膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用（精选8篇）

篇1：膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

介绍了膜法制氮装备的特点和工艺流程:对中空纤维膜空气分离机理及其影响膜分离效果的主要因素进行了研究分析.

作 者：殷合香 姚本军 陈友龙 Yin Hexiang Yao Benjun Chen Youlong 作者单位：海军航空工程学院青岛分院,青岛,266041刊 名：军民两用技术与产品英文刊名：DUAL USE TECHNOLOGIES & PRODUCTS年，卷(期)：“”(5)分类号：V2关键词：膜法制氮 PRISM膜组 分离机理

篇2：膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

从18世纪以来人们对生物膜有了初步的认识, Nolle在1748年揭示了膜分离现象。在近200年的发展与认识中, 人们对膜分离技术的基本理论有了广泛的认识。在20世纪60年代初, Loeb S和Sourirajan S等在反渗透的理论和应用的研究上取得了重大突破, 自此, 膜分离技术迅速崛起, 发展日新月异。由于膜分离技术具有能耗低、无污染等特点, 与传统分离技术的高能耗、污染环境形成鲜明的对比, 使得膜分离技术成为分离科学中重要的组成部分, 被认为是“21世纪最有前途、最有发展前景的高新技术之一, 在工业技术改造中起着战略性作用”。世界上许多国家包括中国在内, 都把膜分离技术及其应用列为国家重点发展项目。膜分离技术对许多传统产业的发展起着关键作用, 甚至有人预言“谁掌握了膜分离技术, 谁就掌握了化学工业的未来”。

随着科技进步和研究的深入, 膜分离技术在中药领域的应用与研究越来越受到广泛的关注。随着中药现代化的推行, 研究者在中药研究中“除伪存真”, 将中药中有害的或非有效成分尽可能除去, 或将有效成分或成分群的有效部位富集, 以制备作用更好、副作用更小、使用更方便、质量更稳定的药物。这一趋势, 也促进了许多原来仅在实验室中从事天然产物研究应用的技术发展, 如大孔树脂、聚酞胺以及各种吸附层析、膜分离技术从实验室走进车间。其中, 膜分离技术由于其环保、节能的特性, 引起了越来越多的中药研究者与生产者的关注。

1 膜分离概述

1.1 膜分离的概念

膜分离是在外界能量或化学位差的推动下, 用选择性透过膜作为选择膜, 使混合物中的一部分通过选择性透过膜, 一部分被截留, 并利用各组分透过膜的迁移率不同, 达到对混合物进行分离、提纯和浓缩的目的。

1.2 膜分离技术的特点

膜分离技术具有如下特点:

(1) 膜分离过程为物理过程, 在分离中无需引入新物质, 可以节约能源和减少对环境的污染;

(2) 大多数膜分离过程不发生相变化, 消耗能量低, 因此新兴的膜分离技术是一种节能技术;

(3) 膜分离过程的工作温度在室温附近, 特别适用于对热敏物质的处理, 如对果汁以及一些药品的分离;

(4) 由于膜分离技术的驱动力为压力差或化学势能差, 因此膜分离设备本身没有运动的部件, 结构简单, 便于操作, 易于维修。

1.3 膜分离过程的基本方法及其原理

1.3.1 超滤与微滤

超滤与微滤是根据膜孔径的大小在压力差的作用下进行的筛分过程, 可视为用膜作为介质进行过滤的过程。其原理为:在一定的压力差作用下, 含有大分子物质和小分子物质的混合液体透过膜时, 小于孔径的分子透过膜, 被富集起来, 而混合物中的大分子物质被截留下来, 从而实现对混合物的分离。但是在分离的过程中, 大分子物质滞留在分离膜上, 导致膜的通量下降非常严重, 实际通量低于纯水通量的5%, 这主要是由于浓差极化、吸附和阻塞等造成的膜污染。超滤膜能截留直径为5～10μm、分子量在5×102～1×106Da之间的分子, 其操作的压差为0.1～1.0 MPa, 其主要应用于含大分子和胶状物质等溶液的提纯、分离, 也用于气体的分离。微滤膜能够截留直径为0.03～5μm的分子, 操作压差为0.01～0.2 MPa, 用于分离或纯化含有微粒、细菌的溶液。

1.3.2 纳滤

纳滤是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术, 与超滤分离过程一样, 纳滤也是以压力差为动力的膜分离过程。其分离机理可以用电荷模型、静电排斥、立体阻碍模型以及细孔模型来描述。其截留物的分子直径在1 nm左右, 截留物的相对分子量在200～1 000 Da之间。纳滤膜最大的特征为膜本体带有电荷, 使得其在很低的压力下具有较高的脱盐率。但是, 对于单价离子的脱除率较低, 仅在50%～70%。一般情况下纳滤过程所需要的操作压力低于1 MPa, 这样降低了对设备的要求, 减少投资费用。其次, 纳滤膜具有较高的耐压性和抗污染能力。

1.3.3 反渗透

在溶液一侧施加大于溶液渗透压的一定的压力, 使得溶剂分子从溶质浓度高的溶液侧透过膜流向溶剂侧的数量大于溶剂分子向溶液侧透过的数量, 该过程称为反渗透。其需要满足2个条件:具有选择性透过膜和大于渗透压的静压差。

反渗透膜能够截留分子的直径为0.1～1.0 nm, 操作压力一般为1.5～10.5 MPa。由于反渗透膜截留的分子较小, 这种分离技术广泛地应用于食品、制药工业, 以及造纸工业某些有机物和无机物的分离。

1.4 膜分离装备系统

中药提取使用的膜分离系统主要为无机陶瓷膜系统、中空纤维膜系统和有机卷式复合膜系统。在除杂方面, 膜分离系统主要为无机陶瓷膜系统和有机卷式复合膜分离系统。

1.4.1 无机陶瓷膜系统

无机陶瓷膜是在大孔径的支撑体表面涂上4～6μm的致密的微孔膜层复合而成, 独特的膜层配方配以复杂严格的高温烧结工艺, 使得膜层的孔径分布很窄, 绝对精度很高, 保证提取液中的各种杂质无法轻易透过膜层, 对提取液中的大分子杂质去除率高。与有机高分子滤膜相比, 由于高温烧结的陶瓷膜为刚性多孔结构, 且与酸碱接触时呈惰性, 避免了使用高分子滤膜时存在的膜孔易压缩变形、清洗再生困难、清洗剂昂贵、膜片不耐磨易损坏、可靠性不高、浓缩倍数不高、收率不高、使用寿命短和膜更换费用高等致命缺点, 目前, 其分离精度一般在20～1 200 nm之间, 对于不同的分离要求可以选择不同分离精度的陶瓷系统对提取液进行除杂。

陶瓷膜分离系统具有如下特点:

(1) 分离精度高, 透过液澄清透明, 大大减轻后续处理难度;

(2) 膜元件耐酸碱极佳, 膜使用寿命长;

(3) 膜元件强度高, 耐磨性好;

(4) PLC上位机全自动化控制, 操作简单, 极大地降低劳动强度, 易于清洗和维护;

(5) 膜材料及辅助设备材料均为无污染材料, 密封件选用硅胶或聚四氟乙烯, 满足药厂生产需求。

陶瓷膜系统对中药提取液进行澄清除杂时, 对其进料要求很低, 仅需要过滤浸体液中的大渣即可。由于陶瓷膜系统分离精度均匀, 其透过液质量稳定。

1.4.2 中空纤维膜系统

中空纤维膜通常用于料液的复滤除杂处理, 浸提液经过粗滤后, 进一步过滤以提高有效部位的含量, 或对水醇沉法的清液进行复滤, 提高有效部位的含量。但由于该系统单位膜面积的产能低、膜面流速相对较低、耐污染能力比较弱等缺点, 一定程度上限制了该类系统在中药提取中的应用。

中空膜分离系统具有如下特点:

(1) 分离精度高, 分离效率较高;

(2) 可反冲洗操作, 降低膜污染累积, 实现过滤的连续性运行;

(3) 膜系统低压运行, 装机总功率小, 运行能耗低;

(4) PLC上位机全自动化控制, 操作简单, 极大地降低劳动强度, 易于清洗和维护。

1.4.3 有机卷式复合膜分离系统

有机卷式复合膜的应用主要集中在2点:一是有机卷式超滤系统对来料中的可溶性的物质进一步分离、纯化;二是采用纳滤或反渗透系统对液料进行浓缩、脱小分子。有机卷式膜系统的分离精度更高, 主要对提取澄清液中可溶性的有机分子, 比如对澄清液中蛋白、多糖等进一步分离, 以提高料液的纯度, 便于后续工段的精制, 该类系统的分离范围限于分子级别。该系统分离类别为深度纯化工段, 其进料为提取经过前段的澄清之后的料液—真溶液状态。

有机卷式复合膜分离系统具有如下特点:

(1) 分离精度高, 涵盖微滤至反渗透, 膜芯的品种丰富;

(2) 可实现常温或低温密闭操作, 避免有效成分活性的热失活现象;

(3) PLC上位机全自动化控制, 操作简单, 极大地降低劳动强度, 易于清洗和维护;

(4) 膜芯填装密度高, 设备制作紧凑, 占地面积小。

2 膜分离技术在中药领域中的应用

2.1 中药制剂用纯水的制取

膜分离技术制备药用纯水已经广泛运用于制药企业, 通过粗滤、超滤、电渗析、纳滤、反渗透等, 可以有效、稳定、低能耗地去除自来水中的微粒、热原、无机盐等杂质和有害物质。

2.2 中药有效成分的提取、分离和浓缩

药物的提取分离是药品生产尤其是中药生产的重要环节。中药的化学成分非常复杂, 通常含有酚类、酮类、无机盐、生物碱、氨基酸和有机酸、皂甙、甾体类和萜类化合物以及蛋白质、多糖、淀粉、纤维素等, 除了有效成分之外, 往往还有辅助成分和无效成分。因此, 最大限度地获得有效成分和减少无效成分是至关重要的。利用某一分子量的截留值的超滤膜获得的滤过液, 不同于现在通常所说的“有效部位”, 它是一个包含多类成分的更加复杂的体系, 可以说是一个“有效部位群”。从这种意义上说, 超滤技术更能体现中药及复方的特性, 发挥其临床疗效优势。目前, 用于药物分离纯化的技术有很多, 膜分离技术是比较新兴的一种手段, 较之其他的方法也体现出很多优势。

此外, 中草药活性成分的含量较低, 提取过程较为复杂, 而且提取过程中需使用大量的有机溶剂, 从而造成严重的污染问题。而采用膜分离技术进行浓缩, 不仅可以去除大分子杂质以及其他可沉淀的成分, 还可以滤除药液中水分、小分子等杂质, 既节省能耗, 又提高药品的纯度, 比通常所采用的方法效果更为理想。

近些年来, 膜分离技术在中药活性成分提取中的应用研究取得了丰富的研究成果。欧阳丽等对利用反萃分散液膜分离提取黄连中的药根碱、巴马汀和小檗碱进行了研究, 结果表明, 经过液膜分离后, 料液中的生物碱高效地被传输进了反萃相, 该反萃分散液膜体系对黄连中的药根碱、巴马汀和小檗碱连续传输8 h, 分别达到了86%、88%和89%的提取效率。刘志昌等利用膜分离技术分离纯化白藜芦醇, 以虎杖苷液态发酵后浓缩, 用60%的乙醇以1:8的料液比在常温下提取, 过滤得到滤液, 然后将滤液用两级膜进行处理, 用高效液相色谱 (HPLC) 法检测白藜芦醇的纯度。经微滤膜处理后白藜芦醇的纯度达30.5%, 再经超滤膜处理, 纯度达55.8%。该方法可降低生产成本, 不使用有毒有害的溶剂, 实现清洁生产。王龙德等研究了微孔滤膜和超滤膜从苦楝树皮的微波提取液中膜分离提纯苦楝素的相关膜工艺条件及参数, 并筛选出较为理想的聚砜超滤膜。研究结果表明, 截留分子量为6 kDa的聚砜UEOS-503超滤膜分离提纯苦楝素的效果要优于截留分子量分别为10 kDa和20～50 kDa的聚砜USIC-503和UPIS-503。为提高苦楝素的纯度和苦楝素转移率, 得出超滤膜分离提纯苦楝素优化工艺条件:料液质量浓度为0.369 mg/mL, 料液温度为35℃, 膜操作压力差为0.10 MPa, 膜面流速6.17×10-4m/s, 膜滤液pH=7.0。在优化条件下, 苦楝素的转移率为92.8%, 提取液中苦楝素的纯度由0.89%提高到15.22%。焦光联等采用超滤法测定了黄芪多糖的分子量分布, 以截留分子量为10 kDa的超滤膜对黄芪多糖进行超滤分离, 有效地实现了黄芪多糖提取液中活性多糖成分与大分子蛋白多酚等物质的分离。易克传等选择截留分子量为3.0×104Da的超滤膜有效地分离纯化绞股蓝皂苷, 该工艺操作简单可靠, 纯化效率高。颜栋美等结合中空纤维膜分离与聚酰胺吸附对金花茶中的茶多酚进行纯化研究, 考察了金花茶提取液分别经过分子量为300 Da、100 Da、10 Da、3 kDa的中空纤维膜分离后, 茶多酚纯度得到大幅提高。

2.3 废水中有效成分的回收

中药生产中, 原药的洗涤液以及提取后的药渣洗涤液, 多含有一定量浓度极低的有效成分, 往往作为废水直接排放, 运用膜技术能很好地回收利用。凌秀菊等对运用纳滤膜技术分离回收金银花蒸馏残渣中绿原酸的过程进行研究, 结果表明, 残渣液中绿原酸浓度由723.3 mg/L浓缩至17 964 mg/L, 浓度提高了24.8倍, 绿原酸的纯度由2.8%上升到27.0%, 纯度提高了9.6倍, 而总可溶性固形物由2.52%增加到6.61%, 提高将近3倍。

2.4 中药制剂的制备

2.4.1 浸膏制剂的制备

浸膏制剂作为后续制剂原料, 其杂质含量直接影响成品制剂的质量。目前中药浸膏制剂的制备多采用煎煮法或渗漉法提取药材中的有效成分, 提取液过滤、低温浓缩成浸膏, 浸膏中含多量淀粉、多糖、蛋白质、树脂等杂质, 制取的固体制剂, 存在崩解缓慢、服用量大等缺点, 膜分离技术在解决这些问题方面提供了新的途径。赵宜江等研究表明, 超滤法可以去除药液中淀粉、树胶、果胶、黏液质、蛋白质等可溶性大分子杂质, 减少浸膏剂的服用量, 在保证有效成分含量基本相同的前提下, 浸膏体积缩小为原来的1/3～1/5, 且浸膏干燥容易, 吸湿性小, 添加赋形剂少, 节约大量有机溶剂和相应回收设备, 缩短生产周期, 减少工序及人员, 节约热能。

2.4.2 中药口服液的制备

在中药口服液生产中, 传统的生产工艺采用水提醇沉法, 由于成品中存在少量胶体、微粒、鞣质等, 在使用过程中久置会出现明显的絮体沉淀物, 影响药液的外观性状及质量。而采用微孔滤膜或超滤工艺去除其中的杂质后, 可使口服液达到很高的纯度。朱才庆等探讨膜分离金钱通淋口服液时不同膜组件及操作参数对膜分离效果的影响。通过采用不同截留分子量的膜组件、操作参数的正交设计, 以研究与总黄酮相关的各种指标, 考察不同膜组件及操作参数对膜分离效果的影响。结果显示截留分子量为20 kDa的PS膜具有较好的膜分离效果, 选择压力0.08 MPa、料液温度40℃、进料流速2.8 L/min的操作参数工作效率更高, 但对干膏中总黄酮含量没有显著性影响。新工艺制备的口服液色泽好, 澄清度大为改善, 且具有良好的药效作用。冯敬文等探讨膜分离技术应用于小儿清热利肺口服液制备的可行性。以药材的水提液、未加糖浆的总混药液和加入糖浆的总混药液为研究对象, 以浊度作为药液澄清度的考察指标, 并以绿原酸与盐酸麻黄碱的保留率、鞣质和固形物的清除率以及膜通量变化为指标评价膜滤工艺。结果微滤可显著改善药液的澄清度, 陶瓷膜滤过效率高于振动膜滤过效率。焦光联等采用微滤、超滤膜技术对新生化口服液制备进行了研究, 通过考察操作压力、运行温度等对膜渗透通量的影响, 得出最佳操作压力为0.1 MPa, 温度35℃, 进料流速4 L/s, 为进一步中试实验提供一定的依据。

2.4.3 缓释药物制备

用渗透性膜将药物包覆起来, 膜上开微孔, 进入胃肠道后, 胃肠液水分经膜渗透而进入膜内溶解药物, 在渗透压作用下, 药液从微孔随渗透的进行而缓慢压出, 达到缓释的目的, 这是新型缓释药物的热门研究领域。

2.4.4 中药注射液制备

贺立中等采用2步超滤法制备伸筋草注射液, 先用截留相对分子量10～30 kDa的超滤膜, 除去大分子杂质, 再用截留相对分子量6 kDa的超滤膜除去小分子杂质及制备过程中加入的氯化钠, 制备得到的注射液收率高、澄清度好, 氯化钠含量从5%降到1%, 流程简单, 易批量生产。薛东升等通过考察超滤前后细菌内毒素检测、脱色效果、指标性成分 (黄芩苷、熊去氧胆酸、氨基酸、总固体) 透过率和指纹图谱相似度评价, 对超滤膜进行筛选, 并以膜渗透通量为指标, 对超滤参数进行优选。用灵敏度为0.25 EU/mL的鲎试剂检查, 饮用水通过截留相对分子量为10 kDa、8 kDa、5 kDa、3 k Da的膜后均符合注射用水内毒素标准要求, 不同孔径超滤膜对药液色泽、黄芩苷、熊去氧胆酸、总固体透过率影响较大, 对氨基酸透过率和指纹图谱相似度影响较小;在泵转速250 r/min、操作压力193.06 kPa、药液温度40℃时膜渗透通量最大。结果显示选择截留相对分子量为5 kDa的超滤膜能有效去除细菌内毒素, 改善痰热清注射液颜色, 对注射液整体化学成分影响不大, 指标性成分含量及指纹图谱相似度符合痰热清注射液质量标准。孙晶波等采用正交试验法考察不同孔径的超滤膜、操作压力、泵转数、药液温度对膜通量和细菌内毒素的影响, 采用紫外可见分光光度法和HPLC法考察既定的超滤膜前后5批冠心宁注射液药液总酚酸含量及指纹图谱的变化情况。结果表明, 当采用10 KD膜超滤、药液温度40℃左右、泵转速280 r/min、操作压力为0.05 MPa时, 膜渗透通量大, 细菌内毒素降低明显;5批产品超滤膜前后的指纹图谱相似度在0.8以上, 超滤膜后的药液总酚酸含量平均值58 mg/mL, 在可接受范围内。选择截留相对分子量为10 kDa的超滤膜能有效降低冠心宁注射液中的细菌内毒素, 膜的孔径对膜通量和细菌内毒素有显著影响, 使用超滤对冠心宁注射液的整体化学成分影响不大, 且有效成分含量符合冠心宁注射液质量要求。

3 膜分离技术存在的主要问题

3.1 膜易污染、难清洗

在中药分离纯化领域, 中药提取液黏度大, 大分子杂质含量多, 极易在膜表面形成黏附层, 堵塞膜孔, 造成膜污染, 膜通量锐减, 极大地影响膜的使用周期和寿命。而现有的清洗方法难以达到很好地恢复膜通量的效果。因此, 选用适宜的药液预处理方法和膜清洗工艺是膜技术应用的关键。

3.2 膜分离技术的基础理论研究薄弱

由于膜材质及膜分离的生产工艺性能有限, 膜分离技术在中药领域的应用也缺乏系统的理论研究, 目前还没有适合于中药体系分离的膜成套设备, 严重影响了膜分离技术在中药领域中的工业化应用进程。

3.3 浓差极化现象

浓差极化是膜分离技术普遍存在的一个问题, 极大地影响膜的通透速率和截留性能。目前一般采用提高料液温度、流速、脉冲流动、磁力搅拌等方法, 在过滤各阶段分别采用恒速和恒压滤过, 或与其他分离方法如澄清法、离心分离法联用。

3.4 膜材料有待开发

目前在膜分离技术的应用过程中, 主要存在膜使用寿命短、通量衰减、膜污染及其清除等问题。因此, 开发耐污染、抗劣化和低成本的膜材质是推广膜分离技术在中药领域中应用的一个重要方向。

4 结语

篇3：膜分离技术在环境工程中的应用

环境的保护和治理是近几年来一直受到社会各界人士关注的话题。众所周知，我国的雾霾现象非常严重，对我国的大气和其他环境产生了严重的危害。不仅是我国，全世界对环境的污染和防治采取了高度的重视。膜分离技术作为一种新兴的高科技技术，其在环境工程中具有污染小、能耗低、操作简单等优点，在食品、药品、环境、能源开采等方面都有广泛的运用。本文就膜分离技术对环境工程中起到的作用进行探究，对膜分离技术在环境中的保护与污染的治理进行相关阐述。

一、膜分离技术的基本内容

1.1.膜分离技术的基本原理

膜分离技术中的“膜”是指选择性透过膜，动物细胞中的一部分细胞膜都是选择性透过膜。在动物细胞中，由于细胞内外的液体浓度差造成细胞膜两侧之间形成的渗透压，而相对分子质量不同的物质在选择性透过膜时的速率不同，速率相近的物质就会聚集在一起，进而对物质起到了提纯和分离的作用。由膜分离技术提纯净化的饮用水质量可以直接影响到人体健康，在工业废水、城市污水等方面的治理也起到关键性的作用。膜分离技术的适应性相当强，可以根据自身的属性等其他的因素采用不同的分离技术，对于各行业发展都有突出的贡献。国内外专家对于膜分离技术的评价普遍很高，认为其为二十一世纪最具发展潜力的技術之一，部分专家甚至认为膜分离技术的发展是“历史上的第二次工业革命”。

1.2.膜分离技术的特点

膜分离技术在很多领域都具有广泛的用途。相较于传统的分离技术，膜分离技术由于不会让相关物质产生化学性质的变化，换句话说，分離物质不会由于膜分离技术而产生自身属性的变化，因此膜分离技术在各个领域都具有非常强的适应性。其次，由于膜分离技术不会改变物质的属性，所以其造成的能源消耗较低，这是很多国家看重膜分离技术发展的一个重要原因。膜分离技术所需的技术设备相当简单，在对其技术设备进行检修更换时会更简便且维修成本更低。另一方面，膜分离技术原理简单，不涉及物质自身属性的改变，属于简单的物理反应。在对水进行加工处理时，其产出的水质要高于其他方式产出的水质，且由于其不会改变水分子之间的结构，其分离出来的纯净水稳定性较高，具有较长的保存期。在对水污染进行治理时，分离技术的不同会将污水内的各种物质都提纯出来进行处理。

二、膜分离技术对环境工程的作用

膜分离技术根据实际情况的不同会采取不同的分离方式，针对相关物质的相对分子质量和自身属性等其他因素，会采用微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等分离技术。其在物质的提纯净化、污染治理等方面都起到相当重要的作用，是预治环境污染的重要先进技术。下面两个例子是膜分离技术在环境工程中起到作用的实例：

2.1.膜分离技术对水的净化作用

膜分离技术在对生活用水的净化、对工业用水的处理、对城市废水污水之间的治理方面具有重要作用。众所周知，饮用水的质量会直接影响到我们的身体健康，饮用水在进行净化提纯之前通常含有大量的细菌、微生物、悬浮物等其他对人体有害的物质。膜分离技术在对饮用水进行过滤的过程中，能杀死饮用水中含有的细菌和病毒，而起反渗透操作可以做到几乎去除饮用水内的所有杂质和微生物。目前膜分离技术已经成为海水淡化工程中的一项重要核心技术。膜分离技术对于工业用水和城市废水的处理原理基本相同，由于工业用水和废水的金属元素浓度较高，反渗透膜作为分解分子质量较大的物质具有较强的功能，常被用于处理重金属浓度较高的工业废水。在经过反渗透膜处理的工业废水中，其金属元素浓度都能达到标准废水排放水平，并且能让浓缩液得到进一步的处理，进行回收，另外，纳滤膜在进行重金属废水处理时，可以使废水中的90%转化为纯净水，对工业废水中的重金属元素能进行95%以上的去除。

2.2.膜分离技术对染料工业的作用

我国是世上著名的染料生产大国，每年的染料生产量达到数十万吨，在固体染料的生产过程中常常有着很低的效率。染料在溶液中的分离存在较为严重的问题，染料的分离一般通过盐析和压滤等技术进行操作，而盐析过程中会使得其生产出来的盐分降低溶液中染料的纯度，另一方面盐析生成的盐分会降低染料的着色效果，且耗时长，功耗大，在染料工业生产之后形成的废水会对环境造成严重的污染。膜分离技术在染料工业中的应用能够有效的解决染料工业的工作效率，并能解决传统工染料生产作业方式造成的环境污染问题。膜分离技术能够代替传统的染料生产技术，一般采用纳滤膜分离技术代替原有的盐析、压滤工艺。在用纳滤膜分离技术进行染料生产工业中，由于纳滤膜自身具有的微孔结构，溶液中的物质在纳滤膜进行穿透和扩散的过程中会受到纳滤膜自身所带电荷的电力作用。对于相对分子质量较大的多价盐和部分有机物有较强的拦截作用，纳滤膜分离技术在染料生产中的工艺简单、效率高，且对染料工业造成的污染能进行有效的解决。在提高染料质量和提高厂家的经济效益的同时，减少了染料废水对环境的污染。

结束语：膜分离技术作为一项新兴的技术，在与人类休戚相关的众多领域都具有广泛的利用价值。目前膜分离技术对于环境工程的作用还处于初级阶段，但其已经起到了良好的效果。随着人们对大气污染、水污染等环境问题的越来越重视，膜分离技术必将更加引起人们的关注，膜分离技术在环境保护方面的应用还存在很大的潜力，具备良好的发展前景。

参考文献

[1]季敬福.膜分离技术在水处理环境工程中的应用[J].装饰装修天地，2016（04）

[2]方明.膜分离技术的应用与进展探讨[J].中国高新科技企业，2016（06）

篇4：膜分离技术在氮肥工业中的应用

本文从氮肥工业生产中原料气制备、废气回收和废水处理方面介绍膜分离技术在氮肥工业中的应用,并与传统工业生产中采用的生产和处理方法进行比较。这将对氮肥及相关工业中膜分离技术的加快应用起到一定的推动作用。

1 膜分离技术简介

1.1 膜分离技术的特点和发展

膜分离技术是指借助膜的选择渗透作用,在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩。与蒸馏、分馏、沉淀、萃取、吸附等传统的分离方法相比,该技术具有如下特点[8]:(1) 膜分离过程未发生相变,因而它是一种能耗低的技术。(2)膜分离过程是在常温下进行分离,适合于热敏感物质,如酶、果汁等。(3) 该技术分离范围广,对无机物、有机物及生物制品都可适用,从微粒级到离子级都适用。(4) 膜分离技术是以压力差作为驱动力,该技术所用装置简单,操作方便。

膜分离技术的发展主要经历以下阶段:20世纪30年代微孔过滤;40年代渗析;50年代电渗析;60年代反渗透;70年代超滤;80年代气体分离;90年代渗透汽化。该技术的工业应用是在20世纪60年代以后。20世纪60年代Loeb和Saurirajan研制成功了世界第一张非对称型醋酸纤维素反渗透膜以来,大规模海水淡化就变成了现实;70~80年代开发的超滤、气体分离膜等也已进入工业应用;80~90年代建成无水酒精渗透气化装置,现已大规模推广应用于有机物的回收和脱水;90年代以后的膜萃取、膜蒸馏等,为膜技术全面进入石油化工、食品工程等领域提供了技术支持。近十年来,作为一种新兴高效分离技术的膜分离已经渗透到人们生活和生产的各个方面,广泛应用于化工、环保、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。作为最有发展前景的高新技术之一的膜分离技术已经受到全球范围的高度重视,各发达国家的政府、各大化工公司均进行膜技术的研究与推广,如美国把生物工程中的膜分离技术列为国家关键技术之一。

2 膜分离技术在氮肥工业生产中的应用

2.1 富氧和富氮

气体膜分离[9,10,11]是20世纪开发的一门较成熟的膜分离技术,是指在压力差下,利用气体中各组分在膜中渗透速率的差异,达到各组分分离的目的,广泛应用于石油化工、煤化工等领域。

采用膜分离技术进行富氧[12]是20世纪70年代采用气体膜分离技术原理,利用高分子膜将浓度约为21%的空气制成氧浓度较高的富氧空气。富氧燃烧目的是使燃料充分燃烧,充分利用燃烧生成的热量:从取之不尽的空气中得到较低浓度的富氧气(28%~30%),可用于助燃,提高炉子的燃烧效果,而浓度高的富氧气(45%~50%)可用于富氧造气。该富氧技术具有节能、高效、操作简单、使用方便、不产生二次污染的优点,广泛应用于多种领域。

膜分离技术法制氮[13]是一种快速发展的高新技术,其具有占地面积小、成本和能耗低,设备简单,操作、维修方便,不污染环境,无相变,可连续生产等特点。而传统工业制氮生产中的深冷法[13]研发时间长,占地面积大,投资多,运行成本和能耗高,工艺复杂,操作、维修不便。目前,采用膜分离技术制氮所得的氮气纯度达96%以上。如:大连化物所开发研制的膜富氮组件,所制氮气纯度达96%~98%;国外较先进的膜富氮装置可得到99%以上纯度的氮气。

2.2 驰放气中氢气的回收[14]

在合成氨生产中,合成反应为可逆反应,因而转化率受到体系中各物质量的影响。随着合成塔内化学反应的进行,未参与反应的气体逐渐增加导致循环气中氢气分压降低从而致使转化率下降。为提高转化率,一定量的循环气需要排出体系,这部分气体称作驰放气。驰放气的排出能够维持合成塔中氢气分压。然而循环气中氢的含量高达50%以上,因此驰放气中氢气的回收可以大幅降低生产成本,提高经济效益。20世纪70年代末,国外合成氨厂开始采用膜分离方法进行氢气的回收,而我国在80年代初一方面引进了膜分离装置,另一方面也加大相关该领域的相关研究,并获得了丰硕的研究成果。例如,大连化学物理研究所成功研制了膜分离氢回收装置,并在国内近百家化肥厂广泛使用。

2.3 氨氮废水的处理

氨氮是引起水体富营养化、造成环境污染的一种重要物质,而氮肥工业生产中的废水是氨氮主要来源之一,因而如何去除化肥工业废水中的氨氮成了当今废水处理中的一个重要问题。目前,在工业上的脱氨方法有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等[15]。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水,该法技术可靠,处理效果好,主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。折点加氯法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。对于高浓度无机氨氮废水,如氮肥厂废水等,目前工业应用较多采用吹脱法。但脱氨率仅为70%,无法达到国家排放标准,且投资大,二次污染严重。离子交换法是借助于离子交换剂与废水中的离子进行交换而除去的方法,然而工业上常用的离子交换剂氟石的再生操作困难,且再生所得稀释氨溶液不易进行回收利用,故生产成本较高。

电渗析[16,17,18]是一种重要的膜分离技术,是指在电场作用下使溶液中的阴、阳离子选择性地分别透过阴、阳离子交换膜,进行定向迁移的分离过程。该过程主要用于苦咸水脱盐、饮用水制备、工业用水处理等。采用该法对氨氮进行脱除操作方便,氨氮回收率高,无二次污染。唐艳等[19]采用电渗析法处理氨氮废水,对工艺条件进行了优化研究得到工艺参数。电渗析电压为55 V,进水流量为24 L/h,氨氮废水进水电导率为2 920 μs/cm,氨氮浓度为534.59 mg/L。出水室浓水和淡水各占19%和81%,氨氮含量分别为2 700 mg/L和13 mg/L。该电渗析装置处理后的氨氮废水达到排放标准。杨晓奕等[20]采用电渗析法和聚丙烯中空纤维膜法处理高浓度氨氮无机废水可取得良好的效果。电渗析法处理氨氮废水2 000~3 000 mg/L,去除率可在85%以上。此法工艺流程简单、不消耗试剂。聚丙烯中空纤维膜法脱氨效率>90%,回收的硫酸铵浓度在25%左右。

3 结语与展望

篇5：膜分离技术在工业水处理中的应用

【关键词】膜分离技术；废水处理；应用

目前，在工业废水处理的过程中，由于膜分离技术应用成本较低、工作效率高，而且还有着环保节能的效果，因此得到了人们的广泛的应用。下面我们就对膜分离技术在工业水处理中的实际应用进行介绍。

1.膜分离技术的概述

膜分离技术的定义和工作原理。

所谓的膜分离技术也就是指人们在对废水进行处理的过程中，减少或除去废水中存在的有机物质的一种薄膜隔离废水处理方法。其中我们所采用的制膜材料一般都是一些特殊材质，在实际应用的过程中有着较好的通透性，再通过废水压强来将废水中的有机物质和杂质分离开来。

综上所述，膜分离技术在实际应用的过程中，其工作原理主要是通过工业废水压强或者外力，来将废水中存在的有机物质隔离开来，从而达到废水处理的效果。因此其工作的效率和薄膜的孔径大小以及表面结构的吸张力进行严格的要求，并且对其对公路废水中的压力进行相应的施压处理，膜分离技术的分类速度增加，从而起到良好的废水处理效果。此外，我们还可以采用一些化学药品来对进行处理，使得膜分离技术的废水处理能力大幅度的增加。

2.膜分离技术的特点

目前，在当前工业废水处理的过程中，膜分离技术以及等到人们的广泛应用，而且随着科学技术不断的进步，人们也将许多先进的科学技术应用的其中，从而对其工业废水进行有针对性的出来。其技术特点主要表现在以下几个方面。

（1）从膜分离技术的分离效率上进行分析，我们在对工业有机废水进行出来的过程中，主要是通过膜分离技术将废水中的有毒物质进行提炼或者处理，然后在对其部分水进行净化处理。目前我国在对工业废水进行处理的过程中，已经可以分离微米级的物质，可见在分离效率上和其他普通的废水处理技术相比，有着绝对的优势。

（2）而我们在对膜分离技术分离速度上进行分析的时候，膜分离技术的速度主要和薄膜孔径的大小和外力的大小有着密切的关系，因此膜分离技术在实际应用的过程中，人们就要根据我国废水处理的相关标准来对薄膜的孔径进行适当的处理。而且膜分离技术在对废水有机物质进行处理的过程中，只会产生较小的能量消耗，而且也不容易受到周围环境的影响，这就大大的降低了工业废水处理的成本。

（3）从操作方式上看，膜处理方式操作方法简单易行，并且处理以后的水质较稳定。膜分离设备本身并不经过剧烈的机械性操作，所以没有运动的设备部件，同时可在常温条件下进行，设备的损失较少，无需专人专业对机械设备进行大量的检修和维护，更不易造成成本损失，可靠性能要稳定，操作方式简单易行，在工业废水处理的过程下，其提取的水质也较其他方法提取的水质要纯净，可靠度要高。并且操作过程中，规模大小可调，处理能力也有张有弛，可呈弹性变化。

（4）化学用剂相对使用量上要少，膜处理工艺，可以少投或甚至不添加化学药剂，就可以进行提纯，从而减少成本的投入，也避免了二次污染的问题。

（5）占地面积小，膜分离技术由于分离效率高，通常设备的体积比较小， 占地面积较少。也可以实现易于实现自动化。

3.膜分离技术在水处理中的应用

3.1工业用水

反渗透水处理技术广泛地用于电子、电力、医药、化工、饮料、冶金等领域，它是超纯水和纯水制备的优选方法。除了反渗透膜的改进外，反渗透/反渗透、反渗透/离子交换树脂、反渗透/电渗析-离子交换树脂耦合及紫外线（185nm）降解COD和真空脱气等工艺的采用，都促进了反渗透在这一领域的技术进步。膜软化是基于纳滤膜对二价离子的高脱除性而开发的新膜分离过程，它可完全去除悬浮物和大部分有机物，且与传统的石灰软化法和离子交换树脂相比，有不消耗大量石灰、盐和碱等药剂，无污泥，操作简便，节省用地等优点。膜软化工艺在美国已普遍应用，特别是新建的软化厂多采用此新工艺。

3.2废水处理

工业废水是工业生产过程中产生的废水、污水和废液，面广量大和危害深。如含油废水、电镀废水、电泳漆废水、纤维工业废水、造纸工业废水、食品加工废水等，必须进行处理，可回收有用资源，同时保护了环境。膜分离技术在此方面非常引人注目。早在20世纪70年代反渗透法使电镀废水得以循环再用，美国开始公开用超滤处理阳极电涂电漆废水技术，荷电型超滤膜使汽车等行业广为采用的电泳漆工艺实现了清洁生产，用超滤和反渗透组合系统处理电泳漆废水后，废水中的树脂涂料几乎全部除去，总溶解固形物的去除率可达97%～98%，水中总溶解固形物的浓度可以降到13～33mg/L，完全符合清洁水的水质要求，无机膜和渗析结合是钛白废水回收再用的好途径，电渗析-离子交换树脂耦合的EDI技术可部分代替离子交换而无需酸、碱再生，双极膜技术可实现各种废酸、废碱、废盐水的回收再用，超滤法使纺织上浆的聚乙烯醇废液浓缩回用，膜法处理技术在印染工业上应用也使印染废水中的染料和水同时回用，反渗透法成功地将尼龙的单体己内酰胺浓缩回收，超滤将成为每年数亿吨含油废水回注的关键技术。种种众多的应用使膜技术在环保的废水处理中发挥着重大的作用。

4.展望

（1）在水源开发方面，海水是地球上最大水源，膜法是净化技术的前沿，成本又低，因此膜技术在淡水资源开发上有极其广阔的市场需求背景。

（2）预计21世纪膜分离的应用将持续增长，尤其是微滤/超滤、微滤/反渗透、微滤/超滤/反渗透或纳滤结合的膜处理过程。增长的领域包括：饮用水处理、工业废水的脱色、垃圾填埋场渗滤液的处理、膜生物反应器的应用、水的回收与循环利用，这些膜分离技术的应用将降低未来的环境污染，因而前景非常广阔，应作为首选重点。

（3）石油化工是膜技术在21世纪可以大显身手的重要领域，从油田淡水供应、污水处理，到生产、加工过程的反应、分离、浓缩、纯化等，都和膜技术息息相关，而膜技术在这方面的应用目前还处在初始阶段。由于石油化工在整个工业中的地位，所以，膜技术在此方面的应用潜力非常巨大，前景诱人。

（4）用超滤技术处理电泳漆废水，20世纪80年代已在我国汽车、电器等行业普遍使用，但我国荷电超滤膜开发还没跟上，所以用性能优良的国产荷电超滤膜装置取代进口装置成为膜行业的一个新目标。

5.结束语

由此可见，膜分离技术在实际应用的过程中，有着工作效率高、成本低等方面的特点，这不仅为淡水资源的开发提供了良好的发展前景，还推动了社会经济的发展。目前，随着科学技术的不断进步，人们也已经将膜分离技术应用到各个行业当中，并且都取得了不错的效果，相信在未来膜分离技术还有着更加广阔的发展空间，从而有效的促进社会经济的发展，改善人们的生活条件。 [科]

【参考文献】

[1]王洪波，李梅，张晓玉.膜技术及其在水产业中的应用.节能与环保，2005（06）.

篇6：膜分离技术及其在水处理中的应用

膜技术被称为21世纪的水处理技术, 在给水处理中具有广阔的应用前景并已大量应用到城镇自来水的深度处理上。膜分离技术脱离了传统的化学处理范畴, 转入到物理固液分离领域, 这应该看作是由19世纪应用快滤方法作为现代化标志以来100年后的又一次重大技术突破。

2 膜分离技术的基本原理和特点

2.1 膜分离技术的基本原理

由于分离膜具有选择透过特性, 所以它可使混合物质有的通过、有的留下。但不同的膜分离过程使物质留下、通过的原理有的类似, 有的完全不一样。总的说来, 分离膜之所以能使混在一起的物质分开, 不外乎两种手段。

(1) 根据混合物物理性质的不同——主要是质量、体积大小和几何形态差异, 用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于50 nm的固体杂质去掉的。

(2) 根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度, 首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度 (称溶解速度) , 其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度。二者之和为总速度。总速度愈大, 透过膜所需的时间愈短;总速度愈小, 透过时间愈久。例如反渗透一般用于水溶液除盐。这是因为反渗透膜是亲水性的高聚物, 水分子很容易进入膜内, 在水中的无机盐离子则较难进入, 所以经过反渗透膜的水就被除盐淡化了。

2.2 膜分离技术的特点

膜分离技术是以高分子分离膜为代表的一种新型流体分离单元操作技术。

在膜分离出现前, 已有很多分离技术在生产中得到广泛应用。例如:蒸馏、吸附、吸收、苹取、深冷分离等。与这些传统的分离技术相比, 膜分离具有以下特点:

(1) 膜分离通常是一个高效的分离过程。例如, 在按物质颗粒大小分离的领域, 以重力为基础的分离技术最小极限是微米, 而膜分离却可以做到将相对分子质量为几千甚至几百的物质进行分离 (相应的颗粒大小为纳米) 。

(2) 膜分离过程的能耗 (功耗) 通常比较低。大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。

(3) 多数膜分离过程的工作温度在室温附近, 特别适用于对热过敏物质的处理。

(4) 膜分离设备本身没有运动的部件, 工作温度又在室温附近, 所以很少需要维护, 可靠度很高。

(5) 膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化, 而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。

(6) 膜分离由于分离效率高, 通常设备的体积比较小, 占地较少。而且膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程, 不需要对生产线进行大的改变。

3 分离膜具备的基本条件、材料和分类

3.1 分离膜具备的基本条件

3.1.1 分离性

关于膜的分离性能, 有以下二个要点。

(1) 分离膜必须对被分离的混合物具有选择透过 (即具有分离) 的能力。

(2) 分离能力要适度。它是根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定的。

3.1.2 透过性

能够对被分离的混合物进行有选择的透过是分离膜的最基本条件。需要除去的物质透过速度与通过的物质透过速度之比为分离效率。分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。我们希望在达到所需要的分离率之后, 分离膜的透量愈大愈好。

3.1.3 物理、化学稳定性

目前所用的分离膜大多数是以高聚物为膜材料、需要定期更换。这是因为高聚物在长期使用中, 与光、热、氧气或酸、碱相接触, 容易老化。膜分离过程中除上述因素外, 还有其他因素。例如有些反渗透过程或气体分离过程是在几十到上百个大气压下进行的。高聚物膜长期处在高压下, 会发生被压密现象, 它会使膜在长期使用中透量慢慢减少 (这种变化是不可逆的) , 终至达到不能使用的极限。又如, 膜在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染, 它们遮住了膜的表面, 阻碍了被分离混合物的直接接触, 等于减少了膜的有效使用面积, 还有一些污染物会破坏高聚物的结构。污染造成的膜性能减退大部分可以通过清洗的方法使它基本上恢复。膜的更换周期关系着生产成本, 十分重要。

3.1.4 经济性

分离膜的价格不能太贵, 否则生产上就无法采用。分离膜的价格取决于膜材料和制造工艺两个方面。

综上所述, 具有适度的分离率、较高的透量、较好的物理、化学稳定性和便宜的价格是一张具有工业实用价值分离膜的最基本条件。

3.2 分离膜材料

目前使用的分离膜大多数是高聚物膜。用无机材料制成的分离膜仍属少数。

3.2.1 高聚物膜材料

塑料、橡胶、尼龙等都属于高聚物范畴, 是不同类型的高聚物。高聚物具有许多与一般其他物质不同的性能:有弹性, 温度高了会融化, 温度低了又变成固体等。高聚物膜材料可分为纤维素衍生物、聚砜类、聚酰胺类及杂环含氮高聚物、聚酯类、聚烯烃、乙烯类高聚物、含硅高聚物、含氟高聚物、甲壳素类。

3.2.2 无机膜

无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜。还有以无机多孔膜为支撑体再与高聚物超薄致密层组成的复合膜。

4 常用的膜分离技术

常用的以压力为推动力的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤以及反渗透 (RO) 等工艺方法。

4.1 微滤

微孔滤膜的截留机理大体可分为机械截留、物理作用或吸附截留、架桥截留、网络型膜的网络内部截留。微滤技术是目前所有膜技术应用最广泛的一种膜分离技术, 主要用于过滤0.1 μm~10 μm大小的颗粒、细菌、胶体, 微滤作为较经济的微过滤方式在饮用水处理方面应用广泛, 可代替常规的澄清过滤和二沉池, 在水质波动较大时仍可连续处理, 且占地面积小。在处理城市污水处理方面费用低于超滤能去除病毒。在饮用水生产方面若市场能顺利接受其经济性优于砂滤大规模应用将取代氯气消毒法组件建造可改变水厂地经济性。

4.2 超滤

超过滤器的工作原理即在一定的压力作用下, 当含有大, 小分子物质两类溶质的溶液流过被支撑的膜表面时, 溶剂和小分子溶质 (如无机盐类) 将透过膜, 作为透过物被收集起来, 大分子溶质 (如有机胶体等) 则被薄膜截留而作为浓缩液被回收。超滤其孔径范围为0.05 nm~1 nm, 主要用于去除固体颗粒、悬浮物, 从溶液中分离大分子物质和胶体。超滤在去除对人有害的微生物方面是很有效的。超滤在高纯水制备过程中主要用于去除胶体、微粒、细菌。用于高纯水制备的超滤组件多为中空纤维式, 膜渗透流率高达2 m/d~4 m/d。

4.3 纳滤

纳滤膜与其他分离膜的分离性能比较, 它恰好填补了超过滤与反渗透之间的空白, 它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物, 透析被反渗透膜所截留的无机盐。大部分纳滤膜为荷电型, 其对无机盐的分离行为不仅受化学势控制, 同时也受到电势梯度的影响, 所以, 其确切的传质机理至今尚无定论。纳滤介于反渗透和超滤之间, 其操作压力通常为0.5 MPa~1.0 MPa, 纳滤膜的一个显著特点是具有离子选择性, 它对二价离子的去除率高 (95%以上) , 一价离子的去除率低 (40%~80%) , 因此纳滤广泛应用于河水及地下水中含三卤甲烷中间体THM、低分子有机物、农药、异味、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质的去除。

4.4 反渗透膜

在溶液的液面上施加一个大于渗透压的压力时, 溶剂将与原来的渗透方向相反, 从溶液向溶剂一侧流动, 这就是所谓的反渗透。反渗透膜几乎对所有的溶质都具有很高的脱除率, 反渗透出水水质很高, 在水处理中通常用于最后的精制。反渗透主要用于海水、苦咸水淡化、电厂锅炉用水净化和超纯。

5 膜分离技术发展展望

膜分离技术近年来发展迅速巳在众多领域中得到广泛的应用与常规的分离方法相比回分离过程具有节能、分离效率高等特点是解决当代能源、资源和环境污染等间题的重要技术。我国的膜技术在饮用水深度处理领域的应用与世界先进水平尚有较大差距。今后的研究重点是开发、制造高强度、长寿命、抗污染、高通量的膜材料, 对于不同的污染源采用不同的膜技术及相应的配套工艺, 以达到降低投资和运行成本的目的。在膜使用中着重解决膜污染、浓差极化及清洗等关键问题。

参考文献

[1]刘荣娥等编著.膜分离技术.化学工业出版社, 1998.

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[6]王学松.膜分离技术及其应用.北京:科学出版社, 1994.

[7]徐洪斌, 张林生.反渗透与超滤及其在水处理中的应用.电力环境保护, 2001, (9) .

[8]时均, 袁权, 高从堦主编.膜技术手册.北京:化学工业出版社, 2001.

[9]胡士英, 赵得地, 董晓微.膜技术在水处理中的应用[J].新技术新工艺, 1995 (3) .

篇7：膜分离技术在新型航空制氮装备中的应用

摘要：食品发酵工业是关系国计民生的重要部分。发酵或者生物工程是一种过程手段，许多食品、药品等也都是通过微生物发酵途径来生产的，比如味精、柠檬酸、酶制剂、酱油、醋等。本文对膜分离技术在食品发酵工业中的应用进行了分析，旨在使读者了解膜分离技术在食品发酵工业中的应用。

关键词：食品发酵工业；膜分离技术；应用

传统的食品加工技术及装备已经逐步被食品加工高新技术及装备取代，大大提升了食品加工业的科技水平和装备水平，提高了食品资源的利用效率、减少了废弃物的总量和污染物的排放总量。特别是以乳制品加工、天然产物提取物加工、粮食油脂深加工、饮料工业为代表的大宗食品加工业，膜分离技术的逐步应用，丰富了加工手段、提升了加工品品质、降低了能耗、减少了排放，为食品工业带来了技术上的一次革命。

一、膜分离技术概述

膜技术是一种有效分离技术，它可以将双组份或者是多组份的溶质和溶剂进行有效分离，在实际工作过程中的动力是外界能量位差，使用的材料是天然或者是人工合成的高分子薄膜。膜分离技术以对溶质和溶剂的初步分离作为基础，再一次实现分级提纯，使相关的溶质或者是溶剂达到富集。膜分离技术的分离介质是选择性透过膜，分离过程中在膜的两侧会产生一定的推动力，选择性透过膜会将原料进行分离，从而实现分离提纯。膜分离技术具备以下五个特点：第一分离过程选择性比较强，分离过程高效；第二在分离过程中不会发生任何相变化，低耗能，鉴于此膜分离技术又称省能技术；第三膜分离过程中不需要加热，更不会发生相应的化学反应；第四膜分离技术的应用范围较广，在有机物、无机物以及溶液等物质上都能够使用；第五使用膜分离技术成本较低，操作也很简单。

膜分离技术中的膜是可以以固态形式存在，也可以以液态形式存在的薄薄的一层物质。膜分离技术中的膜材料在结构和组成上具有特殊性，这一特性使得这种膜材料微孔结构具有规律性，或者说成是具有电性，或者说成是具有独特的物理和化学活性，因此可以将液相或者是气相混合物中的一些物质进行有选择行的分离。我们在日常生活中经常听到的天然膜，动物膜以及海带在海水中的富集典作用等等都是膜分离技术中的选择性分离功能所产生的作用。因此，这种膜材料我们也可以成为是功能性分离膜。

膜分离技术是借助于一定孔径的各种高分子膜，将形状不同、大小不同、性质不同的物质颗粒或分子分离的技术。简而言之，膜分离就是一种使用半透膜的分离方法。用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。

常用的膜分离技术，主要有微孔过滤、电渗析、反渗透、超滤等。由于膜分离技术是一种在常温下无相变的高效、节能、无污染的分离、提纯、浓缩技术，所以这些特性适合于保健功能性食品的加工。膜分离技术在保健食品产业中应用日益广泛。

二、膜分离技术在食品工业中的应用

21世纪以来，由于我国食品工业飞速发展，国家也在大力提倡可持续发展战略，全社会共同建立环境友好型社会。膜分离技术的优点是耗能低、没有任何污染，而且在防治杂菌污染和热敏性物质失活方面发挥着重要作用，鉴于膜分离技术的这些优点，使得其在食品加工行业被广泛应用，其市场前景一片看好。

1、膜分离技术在饮料工业中的应用

果蔬汁加工的传统工艺，不仅使果蔬的风味和营养受到损害，而且能耗高，生产成本也较高。但是膜分离技术中超滤以及反渗透技术取代了果蔬汁传统加工工艺，使得加工的果蔬汁保持风味以及营养价值的愿望得以实现。

2、膜分离技术在浓缩果汁中的应用

反渗透技术在果汁浓缩中被广泛使用，目前在苹果、梨、柑橘、菠萝等一些水果汁的加工中被成功运用。浓缩作为果汁加工中的重要工序，其加工工艺对浓缩的果汁质量有直接影响。传统果汁浓缩加工工艺使用的是蒸发技术，但是果蔬的营养物质以及热敏性物质很容易受到蒸发技术中高温的影响。膜分离技术中反渗透技术的使用就使这些问题迎刃而解。反渗透技术在果汁浓缩过程中能够将一些分子质量小于500的低分子有机物或者有机物水溶液进行分离，浓缩过程中的压力在0.1-10MPa之间，比较容易控制。

3、膜分离技术在饮料业中的水处理中的应用

膜分离技术能够将水中的杂质进行有效分离，提高水的质量，水质量的好坏决定饮料质量好坏，因为水是饮料的主要成分。膜分离技术保证饮料水的质量就是保证饮料的质量。

三、膜分离技术在食品发酵中的应用

1、调味产品

酱油、味精、醋等发酵调味产品在我国的消费量很大，膜分离技术由于在处理液态物料的脱盐、浓缩和除菌方面具有突出的优点，因此在上述调味产品的规模化生产中迅速得到应用。特别是近年来，消费市场对低盐和营养强化酱油、粮食发酵味精等新产品的需求增加以及对传统酱油、味精高污染工艺绿色改良的要求，膜技术显示出越来越重要的作用。

江南大学发明了“一种应用膜过滤技术生产纯生酱油的方法”，发明方法包括：先将发酵成熟的酱油沉降一定时间后，在普通的预过滤处理后，再用微滤膜过滤而得到成品酱油。与现有技术相比，该方法既可以保证酱油的有效除菌，又能使酱油保持原有的风味；能有效地去除不必要的蛋白，延长酱油的货架期，并使酱油的营养成分尽可能少地丢失。因而，该方法能克服现有技术的缺陷，且操作简单，被过滤的酱油回收率高，又能够提供更有利于工业化生产的工艺条件。

2、在乳品工業中的应用

反渗透、超过滤技术在乳品工业中的应用，主要是乳清蛋白的回收和牛乳的浓缩。美国首先用反渗透法研究了乳清蛋白的回收，然后又发展了用超过滤法回收乳清蛋白。目前，超过滤法已作为回收乳清蛋白的标准技术，在各国乳品工业中得到广泛的应用。

膜分离技术在牛乳和乳清加工中主要是用超过滤法从干酪乳清中回收乳清蛋白以及用超过滤法浓缩脱脂牛乳，也可以采用反渗透法，但更多的工厂采用的是超过滤法，或者将两种方法组合。采用膜分离技术可以获得很多乳制品品种，同时提高了产品的质量。

我国乳品工业近年来得到较大发展，但与国外相比仍有很大差距，品种质量都有待不断提高，用膜分离技术加工乳品更经济有效。目前，国内膜分离技术在乳品工业中的应用尚处于试验阶段，内蒙古轻工业研究所采用丹麦DDS公司板式反渗透和超过滤装置进行了马乳的浓缩试验，无锡化工研究设计院采用管式超過滤组件进行了牛乳的浓缩试验。另外，上海、大连等地也曾进行过用超过滤回收乳清蛋白的研究。

3、膜分离技术在食品发酵工业领域中的应用研究进展

膜分离技术与食品、发酵工业的结合分别始于20世纪60年代和80年代，进入21世纪后，随着膜制造技术的进步和食品发酵工业的快速发展，膜技术逐渐成为食品发酵工业的发展趋势和学术研究热点。

从工业应用来看，世界主要膜材制造公司，如国外的Pall、Millipore、Myklrolis、Ion-ics、Zenon，Hynux，国内的天津膜天膜工程技术公司、中蓝膜技术有限公司、南京久吾膜技术有限公司等均有各种规格型号的膜件用于生物制药、功能性食品、医药因子的发酵生产以及蛋白质、碳水化合物大分子的分离精制。Ajinomoto（味之素，世界氨基酸生产第一大公司）、安琪酵母、Novozyme（诺维信，世界第一大酶制剂生产公司）、AEStaley、Cargill（淀粉糖）、Cerestar、ADM等国内外食品发酵工业的著名企业，也已经在生产中广泛采用膜技术。

总结

总而言之，膜分离技术在食品发酵工业中应用应用越来越广泛，日常生活中我们使用的发酵产品，大多数都使用了膜分离技术，为食品加工带来巨大经济效益的同时也造福了人们的日常生活。随着科技的发展，科研人员的努力，膜分离技术的一些不足之处将会被克服，膜分离技术在食品发酵工业中的使用将会更加广泛。

参考文献：

[1]韩虎子、杨红.膜分离技术现状及其在食品行业的应用[J].食品与发酵科技，2012（19）：24-26.

[2]曹恒霞、姜海凤.膜技术在酒类生产中的应用[J].酿酒科技，2011（6）：83-85.

篇8：膜分离技术在水处理中的应用进展

膜技术在水处理中应用的基本原理是:利用水溶液 (原水) 中的水分子具有透过分离膜的能力, 而溶质或其他杂质不能透过分离膜, 在外力作用下对水溶液 (原水) 进行分离, 获得纯净的水, 从而达到提高水质的目的。

1、反渗透 (reverse osmosis, RO)

反渗透[1]是用足够的压力使溶液中的溶剂 (一般常指水) 通过反渗透膜 (一种半透膜) 而分离出来, 是依靠渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程。

反渗透装置就是利用这一原理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去除水中的无机离子的, 由于反渗透膜在高压情况下只允许水分子通过, 而不允许钾、钠、钙、锌等离子及病毒、细菌通过, 从而获得高质量的纯水。反渗透主要应用于海水淡化、纯水和超纯水制备、污水处理、医药工业等废水处理, 我国有大港电厂、宝钢自备电厂、沧州电厂、白鹤电厂、海勃湾电厂、包头钢厂等企业应用反渗透技术来进行脱盐处理。2001年2月威海某电厂采用美国陶式TFC复合膜进行海水淡化装置投运, 二级反渗透制水成本7.2元/吨, 二级反渗透出水导电率约4.2μs/cm, 含盐量2.5 mg/l, 水稍加处理即可作为锅炉软化水使用, 而且不会增加发电成本。2004年11月8日竣工投产大连石化5650吨/日反渗透海水淡化脱盐项目, 海水RO装置脱盐率达99.5%, 水利用率45%。2005年2月邯郸钢铁集团完成的21, 000吨/日工业污水回用项目, RO装置水利用率75%, 脱盐率>97%。采用反渗透技术的海水淡化工程已相当成熟, 美国已建有反渗透淡化厂规模达到日产38万吨, 将反渗透膜组器与超滤、微滤、纳滤、EDI等组器有机地组合应用已成为反渗透工程应用一个良好的发展趋势。

2、超滤 (ultra filtration, UF)

超滤是一个压力驱动的膜分离过程, 主要是由筛除机理去除水中杂质。在压力作用下, 水从高压侧透过膜到低压侧, 水中大分子及微粒组分被膜阻挡, 水逐渐浓缩而后以浓缩液排出。超滤适用于分离大分子物质、胶体、蛋白质, 所分离溶质的相对分子量下限为几千, 所分离的组分孔径范围1nm～0.05μm, 有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机物等杂质, 是替代活性炭过滤器和多介质过滤器的新一代预处理产品。

我国超滤技术的开发始于70年代初, 最初开发的CA管式膜组件首先用于电泳漆行业中然后应用于酶制剂的浓缩, 80年代初, 聚砜 (PS) 中空纤维超滤组件研究成功, 80年代中期卷式超滤组件研制成功, 90年代初聚丙烯中空纤维组件研制成功。目前在水处理行业中, 聚砜和聚丙烯中空纤维式组件应用最多。目前在国内水工业市场, 超滤技术已在电力、钢铁、化工等工业废水处理领域得到较多应用。应用实例有:2004年7月北京燕山石化28800吨/日污水回用项目, 2006年3月投运的华能浙江玉环电厂海水量35000吨/日海水淡化项目。在苏州建成的日产一万吨水的超滤膜水自来水厂, 建设费用约300元每立方米, 运行成本是每立方米0.0782元, 大体相当于用传统工艺来生产自来水的成本。日本日东电工推出的RS系列卷式超滤膜, 在中东已用于海水淡化装置的预处理, 超滤装置的产水能力为每天13万吨。

3、纳滤 (nano filtration, NF)

纳滤[2]是介于反渗透和超滤之间的一种分子级的膜分离技术, 属于压力驱动膜过程, 操作压力通常为0.5～1.0 MPa, 一般为0.7 MPa左右, 最低为0.3 MPa。适宜分离相对分子质量在150～200以上、分子大小为1nm的溶解组分, 故被命名为“纳滤”。

相对于反渗透膜的NaCl的脱除率均在95%以上, 一般将NaCl脱除率为90%以下的膜均可称之为纳滤膜, 反渗透膜几乎对所有溶质都有很高的脱除率, 而纳滤膜只对特定的溶质具有脱除率, 纳滤膜主要去除一个纳米左右的溶质粒子。在国外, 纳滤膜最大应用市场是饮用水领域, 主要用于脱除三卤甲烷中间体 (THM) 、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶有机物、Ca、Mg等硬度成分等等。国外纳滤技术已得到了广泛应用, 比较有代表性的有美国佛罗里达州Royal Palm Beach水厂 (1994年8月建成, 产水规模236m3/h, 采用NF10膜处理地表原水) 和法国Jamy水厂 (1995年1月建成, 产水规模62.5×2m3/h, 采用NF70-345膜处理陆地矿井水) 。日本、美国等一些水厂, NF膜的水体利用率在80%-90%, 操作压力为0.65-0.89MPa, 给水TDS400-900mg/L, 硬度 (以CaCO3计) 为230-350mg/L, 透过水20-120mg/L;原水色度为17-115度, 透过水的色度≤1-5度, 浓缩水可用做深井口注水。在我国纳滤技术的研制和开发应用尚处于研究阶段, 膜组件大都从国外进口。国内首套工业化大规模膜软化系统——山东长岛南隍城纳滤示范工程, 是纳滤技术在高硬度海岛苦咸水净化的实际应用。于1997年4月正式投入生产淡水, 淡化水符合国家生活饮用水卫生标准。

4、微滤 (micro filtration, MF)

微滤[1]是以压力为推动力, 利用筛网过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程, 是一种精密过滤技术, 其原理与普通过滤相类似, 但过滤的微粒在0.05～15μm, 是过滤技术的最新发展。

微滤是所有膜分离技术中应用最普遍、销售额最大的一项技术。微滤主要用于制药行业的除菌和电子工业用高纯水的制备, 其最新的应用领域是生物技术和生物医学技术领域。在水的精制过程中, 微滤技术可以除去细菌和固体杂质, 可用于医药、饮料用水的生产。在电子工业超纯水制备中, 微滤可用于超滤和反渗透过程的预处理和产品的终端保安过滤。微滤技术亦可用于啤酒、黄酒等各种酒类的过滤, 以除去其中的酵母、霉菌和其它微生物, 使产品澄清, 并延长存放期。我国微滤膜的研究始于70年代初, 从混纤维片发展到聚砜、尼龙、聚偏氟乙烯等膜片, 增强型MF膜的连续生产, 为折叠式标准滤芯的制造创造了条件, 而标准折叠式滤芯的问世使我国MF技术在大制水量工程中的应用成为现实。折叠式微孔滤芯可根据制水量的大小任意并联, 以满足不同制水量的要求, 在工业纯水、超滤水的终端过滤, 矿泉水、纯净水的除菌过滤, 大输液用水的过滤和家用净水器等领域得到了广泛的应用, 已初步形成我国自己的微滤产业。与国外水平相比, 常规微滤膜的性能和国外同类产品的性能基本一致, 折叠式滤芯在许多场合替代了进口产品, 但在错流式微滤膜和组器技术及其在工程中的应用等方面, 仍落后于国外, 这就抑制了微滤技术在较高浊度水质深度处理中的应用。

5、电渗析 (electro dialysis, ED)

电渗析[4]是一种利用电能的膜分离技术, 它以直流电为推动力, 利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性, 使某一水体中的离子通过膜转移到另一水体中的物质分离过程。

电渗析技术是膜分离技术的一种, 它是将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间, 并用特制的隔板将其隔开, 组成除盐 (淡化) 和浓缩两个系统, 在直流电场作用下, 以电位差为推动力, 利用离子交换膜的选择透过性, 把电解质从溶液中分离出来, 从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。

电渗析技术曾在海水淡化、苦咸水脱盐、锅炉给水软化、初级纯水设备、生产工艺用水和工业废水处理方面发挥重要作用, 遍及化工、电子、电力、轻工、纺织、医药、饮料和饮用水处理等许多行业。

我国第一套具有世界水平的海水淡化装置日产水量200t, 以及第一套沙漠地区苦咸水淡化均采用电渗析技术。在海水淡化和纯水生产方面, 随着R O (反渗透) 技术迅速发展, 当前电渗析技术的部分应用市场已被RO取代, 其原因是反渗透能耗比电渗析更低。但是由于电渗析具有自身价格低廉、适用性广、预处理简单、操作方便等优点, 故仍保持持续发展的趋势, 尤其在化工分离方面更是得天独厚。

6、膜技术发展趋势

由于膜分离技术在污水处理中成本交常规生物处理技术成本高昂, 随着膜分离技术的发展, 该技术日渐完善, 目前研究主要方向如下:

一是新型膜材料的开发利用。新型膜材料有金属膜、有机-无机混合膜和新型有机膜等;几种最常用的膜材料改性方法有等离子体改性法、表现活性剂改性法、紫外辐照法、高分子合金法和表面化学反应法。可以预期, 随着膜材料的继续改善, 膜技术在水处理中的运用前景将更为广阔。

二是专业膜反应器开发。为分离某种物质而开发专用膜反应器, 主要应用于化工行业中成分复杂、性质相近的物质的回收与分离。如:开发分离烃混合物的无机R O膜等。

三是共混超滤膜的开发。与国际产品相比, 国产超滤膜组件品种单一, 通量和截流率综合性能较低, 抑制了膜技术在水处理以外领域的应用进展步伐。但现在, 已有许多共混超滤膜的研究。由于共混超滤膜具有单一组分膜所无法比拟的优点, 因此这是一个发展趋势。

摘要：介绍了膜分离技术及其特点, 对膜分离技术进行了分类, 同时阐述了反渗透、超滤、纳滤、微滤、电渗析这些常规膜分离技术的研究和在水处理技术中的应用情况, 提出了膜分离技术研究方向和应用前景。

关键词：反渗透,超滤,纳滤,微滤,电渗析

参考文献

[1]唐受印.废水处理工程.化学工业出版社.1998, 4

[2]丁桓如, 吴春华等.工业用水处理工程.清华大学出版社.2005, 12

[3]廖尚志, 莫剑雄.双极膜的发展和应用[J].水处理技术.1995, 21 (6) :311-317.