瓷膜、平板膜、不銹鋼膜、中空纖

15、維膜、卷式膜、管式膜。濃縮提純技術(shù)濃縮提純技術(shù)納濾膜系統(tǒng) 的納濾膜。納濾膜的主要特點(diǎn)是對(duì)二有 3050%的透過(guò)性能，常被應(yīng)用于溶質(zhì)的分級(jí)、溶液中低分子物質(zhì)的洗脫和離子組分的調(diào)整、溶液體系的濃縮等物質(zhì)的分別、精制、濃縮工藝過(guò)程中。納濾膜分別技術(shù)常被用于取代傳統(tǒng)工藝中的冷凍枯燥、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。物質(zhì)。純潔水處理工藝流程圖純潔水處理工藝流程圖七：分別裝置膜分別裝置依據(jù)處理對(duì)象和要求不同，有多種多樣，但從流程構(gòu)造上看，格外相像，常見(jiàn)的有四種類(lèi)型：一級(jí)流程：物料經(jīng)過(guò)分別膜的一次分別，完成操作一級(jí)多段流程：將假設(shè)干一級(jí)分別裝置串聯(lián)，物料經(jīng)過(guò)串聯(lián)的分別膜，每一個(gè)裝置都得

16、到產(chǎn)品，而分別的推動(dòng)力逐級(jí)遞減。二級(jí)流程：物料經(jīng)過(guò)一級(jí)分別后，將產(chǎn)品送入二級(jí)裝置再次分別，得到最終產(chǎn)品。多級(jí)流程：為到達(dá)很高分別要求，承受多級(jí)分別得到最終產(chǎn)品，同時(shí)多級(jí)分別濃縮濃溶液。膜分別裝置在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)消滅濃差極化現(xiàn)象，即由于膜的阻礙作用使溶質(zhì)在膜的高壓側(cè)外表上累積，造成膜外表 到主體溶液間的濃度梯度，引起溶質(zhì)從膜外表通過(guò)邊界層，向液相主體集中。濃差極化現(xiàn)象發(fā)生后，溶質(zhì) 通過(guò)膜的流量大幅度增加，同時(shí)相應(yīng)削減了溶劑的通過(guò)率，并且膜四周溶質(zhì)濃度大幅增加，可能導(dǎo)致溶質(zhì) 析出沉積，使膜透過(guò)率急劇削減，嚴(yán)峻時(shí)，會(huì)使膜的透過(guò)作用消逝。為避開(kāi)濃差極化給膜分別帶來(lái)的不利 影響，一般實(shí)行的措施是增加膜面四

17、周的流體湍動(dòng)程度，以削減膜外表溶質(zhì)濃度的累積作用。膜分別裝置在生產(chǎn)中的應(yīng)用不僅僅涉及膜分別技術(shù)原理，還涉及到過(guò)程設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，操作把握裝置 及相關(guān)軟件等很多領(lǐng)域。所以盡管膜分別裝置在化學(xué)工業(yè)，冶金，紡織，食品，生物化工，醫(yī)藥，國(guó)防等 很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是目前膜分別裝置的使用還局限在少數(shù)擁有技術(shù)的國(guó)家中，還有待于進(jìn)一步擴(kuò) 大應(yīng)用范圍。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)展膜分別技術(shù)已完成了從試驗(yàn)室到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變開(kāi)頭在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮 舉足輕重的作用。但它到底是一門(mén)涉及多學(xué)科的高技術(shù)邊緣學(xué)科，在理論和實(shí)際應(yīng)用方面還需要進(jìn)一步 爭(zhēng)辯。膜分別技術(shù)作為一種型和高效的水處理技術(shù)受到各國(guó)水處理爭(zhēng)辯者的普遍重視并取得了很多成 功閱歷。今后隨著膜制備技術(shù)的不斷提高膜分別在重金屬?gòu)U水處理領(lǐng)域必將得到更廣泛的應(yīng)用八：總結(jié)膜分別技術(shù)其設(shè)備簡(jiǎn)潔、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)廣泛的用于工業(yè)水處理領(lǐng)域。隨著膜材料性能的不斷改進(jìn)和工藝的不斷優(yōu)化，膜分別技術(shù)在水處理方面將發(fā)揮出更有意義的作用。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)