1、西安建筑科技大學 課程論文分離科學與工程課 程 論 文題 目：膜分離技術的應用及發展趨勢專業班級：學生姓名：學 號：時 間：2014年12月6日膜分離技術的應用及發展趨勢摘要：膜分離技術是近十幾年發展起來的一種高新技術，隨著膜設備和技術的不斷發展和成熟，其在各行業中有著廣泛的應用。本文介紹了膜分離技術的特性，闡述了膜分離技術在食品工業、水處理、生物技術、醫藥工業和醫療設備方面的應用，并展望膜分離技術應用領域的發展前景，分析膜分離技術在膜材料、新的膜過程和膜通量等方面的發展趨勢，同時指出膜分離技術將在人類社會的發展史上起到不可替代的作用。關鍵詞：膜分離技術；發展趨勢；膜材料；膜過程。一 膜分離技

2、術11 膜分離技術的原理12 膜分離技術的特點13 膜分離技術的類型2（1）超濾2（2）納濾2（3）微濾3（4）反滲透3二 膜分離技術的應用現狀31 膜分離技術在食品工業中的應用32 在啤酒無菌過濾中的應用43 膜分離技術在飲用水制取中的應用54 膜分離技術在廢水處理中的應用55 膜分離技術在生物技術中的應用56 在醫藥工業和醫療設備中的應用67 膜分離技術在中草藥中的應用6三 膜分離技術的發展趨勢71 膜材料72 新的膜過程8( 1 ) 膜蒸餾8( 2 ) 膜萃取93 膜集成過程9四 結論10膜分離技術是指用天然或人工合成的具有選擇透過性膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶

3、質和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的邊緣學科高新技術。由于膜分離技術具有節能、高效、簡單、造價低、無相變、可在常溫下連續操作等優點， 而且特別適合熱敏性物質的處理的特點，其應用已滲透到人們生活和生產的各個方面，現已被廣泛應用于化工、環保、生物工程、醫藥和保健、食品和生化工程等行業。雖然膜分離技術的應用在許多方面離產業化要求還有很長的距離，但是隨著新型膜材料的不斷開發、高效的強化膜過程分離技術研究的不斷深入, 膜分離技術應將得到更加廣泛的應用，其在未來是世界各國研究的熱點，它將在各個領域發揮更引人注目的作用。一 膜分離技術1 膜分離技術的原理膜分離技術是一種使用半透膜的分離方法，在常溫下以膜兩側

4、壓力差或電位差為動力，對溶質和溶劑進行分離、濃縮、純化。膜分離技術主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分流質和溶劑進行分離、分級、提純和富集操作。現已應用的有反滲透、納濾、超過濾、微孔過濾、透析電滲析、氣體分離、滲透蒸發、控制釋放、液膜、膜蒸餾膜反應器等技術，其中在食品、藥學工業中常用的有微濾、超濾和反滲透3 種。2 膜分離技術的特點膜分離技術作為一種新型的分離技術, 具有以下特點：1 在常溫下進行， 特別適用于熱敏性物質的分離、分級、提純和濃縮， 且可以同步進行能較好地保持產品原有的色、香、味和營養成分；2 分離過程中不發生相變，揮發性物質損失少，

5、節約能源；3 具有冷殺菌作用，保存期長，無二次污染；4 選擇性好，應用范圍廣，但要選擇相應的膜類型；5 設備簡單，易于操作，可連續進行， 效率高。3 膜分離技術的類型目前己經研究和開發的膜分離技術有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透蒸發和氣體分離等。正在開發研究中的新的膜技術有真空膜蒸餾、支撐液膜、膜萃取、膜生物反應器、膜控制釋放、仿生膜以及生物膜等過程。（1）超濾超濾的截留相對分子質量在1000-100000之間，選擇某一截留相對分子質量的膜可以將雜質與目標產物分離。超濾技術在生化產品分離中應用最早、最為成熟，已廣泛應用于各種生物制品的分離、濃縮。早期的工業超濾應用于廢水和污水處理。三十

6、多年來，隨著超濾技術的發展，如今超濾技術已經涉及食品加工、飲料工業、醫藥工業、生物制劑、中藥制劑、臨床醫學、印染廢水、食品工業廢水處理、資源回收、環境工程等眾多領域。（2）納濾納濾膜具有納米級孔徑，截留相對分子質量為200-1000， 能使溶劑、有機小分子和無機鹽通過。納濾可以采用兩種方式提取抗生素，一是用溶劑萃取抗生素后，萃取液用納濾濃縮，可改善操作環境；二是對未經萃取的抗生素發酵液進行納濾濃縮，除去水和無機鹽，再用萃取劑萃取，可減少萃取劑用量。納濾的主要應用領域涉及：食品工業、植物深加工、飲料工業、農產品深加工、生物醫藥、生物發酵、精細化工、環保凈水和污水處理及其資源化工業。（3）微濾鑒于

7、微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到凈化、分離、濃縮的目的。微濾是發展最早、制備技術最成熟的膜形式之一，孔徑在0.05-10m 之間，可以將細菌、微粒、亞微粒、膠團等不溶物除去，濾液純凈，國際上通稱為絕對過濾。由于微濾孔徑相對較大，單位膜面積透水率高，而且制備成本最低，使用范圍非常廣，其銷售額居于各類膜的首位。（4）反滲透由于反滲透分離技術的先進、高效和節能的特點，在國民經濟各個部門都得到了廣泛的應用，主要應用于水處理和熱敏感性物質的濃縮，主要應用領域包括以下：食品工業、牛奶工業、飲料工業、植物（農產品）深加工、生物醫藥、生物發酵、制備

8、飲用水、純水、超純水、海水、苦咸水淡化、電力、電子、半導體工業用水、醫藥行業工藝用水、制劑用水、注射用水、無菌無熱源純水、食品飲料工業、化工及其它工業的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水。二 膜分離技術的應用現狀1 膜分離技術在食品工業中的應用膜分離技術用于食品工業開始于20世紀 60 年代末， 首先是從乳品加工和啤酒的無菌過濾開始的， 隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒精類精制等方面。至今，膜分離技術在食品加工中已得到廣泛應用。主要用于以下幾個方面： 1 利用膜分離技術對植物蛋白進行濃縮、提純和分離。 2 利用膜分離技術加工乳制品。 3 利用膜分離技術對卵蛋白驚醒濃縮。 4 利用膜分離技術對

9、動物血漿進行濃縮。 5 利用膜分離技術對明膠進行提純。 6 在含酒精飲料加工中的應用。 7 在非酒精飲料加工中的應用。 8 膜分離技術在處理淀粉廢水中的應用。 9 膜分離技術在制糖工業中的應用。 10 膜分離技術在食用油加工中的應用。 11 膜分離技術在食品添加劑生產中的應用。膜分離技術用于食品加工有很多優點： 與傳統方法相比， 不會因加熱而產生色、香、營養成分等質量指標的惡化；節省能源、設備占地面積小；更重要的是由于分離膜性能的提高， 能在很高精度水平下分離各種成分。2 在啤酒無菌過濾中的應用啤酒的無菌過濾是啤酒生產過程中提高產品質量的重要環節，它直接關系著啤酒品質的穩定性、外觀及口感。褚良

10、銀等。采用無機陶瓷膜對啤酒進行除菌過濾， 對膜孔徑的選擇、膜器結構優化、膜濾運行過程強化等方面進行了系統的試驗研究， 提出了一套新型高效的膜器結構與工藝設計的依據； 翁佩芳等還采用膜錯流過濾和新型的無菌灌裝系統的消毒滅菌方法對無菌生啤酒的生產工藝進行設計， 使整個生產工藝系統高效、優化運行， 同時加強生產操作及衛生的管理， 生產出色澤、品質優良、保質期長的無菌鮮啤酒。3 膜分離技術在飲用水制取中的應用近年來，膜分離技術在飲用水制取方面得到了廣泛應用，而且處理規模也越來越大。僅應用超濾工藝的水廠中凈化規模每天在 20×104m3以上的已有數座，超濾水廠的總處理量已超過每天 800

11、15;104m3。還有許多廠家利用微濾工藝進行處理，可見，膜處理法已經成為飲用水制取最常見的方法。微濾可以有效去除小顆粒有機物和懸浮固體，但天然和人工合成的有機物僅用微濾的方法是不能去除的，需要與其他方法相結合，微濾結合混凝、吸附預飲用水越來越引起人們的關注，趙鵬等人用兩個PAC結合微濾技術處理河水，在兩個反應器中維持很高的出水通量達到 167L/m2·h，實驗證明不同粒徑的 PAC，在高通量下都對有機物有很好的去除率。韓國的Jeong-ikOh等人研究微濾結合在線快速攪拌器加混凝劑生產飲用水，當加入混凝劑為1.1 mg/L時，膜阻力最小，電勢接近于零，此時具有很好的處理效果。4 膜

12、分離技術在廢水處理中的應用隨著工業化的發展，大量的工業廢水和生活廢水排入水體中，嚴重影響了水質。為了保護環境不受污染，并能回收一些有用物質，需對工業和生活污水進行處理，以達到排放標準要求。廢水處理中常采用超濾和納濾技術。據研究采用納濾技術處理城市污水，可有限地降低水的濁度、色度及有機物；經超濾處理后的出水可用于循環冷卻水、造紙用水等對水質要求不高的工業用水水源，這大大地提高了水的利用率。5 膜分離技術在生物技術中的應用在生物技術方面, 膜技術也有各種應用，其中應用最廣泛的是微濾和超濾技術。例如： 從植物或動物組織萃取液中進行酶的精制； 從發酵液或反應液中進行產物的分離、濃縮等。膜技術應用于蛋白

13、質加水分解或糖液生產， 有助于穩定產品質量, 提高產品的收率和降低成本。由于應用分離膜可以在室溫下進行物理化學分離， 所以它特別適合于熱敏性生物物質的分離。可以想象膜分離技術在生物技術方面將會得到越來越廣泛的應用。但膜技術用于生物技術也有一些問題，其中最主要的是： 與色譜法比較， 分離精度不高。同時多組分分離做不到；膜上容易形成附著層, 使膜的通量顯著下降； 操作結束后，膜清洗困難； 膜的耐用性差。這幾點是影響膜技術在生物工程領域應用的最主要的原因。因此， 如何改進和解決上述問題就成為膜分離技術在該領域應用的主要研究方向。6 在醫藥工業和醫療設備中的應用膜分離技術在這方面的應用已經有30多年的

14、歷史,現在微濾、超濾、反滲透和滲透等膜技術已經在醫藥和醫療設備上得到了廣泛的應用。在制藥工業中膜技術主要用于：1 利用微濾技術進行藥物澄清；2 利用超濾和反滲透技術進行藥液精制和濃縮；3 利用分滲透技術制備滅菌水，除熱原水和注射水等；4 滲析技術在醫藥科學中的典型應用是人工模擬腎臟進行血液的透析分離；5 利用親合膜技術,通過在膜上固載特定的功能配位鍵。在醫療設備方面除了用于藥物控制釋放的膜技術外，膜式人工肺、人工腎也都應用了膜分離技術。隨著新的膜材料的出現以及膜成本的降低，膜技術將會在醫藥和醫院中起到更重要的作用。7 膜分離技術在中草藥中的應用分離純化中的應用中草藥所含化學成分極其復雜，通常含

15、有苷類、黃酮、生物堿等有效成分，同時還含有蛋白質、膠體、淀粉、無機鹽等無效成分，這些無效成分的存在，會降低有效分的濃度,影響其中藥的品質和功效，同時也給中藥的分離帶來復雜性，因此有必要對中草藥的有效部位和有效成分進行分離純化。研究表明，不同組分間的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多數在200- 1000，無效成分的分子量在50000以上,一些無機鹽類的分子量則不足100。膜分離技術是利用膜孔徑大小特征在常溫下對溶質和溶劑進行分離達到純化目的,研究表明膜分離技術在中草藥分離純化中的應用主要有三大功能，即截留大分子雜質、濾除小分子物質和脫水濃縮。三 膜分離技術的發展趨勢1 膜材料眾所周

16、知 ，生物膜 具有驚人 的分離效率 。例如 ，海帶從海水 中富集碘 ，其 濃度 比海水 中碘 大l 0 0 0多倍 ；石毛 (藻類濃縮鈾的濃縮率達7 5 0 倍。因此，仿生是分離膜的發展方向。生物膜是建立在分子有規則排列的基礎上，而目前使用的分離膜多是功能高分子膜 ，是不規則鏈排列的聚合物 。仿生膜要克服這一根本差別，達到生物膜的分離水平，還是一個比較遙遠的目標。當前，分離膜材料發展的趨向是： 1 繼續開發功能高分子膜材料。一是根據現今對膜分離機理的認識，繼續合成各種分子結構的功能高分子，制成均質膜，定量地研究分子結構與分離性能之間的關系。這類工作主要結合氣體分離膜過程進行二是在膜的表面進行改

17、性。根據不同的分離對象，引入不同的活化基團，使其“活化”。一般的表面改性方法有：先將膜材料改性，然后成膜；過化學反應進行表面改性。三是發展高分子合金膜。兩種高分子混合一般情況下要比通過化學反應合成新材料容易些。它還可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基團，在更大范圍內調節其性能技術上的難點是許多熱力學性質不一致的高分子不容易達到真正互溶，需要選擇合適的高分子對(polymer pair)和尋找能互溶的工藝條件。這一方面的工作主要結合水溶液分離膜進行。2 開發無機膜材料。無機膜的制備始于2 0世紀4 0年代，由于存在著不可塑、受沖擊易破損、成型性差以及價格較昂貴等弱點，長期以來發展不快。但是，隨著

18、膜分離技術及其應用的發展，在膜使用條件上提 出愈來愈高的要求，不少膜催化反應要求在幾百度高溫下進行；膜用于食品及生物產品分離，要求具有耐高溫蒸汽多次清洗仍能保持分離性 能不變有些顯然是高分子膜材料所無法滿足的 。 2 新的膜過程 膜分離技術與傳統的分離技術或反應過程相結合，發展出一些嶄新的膜過程。這些新的膜過程在不同程度上吸取了二者的優點而避免了某些原有的弱點 。 ( 1 ) 膜蒸餾 將膜法與蒸餾法有機地結合起來的膜蒸餾，是最近幾年發展起來的一種新型膜分離技術。在膜蒸餾過程中既有常規蒸餾中的蒸汽傳質冷凝過程，又有分離物質擴散透過膜的膜分離過程。它避免了蒸餾法易結垢、怕腐蝕和反滲透法需要高壓操作

19、的缺點。用作膜蒸餾的高分子都是疏水性的，如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、鹵化聚乙烯、含氟高分子等。普遍認為聚四氟乙烯最好，膜蒸餾目前尚處于起步階段。用于海水脫鹽已建成中型試驗裝置，以期由現場試驗作出評價。提高通量是膜蒸餾技術目前主攻方向。當技術進一步成熟后，在制藥、生物工程等方面的應用將會顯其特色。 ( 2 ) 膜萃取2 0世紀8 0年代初一個將膜分離與液一 液萃取過程相結合的新過程膜萃取開始出現。膜萃取的傳質過程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面進行的，因此它不存在通常萃取過程中液滴的分散與聚合現象。膜萃取的優點還在于：1 沒有相的分散和聚結過程，可減少萃取劑在料液相中夾帶損失。2 不形成

20、直接接觸的液液二相流動，使選擇萃取劑范圍可大大放寬。3 兩相在膜兩側分別流動 ，使過程免受 “ 返混”的影響和 “ 液泛”條件的限制。4 可較好地發揮化工單元操作中的某些優勢，提高傳質效率。5 料液相與萃取相在膜兩側的同時存在可避免膜內溶劑的流失。膜萃取過程目前還處在實驗室研究階段。常用的是中空纖維裝置。近年來正開展膜萃取的工藝過程研究，膜萃取器材料的浸潤性及過程傳質機理研究，流體在膜器中流型分布研究以及膜器設計方法初探性研究等。 3 膜集成過程在解決某一具體分離目標時，綜合利用幾個膜過程，使之各盡所長，往往能達到最大限度的分離效果，取得最佳的經濟效益。這是近年來膜分離技術發展中出現的又一個趨向。例如，微電子工業用超純水要綜合反滲透、離子交換和超濾；造紙工業黑液回收木質素磺酸鈉要用聚凝、超濾加反滲透；從生物發酵制無水乙醇要用膜反應器、膜蒸餾、反