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膜分離技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展
第29卷第10期(上)
2013年10月赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofChifengUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.29No.10
Oct.2013
膜分離技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展
徐興雨
(中國(guó)石油大學(xué)
摘
理學(xué)院,北京
102249)
要:簡(jiǎn)要介紹了微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析等幾種膜分離技術(shù)的分離機(jī)理、制備方法和特
點(diǎn);并介紹了膜分離技術(shù)在食品、醫(yī)藥、石油化工、水處理等方面的應(yīng)用及其膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).
關(guān)鍵詞:膜分離;應(yīng)用;發(fā)展趨勢(shì)
中圖分類號(hào):TQ028.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-260X(2013)10-0041-
03
為1 ̄10萬(wàn)的大分子.超濾膜的篩分孔徑小,它可截
油脂、蛋白質(zhì)、有機(jī)大分子、懸浮物等留病毒病菌、
[4]
.高亞寧等[5]使用0.8% ̄1%的硼酸作為交聯(lián)劑對(duì)纖維強(qiáng)度進(jìn)行改進(jìn),原液中硼酸的目的是使擠入堿性凝固浴中的紡絲原液與硼酸發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)減少大分子的纏結(jié),形成網(wǎng)絡(luò)狀凝膠.肖凱軍等[6]采用戊二醛交聯(lián)法,通過(guò)用聚乙二醇(PEG-1000)和戊二醛交聯(lián)劑對(duì)基膜進(jìn)行親水化預(yù)處理,制備了一種新型聚乙烯醇(PVAL)超濾膜.該PVAL超濾膜具有耐污
耐酸性和耐高溫,可獲得廣泛的應(yīng)用.超濾膜具染、
有以下特點(diǎn):(1)超濾可在常溫下進(jìn)行,那些對(duì)熱敏
濃縮、精制都可在不影響質(zhì)量的情況物質(zhì)的分離、
下進(jìn)行.(2)超濾過(guò)程不會(huì)發(fā)生相變,因此與一般相變分離法相比,它的能耗較低.(3)超濾過(guò)程以壓力作為驅(qū)動(dòng)力,裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便,容易維修[7].1.3納濾
納濾膜分離的基本技術(shù)原理[8]較為簡(jiǎn)單(見圖1),在過(guò)濾過(guò)程中料液通過(guò)泵的加壓,料液以一定流速沿著濾膜的表面流過(guò),大于膜截留分子量的物質(zhì)分子不透過(guò)膜流回料罐,小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過(guò)膜,形成透析液.因此膜系統(tǒng)都有兩個(gè)出口,一是回流液(濃縮液)出口,另一是透析液出口,影響膜通量的因素有溫度、壓力、固含量、離子濃度、黏度等.趙理等[9]以聚砜為膜原料,添加一定量的新型二胺,以DMAC溶劑,得到中空纖維PSF
膜分離是指借助膜的選擇滲透作用,在外界能
量或化學(xué)位差的推動(dòng)下對(duì)混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)
分級(jí)、提純和富集.該技術(shù)作為新的分離凈行分離、
化和濃縮技術(shù),與其他傳統(tǒng)的分離方法相比,常溫
節(jié)能、工藝簡(jiǎn)便、投資少、污染小,下操作,有高效、
并且膜分離具有過(guò)程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用、分離系數(shù)較
沒(méi)有污染、能適合常溫下連續(xù)操作、可直接放大、大、可專一配膜等優(yōu)點(diǎn)[1].人類對(duì)于膜的研究源于18世紀(jì),但是膜分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用是在上個(gè)世紀(jì)60年代以后.從六十年代的反滲透到九十年代的滲透汽化,膜分離技術(shù)發(fā)展迅速.膜分離技術(shù)的應(yīng)用
、微領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,常用的膜分離技術(shù)有超濾(UF)
濾(MF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、電滲析(ED)、等.現(xiàn)已涉及人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面,對(duì)水處理工
化工生產(chǎn)、醫(yī)藥、食品生產(chǎn)和生物工程等領(lǐng)域的業(yè)、
發(fā)展產(chǎn)生了巨大的作用.
1膜分離技術(shù)的分離原理及其特點(diǎn)1.1微濾
微濾(MicroporousFiltration)膜分離技術(shù)起始于十九世紀(jì)中期,是以靜壓差為動(dòng)力,利用篩網(wǎng)狀過(guò)濾介質(zhì)膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過(guò)程.張慶勇等[2]簡(jiǎn)單闡述了利用固態(tài)粒子燒結(jié)法制備技術(shù)和方法.并應(yīng)用于水處理和油水分離等領(lǐng)域.微濾膜的特點(diǎn)(1)孔隙大,流速快.由于膜很薄,阻力小,其過(guò)濾速度較常規(guī)過(guò)濾介質(zhì)快幾十倍.(2)孔徑均勻,過(guò)濾精度高.能夠?qū)⒁后w中所有大于制定孔徑的微粒全部截留.(3)無(wú)吸附或少吸附.微孔膜厚度一般在90 ̄150Lm之間,因而吸附量很少,可忽略不計(jì).(4)無(wú)介質(zhì)脫落.微濾膜為均一的高分子材料,過(guò)濾時(shí)沒(méi)有纖維或碎屑脫落,因此能得到高純度的濾液[3].1.2超濾
超濾是一種以機(jī)械篩分原理為基礎(chǔ),以膜兩側(cè)壓(100 ̄1000kPa)差為驅(qū)動(dòng)力的膜分離技術(shù).它可分離液相中直徑在0.05 ̄0.2μm的分子和分子量
圖1膜分離操作基本工藝流程
-41-
基膜.再以TMC和PIP為縮聚單體,正己烷和水為兩相溶劑,并在水相中添加一定量的二氧化硅納米顆粒.制備了所需的納濾膜.
納濾膜的特點(diǎn):(1)離子選擇性,納濾膜對(duì)單價(jià)鹽的截留率僅為10%~80%,具有相當(dāng)大的滲透性,而二價(jià)及多價(jià)鹽的截留率均在90%以上.(2)截留相對(duì)分子質(zhì)量,截留相對(duì)分子質(zhì)量(MWCO)在200 ̄1000之間,適宜于分離相對(duì)分子質(zhì)量在200
以上,大小約為1nm的溶解組分[10].(
3)操作壓力低,操作壓力低,納濾膜組件的操作壓力,一般為0.7MPa,最低為0.3Mpa[11].1.4反滲透
反滲透(ReverseOsmosis)是利用膜的選擇性,以反滲透膜兩側(cè)靜壓差為驅(qū)動(dòng)力,允許溶劑通過(guò)而第一文庫(kù)網(wǎng)截留離子物質(zhì),對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的過(guò)程.進(jìn)行反滲透分離過(guò)程有2個(gè)必要條件[12]:一是外加壓力必須大于溶液的滲透壓力(操作壓力一般為1.5 ̄10.5MPa);二是必須有一種高透水性、高選擇性的半透膜.反滲透膜微孔孔徑一般小于1nm,對(duì)絕大部分無(wú)機(jī)鹽、溶解性有機(jī)物和膠體有很高的去除率.周勇等[13]采用間苯二胺分別與均苯三甲酞氯、5一異氰酸醋異酞酞胺(ICIC)、5一氯甲酸異酞酞氯(CFIC)通過(guò)界面聚合工藝制備反滲透復(fù)合膜.反滲透的特點(diǎn):(1)在常溫不發(fā)生相變的情況下,可以對(duì)水和溶質(zhì)進(jìn)行分離.(2)具有較高的水回用率和脫鹽率.(3)反滲透膜分離技術(shù)雜質(zhì)去除的范圍廣.(4)利用較低壓力作為膜分離動(dòng)力,分離裝置簡(jiǎn)單,操作、維護(hù)和自控簡(jiǎn)便,現(xiàn)場(chǎng)安全衛(wèi)生[14](.5)膜分離技
術(shù)有冷殺菌的作用,且能耗低、
費(fèi)用省、速度快、不污染環(huán)境[15].1.5電滲析
電滲析(ED)是在外加直流電場(chǎng)的作用下,利用離子透過(guò)選擇性離子交換膜而遷移,使帶電離子從水溶液和其他不帶電組分中部分分離出來(lái)的一
種電化學(xué)分離過(guò)程[16].其原理
(如圖2)所示,在外加直流電場(chǎng)的作用下,以電位差為驅(qū)動(dòng)力,原水中的陽(yáng)離子向陰極遷移,淡化室中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)
圖2
電滲析技術(shù)原理
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入濃縮室,但濃縮室中的陽(yáng)離子受阻于陰膜而留
下;同時(shí)原水中陰離子向陽(yáng)極遷移,淡化室中的陰離子透過(guò)陰膜進(jìn)入濃縮室,但濃縮室中的陰離子受阻于陽(yáng)膜而留下.電滲析技術(shù)具有以下特點(diǎn):電滲
析技術(shù)由于具有能耗低、
藥劑耗量少、環(huán)境污染小、操作簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于海水、苦咸水脫鹽[17].2膜分離技術(shù)的應(yīng)用
膜分離技術(shù),作為一種新型的分離技術(shù),既能對(duì)廢水進(jìn)行有效的凈,高效地去除污染物,又能回收一些有用物質(zhì),同時(shí)具有節(jié)能、無(wú)相變、安全性高、生物穩(wěn)定性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn),因此在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用并顯示了廣闊的發(fā)展前景.
2.1在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用
在合成氨方面,可用于高壓機(jī)后新鮮氣油分離采用超濾,技術(shù)除去新鮮氣中的油水塵等雜質(zhì),大大改善了冷交換器的油污和積炭堵塞現(xiàn)象,進(jìn)一步優(yōu)化了操作條件,降低了能耗,有效保護(hù)了合成塔觸媒.聯(lián)堿生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生重堿、食鹽、純堿等有用物質(zhì)的母液泄漏及生產(chǎn)設(shè)備沖洗水外排,既造成了浪費(fèi),又對(duì)環(huán)境造成了污染[18].徐昌松等[19]采用電滲析技術(shù)處理聯(lián)堿含鹽廢水,可將含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聯(lián)堿廢水濃縮到10%,而淡液含鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%.結(jié)果表明采用電滲析技術(shù)處理聯(lián)堿廢水是可行的,可實(shí)現(xiàn)聯(lián)堿生產(chǎn)廢水零排放.大多數(shù)有機(jī)溶劑(如醇類、酮類、酯類等)常含有少量水會(huì)形成共沸物,用恒沸精餾、萃取精餾等特殊精制工
藝脫水,存在工藝復(fù)雜、
能耗高等問(wèn)題.使用膜選擇分離技術(shù)進(jìn)行脫水就不再受恒沸點(diǎn)制約,容易從有機(jī)溶劑混合物中脫除微量水,可大幅度降低分離過(guò)程能耗[20].
2.2在環(huán)境中的應(yīng)用
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,人們對(duì)水質(zhì)量的要求也不斷提.柴克鵬[6]在對(duì)星級(jí)賓館的擴(kuò)建改造中,將賓館所排放的污水進(jìn)行收集后處理后,將其用于綠化和廁所用水.所選用的超濾膜為聚丙烯中空纖維膜,利用該膜組件和采用反洗工藝來(lái)處理污水,處理后的水質(zhì)完全符合預(yù)期要求.王立國(guó)等[21]采用核桃殼過(guò)濾器—超濾裝置組合工藝處理油田含油污水,油的質(zhì)量濃度由10.98mg/L降到0.33mg/L,出水達(dá)到A1類標(biāo)準(zhǔn)的要求.
填埋式處理垃圾的方法,是我國(guó)處理垃圾的主要方式,因此將會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾滲透液.王薇等[22]采用MBR和納濾集成處理工藝對(duì)垃圾滲透液進(jìn)行處理可有效截留MBR產(chǎn)生中的COD、色度等,經(jīng)過(guò)納濾處理過(guò)的垃圾滲透液符合污染物的特別排放標(biāo)準(zhǔn).李黎等[23]
在峨眉山市垃圾滲濾液處理工程
中,納濾系統(tǒng)采用納濾卷式膜,運(yùn)行壓力0.5 ̄1.7Mpa.運(yùn)營(yíng)至今運(yùn)行情況穩(wěn)定,納濾出水完全達(dá)標(biāo)排放.
2.3在醫(yī)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用
超濾技術(shù)是一種用以分離、
提純和濃縮物質(zhì)的新方法.以膜兩側(cè)壓差為推動(dòng)力,利用膜孔徑大小來(lái)進(jìn)行篩分.邱禮新等[24]采用中空纖維超濾膜法制備精制雙秦滴眼液,采用中空纖維超濾設(shè)備,所用原液采用經(jīng)鑒定的生藥加水煎煮而成.經(jīng)研究證明,經(jīng)過(guò)超濾技術(shù)所制備的雙秦滴眼液的PH為7.5接近中性,并且具有良好的穩(wěn)定性;其中所含的藥物成分有所提高.劉洪謙等[25]運(yùn)用超濾法精制生脈飲口服液,利用外壓式中空纖維超濾膜來(lái)進(jìn)行篩分證明超濾法能有效去除雜質(zhì)、提高產(chǎn)品澄清度,并且能保留原配方的成分.2.4在食品中的應(yīng)用
乳清是干酪生產(chǎn)中排出的質(zhì)量約為加工原料奶90%比例的副產(chǎn)物.孔凡丕等[26]運(yùn)用GFLB-75N型管式分離機(jī)納濾膜選用OsmonicsDK2540F納濾膜,以及小型噴霧干燥設(shè)備等儀器對(duì)干酪進(jìn)行乳清脫鹽處理.所得的乳清酚灰為4.76%比原料降低了45.28%,乳清蛋白幾乎完全截留.在對(duì)脫脂牛奶的處理中.食鹽的截留率約為60%.結(jié)果表明,采用納濾處理可有效地去除雜味和鹽味,并不破壞牛奶的口味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值.3發(fā)展趨勢(shì)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,膜分離技術(shù)作為一種新型的單元操作過(guò)程,在許多行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,并且在某些行業(yè)應(yīng)用的比較成熟.在對(duì)于
生產(chǎn)成本要求不斷降低、
產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高的今天,膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯.
由于膜分離技術(shù)的大量應(yīng)用是近些年開始的,因此膜技術(shù)的發(fā)展也受到一些因素的制約:如膜污
染、
膜產(chǎn)品的價(jià)格和膜分離要求的提高.如果我國(guó)的科研人員能將這幾個(gè)方面的問(wèn)題更好的解決,膜分離技術(shù)將在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用.———————————————————
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