膜技术基础知识 Core technologies

 

 膜的分类
1. 按膜结构分类
  
液膜:按制膜材料形态来分类的一种,即以液态物质为分离介质形成的膜,亦叫液相膜或液膜。这种膜可以把两种气相,气液两相或两相不互溶的液体进行分隔和促进分离,如乳化液膜和支撑液膜。
  固膜:按制膜材料形态来分类的一种以固态物质为分离介质制成的膜,亦叫固相膜或固体膜。
  对称膜:一般指膜的各部分具有相同的特性,其孔结构不随深度而变化的膜。膜的厚度范围为10~200um。
  非对称膜:由同种材料制成的,一层为致密分离层,其厚度通常为0.1~0.5um另一层或多层(如无机膜)为支撑层(其厚度为5~10um)。

2. 按化学组成分类
  不同的膜材料具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性能,对于不同的分离体系,利用不同材料制备的分离膜可以取得较好的效果。

有机材料

 纤维素类

 二醋酸纤维素、三醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、硝酸纤维素等

 素酰胺类

 尼龙-66,芳香聚酰胺、芳香聚酰胺酰肼等

 芳香杂环类

 聚哌嗪酰胺,聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并咪唑铜等

 聚砜类

 聚砜、聚醚砜、碘化聚砜、磺化聚醚砜等

 聚烯烃类

 聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯酸等

 硅橡胶类

 聚二甲基硅氧烷、素三甲基硅烷丙块,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、聚电解质

无机材料

 陶瓷

 聚化铝、氧化硅、氧化锆等

 玻璃

 硼酸盐玻璃

 金属

 铝、钯、银等

  有机膜:以有机高分子聚合物为材料制成的具有分离功能的渗透膜。这类膜的优点是容易加工成型,成本低。其缺点是在高温,高压和有强吸附组分下,性能不稳定。
  无机膜:以无机材料为分离介质制成的具有分离功能的渗透膜,如金属膜、合金膜、陶瓷膜、高分子金属配合物膜、分子筛复合膜、沸石膜和玻璃膜等,它具有化学稳定性好、耐高温、孔径分布窄和分离效率高等特点,可用于气体分离等。
  纤维素类是应用最早,也是应用最多的膜材,它主要用于渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜、透析膜中,在气体分离膜和渗透蒸发中也有应用。由于在较高温度、酸性和碱性条件下纤维素膜易水解,此外易被许多微生物分解,所以纤维素膜的耐久性较差。
  金属膜:以金属材料,如钯、银为介质制成的具有分离功能的渗透膜。可利用其对氢的溶解机理制备超纯氢和进行加氢或脱氢膜反应。

3.  按分离机理分类:
  根据分离机理,膜大致分为多孔膜、无孔膜和载体膜,多孔膜在处理溶液时根据颗粒大小进行分离,主要用于超滤和微滤;无孔膜利用分离体系中各组分溶解度或扩散系数的差异进行分离,主要用于气体分离、透析、蒸汽渗透等过程;载体膜是通过载体分子对某组分高度专一的亲和性来实现不同组分的分离。

膜种类

膜功能

分离驱动力

透过物质

被截流物质

微滤

多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子

压力差

水、溶剂和溶解物

悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物

超滤

脱除溶液中的胶体、各类大分子

压力差

溶剂、离子和小分子

蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子

反渗透和纳滤

脱除溶液中的盐类及低分子物质

压力差

水和溶剂

无机盐、糖类、氨基酸、有机物等

透析

脱除溶液中的盐类及低分子物质

浓度差

离子、低分子物、酸、碱

无机盐、糖类、氨基酸、有机物等

电渗析

脱除溶液中的离子

电位差

离子

无机、有机离子

渗透气化

溶液中的低分子及溶剂间的分离

压力差、浓度差

蒸汽

液体、无机盐、乙醇溶液

气体分离

气体、气体与蒸汽分离

浓度差

易透过气体

不易透过液体

4. 按几何形状分类
  无论在实验室还是在工业生产中,膜都被制成一定形式的组件作为膜分离装置的分离单元。在工业上应用并实现商品化的膜组件主要有平板型、圆管型、螺旋卷型和中空纤维膜,相应的膜几何形状为平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。后三种皆为管状膜,他们的差别主要是直径不同:直径〉10mm的为管式膜;直径在0.5—10mm之间的毛细管式膜;直径〈0.5mm的为中空纤维膜。

  膜分离技术系统应用
  膜分离的基本工艺原理是较为简单的(参见右图)。在过滤过程中料液通过泵的加压,料液以一定流速沿着滤膜的表面流过,大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐,小于膜截留分子量的物质或分子透过膜,形成透析液。故膜系统都有两个出口,一是回流液(浓缩液)出口,另一是透析液出口。在单位时间(Hr)单位膜面积(m2)透析液流出的量(L)称为膜通量(LMH),即过滤速度。影响膜通量的因素有:温度、压力、固含量(TDS)、离子浓度、黏度等。
        由于膜分离过程是一种纯物理过程,具有无相变化,节能、体积小、可拆分等特点,使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的有机物,根据有机物的分子量,选择不同的膜,选择合适的膜工艺,从而达到最好的膜通量和截留率,进而提高生产收率、减少投资规:驮诵谐杀。
1、澄清纯化技术——超/微滤膜系统
        澄清纯化分离所采用的膜主要是超/微滤膜,由于其所能截留的物质直径大小分布范围广,被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。
        超/微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。
        澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有:陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。
        采用膜分离澄清纯化的优点:
        ●  可得到绝对的真溶液,产品稳定性好;
        ●  过滤分离收率高;
        ●  分离效果好,产品质量高,运行成本低;
        ●  缩短生产周期,降低生产成本;
        ●   过程无需添加化学药品、溶媒溶剂,不带入二次污染物质;
        ●   操作简便,占地面积。投Τ杀镜停
        ●   可拓展性好,容易实现工业化扩产需求;
        ●   设备可自动运行,稳定性好,维护方便。
2、浓缩提纯技术——纳滤膜系统
   膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100~1000Dal的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于98%,而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有30~50%的透过性能,常被应用于溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。
   纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。
  浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有:卷式膜、管式膜。
        采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点:
        ●  能耗极低,节省浓缩过程成本;
        ●  过程无化学反应、无相变化,不带入其他杂质及造成产品的分解变性;
        ●  在常温下达到浓缩提纯目的,不造成有效成分的破坏,工艺过程收率高;
        ●  可完全脱除产品的盐分,减少产品灰分,提高产品纯度;
        ●  可回收溶液中的酸、碱、醇等物质;
        ●  设备结构简洁紧凑,占地面积。
        ●  操作简便,可实现自动化作业,稳定性好,维护方便。

  行业应用
1、制药行业

        ●  生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制
        ●  树脂解析液的浓缩及解析剂回收
        ●  农药水剂、粉剂的生产应用
        ●  中药浸提液过滤除杂及浓缩
        ●  中药浸膏生产应用
        ●  合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩
        ●  结晶母液回收
2、食品行业
        ●  乳清废水处理
        ●  乳制品生产加工应用
        ●  果汁澄清脱色
        ●  食品添加剂纯化浓缩
        ●  茶饮料澄清浓缩
        ●  啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工
        ●  天然色素提取液的除杂及浓缩
        ●  氨基酸发酵液过滤澄清及精制
3、染料化工和助剂
        ●  水溶性染料反应液的脱盐浓缩
        ●  染料盐析母液废水回收
4、淀粉糖品
        ●  糖液分离纯化及浓缩
        ●  果葡糖浆色普分离纯化
        ●  糖醇色普分离纯化
        ●  单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩
5、环保及水处理领域
        ●  纺织、染整、印染废水处理及回用
        ●  电镀工业废水零排放及资源回收
        ●  矿山及冶金废水处理回收
        ●  淀粉废水处理
        ●  造纸废水木质素回收及废水处理
        ●  电泳漆废水涂料回收
        ●  酸、碱废水处理回收
        ●  市政污水的处理及回用
        ●  洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等循环处理
        ●  工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备
6、生物技术
        ●  生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制