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1、膜分离科技论文膜分离技术研究近况关键词:膜技术;膜材料;膜组件;膜工艺;膜污染1概述1748年,法国学者ahblenollet发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内,首次揭示了膜分离现象。此后,膜分离技术经过了近200年漫长的发展过程。膜技术(membranetechnology)是用天然或人工合成的高分子薄膜以外界能量位差(如压力差、浓度差、电位差和温度差等)为推动力,对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜技术是一种分子水平上的分离技术。按照膜的功能可分为分离膜、识别膜、反应膜、能量转化膜和电子功能膜等,其中,分离膜的应用最为广泛。分离膜的根本原理在于膜具有选择
2、透过性,按照分离过程中的推动力和所用膜的孔径不同,可分为20世纪30年代的微滤(mf);2o世纪40年代的渗析(d);20世纪5o年代的电渗析(ed);20世纪60年代的反渗透(ro);20世纪70年代的超滤(uf);20世纪80年代的气膜分离(g);20世纪90年代的渗透汽化(pv)和乳化液膜(elm)等。有资料显示,目前国际膜市场的75%分布在美国、欧洲国家和日本,20世纪80年代后膜分离技术的工业化应用迅速发展,新发展了膜蒸馏和渗透汽化等膜分离过程,世界膜产售额已超过100亿美元,年增长率为14%30%。膜分离概念:可以将分离膜看作是把两相分开的一薄层物质,称其为“薄膜”,简称膜。膜可以
3、是具有渗透性的,也可是具有半渗透性的,但不能是完全不透过性的。膜可以存于两流体之间也可以附着于支撑体或载体的微孔隙上,膜的厚度应比表面积小得多。成膜,以外界能量或化学位差作推动力,对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法,统称为膜分离法。膜分离法可用于液相与气相,对液相分离,可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系等。膜分离是一项新兴的高效分离技术。60年代后,膜分离技术逐步在工业界得到广泛应用,目前膜及组件在全世界的年销售额已达30亿美元以上,年增长率高达14%30%,在1987年国际膜会议上(日本东京),膜技术被认为是20世纪末到21世纪中
4、期最有发展前途的高新技术之一。膜分离技术目前已普遍应用于化工、轻工、电子、医药、食品、环境工程和石油行业。纳滤(nf)膜技术是近10多年来发展起来的一种新型的膜分离技术,纳滤膜由于其特殊的孔径范围和制备的特殊处理化(如复合化、荷电化),使得纳滤膜具有较特殊的分离性能对二价和多价离子及分子量在200l000之间的有机物有较高的脱除性能,对单价离子和小分子的脱除率则相对较低。nf膜所具有的特点使之特别适于海水的软化,即去除海水中易结垢的ca2+,mg2+,o42-等二价离子。nf技术已经在水处理技术、环境工程等方面显示出很强的优势。在海水软化方面的研究与应用国内外也已经开展。膜技术应用多元多层纳米
5、膜技术是在离子键技术上发展起来的一项镀膜技术。其应用范围有:(1)刃具、模具的表面强化。在高速钢、硬质合金制造的刃具(如钻头、铣刀、车刀)及模具表面获得超高硬度的多元多层纳米膜。提高刃具、模具的耐磨性;(2)机械零件的表面强化,如叶轮、叶片、气缸、活塞环表面获得纳米镀层,延长零件使用寿命。富氧技术的应用亦非常广泛,一般情况下,凡需空气之处,均可用富氧来替代。特别是膜法富氧,由于设备简单、操作方便、启动快、规模可小可中、投资少、节能效果显著、免维护及用途广等,是一项日趋成熟的高新技术,被发达国家称为“资源的创造性技术”。许多文献已有这方面的应用报道:如华北制药股份有限公司玻璃分公司于1996年建
6、设的富氧燃烧项目,使用3年后总结:随着时间的推移、技术的成熟,取得了增产、节油和合格率提高均超过10%的效果;而且采用富氧燃烧技术后,火焰燃烧状况有较大改善,火焰底部明显发白发亮,火焰强度增加,火焰尾梢减小,从而既延长炉龄,又提高产品的产量和质量。目前,膜技术广泛的用于从含盐和被污染的水源生产可饮用水和工业废水的处理等。进一步的应用包括:药品传输系统、通过蒸汽浓度检测爆炸材料、燃料电池等。在过去的2o年中,barc已经涉及反渗透技术的开发,用于微碱水和海水的脱盐等工艺。最近,开发了一种民用水净化器,其能够在自来水压力条件下,去除细菌污染物,生产安全的饮用水。由于膜过滤技术是一种高教、低能耗和易
7、操作的液体分离技术,因此在废水处理中有着广阔的应用前景。在介绍膜过滤技术性质、分类的基础上对膜过滤技术在含油废水、生活废水、造纸废水、有色废水、化工合成废水、重金属离子废水及其他废水处理的应用研究和进展状况进行了综述,讨论了膜过滤技术的研究方向和发展前景。认为减轻膜污染、研究开发廉价的过滤膜和膜组件是膜过滤技术在水处理中应重点解决的问题。在实际应用中,将膜过滤技术与其他分离技术和废水处理技术相结合,充分发挥各自优势和协同效应,得到最佳处理效果和最佳经济效益。另外,锦化化工(集团)有限责任公司树脂厂采用膜分离技术回收vcm精馏尾气,研究了气体膜分离技术的原理,并对该技术的各项工艺参数进行了优化、
8、调试。总结出一套最佳控制方案,彻底解决了循环气在系统中的累积、膜组件传递动力等工艺参数影响膜分离效果的问题,可使精馏尾气中的vcm、c2h2回收率达到95%、85%以上,回收vcm303t、a、h289t、a,获经济效益202万元、a。在城市饮用水膜处理方面,由于新型膜处理技术具有适应的水质范围广,出水水质好,占地面积小等优点,及其在国外的推广应用,因此这种新型的膜处理技术不仅能有效地去除水中的浊度、病原微生物和病原寄生虫,纳滤膜还能有效地去除水中的有机污染物,包括常规工艺很难去除的农药等。结语膜分离技术由于其良好的透过性,分离效率高,操作简便,能耗低等优点,在许多领域得到了广泛应用,在油田采
9、油废水处理中亦得到应用,但仍有许多方面需要改进。例如,膜组件的选择,操作条件的控制,膜材料的表面改性,减少膜污染,同时开发新型膜分离工艺与新型膜材料。成功解决了上述问题,膜分离技术将会在含油废水处理中得到更加广泛的应用。膜分离技术在生物科技中的应用与进展【关键词】膜分离;生物科技;小分子有机物分离;蛋白质分离;膜生物反应器1膜分离技术的发展现状以及其在分离技术中的地位1、1膜分离技术的简介膜分离技术是指借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和富集。根据膜材质和孔径大小的不同，我们可以将膜分离技术分为一般微滤(mf)，超滤(uf)，反渗透(
10、ro)，纳滤(nf)等等。膜分离技术自从20世纪60年代被用于工业生产以来，经历了膜材质从大孔径到小孔径，推动力从重力场到多种电化学作用共同作用的发展模式。自从上世纪90年到之后tfc膜(低压聚酰胺复合膜)的成功研制之后，膜分离技术在现代化工和生物工程的各个方面都得到了广泛的应用。1、2膜分离技术的独特优势而在这些现代分离技术中，膜分离技术的基本原理是利用高分子薄膜的选择透过性为分离的基本原理，以压力差，电势差，电渗差等为动力，以达到物质在薄膜间的传质而达到分离的目的。因此在经历了：微孔过滤，渗析，电渗析，反渗透，超滤，气体分离，渗透气化等发展过程后1，现代膜分离技术具有反应条件要求低(常温下
11、即可发生);是一个物理过程，不发生化学变化所以损耗较小;膜分离过程中多以压力差为动力(渗透压也包括在内);膜的性质稳定的情况下膜分离系统可以有极大的分离范围;膜分离过程的研究比较透彻，分离的流程控制比较容易控制从而得到更高纯度的分离产物2。这些优点都使得它在实际运用中都具有很高的价值，而被广泛使用在工业和科研中。1、3膜分离技术与生命科学的结合近些年来生物领域飞速发展，一系列系统理论的建立使得生物科学向更精细更严谨的方向发展，人们对于生物制品需求扩大的同时对其的安全性可靠性的要求也越来越高。尤其是分子生物学的建立使得生命科学的范畴更加靠近生命的本质。而随着分子生物学的发展，它对与物质的分离与鉴
12、定的要求也越来越高，传统的分离手段已经无法满足，但膜分离技术等为代表的现代分离技术(其特点前文已述)却很好的迎合了他的需求，因此被广泛的运用于科研与实际生产过程中。2现代膜分离技术的基本过程与原理详细2、1膜分离技术的基本原理以及其分类以压力差为推动力的液体膜分离过程通常可根据分离对象的大小和膜的不同分为微滤(mf)、超滤(uf)、纳滤(nf)和反渗透(ro)。根据待分离样品的性质以及分离所选用薄膜的性质尤其是薄膜的孔径的大小还有分离纯度，分离时间，分离速率等方面的要求可以有针对性的选取合适的分离方法，以达到分离预期结果3。2、2膜分离技术的不同操作模式膜分离技术原理简单，因此它的工艺流程也便
13、于标准化。由于待分离物质中我们想要的目的产物的分子量各有不同，我们的目标产物最终出现的位置也不同：小分子物质一般会通过薄膜最终在滤过液中富集。而大分子物质会在膜的另一侧由于无法滤过被截留在浓缩液中。为了使膜分离过程中的损耗尽可能的小，时间尽可能的短，我们会在料液中添加渗滤溶剂，它可以和小分子组分互相作用和小分子物质一同穿过薄膜从而加速小分子物质过膜速率，使大分子与小分子物质的分离加速，从而解决了高浓度的溶液过膜速率过慢的问题。收集浓缩液得到其中被截留的大分子称为浓缩。与此不同，利用渗滤溶剂进行的膜分离过程称为渗滤。在实际工作中二者往往搭配使用，操作过程由预浓缩、恒容渗滤和后浓缩三个阶段组成：利
14、用浓缩模式使料液的浓度上升，在过膜速率出现了明显下降的时候转化为渗滤模式，从而达到克服高浓度料液透过速率低，减少浓差极化与膜污染的目的，加快分离速率以免影响物质活性的目的。有时为使纯度达到要求还可以采用多级分离的方法从而使物质分离的更加彻底。在选择具体的膜分离方式时，我们要考虑的因素有：与上下操作间的衔接，对于膜使用寿命的影响，分离效果的好坏等等。2、3膜分离的计算模型以及效果衡量膜分离的传质原理有两个主流理论：双模理论和溶质穿透理论。双模理论认为，气液界面间存在的气膜和液膜集中了主要的传质阻力，溶质分子在这两个膜层内梯度扩散，按照fick第一定律进行计算。其中，j为扩散速率，d为扩散系数，d
15、c、d为浓度梯度。溶质穿透理论认为，气液两相在接触前都是均一的，接触后开始互相扩散。靠近界面处溶质浓度大。在一定时间后，液体达到均一饱和状态，此时两相处于动态平衡状态。可以按照fick第二定率计算。其中c为浓度，t为时间，d为传质系数，为离界面的间距。其中d与浓度无关，否则要修正为：衡量膜的好坏时主要看膜的分离性能与透过性能，主要是指截留率，分离系数，浓差极化，压密，膜污染速率等系数。但是在工艺上来说膜分离效果的衡量主要包括两个主要参数：分离时间与分离效果(主要用小分子去除效果来衡量)。2、3、1分离效果，以小分子去除效果为例：公式右端是大分子物质浓度除以小分子物质浓度，可以用来表示小分子物质
16、的去除效果。公式左端表示的过程是料液稀释后，再浓缩至原体积，重复n次。1与2分别表示经过膜前后溶液中小分子物质的浓度。3膜分离技术在生物科技领域使用的具体实例3、1膜分离技术在小分子有机物分离过程中的应用常常使用膜分离技术进行分离的小分子物质包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。此处以氨基酸为例进行分析。氨基酸的膜分离：由于氨基酸本身是两性物质，有自己的等电点，因此我们在分离氨基酸时往往还会调节料液的ph值，而且大多采用纳滤膜以利用纳滤膜的带电性质以达到最大分离截留效果4。对氨基酸分离用纳滤膜分为高分子复合膜和无机陶瓷膜，其分离性能与氨基酸混合体系和操作条件有。关有人用zro2膜表面接枝
17、交联pei的有机-无机复合纳滤膜(膜的等电点为1018)，进行了9种氨基酸(其中酸性2种，碱性3种，中性4种)混合物的膜分离实验。在ph=2时，带正电的碱性氨基酸被膜截留(透过率小于25%)，而中性和酸性氨基酸的膜透过率大于85%;在ph=12时，带负电的酸性氨基酸被膜截留(透过率小于30%)，而中性和碱性氨基酸的膜透过率大于80%，由此可以看出通过改变膜电性与料液的ph值可以分离大多数的氨基酸5。3、2膜分离技术在蛋白质分离中的应用蛋白质是一类以复杂的混合物形式存在的生物大分子，传统的蛋白质分离方法主要有萃取法、沉淀法等，这些工艺往往操作繁杂、耗时长、蛋白质易变质，且产品的回收率低、二次污染
18、严重。膜分离技术则可以很好地克服传统蛋白质分离技术的缺点，有效改善产品质量，还可以大大提高蛋白质的回收率，实现蛋白质的分离和纯化。一般蛋白质的膜分离会用两张膜：一个膜孔较小，能使需要的蛋白质全部截住，而让小的蛋白质透出，然后再将截留在第一张膜内的蛋白质转移到孔径较大的膜内，截住较大的蛋白质使所需的蛋白质流过微孔透出，这样使蛋白质得到了提纯，如果还有杂蛋白还可以再接着进行类似流程。比如说美国农业部利用膜技术分离精制了霍霍巴榨油后残渣中的蛋白质、纤维素等成分，分离后各组分分别作为动物饲料及调节剂;还有muller等采用zro2、al2o3无机超滤膜从酸性酪蛋白乳清中分离-乳清蛋白，显著提高了-乳清
19、蛋白的纯度和产量6。3、3膜分离技术与膜生物反应器膜生物反应器是一种近些年来膜技术与生物技术结合研究应用于生产的热门方向，主要是将微生物与膜结合控制料液在膜中的流动利用微生物的各类生化作用来起到去除料液中一些杂质而且可以得到并分离产物的目的。现阶段主要运用于污水高效处理，已经有部分进入工厂使用。这里选择性介绍无泡曝气膜生物反应器与萃取膜生物反应器7。3、3、1无泡曝气膜生物反应器。生物反应器在作用中由于大量污泥(就是大量具有强分解作用的微生物的载体)的存在其过大的需氧量一直是限制其应用的主要原因。而无泡膜生物反应器能很好地解决这一问题。它一般采用的是中空纤维膜，膜的一端封住，空气或o2在膜的内
20、腔里流动，在浓差作用下向膜外侧的活性污泥传递。气体进入污水中不产生气泡，而且氧的传递效率高达100%，可以满足各种微生物生化反应的需氧要求。3、3、2萃取膜生物反应器。当废水中含有对微生物有毒害作用的成分(很高浓度的盐、很大的酸碱度或者是生物难降解的有毒有机物等)时，直接用生化法是不适宜的。而萃取膜生物反应器能很好处理这些废水。萃取膜生物反应器中，污泥与废水并不直接接触，废水在膜腔内流动，而活性污泥则在膜外流动。活性污泥中的微生物一般是针对废水培养出来的专性细菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡胶膜，且有选择透过性，能允许挥发性有机物透过而水及无机成分则无法透过。首先污染物在膜中溶解扩散，再以气态形
21、式离开膜进入膜另侧的混合液中，在混合液中由专性菌分解成co2、h2o等无机小分子8。3、4膜分离技术在医药有效成分提取中的应用3、5膜分离技术在酿酒中的应用白酒酿造过程中，如果使用传统固态发酵方法，不可避免的会产生甲醇，油性脂肪酸，醇油等杂质，它们会影响产品口感，外观，其中甲醇对人体有极大危害。因此这些物质的分离会对白酒品质产生极大影响。有人研究发现，超滤和微滤是有效的分离此类杂质的手段。在低酒精度下进行膜分离，可以有效的延长产品的保质期，改善口感，却对其其他理化指标并不产生太大的不良影响(总酸总酯会有所下降)。对于清香型白酒，一般稀释到28到30度之间过非对称的活性炭吸附膜，之后再于低温下保
22、存(18摄氏度)，可以有效避免失光，浑浊等现象，同时降低苦味辛辣味，和蒸馏产生的蒸煮味。除此之外，在啤酒的发酵过程中由于采用了代谢控制发酵的方法，往往会有较高的残糖，而使用反渗透过滤之后，也将将有效降低残糖，达到改良口感的效果。3、6其他膜分离技术还广泛的运用于其他产业：高品质饮用水的过滤，发酵废液的再利用。4总结膜分离技术从产生到现在已获得巨大的成功，但仍属于一门发展中的年轻综合性学科。理论和应用上都有大量的问题有待解决。比如说：膜寿命过短，易污染;料液粘度大，往往流动性较差;料液固体含量高，膜通量衰减快;膜类型不足，工艺经验不足等等3。总的来说膜分离技术与生物技术的结合无疑是成功的而且还是潜力巨大的，可以想象在解决了这些问题后这项技术的前景将会多么诱人。