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《分离科学与工程》

课程论文

题目：

膜分离技术的应用及发展趋势

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2014年12月6日

膜分离技术的应用及发展趋势

摘要：

膜分离技术是近十几年发展起来的一种高新技术，随着膜设备和技术的不断发展和成熟，其在各行业中有着广泛的应用。

本文介绍了膜分离技术的特性，阐述了膜分离技术在食品工业、水处理、生物技术、医药工业和医疗设备方面的应用，并展望膜分离技术应用领域的发展前景，分析膜分离技术在膜材料、新的膜过程和膜通量等方面的发展趋势，同时指出膜分离技术将在人类社会的发展史上起到不可替代的作用。

关键词：

膜分离技术；发展趋势；膜材料；膜过程。

一膜分离技术1

1膜分离技术的原理1

2膜分离技术的特点1

3膜分离技术的类型2

（1）超滤2

（2）纳滤2

（3）微滤3

（4）反渗透3

二膜分离技术的应用现状3

1膜分离技术在食品工业中的应用3

2在啤酒无菌过滤中的应用4

3膜分离技术在饮用水制取中的应用5

4膜分离技术在废水处理中的应用5

5膜分离技术在生物技术中的应用5

6在医药工业和医疗设备中的应用6

7膜分离技术在中草药中的应用6

三膜分离技术的发展趋势7

1膜材料7

2新的膜过程8

（1）膜蒸馏8

（2）膜萃取9

3膜集成过程9

四结论10

膜分离技术是指用天然或人工合成的具有选择透过性膜，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、提纯和浓缩的边缘学科高新技术。

由于膜分离技术具有节能、高效、简单、造价低、无相变、可在常温下连续操作等优点，而且特别适合热敏性物质的处理的特点，其应用已渗透到人们生活和生产的各个方面，现已被广泛应用于化工、环保、生物工程、医药和保健、食品和生化工程等行业。

虽然膜分离技术的应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入,膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。

一膜分离技术

1膜分离技术的原理

膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法，在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。

膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。

现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术，其中在食品、药学工业中常用的有微滤、超滤和反渗透3种。

2膜分离技术的特点

膜分离技术作为一种新型的分离技术,具有以下特点：

1　在常温下进行，特别适用于热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩，且可以同步进行能较好地保持产品原有的色、香、味和营养成分；

2　分离过程中不发生相变，挥发性物质损失少，节约能源；

3　具有冷杀菌作用，保存期长，无二次污染；

4　选择性好，应用范围广，但要选择相应的膜类型；

5　设备简单，易于操作，可连续进行，效率高。

3膜分离技术的类型

目前己经研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发和气体分离等。

正在开发研究中的新的膜技术有真空膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、膜控制释放、仿生膜以及生物膜等过程。

（1）超滤

超滤的截留相对分子质量在1000-100000之间，选择某一截留相对分子质量的膜可以将杂质与目标产物分离。

超滤技术在生化产品分离中应用最早、最为成熟，已广泛应用于各种生物制品的分离、浓缩。

早期的工业超滤应用于废水和污水处理。

三十多年来，随着超滤技术的发展，如今超滤技术已经涉及食品加工、饮料工业、医药工业、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收、环境工程等众多领域。

（2）纳滤

纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为200--1000，能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。

纳滤可以采用两种方式提取抗生素，一是用溶剂萃取抗生素后，萃取液用纳滤浓缩，可改善操作环境；二是对未经萃取的抗生素发酵液进行纳滤浓缩，除去水和无机盐，再用萃取剂萃取，可减少萃取剂用量。

纳滤的主要应用领域涉及：

食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品深加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保净水和污水处理及其资源化工业。

（3）微滤

鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。

微滤是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一，孔径在0.05-10цm之间，可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去，滤液纯净，国际上通称为绝对过滤。

由于微滤孔径相对较大，单位膜面积透水率高，而且制备成本最低，使用范围非常广，其销售额居于各类膜的首位。

（4）反渗透

由于反渗透分离技术的先进、高效和节能的特点，在国民经济各个部门都得到了广泛的应用，主要应用于水处理和热敏感性物质的浓缩，主要应用领域包括以下：

食品工业、牛奶工业、饮料工业、植物（农产品）深加工、生物医药、生物发酵、制备饮用水、纯水、超纯水、海水、苦咸水淡化、电力、电子、半导体工业用水、医药行业工艺用水、制剂用水、注射用水、无菌无热源纯水、食品饮料工业、化工及其它工业的工艺用水、锅炉用水、洗涤用水及冷却用水。

二膜分离技术的应用现状

1膜分离技术在食品工业中的应用

膜分离技术用于食品工业开始于20世纪60年代末，首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的，随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。

至今，膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用。

主要用于以下几个方面：

1　利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。

2　利用膜分离技术加工乳制品。

3　利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩。

4　利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩。

5　利用膜分离技术对明胶进行提纯。

6　在含酒精饮料加工中的应用。

7　在非酒精饮料加工中的应用。

8　膜分离技术在处理淀粉废水中的应用。

9　膜分离技术在制糖工业中的应用。

10　膜分离技术在食用油加工中的应用。

11　膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。

膜分离技术用于食品加工有很多优点：

与传统方法相比，不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、设备占地面积小；更重要的是由于分离膜性能的提高，能在很高精度水平下分离各种成分。

2在啤酒无菌过滤中的应用

啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节，它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。

褚良银等。

采用无机陶瓷膜对啤酒进行除菌过滤，对膜孔径的选择、膜器结构优化、膜滤运行过程强化等方面进行了系统的试验研究，提出了一套新型高效的膜器结构与工艺设计的依据；翁佩芳等还采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的生产工艺进行设计，使整个生产工艺系统高效、优化运行，同时加强生产操作及卫生的管理，生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。

3膜分离技术在饮用水制取中的应用

近年来，膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。

仅应用超滤工艺的水厂中净化规模每天在20×104m3以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过每天800×104m3。

还有许多厂家利用微滤工艺进行处理，可见，膜处理法已经成为饮用水制取最常见的方法。

微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏等人用两个PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到167L/m2·h，实验证明不同粒径的PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。

韩国的Jeong-ikOh等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1mg/L时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。

4膜分离技术在废水处理中的应用

随着工业化的发展，大量的工业废水和生活废水排入水体中，严重影响了水质。

为了保护环境不受污染，并能回收一些有用物质，需对工业和生活污水进行处理，以达到排放标准要求。

废水处理中常采用超滤和纳滤技术。

据研究采用纳滤技术处理城市污水，可有限地降低水的浊度、色度及有机物；经超滤处理后的出水可用于循环冷却水、造纸用水等对水质要求不高的工业用水水源，这大大地提高了水的利用率。

5膜分离技术在生物技术中的应用

在生物技术方面,膜技术也有各种应用，其中应用最广泛的是微滤和超滤技术。

例如：

从植物或动物组织萃取液中进行酶的精制；从发酵液或反应液中进行产物的分离、浓缩等。

膜技术应用于蛋白质加水分解或糖液生产，有助于稳定产品质量,提高产品的收率和降低成本。

由于应用分离膜可以在室温下进行物理化学分离，所以它特别适合于热敏性生物物质的分离。

可以想象膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用。

但膜技术用于生物技术也有一些问题，其中最主要的是：

与色谱法比较，分离精度不高。

同时多组分分离做不到；膜上容易形成附着层,使膜的通量显著下降；操作结束后，膜清洗困难；膜的耐用性差。

这几点是影响膜技术在生物工程领域应用的最主要的原因。

因此，如何改进和解决上述问题就成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。

6在医药工业和医疗设备中的应用

膜分离技术在这方面的应用已经有30多年的历史,现在微滤、超滤、反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到了广泛的应用。

在制药工业中膜技术主要用于：

1　利用微滤技术进行药物澄清；

2　利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩；

3　利用分渗透技术制备灭菌水，除热原水和注射水等；

4　渗析技术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离；

5　利用亲合膜技术,通过在膜上固载特定的功能配位键。

在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外，膜式人工肺、人工肾也都应用了膜分离技术。

随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低，膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用。

7膜分离技术在中草药中的应用

分离纯化中的应用中草药所含化学成分极其复杂，通常含有苷类、黄酮、生物碱等有效成分，同时还含有蛋白质、胶体、淀粉、无机盐等无效成分，这些无效成分的存在，会降低有效分的浓度,影响其中药的品质和功效，同时也给中药的分离带来复杂性，因此有必要对中草药的有效部位和有效成分进行分离纯化。

研究表明，不同组分间的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多数在200-1000，无效成分的分子量在50000以上,一些无机盐类的分子量则不足100。

膜分离技术是利用膜孔径大小特征在常温下对溶质和溶剂进行分离达到纯化目的,研究表明膜分离技术在中草药分离纯化中的应用主要有三大功能，即截留大分子杂质、滤除小分子物质和脱水浓缩。

三膜分离技术的发展趋势

1膜材料

众所周知，生物膜具有惊人的分离效率。

例如，海带从海水中富集碘，其浓度比海水中碘大l000多倍；石毛（藻类浓缩铀的浓缩率达750倍。

因此，仿生是分离膜的发展方向。

生物膜是建立在分子有规则排列的基础上，而目前使用的分离膜多是功能高分子膜，是不规则链排列的聚合物。

仿生膜要克服这一根本差别，达到生物膜的分离水平，还是一个比较遥远的目标。

当前，分离膜材料发展的趋向是：

1　继续开发功能高分子膜材料。

一是根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系。

这类工作主要结合气体分离膜过程进行二是在膜的表面进行改性。

根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，使其“活化”。

一般的表面改性方法有：

先将膜材料改性，然后成膜；过化学反应进行表面改性。

三是发展高分子合金膜。

两种高分子混合一般情况下要比通过化学反应合成新材料容易些。

它还可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范围内调节其性能技术上的难点是许多热力学性质不一致的高分子不容易达到真正互溶，需要选择合适的高分子对（polymerpair）和寻找能互溶的工艺条件。

这一方面的工作主要结合水溶液分离膜进行。

2　开发无机膜材料。

无机膜的制备始于20世纪40年代，由于存在着不可塑、受冲击易破损、成型性差以及价格较昂贵等弱点，长期以来发展不快。

但是，随着膜分离技术及其应用的发展，在膜使用条件上提出愈来愈高的要求，不少膜催化反应要求在几XX高温下进行；膜用于食品及生物产品分离，要求具有耐高温蒸汽多次清洗仍能保持分离性能不变有些显然是高分子膜材料所无法满足的。

2新的膜过程

膜分离技术与传统的分离技术或反应过程相结合，发展出一些崭新的膜过程。

这些新的膜过程在不同程度上吸取了二者的优点而避免了某些原有的弱点。

（1）膜蒸馏

将膜法与蒸馏法有机地结合起来的膜蒸馏，是最近几年发展起来的一种新型膜分离技术。

在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸汽传质冷凝过程，又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程。

它避免了蒸馏法易结垢、怕腐蚀和反渗透法需要高压操作的缺点。

用作膜蒸馏的高分子都是疏水性的，如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、卤化聚乙烯、含氟高分子等。

普遍认为聚四氟乙烯最好，膜蒸馏目前尚处于起步阶段。

用于海水脱盐已建成中型试验装置，以期由现场试验作出评价。

提高通量是膜蒸馏技术目前主攻方向。

当技术进一步成熟后，在制药、生物工程等方面的应用将会显其特色。

（2）膜萃取

20世纪80年代初一个将膜分离与液一液萃取过程相结合的新过程——膜萃取开始出现。

膜萃取的传质过程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面进行的，因此它不存在通常萃取过程中液滴的分散与聚合现象。

膜萃取的优点还在于：

1　没有相的分散和聚结过程，可减少萃取剂在料液相中夹带损失。

2　不形成直接接触的液液二相流动，使选择萃取剂范围可大大放宽。

3　两相在膜两侧分别流动，使过程免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制。

4　可较好地发挥化工单元操作中的某些优势，提高传质效率。

5　料液相与萃取相在膜两侧的同时存在可避免膜内溶剂的流失。

膜萃取过程目前还处在实验室研究阶段。

常用的是中空纤维装置。

近年来正开展膜萃取的工艺过程研究，膜萃取器材料的浸润性及过程传质机理研究，流体在膜器中流型分布研究以及膜器设计方法初探性研究等。

3膜集成过程

在解决某一具体分离目标时，综合利用几个膜过程，使之各尽所长，往往能达到最大限度的分离效果，取得最佳的经济效益。

这是近年来膜分离技术发展中出现的又一个趋向。

例如，微电子工业用超纯水要综合反渗透、离子交换和超滤；造纸工业黑液回收木质素磺酸钠要用聚凝、超滤加反渗透；从生物发酵制无水乙醇要用膜反应器、膜蒸馏、反渗透及渗透汽化；从蛋白质混合物中分离单个高纯蛋白质要用截留分子量不同的超滤加渗析；废水中去除有毒物质用膜萃取及反萃将毒物浓缩再进入膜生物反应器净化等等。

集成膜过程的不断发展和完善将使膜分离技术在工业生产领域中发挥更大的作用。

四结论

膜分离技术经过近十几年的发展，已具有较高的水平，并且不断有新的膜分离技术被开发,进入应用领域。

膜分离技术的应用对提高生产效率,降低能耗,减少或消除环境污染具有重要意义，随着我国膜分离技术的发展，其在化学工业中的应用必将有一个飞跃，人们将逐步认识到，要发展化工必须大力研究开发膜技术。

参考文献

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（1）:

46-47.