膜分離技術、膜分離設備及膜分離工程

時間：2006-11-14 來源： 作者：

一、膜分離技術
    膜分離是在20世紀初出現，20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術。膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，已成為當今分離科學中最重要的手段之一。
    膜可以是固相、液相、甚至是氣相的。用各種天然或人工材料制造出來的膜品種繁多，在物理、化學、生物性質上呈現出各種各樣的特性。
    大多數人會認為，膜離我們的生活非常遙遠。其實不然，膜分離技術非常貼近我們的日常生活。如水、果汁、牛奶、保健品、中藥、茶食品、飲料、調味品等我們隨時可能接觸到的，都會用到膜分離技術。
    隨著國民經濟的迅速發展，膜分離技術的應用領域不但會越來越廣泛，而且其會被越來越多的人認識和接受。據初步統計，2001年全世界膜和膜組件的銷售額已接近80億美圓，成套設備和膜工程的市場則已達到數百億美圓，而且每年還在以10%~20%的幅度遞增，顯示出這一新興產業的廣闊前景。

二、膜分離技術發展史、現狀及展望
（一）發展史
    膜在大自然中，特別是在生物體內是廣泛存在的，但我們人類對它的認識、利用、模擬直至現在人工合成的歷史過程卻是漫長而曲折的。我國膜科學技術的發展是從1958年研究離子交換膜開始的。60年代進入開創階段。1965年著手反滲透的探索，1967年開始的全國海水淡化會戰，大大促進了我國膜科技的發展。70年代進入開發階段。這時期，微濾、電滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發出來，80年代跨入了推廣應用階段。80年代又是氣體分離和其他新膜開發階段。
（二）現狀
    隨著我國膜科學技術的發展，相應的學術、技術團體也相繼成立。她們的成立為規范膜行業的標準、促進膜行業的發展起著舉足輕重的作用。
半個世紀以來，膜分離完成了從實驗室到大規模工業應用的轉變，成為一項高效節能的新型分離技術。1925年以來，差不多每十年就有一項新的膜過程在工業上得到應用。
    由于膜分離技術本身具有的優越性能，故膜過程現在已經得到世界各國的普遍重視。在能源緊張、資源短缺、生態環境惡化的今天，產業界和科技界把膜過程視為二十一世紀工業技術改造中的一項極為重要的新技術。曾有專家指出：誰掌握了膜技術誰就掌握了化學工業的明天。
    80年代以來我國膜技術跨入應用階段，同時也是新膜過程的開發階段。在這一時期，膜技術在食品加工、海水淡化、純水、超純水制備、醫藥、生物、環保等領域得到了較大規模的開發和應用。并且，在這一時期，國家重點科技攻關項目和自然科學基金中也都有了膜的課題。
    目前，這一潛力巨大的新興行業正在以蓬勃的激情挑戰市場，為眾多的企業帶來了較為顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。
（三）展望
    當前，膜分離技術已獲得巨大的進展，但它畢竟還是處于上升發展階段，還有許多工作要我們去做。21世紀的膜科學與技術將進一步改進、完善已有的膜過程，不斷探索和開拓新的過程與材料，并不斷擴充原有的應用領域，使膜技術發揮發揮更大的作用。
  展望之一：
我們要致力于將新興的膜分離技術與傳統的工藝技術有機的結合起來，不斷將膜技術的研究成果從實驗室推向產業化應用。
  展望之二：
我們要致力于研究新的膜材料，開發研究新的聚合膜材料。
  展望之三：
我們要致力于研究開發新的成膜工藝，進一步制備超薄、高度均勻、無缺陷的非對稱膜皮層技術與工藝。
  展望之四：
我們要致力于將無機膜的發展推向前。無機膜由于擁有其他聚合物膜所無法具有的一些優點，如：無機膜具有耐酸、堿、耐有機溶劑，化學穩定性好，機械強度大，抗微生物污染能力強，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等，而受到學術界和工業化應用越來越多的重視。在以后的發展過程中，研究無機膜的新材料、新工藝是必然的趨勢。
  展望之五：
無論在學術上還是工業化應用當中，微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、氣體分離、滲透汽化等課題的研究都將是重中之重。
三、膜分離技術特點
    膜分離過程是一個高效、環保的分離過程，它是多學科交叉的高新技術，它在物理、化學和生物性質上可呈現出各種各樣的特性，具有較多的優勢。
與傳統的分離技術如蒸餾、吸附、吸收、萃取、深冷分離等相比，膜分離技術具有以下特點。
※ 高效的分離過程
※ 低能耗
※ 接近室溫的工作溫度
※ 品質穩定性好
※ 連續化操作
※ 靈活性強
※ 純物理過程
※ 環保
※ ……
四、膜分離過程的基本特性
    膜分離技術以其節能效果顯著、設備簡單、操作方便、容易控制而受到廣大用戶的普遍歡迎。選擇適當的膜分離過程，可替代鼓式真空過濾、板框壓濾、離子交換、離心分離、溶媒抽提、靜電除塵、袋式過濾、吸附/再生、絮凝/共聚、傾析/沉淀、蒸發、結晶等多種傳統的分離與過濾方法。
五、常用的膜分離過程
（一）微濾
    鑒于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。
具體涉及領域主要有：醫藥工業、食品工業（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業廢水、飲用水、生物技術、生物發酵等。
（二）超濾
    早期的工業超濾應用于廢水和污水處理。三十多年來，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。
（三）納濾              
    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、環保工業……
（四）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
（五）其他常用膜分離過程
    除了以上四種常用的膜分離過程，另外還有滲析、控制釋放、膜傳感器、膜法氣體分離等。
六、無機膜專欄
（一）無機膜概述及其特點
    無機膜的發展始于20世紀40年代，至今發展已經歷三個階段。由于無機膜的優異性能和無機材料科學的發展，無機膜的應用領域日益擴大，將無機膜與催化反應過程結合而構成的膜催化反應過程被認為是催化學科的未來三大發展方向之一。因此無機膜的應用成為當前膜技術領域的一個研究開發熱點。
    我國的無機膜研究始于20世紀80年代末，通過國家自然科學基金及各部委的支持，我國已能在實驗室制備出無機微濾膜、超濾膜以及金屬鈀膜。
    進入九十年代，國家科技部對無機陶瓷微濾膜的工業化技術組織了科技攻關，推進了陶瓷微濾膜的工業化進程。
    2002年第七屆國際無機膜大會在中國召開，標志著我國無機膜的研究與工業化應用已經進到國際領先水平。
    無機膜是由無機材料加工而成，是一種固態膜，以無機材料科學為基礎的無機膜具有聚合物分離膜所無法比擬的優點：

※ 孔徑分布窄、分離效率高，過濾效果穩定。
※ 化學穩定性好，耐酸、堿、有機溶劑。
※ 耐高溫，可用蒸氣反沖再生和高溫消毒滅菌。
※ 抗微生物污染能力強，適宜在生物醫藥領域應用。
※ 機械強度大，可高壓反沖洗，再生能力強。
※ 無溶出物產生，不會產生二次污染，不會對分離物料產生負面影響。
※ 分離過程簡單，能耗低，操作運轉簡便。
※ 膜使用壽命長。
※ ………………


（二）無機膜分類
  1、無機分離膜從表層結構上可以分為：致密膜和多孔膜兩大類。應工業化生產的需要，目前，多孔陶瓷膜應用較為成熟和廣泛。
  2、無機膜按照制膜材料，可以分為：陶瓷膜、金屬膜、合金膜、高分子金屬絡和物膜、分子篩復合膜、沸石膜、玻璃膜等。
  3、無機膜按照結構特點，可以分為：非擔載膜（主要在實驗室和科研工作中居多）和擔載膜（主要應用于工業化生產居多） 。

（三）無機膜結構
    工業上應用推廣極為成功的無機多孔分離膜元件，主要由三層結構構成：多孔載體、過渡層和活性分離層。

（四）無機膜元件、膜組件
  1、無機膜元件
    無機膜元件從微觀角度來看，有對稱和非對稱兩種結構。由于非對稱膜元件具有處理效果穩定、機械強度高、高滲透通量等優勢，因而，是目前工業化應用的主要形式。
    從幾何外形來看，商業無機膜有多種形式：多通道、管式、平板式、蜂窩體等。鑒于工業化生產需要較大的過濾面積，且多通道膜元件采用的是錯流過濾方式，不同于其他膜過濾形式，況且其具有安裝簡便、機械強度高、適合于工業化大生產應用等優點，因而多通道無機膜成為工業生產應用的主要產品。

  2、無機膜組件
    為了保證無機膜元件的正常使用，我們是要求將膜元件和膜外殼配套使用的，因此膜組件應運而生了。通常膜組件的形式按照裝填膜元件的支數命名，非常簡單明了。
無機膜的具體應用在是在分離和反應過程中以膜組件形式出現。無機膜組件是由1根、3根、7根、19根、37根或者是更多的根數的膜元件組成，這就根據具體使用者實際生產或者實驗的要求而定了。一臺無機膜設備通常包括很多膜組件。

（五）無機膜分離系統過濾方式
    無機膜分離系統包括膜組件、原料輸送系統、壓力流量測量控制系統等等。采用的主要是錯流過濾方式，與終端過濾不同的是，錯流過濾存在著滲透液和循環流體兩股液體。

（六）無機膜應用領域
    膜分離技術以其節能效果顯著、操作維護簡便、控制簡易而受到廣大用戶的普遍歡迎。選擇適當的膜分離過程，可替代真空過濾、板框壓濾、離子交換多種傳統的分離與過濾方法。
    無機膜的應用主要涉及液相分離與凈化，氣體分離與凈化和膜反應器三個方面。無機膜的工業化應用主要集中于液相分離領域，無機膜在液體分離方面的應用主要是微濾和超濾，其中使用最多的是陶瓷膜，占據了80%的市場。

食品飲料
  植（藥）物深加工
  果汁、蔬菜汁
  乳品工業
  農產品深加工
  糖類
  食品添加劑、天然色素、調味品
  酒類等

生化醫藥
  生物發酵液
  蛋白、酶
  中藥、保健品口服液
  動物血漿、血清
  醫藥及中間體

化學工業
  合成印染料及中間體
  精細化工
  化工原料及中間體
  合成及微生物農藥
  催化劑顆�；厥绽�用
  有機化工原料的回收
  精制化工酸、堿液

環境工程
  飲料工業、食品工業等各類工藝用水的制備
  食品、生物發酵、染料等工藝廢水處理
  制漿造紙、紡織工業、脫脂廢水處理
  含油廢水處理

空氣過濾
    在氣體分離領域應用主要包括氣體（空氣）的凈化和氣體組分的分離，但目前成功應用的僅是鈾同位素的分離，其他氣體凈化與分離過程均處于研究開發過程中。