膜分离技术概述

膜分离技术概述

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膜分离（Membrane Separating）是利用天然或人工制备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、提纯和浓缩的方法。膜分离法可以用于液相和气相，对液相分离，可以用于水溶液体系、非水溶液体系以及水溶胶体系。膜分离技术由于省能、高效、简单、造价低、易于操作，可代替传统的分离技术（如精馏、蒸发、萃取、结晶等过程），所以是对传统分离方法的一次革命，被公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前景的高技术之一。

膜分离过程的发展概况

膜分离技术研究应用虽有上百年时间，但是由于制膜的技术所限，在工业中应用还仅一、二十年的时间。目前膜法除大规模用于各种水处理外，还在食品工业、医药工业、生物工程、石油、化学工业、核工业等领域得到应用。全球已有30多个国家和地区的2000多个科研机构从事膜技术研究和应用开发，已形成了一个较为完整的边缘学科和新兴产业，并正逐步地有针对地代替目前的一些传统分离净化工艺，而且朝反应-分离耦合、集成分离技术等方面发展。据报道，1998世界膜产品市场销售额已超过440亿美元，且以14%~30%的年增长速度在发展。膜产业将是21世纪新型十大高科技产业之一。

在膜分离技术中，微滤、超滤、反渗透和电渗析分离过程已较为成熟。这些膜过程的应用比大概为：微滤35.71%；反渗透13.04%；超滤19.10%；电渗析3.42%；气体分离9.32%；血液透析17.70%；其他1.71%。

膜分离技术特点

膜分离与传统的分离技术（蒸馏、吸收、吸附、萃取、深冷分离等）相比，具有以下特点：

<1>膜分离过程不发生相变化，耗能少，可以保持物质的原态、特别适合热敏性物质，如酶、果汁、某些药品的分离浓缩、精制等。

<2>膜分离技术不耗化学试剂和添加剂，不会因此而污染产品；

<3>膜分离通常是一个高效的分离过程，目前已广泛的应用与盐水与海水淡化、工业用水和生活用水的净化、溶质的浓缩与分离过程。

<4>膜分离设备本身没有运动部件，工作温度在室温附近。它的操作十分简单，从开动到得到产品的时间很短，可以在高频的启、停下工作。

<5>膜分离设备的体积比较小，占地较少，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。

膜分离过程的原理及分类

在膜分离过程中，由于膜具有选择透过性，当膜两侧存在某种推动力（如压力差，浓度差，电位差等），原料侧组分选择性地透过膜以达到分离提纯的目的。实际中物质通过膜的传递极为复杂，不同的膜过程使用的膜不同，推动力不同,其传递机理也不同。

膜分离过程按其分离对象可分为气体（蒸汽）分离和液体分离。按其分离方法可分为反渗透法(RO)、纳滤（NF）、超滤（UF）、微滤（MF）、电渗析（ED）、气体分离（GS）和渗透蒸发（PV）以及与其它过程相结合的分离过程，例如：，膜蒸馏、膜吸收、膜萃取等。由于本论文中用超滤膜对红花提取液进行了分离、纯化的初步探讨，下面就超滤过程做简单介绍。超滤

超滤膜技术的发展现状

超滤膜过程是根据体系中相对分子质量的大小和形状，通过膜孔的筛分、吸附等作用，

在分子水平上进行分离、纯化、浓缩的一种分离技术。超滤介于微滤和纳滤之间，膜孔径为10-3－10-1μm，所能截留溶质分子量范围为500－500，000道尔顿之间。

超滤膜技术的发展始于19世纪60年代，工业应用始于70年代。目前国外从事超滤膜及膜设备的厂家和经营单位较多，1998年达300多家。美国在高分子分离膜及其相关技术方面处于领先地位，MONSATO公司的分离膜装置已遍布世界各地，杜邦公司和VOP公司的超滤膜质量为世界最佳。丹麦DDS公司研制的超滤膜分离装置在食品工业中得到应用，并在我国大连和哈尔滨建立了食品厂。近年来我国超滤膜研制单位有几十个，生产厂家有越来越多，年产值达数百万上万千元，其中以天津地区合作研制超滤膜装置质量较好。

超滤膜结构及分类

固态膜按其形态结构可分为对称膜，和非对称膜两类,超滤膜为非对称膜。极薄的活性表皮层具有一定孔径，起筛分作用，下层是较厚的具有海绵状或指状结构的多孔层，起支撑作用。目前商品化的超滤膜几乎都是非对称膜。

超滤膜传递机理

超滤是利用膜的筛分性质，以压力差为传质推动力。超滤膜有明显的孔道结构，主要用于处理不含固形成分的的料液，其中相对分子质量较小的溶质和水分子透过膜，而相对分子质量较大的溶质被截留。因此超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的差别进行分离。超滤过程中，膜两侧渗透压差较小，所以操作压一般为0.2－1.0MPa。超滤技术的应用

超滤技术的典型应用是从水溶液中分离大分子物质和胶体。自20世纪60年代以来，超滤很快从试验规模的分离手段发展成为重要的工业单元操作技术，它已广泛的应用于食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业。在超纯水制备过程中超滤是重要过程。城市污水处理及其他工业废水处理以及生物技术领域的应用是超滤未来发展的方向。近年来超滤技术逐渐应用于中药成分的分离、纯化、精制过程，例如制备中药注射剂、中药口服液、中药浸膏及中药有效成分提取。

膜的污染及其防治

膜污染是指由于被过滤料液中的微粒、胶体离子和溶质分子与膜存在物理化学作用而引起的各种离子在膜表面或膜孔径内吸附或沉积，造成膜孔堵塞或变小并使膜的透过流量与分离特性产生不可逆变化的现象。由于膜污染的复杂性，其机理目前尚不完全清楚，因此增加了解决膜污染问题的难度。目前解决的方法是防治膜污染和对膜进行后处理。

膜污染的原因

膜分离过程中遇到的最大的问题是膜污染，膜污染的主要原因来自以下几个方面：

（1）凝胶极化引起的凝胶层即滤饼：水透过膜后被截留下来的部分物质和胶体物质，造成膜面污染。

（2）溶质在膜表面的吸附层。

（3）膜孔堵塞：溶解性的有机物质，它可以透过凝胶层，却会被膜内的微孔表面所吸附或结晶，堵塞孔道，使膜通量减少。

（4）膜孔内的溶质吸附。

膜污染的防治方法

膜污染不仅造成膜通量的大幅度下降，而且影响目标产物的回收率。但采取适当的措施与处理，可以使膜的污染现象得到控制。

1预处理将料液经过一定预过滤器，去除较大的粒子、固体悬浮物，或调节溶液的PH沉淀方法去除易被膜吸附的物质，从而减小膜污染；可适当提高料液温度或降低料液浓度的方法减小浓差极化。

2改变膜的表面性质制膜时可改变膜材质的化学组成、膜表面的荷电特性及表面张力、亲水