食品工程原理--膜分离

第十二章膜分离,本章主要知识点,膜的概念膜分离技术的概念膜分离组件类型膜分离技术的类型,膜的应用,膜,海水淡化,工业废水处理,城市废水资源化,天然气,生物质利用,能源,水资源,传统工业,生态环境,除尘,CO2控制,制药,食品,化工与石化,电子,冶金,燃料电池,洁净燃烧,膜法自来水厂,巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水,在牛奶工业中的应用,牛奶,MF,UF,RO,脂肪和细菌,脱脂牛奶,UF截留物,UF渗透物,RO浓縮物,水,高脂奶油,饮料,生产奶酪,特殊奶制品,全蛋白,乳糖生产,发酵食品和非食品生产,蒸发,干燥,全奶粉,奶罐运输,特殊奶品,在酿酒工业中的应用,A：传统工艺B：膜工艺传统葡萄酒工艺与膜技术过滤工艺比较,膜的概念,在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜是由均一的单相或由两相以上凝聚物构成的复合体，膜厚度应在0.5mm以下。推动力：压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等,一、概述,8,膜的分类,1.按膜的材料分类,表1膜材料的分类,9,2.按膜的分离原理及适用范围分类根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。3.按膜的形态分类按膜的形状分为平板膜、管式膜和中空纤维膜。,10,4.按膜的结构分类按膜的结构分为：对称膜(SymmetricMembrane)非对称膜(AsymmetricMembrane)复合膜(CompositeMembrane),（一）膜分离过程的概念利用膜的选择透过性（如孔径、静电力等），以膜的两侧存在的能量差作为推动力（如压力差、电位差等），由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同，从而达到混合物分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。膜材料具有选择透过性的原因：一、是膜中分布有微细孔穴，不同的孔穴有选择渗透性；二、是膜中存在固定基团电荷，电荷的吸附排斥产生选择渗透性；三、是被分离物在膜中的溶解扩散作用产生选择渗透性。,二、膜分离技术,膜在分离中可发挥的功能,物质的识别与透过，是实现混合物中各组分分离的内在因素相界面，膜将透过液和保留液分为互不混合的两相反应场，膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度。生物分离中采用膜分离主要是利用物质之间透过性的差别，而膜材料固定的活性基团，使溶质与膜材料发生某种相互作用来提高膜的分离性能。,共同特点：低能耗：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是一种低能耗，低成本的单元操作。低成本和单级效率高：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩。室温下，特别适合于热敏物质的分离应用广泛，装置简单，操作方便不污染环境不足：膜强度较差，使用寿命不长，易于污染,（二）膜分离的特点,三、膜分离组件类型,膜分离装置的核心（膜组件）：由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。膜组件的结构及型式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有：平板式管式中空纤维式螺旋卷式,15,(1)、板框式膜组件板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置,膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上,两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间,组成一个膜单元,单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。,17,特点：比表面积大，易于更换膜，适于微滤、超滤。,(2)、管式膜组件管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件,膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过,透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件,膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过,渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式,都可以根据需要设计成串联或并联装置。,19,(3)、螺旋卷式膜组件目前,螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分离过程。膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起,然后将其装入能承受压力的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动通道的形式,这类膜组件的内部结构也可被设计成多种不同的形式。,20,(4)、中空纤维膜组件中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大,最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人,沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。,膜组件性能比较,膜组件的性能比较,1、反渗透（RO)2、超滤（UF）3、微滤（MF）4、电渗析（ED）,反渗透、超滤、微滤和电渗析为四大已开发应用的膜分离技术，有大规模的工业应用和市场。其中反渗透、超滤、微滤相当于过滤技术，用于分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。电渗析用的是荷电膜，在电场的推动下，用于从水溶液中脱出离子，主要用于苦咸水的脱盐。,水,微滤,超滤,纳滤,反渗透,悬浮颗粒,大分子有机物,糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐,单价盐,四、常见的膜分离技术,23,各种膜的分离特性,1.微滤,微孔过滤和微孔膜的特点微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90150m左右，过滤粒径在0.02510m之间，操作压在0.010.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。,微孔过滤技术应用领域微孔过滤技术目前主要在以下方面得到应用：（1）微粒和细菌的过滤。可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。（2）微粒和细菌的检测。微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。,（3）气体、溶液和水的净化。大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。（4）食糖与酒类的精制。可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。,27,（5）药物的除菌和除微粒以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。,28,2、超滤超滤技术始于1861年，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约510nm，在0.10.5MPa的静压差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。,超滤膜的特点：,超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。超滤膜的结构一般由三层结构组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.11.5m，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为110m；最下面的支撑层，厚度为50250m，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过渡层。,30,超滤膜技术应用领域,超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。超滤技术主要用于含分子量500500,000的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。,3.反渗透,反渗透原理及反渗透膜的特点1、渗透（水分子会经由扩散方式通过细胞膜）2、渗透平衡3、反渗透当对溶液施加的压力超过渗透压时，溶液中溶剂（水）以压力差为推动力，透过膜向纯溶剂（水）侧迁移，实现了从溶液中分离出溶剂（水）。,32,如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移，这一现象称渗透（图4a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。,渗透和反渗透的原理如下图所示:,33,随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图4b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零,这种膜平衡叫渗透平衡。,如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图4c）。,35,反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为2100MPa。用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。,36,反渗透与超滤、微孔过滤的比较反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。,37,一般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径0.110m的粒子应该选微滤膜。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。,38,表反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较,39,反渗透膜技术应用领域反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。,40,（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。（3）印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。,41,工业应用的反渗透装置,4.电渗析,在物理化学中，将溶质透过膜的观象称为“渗析”，将溶剂透过膜的现象称为“渗透”。对电解质的水溶液来说，溶质是离子，溶剂是水。在电场的作用下，溶液中的离子透过膜进行的迁移可以称为“电渗析”。,43,电渗析基本原理,电渗析是指：在直流电场作用下，溶液中的离子选择性地通过离子交换膜的过程。利用直流电场的作用使溶液中阴阳离子定向迁移以及阴阳离子交换膜对溶液中离子的选择透过性（即阳离子穿过带负电的阳离子交换膜而被带正点的阴离子膜所阻挡）使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。,44,电渗析的规律：,异性电荷相吸；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越高；在电场作用下，溶液中的阳离子作定向连续迁移通过带负电的阳膜。,45,四、电渗析过程中的传递现象,1.反离子迁移反离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相反的离子迁移，是电渗析的主要迁移过程。例如阳膜的固定基团带负电荷，水中钠离子带正电荷，钠离子透过阳膜的迁移即为反离子迁移。2.同名离子迁移同名离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相同的离子迁移。例如水中的氯离子带负电荷，与阳膜的固定基团的负电荷同名，浓缩室中的氯离子由于浓度大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用。,46,3.浓差扩散由于浓缩室中氯化钠浓度比淡化室高，在浓度差的作用下，氯化钠由浓缩室向淡化室中扩散。4.水的渗透水由淡化室透过膜向浓缩室中迁移。随着浓水与淡水浓度差的增加，水的渗透量增大。,47,5.水的电渗透离子在水中与水分子结合成为水合离子。由于离子的水合作用，在反离子迁移和同