1、膜分離技術(shù)應(yīng)用,膜的應(yīng)用,從20世紀(jì)初到20世紀(jì)90年代，膜技術(shù)基本已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室步入工業(yè)化，并在水處理、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、化工與石油化工、電子、冶金、國(guó)防等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。目前全球膜產(chǎn)業(yè)的規(guī)模超過(guò)百億美元，正以年30的速度遞增著。,膜的用途,濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產(chǎn)物） 純化：除去雜質(zhì)； 分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物； 反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。,膜的應(yīng)用,膜,海水淡化,工業(yè)廢水處理,城市廢水資源化,天然氣,生物質(zhì)利用,能源,水資源,傳統(tǒng)工業(yè),生態(tài)環(huán)境,除塵,CO2 控制,制 藥,食 品,化工

2、與石化,電 子,冶 金,燃料電池,潔凈燃燒,膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用,膜技術(shù)用于生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā),膜生物反應(yīng)器技術(shù)取得間歇發(fā)酵可提高反應(yīng)器效率1580倍 滲透汽化膜分離技術(shù)比傳統(tǒng)共沸蒸餾節(jié)能60 生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的4080%,膜法海水淡化,反滲透淡化廠的能耗及產(chǎn)水成本,幾種分離方法能耗比較,膜法海水淡化,嵊泗1000噸/日反滲透海水淡化裝置,膜法自來(lái)水廠,巴黎瓦茲河梅里市14萬(wàn)立方米/天的納濾廠，每天為巴黎附近50萬(wàn)居民提供14萬(wàn)噸飲用水,典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透,脫鹽裝置的共同單元： 供給水吸入系統(tǒng) 預(yù)處理系統(tǒng) 反滲透膜 產(chǎn)品水后處理 動(dòng)力回收系統(tǒng),水源,供水泵,預(yù)處理系統(tǒng),高壓泵,反

3、滲透膜單元,后處理系統(tǒng),分配,汽提、消毒,能量回收系統(tǒng),濃液排放,典型脫鹽系統(tǒng)單元,可降低能耗2540 沖擊式水輪泵 反轉(zhuǎn)泵,典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透,海水,氯氣,FeClSO4,陽(yáng)離子聚電介質(zhì),攪拌槽,絮凝槽,重力過(guò)濾器,活性炭過(guò)濾器,氯氣,0.5m筒式過(guò)濾器,阻垢劑,加酸 （H2SO4）,去膜組件,海水淡化預(yù)處理系統(tǒng),0.5m筒式過(guò)濾器,去膜組件,深進(jìn)水,加酸,阻垢劑,軟化水處理中的預(yù)處理,典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透,濃縮液,4段滲透液,3段滲透液,1段滲透液,2段滲透液,產(chǎn)品水,高水回收率的反滲透級(jí)聯(lián)工藝,典型膜應(yīng)用過(guò)程 反滲透,應(yīng)用 1、海水和苦咸水淡化 2、廢水和有害廢水的處理 工業(yè)廢水

4、市政廢水 3、化學(xué)加工工業(yè)的應(yīng)用 電鍍和金屬拋光工業(yè) 造紙工業(yè) 紡織工業(yè) 石油工業(yè) 電力工業(yè) 4、食品加工工業(yè)的應(yīng)用,水處理 產(chǎn)品回收 濃縮和脫水 分餾 5、地下水和地表水的處理 6、納濾的應(yīng)用 廢水處理 產(chǎn)品脫鹽濃縮,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,操作方式 批式濃縮：全循環(huán)、部分循環(huán) 供料排放 全過(guò)濾,供料槽,供料泵,調(diào)節(jié)閥,滲透液,全循環(huán),V0C0=VtCt+A0tJ(t)Cp(t)dt Ri=1-Cp/Cr VCF=V0/Vr Cr=C0(VCF)Ri,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,供料槽,供料泵,調(diào)節(jié)閥,部分循環(huán),滲透液,循環(huán)泵,1、全循環(huán)設(shè)備簡(jiǎn)單，一般在試驗(yàn)研究中采用，泵的費(fèi)用高； 2、部分循環(huán)的供

5、料泵提供操作壓力（小流量，高揚(yáng)程），循環(huán)泵提供膜面流速（大流量，低揚(yáng)程）,排放,供料槽,滲透液,R1,R2,P2,P1,兩級(jí)連續(xù)操作方式 Qn-1=An-1Jn-1+Qn,供料排放,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,應(yīng)用 牛奶中的應(yīng)用：牛奶脫脂、蛋白預(yù)濃縮、降低乳糖含量 果汁澄清：替代離心過(guò)濾、果膠酶處理、用硅藻土預(yù)涂地真空過(guò)濾等，果汁產(chǎn)量高。 發(fā)酵液處理：回收抗生素等 排放液處理：造紙工業(yè)回收磺化木質(zhì)素、脫油、脫脂等。,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,頭苞霉素C的回收,石油化學(xué)和食品工業(yè)的萃取過(guò)程，用超濾回收溶劑；例如從重碳?xì)浠衔镏蟹蛛x低碳?xì)浠衔铮?在天然產(chǎn)品和醫(yī)藥用產(chǎn)品的潛在應(yīng)用是將產(chǎn)品生產(chǎn)和超濾分離相結(jié)合

6、；如將超濾與酶糖化作用結(jié)合，生產(chǎn)葡萄糖。 與化學(xué)絡(luò)合反應(yīng)結(jié)合，生產(chǎn)生物活性物質(zhì)。,發(fā)酵液,MF,UF,RO,低TDS滲透液,HPLC,純化的抗生素,蛋白質(zhì)、色素去除,細(xì)胞收集,MF：0.2微米 UF：1萬(wàn)分子量 RO：聚酰胺反滲透膜,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性： 膜組件和有關(guān)設(shè)備的成本費(fèi)； 膜組件替換費(fèi)； 化學(xué)清洗劑費(fèi)； 能量使用費(fèi)； 勞力費(fèi)； 折舊費(fèi)。,典型膜應(yīng)用過(guò)程 超濾,典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾,終端微濾的應(yīng)用 1、制藥溶液的消毒 2、飲料的澄清 60年代初，聚合物膜在啤酒業(yè)得以應(yīng)用，90以上應(yīng)用于啤酒、果汁飲料、礦泉水等過(guò)程中。 3、半導(dǎo)體生產(chǎn)工業(yè)中液體的純化 氣體過(guò)濾器：去除氣體

7、中的微粒和膠體、菌體等 超純水生產(chǎn)中預(yù)處理和最終供水 4、選擇性分析應(yīng)用,消毒過(guò)濾的目的： a、最終消毒，即熱敏感制藥產(chǎn)品細(xì)菌的總?cè)コ?B、降低細(xì)菌含量，以保持注射液組分中熱源的低含量； c、去除注射液中無(wú)機(jī)和有機(jī)粒子，去除在加工過(guò)程中產(chǎn)生的帶懸浮粒子的氣體。 可應(yīng)用的領(lǐng)域： 1）一般服務(wù)：注射用水、氣體、蒸汽的除菌； 2）合成非經(jīng)腸道藥；,典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾,典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾,典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾,生物方面的主要應(yīng)用 液相澄清：抗生素發(fā)酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白質(zhì)液澄清、酵母溶菌液澄清 固相回收：連續(xù)培養(yǎng)發(fā)酵的細(xì)胞回收、菌細(xì)胞的收獲和沖洗、網(wǎng)狀菌絲體的濃縮、酵母濃縮 抗生素的澄清

8、 陶瓷膜過(guò)濾：膜面流速2.5 4 m/s,操作壓力35bar,回收率大于95%。,過(guò)濾,純化,最終產(chǎn)品分離,典型分離過(guò)程,MF,離心,硅藻土過(guò)濾,離子交換吸附,溶劑萃取,等電沉淀,液液萃取,分級(jí)沉淀,色譜分離,結(jié)晶,噴霧干燥,冷凍干燥,發(fā)酵產(chǎn)物的下游處理,分離,典型膜應(yīng)用過(guò)程 微濾,無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介： 發(fā)展,無(wú)機(jī)膜的研究始于 1940年，到目前經(jīng)歷了三個(gè)階段： 1、第一階段始于二戰(zhàn)時(shí)期的Manhattan計(jì)劃，當(dāng)時(shí)采用多孔陶瓷材料進(jìn)行鈾同位素的分離富集。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)，采用無(wú)機(jī)膜富集鈾已不具備技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，所以其逐漸退出了這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。（氣體擴(kuò)散分離階段、軍工階段） 2、自80年代，無(wú)機(jī)膜進(jìn)入

9、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，相繼開(kāi)發(fā)出工業(yè)用無(wú)機(jī)微濾膜和無(wú)機(jī)超濾膜及其組件，代替高分子膜在其無(wú)法使用的苛刻條件下使用。2004年市場(chǎng)將達(dá)到100億美元。（進(jìn)入了民用工業(yè)的快速發(fā)展階段） 3、進(jìn)入90年代，由于無(wú)機(jī)膜優(yōu)異的性能及材料科學(xué)的發(fā)展，新的膜材料、新的制膜技術(shù)日益得到發(fā)展。此后進(jìn)入了膜反應(yīng)研究的高速發(fā)展期。,無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介： 特點(diǎn),與有機(jī)膜相比 1、耐高溫：無(wú)機(jī)膜的使用溫度可高于400，甚至可達(dá)800，因此特別適合于高溫操作產(chǎn)物的直接分離或人為提高溫度，以用于高粘度流體的分離；另外用于食品和生物工程領(lǐng)域時(shí)可直接高溫蒸汽清洗和滅菌。 2、化學(xué)穩(wěn)定性好：無(wú)機(jī)膜能耐酸堿、耐有機(jī)溶劑，適用于較寬的pH范圍，因此可

10、在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中使用，并可采用化學(xué)試劑進(jìn)行清洗；另外無(wú)機(jī)膜可用于非水溶液體系的分離。,3、機(jī)械強(qiáng)度高：無(wú)機(jī)膜特別是分離膜一般以載體膜形式制備，其機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于有機(jī)膜，因此可在較高壓力下使用，膜組件及膜微孔不會(huì)產(chǎn)生變形和損壞；還可以高壓反沖進(jìn)行再生。 4、抗微生物能力強(qiáng)：一般不與微生物發(fā)生作用，本身無(wú)毒，不污染被分離體系，因此用于食品、生化領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 5、無(wú)機(jī)膜具有孔徑分布范圍較窄、分離效率。 6、缺點(diǎn)：造價(jià)較高，裝填面積較小，運(yùn)行費(fèi)用偏高,無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介： 特點(diǎn),平均孔徑： 100nm 50nm 20nm,陶瓷膜的孔徑分布圖,無(wú)機(jī)膜簡(jiǎn)介：分類與現(xiàn)狀,陶瓷膜在液相分離領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,在食品工

11、業(yè)中的應(yīng)用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒類、果汁飲料、調(diào)味品等料液的澄清、濃縮除菌。 在環(huán)保行業(yè)中的應(yīng)用：以廢水、廢液的處理為主，主要用于含油廢水的處理以及化工、石油化工中生產(chǎn)廢液處理，其目標(biāo)是回收水中有用成分，使處理后的水循環(huán)利用或達(dá)標(biāo)排放。 在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用：這是一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，主要涉及下游細(xì)胞回收、發(fā)酵液澄清、產(chǎn)品凈化等諸多方面，另外酶膜反應(yīng)器、膜傳感器等也是研究熱點(diǎn)。,在食品工業(yè)中的應(yīng)用,在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用 牛奶的微濾除菌、乳清濃縮、酸奶處理等 果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用 主要在蘋果汁、獼猴桃汁等生產(chǎn)中已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。 釀酒工業(yè)中的應(yīng)用 無(wú)菌低溫啤酒生產(chǎn)、啤酒罐底液處理等工業(yè)已規(guī)

12、模應(yīng)用以及在葡萄酒生產(chǎn)中的應(yīng)用。,在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用,牛奶,MF,UF,RO,脂肪和細(xì)菌,脫脂牛奶,UF截留物,UF滲透物,RO濃縮物,水,高脂奶油,飲料,生產(chǎn)奶酪,特殊奶制品,全蛋白,乳糖生產(chǎn),發(fā)酵食品和非食品生產(chǎn),蒸發(fā),干燥,全奶粉,奶罐運(yùn)輸,特殊奶品,脫脂奶 200m3/d 固含量9.2 蛋白質(zhì)3.6 乳糖4.7% 灰份0.7,預(yù)處理,UF,滲透液 167m3/d 乳糖4.7 灰份0.7,RO,滲透液 122m3/d BOD500g/m3,排放陰溝,濃縮液45m3/d 乳糖17.4% 灰份2.6%,動(dòng)物飼料,濃縮液33m3/d 固含量28.7 蛋白質(zhì)21.2% 乳糖4.7% 灰份0.7,

13、奶酪前體 46T/d 固含量42%,添加劑 奶油 酵母 凝乳素 青霉素,奶酪生產(chǎn),奶酪40T/d 固含量47.5% 蛋白質(zhì)16.9%,UF巴氏殺菌脫脂乳生產(chǎn)奶酪,在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用,原奶,MF,脫脂奶,UF,混合,巴氏殺菌,均相化,PROCAL奶飲料,奶油,滲透液,超濾法生產(chǎn)飲料奶,在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用,乳清,MF,澄清乳清,UF,UF滲透物,RO,NF,ED,ED,NF,RO,乳清蛋白濃縮物,蛋白質(zhì)分級(jí),膜生物反應(yīng)器,肽,濃縮乳糖,膜生物反應(yīng)器,燃料化學(xué)物質(zhì),脂肪、酪蛋白,脫鹽乳清,濃縮乳清,各種乳清蛋白,乳清處理,水,在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用,果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用,果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用,蘋果汁生產(chǎn),裝置膜

14、面積：220m2 處理量：17m3/h 全自動(dòng)控制 運(yùn)行通量?jī)?yōu)于國(guó)外裝置 產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)外裝置,果汁廠陶瓷膜工程,在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用,A：傳統(tǒng)工藝 B：膜工藝 傳統(tǒng)葡萄酒工藝與膜技術(shù)過(guò)濾工藝比較,在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用,啤酒過(guò)濾,在環(huán)保工業(yè)中的應(yīng)用,在含油廢水處理中的應(yīng)用 油田回注水、金屬表面切削液、冷軋乳化液、清洗液廢水等 在化工及石化廢水處理中的應(yīng)用 主要用于回收化工廢水中的貴重金屬及其氧化物等。 在其它工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用 造紙工業(yè)的黑水和白水處理、紡織廢水中PVA回收等。,上海寶鋼集團(tuán)公司冷軋線 設(shè)備處理能力為：6萬(wàn)m3/年，油截留率大于99.9，水回用率大于90，回收油120噸/年,說(shuō)明

15、 1：年處理10萬(wàn)噸冷軋乳化液廢水設(shè)備，采用國(guó)產(chǎn)陶瓷膜300萬(wàn)元人民幣（武鋼），進(jìn)口有機(jī)膜設(shè)備200萬(wàn)美元（寶鋼，1988年），成本僅是其1/10。 2：有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于上海寶鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)院。,鋼鐵冷軋乳化液廢水處理回用技術(shù),在生化與制藥工業(yè)中的應(yīng)用,在發(fā)酵液除菌中的應(yīng)用 乳酸、核酸、青霉素G等提取 在中成藥生產(chǎn)中的應(yīng)用 主要用于替代醇沉工藝，除去煎煮液中的雜質(zhì)，研究處于起步階段等。 在血漿分離中的應(yīng)用 已被證實(shí)是可行的方法，但國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展研究。,膜技術(shù)用于中藥精制,陶瓷膜的優(yōu)勢(shì)： 1、煎煮液無(wú)需冷卻可直接過(guò)濾，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)； 2、膜的再生方便，除菌徹底,膜本身可直接高溫滅菌； 3、無(wú)論中藥水提液

16、性質(zhì)如何,對(duì)膜本身沒(méi)有影響； 4、對(duì)中藥有效成份基本無(wú)截留； 5、口服液生產(chǎn)，放置時(shí)間顯著延長(zhǎng)，無(wú)瓶底沉淀物； 6、制片劑或粉劑時(shí)，賦型劑用量比醇沉法減少1/3； 7、對(duì)水提液和醇提液均可適用； 8、對(duì)單方和復(fù)方中藥均可適用。,膜技術(shù)用于中藥精制,傳統(tǒng)中藥精致工藝(醇沉法)。 工藝復(fù)雜，成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，水溶性有效成分損失大,洗凈,蒸發(fā),煎煮,除雜,醇沉,乙醇回收,蒸發(fā)濃縮,膜過(guò)濾,膜濃縮,產(chǎn)品,陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝,黃芪單方微濾與醇沉之成分損失率、固形物去除率、濁度降低率比較,1. 經(jīng)醇沉及膜分離，目標(biāo)成分含量均有下降； 2. 膜過(guò)濾后目標(biāo)成分損失明顯低于醇沉工藝。 3.

17、 提高收率的方法 a. 多次醇沉 b. 加水洗滌過(guò)濾 4. 膜過(guò)程的優(yōu)化尤為重要,陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清實(shí)驗(yàn),A:糖渴清復(fù)方A組水提液 B:糖渴清復(fù)方B組水提液 C:中藥金剛藤水提液,0.2um對(duì)三種不同中藥體系的滲透性能比較,陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清中試實(shí)驗(yàn),11味單方藥材,A組根莖類,B組葉果實(shí)類,煎煮液188.8kg,煎煮液193kg,MF,殘留液,滲透液,加水滲析,MF,殘留液,滲透液,加水滲析,后續(xù)加工成藥,陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝糖可清中試實(shí)驗(yàn),陶瓷膜處理量：250l/h 實(shí)驗(yàn)?zāi)み\(yùn)行時(shí)間：1.5小時(shí) 膜孔徑：0.2微米，氧化鋯

18、材質(zhì) 批次：2次 總黃酮收率： 95.4% 固含物去除率：A組：23.4%，B組：32.6%,陶瓷分離膜取代醇沉過(guò)程的中藥提取新工藝與醇沉工藝比較,膜技術(shù)在植物提取工藝中的應(yīng)用,傳統(tǒng)植物提取液分離工藝的三大問(wèn)題： 以高原料消耗獲取目標(biāo)組分分離； 以高能耗獲取溶劑回收和目標(biāo)組分濃縮； 以環(huán)境污染代價(jià)獲取經(jīng)濟(jì)效益,經(jīng)過(guò)陶瓷膜工藝處理后，物料的濁度有了明顯的下降,膜集成過(guò)程的研究陶瓷膜分離（洋姜）,操作壓差、膜面流速、操作溫度對(duì)滲透通量的影響,滲透液,母液,3次洗脫后（加水量為原液的1/3），母液糖度降低了約30，表明母液中的單糖已得到了脫除（95%）；電導(dǎo)率下降了約79； 納濾工藝具備脫除單糖、脫

19、鹽、濃縮三重功能。,膜集成過(guò)程的研究納濾膜分離（洋姜）,溶液糖度和電導(dǎo)率隨操作時(shí)間的變化,膜集成過(guò)程的研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)考察以及過(guò)程優(yōu)化的結(jié)果，設(shè)計(jì)了4m3/hr膜集成工藝，包括陶瓷膜、納濾膜和反滲透膜等分離技術(shù)。,陶瓷膜分離、納濾、反滲透 集成新工藝的處理量達(dá)12000噸/年,洋姜提取膜工藝,膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用,微生物發(fā)酵在生化行業(yè)中具有舉足輕重的地位,終產(chǎn)物都是在發(fā)酵中形成。但發(fā)酵過(guò)程中存在許多制約因素，就分離而言，原料的預(yù)處理中除去蛋白，發(fā)酵中及時(shí)分離微生物代謝產(chǎn)物，發(fā)酵終了后所要求組分從發(fā)酵液中的分離、其它組分的回收利用，以及發(fā)酵廢液的處理，都是發(fā)酵過(guò)程要解決的問(wèn)題。 涉及下游細(xì)胞回收、發(fā)酵液澄清、產(chǎn)品凈化等諸多方面，另外酶膜反應(yīng)器、膜傳感器等也是研究熱點(diǎn)。,膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用,生化產(chǎn)品的特點(diǎn) 1、目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低 2、初始物料成分相當(dāng)復(fù)雜 3、生物活性物質(zhì)穩(wěn)定性差，易失活、降解 4、產(chǎn)品種類繁多 5、應(yīng)用面廣，對(duì)純度和含量要求高,膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用,采用膜分離的優(yōu)勢(shì)： 1、條件溫和，能保持生物活性 2、選擇性好，分離系數(shù)高 3、活性產(chǎn)物的量和具有較高的收率 4、分離步驟明顯減少 5、分離快速，生產(chǎn)能力顯著提高,膜技術(shù)在生物與制藥工業(yè)中的應(yīng)用,膜分離的主要應(yīng)用： 發(fā)酵液澄