渗透与膜分离技术 论文.docx

渗透与膜分离技术摘要：解释溶液的渗透现象及渗透压力，综述了膜分离技术的发展历史、技术特点、工艺原理与流程、应用领域、行业应用。膜分离技术作为一种能耗低、设备简单、操作方便和分离性能好的分离技术，正日益受到广泛的关注。关键词：渗透压力 膜分离技术 行业应用 工艺流程 问题与措施引言目前膜分离技术被公认为 20 世纪末至 21 世纪中期最有发展前途的高科技之一1。扩散定理、膜的渗析现象、渗透压原理、膜电势等一系列研究为膜技术的发展打下了坚实的理论基础。膜分离技术是一种新型高效的分离技术，是对非均相体系中不同组分进行分离、纯化与浓缩的一门新兴的边缘交叉学科 。它具有过程不发生相变及副反应 、无二次污染 、分离效率高、过滤过程简单、易于控制、操作条件温和 、能耗低、节能等优点 , 且有分离、浓缩、纯化和精制的功能，是缓解资源短缺 、能源危机和治理环境污染的重要措施 ,因而得到世界各国普遍重视 ,并在海水淡化、印染、环保、食品、医药、生物、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。1 渗透1.1渗透现象若用一种只允许溶剂（如水）分子透过而溶质（如蔗糖）分子不能透过的半透膜把溶液和纯溶剂隔开，由于膜两侧单位体积内溶剂分子数不等，因此在单位时间内由纯溶剂进入溶液中的溶剂分子数要比由溶液进入纯溶剂的多，其结果溶液一侧的液面升高这称为渗透现象。溶液液面升高后，静水压增大，驱使溶液中的溶剂分子加速通过半透膜，当静水压增大到一定值后，单位时间内从膜两侧透过的溶剂分子数相等，溶液液面停止升高，达到动态渗透平衡。半透膜的存在和膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等是产生渗透现象的两个必要条件。净渗透的方向总是溶剂分子从纯溶剂一方往溶液一方；若半透膜隔开的是浓度不等的两个非电解质溶液，净渗透方向则是溶剂分子从稀溶液一方往浓溶液一方进行，从而缩小膜两边的浓度差。1.2渗透压力为了使渗透现象不发生，必须在溶液面上施加一超额的压力。国家标准规定：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力等于溶液的渗透压力。其单位为Pa或kPa。若半透膜隔开的是浓度不等的两个非电解质溶液，为了防止渗透现象发生，在浓溶液液面上施加的超额压力，并不等于任一溶液的渗透压力，它仅仅是两溶液渗透压力之差。若选用一种高强度且耐高压的半透膜把纯溶剂和溶液隔开，此时如在溶液上施加的外压大于渗透压力，则溶液中将有更多的溶剂分子通过半透膜进入溶剂一侧。这种使渗透现象逆向进行的过程称为反向渗透。2 膜分离技术2.1膜分离过程与膜分离技术2.1.1膜分离技术膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜-无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小；有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。2.1.2膜分离过程的特点及分离原理膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质 ,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时 ,原料侧组分选择性地透过膜 ,以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜 ,推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO) 、渗析(D) 、电渗析( ED) 、气体分离( GS) 、渗透汽化( PV) 、乳化液膜( ELM)、膜生物反应器(MBR)等。典型膜分离过程的特点及分离原理2过程透过组分截留组分推动力传递机理膜类型微滤MF溶液、气体0.02-10m粒子压力差约100kPa筛分多孔膜超滤UF小分子溶液10-200A大分子溶质压力差100-1000kPa筛分非对称膜纳滤NF溶剂、低价小分子溶质1nm以上溶质压力差500-1500kPa溶解扩散Donnan效应非对称膜或复合膜反渗透RO溶剂，可被电渗析截留组分1-10A小分子溶质压力差1000-10000kPa优先吸附毛细管流动，溶解扩散非对称膜或复合膜渗析D小分子溶质或较小的溶质0.02m截留浓度差筛分微孔膜内的受阻扩散非对称膜或离子交换膜电渗析ED小离子组分血液渗析中0.005m截留同名离子、大离子和水电位差Donnan排斥机理离子交换膜气体分离GS气体、较小组分或膜中易溶组分气体、较小组分或膜中易溶组分压力差1000-10000kPa，浓度差（分压差）溶解-扩散分子筛分努森扩散均质膜、复合膜、非对称膜、多孔膜渗透气化PVAP挥发性液体混合物分离膜内易溶解组分或易挥发组分分压差浓度差溶解-扩散均质膜、复合膜、非对称膜乳化液膜（促进传递）ELM（ET）液体或气体混合物分离、富集、特殊组分脱除在液膜相中有高溶解度的组分或能反应组分浓度差，pH差促进传递和溶解扩散传递液膜2.1.3工艺优点（1）在常温下进行 有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩 （2）无相态变化 保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 （3）无化学变化 典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染 （4）选择性好 可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能 （5）适应性强 处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化 （6）能耗低 只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 2.2膜技术应用2.2.1 膜分离技术在各行业中的应用制药行业生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制 树脂解析液的浓缩及解析剂回收 农药水剂、粉剂的生产应用 中药浸提液过滤除杂及浓缩 中药浸膏生产应用 合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩 结晶母液回收 食品行业乳清废水处理 乳制品生产加工应用 果汁澄清脱色 品添加剂纯化浓缩 茶饮料澄清浓缩 啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工天然色素提取液的除杂及浓缩 氨基酸发酵液过滤澄清及精制 染料化工和助剂水溶性染料反应液的脱盐浓缩 染料盐析母液废水回收 淀粉糖品糖液分离纯化及浓缩 果葡糖浆色普分离纯化 糖醇色普分离纯化 单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩 环保及水处理领域纺织、染整、印染废水处理及回用 电镀工业废水零排放及资源回收 矿山及冶金废水处理回收 淀粉废水处理 造纸废水木质素回收及废水处理 电泳漆废水涂料回收 酸、碱废水处理回收 市政污水的处理及回用 洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等循环处理 工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备 生物技术生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制 2.2.2工艺流程操作：接通电源，确保泵在运行过程中是正转； 参数设定，根据实验要求的温度和压力，设置最高的工作压力和温度； 膜的准备工作，膜在投入使用前必须进行清洗，使膜达到最佳的工作状态； 膜分离； 膜清洗，膜在处理完物料后，受到一定污染，应进行一定清洗。 清洗：无机膜清洗：用1%HNO3溶液循环清洗15min，打开滤液阀门，让滤液回到循环罐内，让其继续清洗15min，之后用自来水系统清洗至中性； 有机膜清洗：用1%na5p3o10+0.5%edta+0.2%sds+naoh调PH11.0，清洗45min，之后用纯净水洗至中性。 保存：若膜不使用超过3天，要用1%甲醛溶液将膜封存，冬季用20%甘油将膜封存。2.2.3问题与措施膜分离中的几个问题2（1）浓差极化 浓差极化是造成膜系统性能下降的原因之一。在压力驱动膜过程中，被截留的溶质在膜表面累积，导致溶质向原料主体的反向扩散流动，经过一段时间后达到平衡。其结果是导致膜通量下降，并且对截留率产生影响：截留率下降，由于膜表面处溶质浓度增高，实测的截留率会低于真实截留率，特别是，当溶质为盐或低分子量物质，截留率一般将会下降；截留率提高，对于大分子溶液，由于浓差极化将会在膜表面处形成一种由截留高分子溶质形成的次级膜（动态膜），从而导致膜对溶液中的小分子物质截留率提高。在压力驱动膜中（包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等），反渗透的浓差极化现象属中等，最为严重的是超滤、微滤和电渗析。（2）膜污染和劣化 对于液体分离膜过程而言，人们通常把用膜的透过流速、盐的截留率、截留分子量及膜的孔径等来表示的膜组件性能发生变化的现象称为膜的污染或劣化。两者所反映的现象有着本质上的区别。膜的污染是指由于在膜表面上形成了附着层或膜孔堵塞等外部因素导致了膜性能变化，根据其具体原因采用某种清洗方法，可以使膜性能得以恢复。膜的劣化是指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能变化。导致膜的劣化的原因可分为化学、物理及生物三个方面。措施2（1）预处理法 防止膜组件性能变化的最简单的方法是预处理法，如通过调整料液pH值或加入抗氧化剂等防止膜的化学性劣化，通过预先除去或杀死料液中的微生物等防止膜的生物性劣化。（2）操作方法的优化 膜过程中膜污染的防治及渗透通量的强化可通过操作方式的优化来实现。（3）膜组件结构改善 膜分离过程设计中，膜组件内流体力学条件的优化，即预先选择料液操作流速和膜透过流速，并考虑到所需动力，是确定最佳操作条件的关键。（4）膜组件的清洗 这在实际应用中也是非常重要，大致分为化学清洗和物理清洗两大类型。 化学清洗是减少污染的最重要的方法，可选用的化学试剂很多，既可单独使用，也可以以组合形式使用。化学试剂（如活性氧）的浓度和清洗时间对于膜的耐化学试剂能力也是十分重要的。 最为普通的物理清洗方法是使海绵球通过管状膜进行直接冲洗。该法仅适用于管状膜，效果好。另外可采用处理料液间歇地瞬间突然灌冲膜组件内部，利用此时产生的剪切力清洗膜表面的附着层。（5）抗劣化及污染膜的制备 这要针对具体的处理体系，有的放矢地进行，如使用膜表面改性法引入亲水基团，或在膜表面复合一层亲水性分离层等。 此外，对进水水质的仔细分析对防止膜污染与劣化具有重要作用。例如Ca2+、HCO3 浓度较高会引起碳酸钙沉淀污染，这时需要添加酸或晶体生长抑制剂来加以控制。结语由于膜过滤技术具有分离效率高、节能、设备简单、操作方便等优点。使其在废水处理领域有很大的发展潜力。但由于工业废水往往含有酸、碱、油等物质，处理条件较苛刻。因此，处理废水使用的膜必须具有较好的材料性能，从而保持其良好的分离性能和较长的使用寿命。从这方面来看，开发抗污染等性能优良的过滤膜具有重要的战略意义。同时对膜污染机理、膜污染模型、膜污染控制技术和与工程化配套的预处理技术研究也是目前重要的研究方向。水资源日益短缺和对水重复利用的迫切要求，为膜分离技术在废水处理及回用领域的应用提供了机遇。可以预见，由于膜分离技术的自身优势，在上述领域中将有更广