膜技術基礎知識 Core technologies

 

 膜的分類
1. 按膜結構分類
  
液膜:按制膜材料形態來分類的一種,即以液態物質為分離介質形成的膜,亦叫液相膜或液膜。這種膜可以把兩種氣相,氣液兩相或兩相不互溶的液體進行分隔和促進分離,如乳化液膜和支撐液膜。
  固膜:按制膜材料形態來分類的一種以固態物質為分離介質制成的膜,亦叫固相膜或固體膜。
  對稱膜:一般指膜的各部分具有相同的特性,其孔結構不隨深度而變化的膜。膜的厚度范圍為10~200um。
  非對稱膜:由同種材料制成的,一層為致密分離層,其厚度通常為0.1~0.5um另一層或多層(如無機膜)為支撐層(其厚度為5~10um)。

2. 按化學組成分類
  不同的膜材料具有不同的化學穩定性、熱穩定性、機械性能和親和性能,對于不同的分離體系,利用不同材料制備的分離膜可以取得較好的效果。

有機材料

 纖維素類

 二醋酸纖維素、三醋酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、硝酸纖維素等

 素酰胺類

 尼龍-66,芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等

 芳香雜環類

 聚哌嗪酰胺,聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑銅等

 聚砜類

 聚砜、聚醚砜、碘化聚砜、磺化聚醚砜等

 聚烯烴類

 聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯酸等

 硅橡膠類

 聚二甲基硅氧烷、素三甲基硅烷丙塊,聚乙烯基三甲基硅烷

 含氟聚合物

 聚全氟硫酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等

 其他

 聚碳酸酯、聚電解質

無機材料

 陶瓷

 聚化鋁、氧化硅、氧化鋯等

 玻璃

 硼酸鹽玻璃

 金屬

 鋁、鈀、銀等

  有機膜:以有機高分子聚合物為材料制成的具有分離功能的滲透膜。這類膜的優點是容易加工成型,成本低。其缺點是在高溫,高壓和有強吸附組分下,性能不穩定。
  無機膜:以無機材料為分離介質制成的具有分離功能的滲透膜,如金屬膜、合金膜、陶瓷膜、高分子金屬配合物膜、分子篩復合膜、沸石膜和玻璃膜等,它具有化學穩定性好、耐高溫、孔徑分布窄和分離效率高等特點,可用于氣體分離等。
  纖維素類是應用最早,也是應用最多的膜材,它主要用于滲透膜、納濾膜、超濾膜、微濾膜、透析膜中,在氣體分離膜和滲透蒸發中也有應用。由于在較高溫度、酸性和堿性條件下纖維素膜易水解,此外易被許多微生物分解,所以纖維素膜的耐久性較差。
  金屬膜:以金屬材料,如鈀、銀為介質制成的具有分離功能的滲透膜。可利用其對氫的溶解機理制備超純氫和進行加氫或脫氫膜反應。

3.  按分離機理分類:
  根據分離機理,膜大致分為多孔膜、無孔膜和載體膜,多孔膜在處理溶液時根據顆粒大小進行分離,主要用于超濾和微濾;無孔膜利用分離體系中各組分溶解度或擴散系數的差異進行分離,主要用于氣體分離、透析、蒸汽滲透等過程;載體膜是通過載體分子對某組分高度專一的親和性來實現不同組分的分離。

膜種類

膜功能

分離驅動力

透過物質

被截流物質

微濾

多孔膜、溶液的微濾、脫微粒子

壓力差

水、溶劑和溶解物

懸浮物、細菌類、微粒子、大分子有機物

超濾

脫除溶液中的膠體、各類大分子

壓力差

溶劑、離子和小分子

蛋白質、各類酶、細菌、病毒、膠體、微粒子

反滲透和納濾

脫除溶液中的鹽類及低分子物質

壓力差

水和溶劑

無機鹽、糖類、氨基酸、有機物等

透析

脫除溶液中的鹽類及低分子物質

濃度差

離子、低分子物、酸、堿

無機鹽、糖類、氨基酸、有機物等

電滲析

脫除溶液中的離子

電位差

離子

無機、有機離子

滲透氣化

溶液中的低分子及溶劑間的分離

壓力差、濃度差

蒸汽

液體、無機鹽、乙醇溶液

氣體分離

氣體、氣體與蒸汽分離

濃度差

易透過氣體

不易透過液體

4. 按幾何形狀分類
  無論在實驗室還是在工業生產中,膜都被制成一定形式的組件作為膜分離裝置的分離單元。在工業上應用并實現商品化的膜組件主要有平板型、圓管型、螺旋卷型和中空纖維膜,相應的膜幾何形狀為平板式、管式、毛細管式和中空纖維式。后三種皆為管狀膜,他們的差別主要是直徑不同:直徑〉10mm的為管式膜;直徑在0.5—10mm之間的毛細管式膜;直徑〈0.5mm的為中空纖維膜。

  膜分離技術系統應用
  膜分離的基本工藝原理是較為簡單的(參見右圖)。在過濾過程中料液通過泵的加壓,料液以一定流速沿著濾膜的表面流過,大于膜截留分子量的物質分子不透過膜流回料罐,小于膜截留分子量的物質或分子透過膜,形成透析液。故膜系統都有兩個出口,一是回流液(濃縮液)出口,另一是透析液出口。在單位時間(Hr)單位膜面積(m2)透析液流出的量(L)稱為膜通量(LMH),即過濾速度。影響膜通量的因素有:溫度、壓力、固含量(TDS)、離子濃度、黏度等。
        由于膜分離過程是一種純物理過程,具有無相變化,節能、體積小、可拆分等特點,使膜廣泛應用在發酵、制藥、植物提取、化工、水處理工藝過程及環保行業中。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,進而提高生產收率、減少投資規模和運行成本。
1、澄清純化技術——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、大小分子物質的分離、脫除色素、產品提純、油水分離等工藝過程中。
        超/微濾膜分離可取代傳統工藝中的自然沉降、板框過濾、真空轉鼓、離心機分離、溶媒萃取、樹脂提純、活性炭脫色等工藝過程。
        澄清純化技術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點:
        ●  可得到絕對的真溶液,產品穩定性好;
        ●  過濾分離收率高;
        ●  分離效果好,產品質量高,運行成本低;
        ●  縮短生產周期,降低生產成本;
        ●   過程無需添加化學藥品、溶媒溶劑,不帶入二次污染物質;
        ●   操作簡便,占地面積小,勞動力成本低;
        ●   可拓展性好,容易實現工業化擴產需求;
        ●   設備可自動運行,穩定性好,維護方便。
2、濃縮提純技術——納濾膜系統
   膜分離技術在濃縮提純工藝上主要采用截留分子量在100~1000Dal的納濾膜。納濾膜的主要特點是對二價離子、功能性糖類、小分子色素、多肽等物質的截留性能高于98%,而對一些單價離子、小分子酸堿、醇等有30~50%的透過性能,常被應用于溶質的分級、溶液中低分子物質的洗脫和離子組分的調整、溶液體系的濃縮等物質的分離、精制、濃縮工藝過程中。
   納濾膜分離技術常被用于取代傳統工藝中的冷凍干燥、薄膜蒸發、離子交換除鹽、樹脂工藝濃縮、中和等工藝過程。
  濃縮提純技術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濃縮提純的優點:
        ●  能耗極低,節省濃縮過程成本;
        ●  過程無化學反應、無相變化,不帶入其他雜質及造成產品的分解變性;
        ●  在常溫下達到濃縮提純目的,不造成有效成分的破壞,工藝過程收率高;
        ●  可完全脫除產品的鹽分,減少產品灰分,提高產品純度;
        ●  可回收溶液中的酸、堿、醇等物質;
        ●  設備結構簡潔緊湊,占地面積小;
        ●  操作簡便,可實現自動化作業,穩定性好,維護方便。

  行業應用
1、制藥行業

        ●  生物發酵液過濾除菌及下游分離純化精制
        ●  樹脂解析液的濃縮及解析劑回收
        ●  農藥水劑、粉劑的生產應用
        ●  中藥浸提液過濾除雜及濃縮
        ●  中藥浸膏生產應用
        ●  合成藥、原料藥、中間體等的脫鹽濃縮
        ●  結晶母液回收
2、食品行業
        ●  乳清廢水處理
        ●  乳制品生產加工應用
        ●  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
        ●  氨基酸發酵液過濾澄清及精制
3、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
4、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
5、環保及水處理領域
        ●  紡織、染整、印染廢水處理及回用
        ●  電鍍工業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
        ●  洗車水、桑拿水、游泳池水、洗浴廢水等循環處理
        ●  工業生產所用的各類軟化水、純水、超純水制備
6、生物技術
        ●  生物蛋白、多肽、酶制劑等酵液過濾澄清及精制
 

 

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