液膜分離技術(shù)主要內(nèi)容

它是受生物膜選擇透過性運輸功能和固膜技術(shù)的啟發(fā),將膜分離與溶媒萃取相結(jié)合,使選擇性滲透、膜相萃取和膜內(nèi)相反萃取3 個傳質(zhì)環(huán)節(jié)同時完成。一般認(rèn)為膜兩側(cè)相界面上傳質(zhì)分離過程存在簡單擴散、化學(xué)反應(yīng)、選擇性滲透、萃取和反萃取及吸附等。液膜的分離效率,關(guān)鍵在于其穩(wěn)定性和選擇性載體的選擇。液膜分離涉及三種液體:通常將合有被分離組分的料液作連續(xù)相，稱為外相接受被分離組分的液體，稱為內(nèi)相;成膜的液體處于兩者之間，稱為膜相。在液膜分離過程中，被分離組分從外相進入膜相，再轉(zhuǎn)入內(nèi)相，濃集于內(nèi)相。如果工藝過程有特殊要求，也可將料液作為內(nèi)相，接受液作為外相。這時被分離組分的傳遞方向，則從內(nèi)相進入外相。

按構(gòu)型和操作方式的不同,液膜主要分為乳化液膜(emulsion liquid membrane , ELM) 和支撐液膜(supported liquid membrane , SLM) 。

膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進國家的高度重視,近30 年來，美國、加拿大、日本和歐洲技術(shù)先進國家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進膜技術(shù)迅速發(fā)展,使用范圍日益擴大。膜分離技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為許多行業(yè),如純水生產(chǎn)、海水淡化、苦咸水淡化，電子工業(yè)、制藥和生物工程、環(huán)境保護、食品、化工、紡織等工業(yè)，高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù)。

液膜模擬生物膜的結(jié)構(gòu),通常由膜溶劑、表面活性劑和流動載體組成。它利用選擇透過性原理,以膜兩側(cè)的溶質(zhì)化學(xué)濃度差為傳質(zhì)動力,使料液中待分離溶質(zhì)在膜內(nèi)相富集濃縮,分離待分離物質(zhì)。

1 膜分離技術(shù)簡介

1.1 膜的定義

膜是一種起分子級分離過濾作用的介質(zhì)，當(dāng)溶液或混和氣體與膜接觸時，在壓力下，或電場作用下，或溫差作用下，某些物質(zhì)可以透過膜，而另些物質(zhì)則被選擇性的攔截，從而使溶液中不同組分，或混和氣體的不同組分被分離,這種分離是分子級的分離。

1.2 膜的種類

分離膜包括：反滲透膜(0. 0001～0. 005μm) ，納濾膜(0. 001～0. 005μm) ，超濾膜(0. 001～0. 1μm) ，微濾膜(0. 1～1μm) 、電滲析膜、滲透氣化膜、液體膜、氣體分離膜、電極膜等。他們對應(yīng)不同的分離機理，不同的設(shè)備，有不同的應(yīng)用對象。膜本身可以由聚合物,或無機材料，或液體制成，其結(jié)構(gòu)可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的，多孔或無孔的，固體的或液體的,荷電的或中性的。膜的厚度可以薄至100μm，厚至幾毫米。不同的膜具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和功能，需要用不同的方法制備。制膜方法一直是膜領(lǐng)域的核心研究課題,也是各公司嚴(yán)格保密的核心技術(shù)。

1.3膜分離技術(shù)的定義

把上述的膜制成適合工業(yè)使用的構(gòu)型，與驅(qū)動設(shè)備(壓力泵、或電場、或加熱器、或真空泵) 、閥門、儀表和管道聯(lián)成設(shè)備。在一定的工藝條件下操作,就可以來分離水溶液或混和氣體。透過膜的組分被稱為透過流分。這種分離技術(shù)被稱為膜分離技術(shù)。

2膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1供水

2.1.1高質(zhì)量飲用水供給

隨著水體的污染和人民生活水平提高，人們越來越希望得到高質(zhì)量的飲用水供給。采用活性炭吸附過濾和超濾結(jié)合制取高質(zhì)量飲用水，設(shè)備投資少，制水成本低,是優(yōu)質(zhì)飲用水制備的經(jīng)濟有效方法，具有廣闊的市場前景。

2.1.2工業(yè)供水

自來水和地下水的水質(zhì)不能滿足許多化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)和紡織工業(yè)的要求，需要經(jīng)過凈化處理方可以使用，超濾膜技術(shù)是凈化工業(yè)用水的重要技術(shù)之一。

2.1.3 醫(yī)藥用水

醫(yī)藥針劑用水是采用多級蒸餾制備的，其工藝繁瑣、能耗高、而且質(zhì)量常常得不到保證。用超濾膜技術(shù)除針劑熱源和終端水熱源，取得很好效果。

2. 2 工藝水的處理(分離、濃縮、分級和純化)

在各工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往有分離、濃縮、分級和純化某種水溶液的需求。傳統(tǒng)用的方法是沉淀、過濾、加熱、冷凍、蒸餾、萃取和結(jié)晶等過程。這些方法表現(xiàn)出流程長、耗能多、物料損失多、設(shè)備龐大、效率低、操作繁瑣等缺點，以超濾膜技術(shù)取代某種傳統(tǒng)技術(shù)可以獲得顯著的經(jīng)濟效益。

2.2.1膜技術(shù)在制藥工業(yè)的應(yīng)用

膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物制備和醫(yī)藥生產(chǎn)中的分離、濃縮和純化。如血液制備的分離、抗菌素和干擾素的純化、蛋白質(zhì)的分級和純化、中草藥劑的除菌和澄清等。發(fā)酵是生物制藥的主流技術(shù)，從發(fā)酵液中提取藥物，傳統(tǒng)工藝是溶劑萃取或加熱濃縮，反復(fù)使用有機溶劑和酸堿溶液,耗量大，流程長，廢水處理任務(wù)重。特別是許多藥物熱敏性強，使傳統(tǒng)工藝的實用性多受限制。國際先進的制藥生產(chǎn)線，大量采用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離、濃縮和純化工藝。如以膜設(shè)備濃縮純化抗生素、中藥湯及中藥針劑澄清等。

2.2.2 膜技術(shù)在食品領(lǐng)域工業(yè)的應(yīng)用

利用超濾膜技術(shù)把發(fā)酵液中產(chǎn)品和菌體分離，再采用其它方法精制流程。其優(yōu)點是：生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提高;簡化了工藝流程;菌體蛋白不含外加雜質(zhì),利用價值高，達(dá)到資源綜合利用。醬油、醋的澄清、果汁澄清和濃縮、乳制品生產(chǎn)、制糖工業(yè)都采用了膜技術(shù)。

2.2.3 膜技術(shù)在各種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

凡是涉及分子級的濃縮和分離的過程，都有膜技術(shù)應(yīng)用的機會。汽車電泳漆的在線純化采用超濾膜除去雜質(zhì)，持續(xù)保證涂漆質(zhì)量;燃料工業(yè)泳超濾膜技術(shù)分離和濃縮中間體。

2.3 在環(huán)境保護和水資源化的應(yīng)用

膜技術(shù)在廢水處理、污染防治和水資源綜合利用方面得到廣泛應(yīng)用。在許多情況下，不僅處理了廢水，還能回收有用物質(zhì)和能量。

2.3.1各種含油廢水及廢油的處理

①采油回注水的處理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油，提高注入水的質(zhì)量。

②含油廢水的處理：許多工業(yè)生產(chǎn)和運輸業(yè)都產(chǎn)生大量的含油廢水，膜濾技術(shù)是達(dá)標(biāo)排放最有效的方法。

③廢潤滑油的純化：用常規(guī)技術(shù)加膜分離，可得到很純的潤滑油，適用于汽車等廢機油的處理。

④機床切削油的純化回收:膜法可除去廢切削油中的細(xì)菌和雜質(zhì)，處理后回用。

⑤廢食用油的純化處理技術(shù):食用油在連續(xù)高溫下產(chǎn)生致癌物質(zhì)，用膜法可將這部分除去。

⑥食用菜籽油的純化：菜籽油中含有15 %～48 %高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(芥子酸<5 %) 。

2.3.2 廢水的處理及回用

①膜生物反應(yīng)器處理生活污水回用中水，其占地面積小，設(shè)備投資低,處理水質(zhì)好。

②印刷顯影廢水的處理及回用，采用膜技術(shù)處理可以達(dá)標(biāo)排放，也可回收。

③電鍍廢水可采用膜技術(shù)處理，水回用，污染物回槽利用。

④印染廢水采用膜分離可除去有色染料，得到的水回用。牛仔布印染廢水可回收靛藍(lán)燃料。

⑤造紙廢水用膜可將廢水中的木質(zhì)素、色素等分離出來，凈化水可排放或回用。

2.3.3水的淡化技術(shù)

①海水淡化技術(shù):應(yīng)用最新的膜蒸餾技術(shù)，最適合和船用發(fā)動機熱交換器連用，利用廢熱生產(chǎn)淡水，適合于中、小型漁船遠(yuǎn)航捕撈使用。

②咸水淡化技術(shù):將天然咸水用膜淡化到應(yīng)用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2. 4氣體分離、濃縮技術(shù)及其應(yīng)用

①氧化濃縮：可用膜裝置制成安全、簡便的醫(yī)療和理療設(shè)備，也可用于煉鋼吹氧或助燃等工業(yè)生產(chǎn)，富氧濃度35 %～80 %。

②氮氣濃縮:氮氣可用于食品保存、汽車存儲、飛機加油、防爆及化學(xué)工業(yè)，膜設(shè)備的氮可濃縮至90 %～98 %。

③二氧化碳、二氧化硫、氫氣的分離:當(dāng)二氧化碳、二氧化硫、氫氣分別和其它氣體混和在一起時，可用膜將它們分離出來,滿足工業(yè)的需要。

④氫氣的分離和濃縮:在化工產(chǎn)品制造時,往往排出大量氫氣,可用膜法將氫氣分離出來。

2.5 其它

①膜法保鮮劑：在水果、蛋類外部侵涂一層膜可達(dá)保鮮目的。保鮮后，存放期長，外觀色澤好。

②制造維生素E 的膜法分離技術(shù):用膜可以從黃豆油中提取VE 的混合物,其抽提劑可循環(huán)使用。

液膜分離技術(shù)是一項新型高效分離技術(shù)，具有在常溫下操作，營養(yǎng)成分損失少，設(shè)備簡單、操作方便、無相變、不產(chǎn)生化學(xué)變化、選擇性強、分離效率高和節(jié)省能源等優(yōu)點。按照膜孔徑的大小，膜分離技術(shù)可以進一步細(xì)分為微濾、超濾、納濾、反滲透技術(shù)等。目前，膜技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要有過濾、濃縮、除菌和分離提取功能食品的功能配料等。該項技術(shù)已經(jīng)廣泛用于食品工業(yè)，現(xiàn)簡述如下：

生產(chǎn)果蔬汁

在果蔬汁生產(chǎn)中，GE微濾、GE超濾技術(shù)用于澄清過濾;納濾、反滲透技術(shù)用于濃縮。用超濾法澄清果汁時，細(xì)菌將與濾渣一起被膜截留，不必加熱就可除去混入果汁中的細(xì)菌。利用反滲透技術(shù)濃縮果蔬汁，可以提高果汁成份的穩(wěn)定性、減少體積以便運輸，并能除去不良物質(zhì)，改善果蔬汁風(fēng)味。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸發(fā)濃縮過程中幾乎全部失去，冷凍脫水法也只能保留大約8%，而用反滲透技術(shù)則能保留30～60%。

用于乳品工業(yè)

反滲透、超濾技術(shù)主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的濃縮。目前各國廣泛應(yīng)用超濾法作為回收乳清蛋白的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

與其他方法相比，利用膜分離技術(shù)加工乳品，可以降低能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量。將反滲透技術(shù)用于稀牛奶的濃縮，可生產(chǎn)出品質(zhì)令人滿意的奶酪及甜酸奶。用反滲透技術(shù)除去乳牛清中的微量青霉素，大大延長了乳制品的保質(zhì)期。當(dāng)采用超濾法濃縮乳清蛋白時，還可同時除去乳糖、灰分等。

生產(chǎn)酒類

利用超濾技術(shù)，可以除去酒及酒精飲料中殘存的酵母菌、雜菌及膠體物質(zhì)等，可以改善酒的澄清度，延長保存期，還能使生酒具有熟成味，縮短老熟期。經(jīng)超濾處理后，酒的風(fēng)味有所改善，變得清爽可口，而又醇香延綿。目前采用超濾法精制酒和酒精飲料，已在美國、意大利、日本等國得到應(yīng)用。此法還可避免酒的熱殺菌易引起的混濁成分的析出，簡化過濾設(shè)備。所處理的酒類有葡萄酒、威士忌、燒酒、清酒、黃酒等。

生啤酒的口味雖優(yōu)于熟啤酒，但不能長期保存，給運輸及銷售等帶來一定的困難。采用超濾技術(shù)進行啤酒的精濾和無菌過濾，可以使生啤酒不經(jīng)低溫加熱滅菌而能長期保存。

用于豆制品工業(yè)

膜技術(shù)在豆制品工業(yè)中的主要應(yīng)用是分離和回收蛋白質(zhì)。生產(chǎn)豆乳時產(chǎn)生的大豆乳清，通常方法只能從中提取60%的蛋白質(zhì)，利用超濾法濃縮殘留蛋白質(zhì)，能夠增加20～30%的豆腐收得率。采用超濾法還可以在濃縮蛋白的同時，去除產(chǎn)生豆膻味和影響豆乳穩(wěn)定性的低分子物質(zhì)，提高豆乳質(zhì)量。

豆制品工業(yè)中的乳清處理，對防止水體污染意義重大。大豆乳清中含有多種低分子蛋白質(zhì)、多糖類、肽、少糖類等物質(zhì)，采用超濾法可以從大豆乳清中回收濃縮大豆蛋白，以滿足人類和畜牧業(yè)的需求。此外，還可獲得β-淀粉酶產(chǎn)品。

利用膜技術(shù)還可以獲得大豆異黃酮、大豆寡糖、大豆分離蛋白、寡肽、免疫球蛋白、竹葉黃酮等功能食品的功能配料。2100433B

本書分兩篇25章，第Ⅰ篇主要介紹膜分離技術(shù)基礎(chǔ)理論，包括反滲透、納濾、超濾、微濾、無機膜分離、離子交換膜、透析、氣體膜分離滲透汽化、膜萃取、膜蒸餾、膜反應(yīng)器、控制釋放及膜分離過流流體力學(xué)與傳遞理論基礎(chǔ)等。第Ⅱ篇主要介紹膜分離技術(shù)的應(yīng)用及應(yīng)用實例，包括液膜分離技術(shù)應(yīng)用及實例、氣體膜分離技術(shù)應(yīng)用及實例、滲透汽化膜技術(shù)應(yīng)用實例、雙極膜的應(yīng)用、膜萃取過程的應(yīng)用、膜蒸餾技術(shù)的應(yīng)用、膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的應(yīng)用、膜分離技術(shù)在分析領(lǐng)域中的應(yīng)用、膜軟件的開發(fā)創(chuàng)新及其在工業(yè)分離領(lǐng)域的應(yīng)用、中國膜工業(yè)的發(fā)展與市場等。希望本書對我國膜分離技術(shù)的發(fā)展起到積極的推動作用。