第六章_膜分离技术及应用.ppt

1、膜分离技术应用,膜的应用,从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30的速度递增着。,膜的用途,浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物； 反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2 控制,制 药,食 品,化工

2、与石化,电 子,冶 金,燃料电池,洁净燃烧,膜技术的工业应用,膜技术用于生物质资源开发,膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率1580倍 渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60 生产装置总投资为传统分离方法总投资的4080%,膜法海水淡化,反渗透淡化厂的能耗及产水成本,几种分离方法能耗比较,膜法海水淡化,嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置,膜法自来水厂,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,典型膜应用过程 反渗透,脱盐装置的共同单元： 供给水吸入系统 预处理系统 反渗透膜 产品水后处理 动力回收系统,水源,供水泵,预处理系统,高压泵,反

3、渗透膜单元,后处理系统,分配,汽提、消毒,能量回收系统,浓液排放,典型脱盐系统单元,可降低能耗2540 冲击式水轮泵 反转泵,典型膜应用过程 反渗透,海水,氯气,FeClSO4,阳离子聚电介质,搅拌槽,絮凝槽,重力过滤器,活性炭过滤器,氯气,0.5m筒式过滤器,阻垢剂,加酸 （H2SO4）,去膜组件,海水淡化预处理系统,0.5m筒式过滤器,去膜组件,深进水,加酸,阻垢剂,软化水处理中的预处理,典型膜应用过程 反渗透,浓缩液,4段渗透液,3段渗透液,1段渗透液,2段渗透液,产品水,高水回收率的反渗透级联工艺,典型膜应用过程 反渗透,应用 1、海水和苦咸水淡化 2、废水和有害废水的处理 工业废水

4、市政废水 3、化学加工工业的应用 电镀和金属抛光工业 造纸工业 纺织工业 石油工业 电力工业 4、食品加工工业的应用,水处理 产品回收 浓缩和脱水 分馏 5、地下水和地表水的处理 6、纳滤的应用 废水处理 产品脱盐浓缩,典型膜应用过程 超滤,操作方式 批式浓缩：全循环、部分循环 供料排放 全过滤,供料槽,供料泵,调节阀,渗透液,全循环,V0C0=VtCt+A0tJ(t)Cp(t)dt Ri=1-Cp/Cr VCF=V0/Vr Cr=C0(VCF)Ri,典型膜应用过程 超滤,供料槽,供料泵,调节阀,部分循环,渗透液,循环泵,1、全循环设备简单，一般在试验研究中采用，泵的费用高； 2、部分循环的供

5、料泵提供操作压力（小流量，高扬程），循环泵提供膜面流速（大流量，低扬程）,排放,供料槽,渗透液,R1,R2,P2,P1,两级连续操作方式 Qn-1=An-1Jn-1+Qn,供料排放,典型膜应用过程 超滤,应用 牛奶中的应用：牛奶脱脂、蛋白预浓缩、降低乳糖含量 果汁澄清：替代离心过滤、果胶酶处理、用硅藻土预涂地真空过滤等，果汁产量高。 发酵液处理：回收抗生素等 排放液处理：造纸工业回收磺化木质素、脱油、脱脂等。,典型膜应用过程 超滤,头苞霉素C的回收,石油化学和食品工业的萃取过程，用超滤回收溶剂；例如从重碳氢化合物中分离低碳氢化合物； 在天然产品和医药用产品的潜在应用是将产品生产和超滤分离相结合

6、；如将超滤与酶糖化作用结合，生产葡萄糖。 与化学络合反应结合，生产生物活性物质。,发酵液,MF,UF,RO,低TDS渗透液,HPLC,纯化的抗生素,蛋白质、色素去除,细胞收集,MF：0.2微米 UF：1万分子量 RO：聚酰胺反渗透膜,典型膜应用过程 超滤,过程的经济性： 膜组件和有关设备的成本费； 膜组件替换费； 化学清洗剂费； 能量使用费； 劳力费； 折旧费。,典型膜应用过程 超滤,典型膜应用过程 微滤,终端微滤的应用 1、制药溶液的消毒 2、饮料的澄清 60年代初，聚合物膜在啤酒业得以应用，90以上应用于啤酒、果汁饮料、矿泉水等过程中。 3、半导体生产工业中液体的纯化 气体过滤器：去除气体

7、中的微粒和胶体、菌体等 超纯水生产中预处理和最终供水 4、选择性分析应用,消毒过滤的目的： a、最终消毒，即热敏感制药产品细菌的总去除； B、降低细菌含量，以保持注射液组分中热源的低含量； c、去除注射液中无机和有机粒子，去除在加工过程中产生的带悬浮粒子的气体。 可应用的领域： 1）一般服务：注射用水、气体、蒸汽的除菌； 2）合成非经肠道药；,典型膜应用过程 微滤,典型膜应用过程 微滤,典型膜应用过程 微滤,生物方面的主要应用 液相澄清：抗生素发酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白质液澄清、酵母溶菌液澄清 固相回收：连续培养发酵的细胞回收、菌细胞的收获和冲洗、网状菌丝体的浓缩、酵母浓缩 抗生素的澄清

8、 陶瓷膜过滤：膜面流速2.5 4 m/s,操作压力35bar,回收率大于95%。,过滤,纯化,最终产品分离,典型分离过程,MF,离心,硅藻土过滤,离子交换吸附,溶剂萃取,等电沉淀,液液萃取,分级沉淀,色谱分离,结晶,喷雾干燥,冷冻干燥,发酵产物的下游处理,分离,典型膜应用过程 微滤,无机膜简介： 发展,无机膜的研究始于 1940年，到目前经历了三个阶段： 1、第一阶段始于二战时期的Manhattan计划，当时采用多孔陶瓷材料进行铀同位素的分离富集。随着激光技术的出现，采用无机膜富集铀已不具备技术上的优势，所以其逐渐退出了这一领域的竞争。（气体扩散分离阶段、军工阶段） 2、自80年代，无机膜进入

9、工业应用领域，相继开发出工业用无机微滤膜和无机超滤膜及其组件，代替高分子膜在其无法使用的苛刻条件下使用。2004年市场将达到100亿美元。（进入了民用工业的快速发展阶段） 3、进入90年代，由于无机膜优异的性能及材料科学的发展，新的膜材料、新的制膜技术日益得到发展。此后进入了膜反应研究的高速发展期。,无机膜简介： 特点,与有机膜相比 1、耐高温：无机膜的使用温度可高于400，甚至可达800，因此特别适合于高温操作产物的直接分离或人为提高温度，以用于高粘度流体的分离；另外用于食品和生物工程领域时可直接高温蒸汽清洗和灭菌。 2、化学稳定性好：无机膜能耐酸碱、耐有机溶剂，适用于较宽的pH范围，因此可

10、在强腐蚀性介质中使用，并可采用化学试剂进行清洗；另外无机膜可用于非水溶液体系的分离。,3、机械强度高：无机膜特别是分离膜一般以载体膜形式制备，其机械强度远高于有机膜，因此可在较高压力下使用，膜组件及膜微孔不会产生变形和损坏；还可以高压反冲进行再生。 4、抗微生物能力强：一般不与微生物发生作用，本身无毒，不污染被分离体系，因此用于食品、生化领域有独特的优势。 5、无机膜具有孔径分布范围较窄、分离效率。 6、缺点：造价较高，装填面积较小，运行费用偏高,无机膜简介： 特点,平均孔径： 100nm 50nm 20nm,陶瓷膜的孔径分布图,无机膜简介：分类与现状,陶瓷膜在液相分离领域的应用现状,在食品工

11、业中的应用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒类、果汁饮料、调味品等料液的澄清、浓缩除菌。 在环保行业中的应用：以废水、废液的处理为主，主要用于含油废水的处理以及化工、石油化工中生产废液处理，其目标是回收水中有用成分，使处理后的水循环利用或达标排放。 在生物与制药工业中的应用：这是一个新的增长点，主要涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。,在食品工业中的应用,在牛奶工业中的应用 牛奶的微滤除菌、乳清浓缩、酸奶处理等 果汁生产中的应用 主要在苹果汁、猕猴桃汁等生产中已实现工业应用。 酿酒工业中的应用 无菌低温啤酒生产、啤酒罐底液处理等工业已规

12、模应用以及在葡萄酒生产中的应用。,在牛奶工业中的应用,牛奶,MF,UF,RO,脂肪和细菌,脱脂牛奶,UF截留物,UF渗透物,RO浓縮物,水,高脂奶油,饮料,生产奶酪,特殊奶制品,全蛋白,乳糖生产,发酵食品和非食品生产,蒸发,干燥,全奶粉,奶罐运输,特殊奶品,脱脂奶 200m3/d 固含量9.2 蛋白质3.6 乳糖4.7% 灰份0.7,预处理,UF,渗透液 167m3/d 乳糖4.7 灰份0.7,RO,渗透液 122m3/d BOD500g/m3,排放阴沟,浓缩液45m3/d 乳糖17.4% 灰份2.6%,动物饲料,浓缩液33m3/d 固含量28.7 蛋白质21.2% 乳糖4.7% 灰份0.7,

13、奶酪前体 46T/d 固含量42%,添加剂 奶油 酵母 凝乳素 青霉素,奶酪生产,奶酪40T/d 固含量47.5% 蛋白质16.9%,UF巴氏杀菌脱脂乳生产奶酪,在牛奶工业中的应用,原奶,MF,脱脂奶,UF,混合,巴氏杀菌,均相化,PROCAL奶饮料,奶油,渗透液,超滤法生产饮料奶,在牛奶工业中的应用,乳清,MF,澄清乳清,UF,UF渗透物,RO,NF,ED,ED,NF,RO,乳清蛋白浓縮物,蛋白质分级,膜生物反应器,肽,浓縮乳糖,膜生物反应器,燃料化学物质,脂肪、酪蛋白,脱盐乳清,浓縮乳清,各种乳清蛋白,乳清处理,水,在牛奶工业中的应用,果汁生产中的应用,果汁生产中的应用,苹果汁生产,装置膜

14、面积：220m2 处理量：17m3/h 全自动控制 运行通量优于国外装置 产品质量优于国外装置,果汁厂陶瓷膜工程,在酿酒工业中的应用,A：传统工艺 B：膜工艺 传统葡萄酒工艺与膜技术过滤工艺比较,在酿酒工业中的应用,啤酒过滤,在环保工业中的应用,在含油废水处理中的应用 油田回注水、金属表面切削液、冷轧乳化液、清洗液废水等 在化工及石化废水处理中的应用 主要用于回收化工废水中的贵重金属及其氧化物等。 在其它工业废水处理中的应用 造纸工业的黑水和白水处理、纺织废水中PVA回收等。,上海宝钢集团公司冷轧线 设备处理能力为：6万m3/年，油截留率大于99.9，水回用率大于90，回收油120吨/年,说明

15、 1：年处理10万吨冷轧乳化液废水设备，采用国产陶瓷膜300万元人民币（武钢），进口有机膜设备200万美元（宝钢，1988年），成本仅是其1/10。 2：有关数据来源于上海宝钢集团设计院。,钢铁冷轧乳化液废水处理回用技术,在生化与制药工业中的应用,在发酵液除菌中的应用 乳酸、核酸、青霉素G等提取 在中成药生产中的应用 主要用于替代醇沉工艺，除去煎煮液中的杂质，研究处于起步阶段等。 在血浆分离中的应用 已被证实是可行的方法，但国内尚未开展研究。,膜技术用于中药精制,陶瓷膜的优势： 1、煎煮液无需冷却可直接过滤，减少生产环节； 2、膜的再生方便，除菌彻底,膜本身可直接高温灭菌； 3、无论中药水提液

16、性质如何,对膜本身没有影响； 4、对中药有效成份基本无截留； 5、口服液生产，放置时间显著延长，无瓶底沉淀物； 6、制片剂或粉剂时，赋型剂用量比醇沉法减少1/3； 7、对水提液和醇提液均可适用； 8、对单方和复方中药均可适用。,膜技术用于中药精制,传统中药精致工艺(醇沉法)。 工艺复杂，成本高、生产周期长，水溶性有效成分损失大,洗净,蒸发,煎煮,除杂,醇沉,乙醇回收,蒸发浓缩,膜过滤,膜浓缩,产品,陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺,黄芪单方微滤与醇沉之成分损失率、固形物去除率、浊度降低率比较,1. 经醇沉及膜分离，目标成分含量均有下降； 2. 膜过滤后目标成分损失明显低于醇沉工艺。 3.

17、 提高收率的方法 a. 多次醇沉 b. 加水洗涤过滤 4. 膜过程的优化尤为重要,陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺糖可清实验,A:糖渴清复方A组水提液 B:糖渴清复方B组水提液 C:中药金刚藤水提液,0.2um对三种不同中药体系的渗透性能比较,陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺糖可清中试实验,11味单方药材,A组根茎类,B组叶果实类,煎煮液188.8kg,煎煮液193kg,MF,残留液,渗透液,加水渗析,MF,残留液,渗透液,加水渗析,后续加工成药,陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺糖可清中试实验,陶瓷膜处理量：250l/h 实验膜运行时间：1.5小时 膜孔径：0.2微米，氧化锆

18、材质 批次：2次 总黄酮收率： 95.4% 固含物去除率：A组：23.4%，B组：32.6%,陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺与醇沉工艺比较,膜技术在植物提取工艺中的应用,传统植物提取液分离工艺的三大问题： 以高原料消耗获取目标组分分离； 以高能耗获取溶剂回收和目标组分浓缩； 以环境污染代价获取经济效益,经过陶瓷膜工艺处理后，物料的浊度有了明显的下降,膜集成过程的研究陶瓷膜分离（洋姜）,操作压差、膜面流速、操作温度对渗透通量的影响,渗透液,母液,3次洗脱后（加水量为原液的1/3），母液糖度降低了约30，表明母液中的单糖已得到了脱除（95%）；电导率下降了约79； 纳滤工艺具备脱除单糖、脱

19、盐、浓缩三重功能。,膜集成过程的研究纳滤膜分离（洋姜）,溶液糖度和电导率随操作时间的变化,膜集成过程的研究,根据实验考察以及过程优化的结果，设计了4m3/hr膜集成工艺，包括陶瓷膜、纳滤膜和反渗透膜等分离技术。,陶瓷膜分离、纳滤、反渗透 集成新工艺的处理量达12000吨/年,洋姜提取膜工艺,膜技术在生物与制药工业中的应用,微生物发酵在生化行业中具有举足轻重的地位,终产物都是在发酵中形成。但发酵过程中存在许多制约因素，就分离而言，原料的预处理中除去蛋白，发酵中及时分离微生物代谢产物，发酵终了后所要求组分从发酵液中的分离、其它组分的回收利用，以及发酵废液的处理，都是发酵过程要解决的问题。 涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。,膜技术在生物与制药工业中的应用,生化产品的特点 1、目的产物在初始物料中的含量低 2、初始物料成分相当复杂 3、生物活性物质稳定性差，易失活、降解 4、产品种类繁多 5、应用面广，对纯度和含量要求高,膜技术在生物与制药工业中的应用,采用膜分离的优势： 1、条件温和，能保持生物活性 2、选择性好，分离系数高 3、活性产物的量和具有较高的收率 4、分离步骤明显减少 5、分离快速，生产能力显著提高,膜技术在生物与制药工业中的应用,膜分离的主要应用： 发酵液澄