膜分離科技論文
膜分離科技論文
膜分離技術作為現(xiàn)代分離技術中的核心技術之一與現(xiàn)代科技已經(jīng)緊密的聯(lián)系在了一起。下面是學習啦小編整理的膜分離科技論文，希望你能從中得到感悟!
膜分離科技論文篇一
膜分離技術研究近況
摘要:膜技術被稱為“2l世紀的水處理技術”,現(xiàn)已受到越來越多的水處理工作者的關注。常用的膜分離方法有電滲析、反滲透、超濾,其次是自然滲析和液膜技術。近年來,膜材料、膜組件以及膜工藝在不斷更新,使得膜分離技術發(fā)展很快,在水和廢水處理、化工、醫(yī)療、輕工、生化等領域得到大量應用。
關鍵詞: 膜技術;膜材料;膜組件;膜工藝;膜污染
1 概述
1748年,法國學者Ahble Nollet發(fā)現(xiàn)水能自然地擴散到裝有酒精溶液的豬膀胱內(nèi),首次揭示了膜分離現(xiàn)象。此后,膜分離技術經(jīng)過了近200年漫長的發(fā)展過程。膜技術(Membrane Technology)是用天然或人工合成的高分子薄膜以外界能量位差(如壓力差、濃度差、電位差和溫度差等)為推動力,對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純和富集的方法。
膜技術是一種分子水平上的分離技術。按照膜的功能可分為分離膜、識別膜、反應膜、能量轉化膜和電子功能膜等,其中,分離膜的應用最為廣泛。分離膜的根本原理在于膜具有選擇透過性,按照分離過程中的推動力和所用膜的孔徑不同,可分為20世紀30年代的微濾(MF);2O世紀40年代的滲析(D);20世紀5O年代的電滲析(ED);20世紀60年代的反滲透(RO);20世紀70年代的超濾(UF);20世紀80年代的氣膜分離(GS);20世紀90年代的滲透汽化 (PV)和乳化液膜(ELM)等。有資料顯示,目前國際膜市場的75%分布在美國、歐洲國家和日本,20世紀80年代后膜分離技術的工業(yè)化應用迅速發(fā)展,新發(fā)展了膜蒸餾和滲透汽化等膜分離過程,世界膜產(chǎn)售額已超過100億美元,年增長率為14%～30%。
膜分離概念:可以將分離膜看作是把兩相分開的一薄層物質,稱其為“薄膜”,簡稱膜。膜可以是具有滲透性的,也可是具有半滲透性的,但不能是完全不透過性的。膜可以存于兩流體之間也可以附著于支撐體或載體的微孔隙上,膜的厚度應比表面積小得多。成膜,以外界能量或化學位差作推動力,對雙組分或多組分溶質和溶劑進行分離、分級、提純和富集的方法,統(tǒng)稱為膜分離法。膜分離法可用于液相與氣相,對液相分離,可以用于水溶液體系、非水溶液體系、水溶膠體系以及含有其它微粒的水溶液體系等。
膜分離是一項新興的高效分離技術。60年代后,膜分離技術逐步在工業(yè)界得到廣泛應用,目前膜及組件在全世界的年銷售額已達30億美元以上,年增長率高達14% ～30%,在1987年國際膜會議上(日本東京),膜技術被認為是20世紀末到21世紀中期最有發(fā)展前途的高新技術之一。膜分離技術目前已普遍應用于化工、輕工、電子、醫(yī)藥、食品、環(huán)境工程和石油行業(yè)。
納濾(NF)膜技術是近10多年來發(fā)展起來的一種新型的膜分離技術,納濾膜由于其特殊的孔徑范圍和制備的特殊處理化(如復合化、荷電化),使得納濾膜具有較特殊的分離性能――對二價和多價離子及分子量在200～l000之間的有機物有較高的脫除性能, 對單價離子和小分子的脫除率則相對較低.NF膜所具有的特點使之特別適于海水的軟化,即去除海水中易結垢的Ca2+,Mg2+,SO42-等二價離子.NF技術已經(jīng)在水處理技術、環(huán)境工程等方面顯示出很強的優(yōu)勢。在海水軟化方面的研究與應用國內(nèi)外也已經(jīng)開展。
膜技術應用
多元多層納米膜技術是在離子鍵技術上發(fā)展起來的一項鍍膜技術。其應用范圍有:(1)刃具、模具的表面強化。在高速鋼、硬質合金制造的刃具(如鉆頭、銑刀、車刀)及模具表面獲得超高硬度的多元多層納米膜.提高刃具、模具的耐磨性;(2)機械零件的表面強化,如葉輪、葉片、氣缸、活塞環(huán)表面獲得納米鍍層,延長零件使用壽命。
富氧技術的應用亦非常廣泛,一般情況下,凡需空氣之處,均可用富氧來替代。特別是膜法富氧,由于設備簡單、操作方便、啟動快、規(guī)?？尚】芍?、投資少、節(jié)能效果顯著、免維護及用途廣等,是一項日趨成熟的高新技術,被發(fā)達國家稱為“資源的創(chuàng)造性技術”。許多文獻已有這方面的應用報道:如華北制藥股份有限公司玻璃分公司于1996年建設的富氧燃燒項目,使用3年后總結:隨著時間的推移、技術的成熟,取得了增產(chǎn)、節(jié)油和合格率提高均超過10%的效果;而且采用富氧燃燒技術后,火焰燃燒狀況有較大改善,火焰底部明顯發(fā)白發(fā)亮,火焰強度增加,火焰尾梢減小,從而既延長爐齡,又提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。
目前,膜技術廣泛的用于從含鹽和被污染的水源生產(chǎn)可飲用水和工業(yè)廢水的處理等。進一步的應用包括:藥品傳輸系統(tǒng)、通過蒸汽濃度檢測爆炸材料、燃料電池等。在過去的2O年中,BARC已經(jīng)涉及反滲透技術的開發(fā),用于微堿水和海水的脫鹽等工藝。最近,開發(fā)了一種民用水凈化器,其能夠在自來水壓力條件下,去除細菌污染物,生產(chǎn)安全的飲用水。
由于膜過濾技術是一種高教、低能耗和易操作的液體分離技術,因此在廢水處理中有著廣闊的應用前景。在介紹膜過濾技術性質、分類的基礎上對膜過濾技術在含油廢水、生活廢水、造紙廢水、有色廢水、化工合成廢水、重金屬離子廢水及其他廢水處理的應用研究和進展狀況進行了綜述,討論了膜過濾技術的研究方向和發(fā)展前景。認為減輕膜污染、研究開發(fā)廉價的過濾膜和膜組件是膜過濾技術在水處理中應重點解決的問題。在實際應用中,將膜過濾技術與其他分離技術和廢水處理技術相結合,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢和協(xié)同效應,得到最佳處理效果和最佳經(jīng)濟效益。
另外,錦化化工(集團)有限責任公司樹脂廠采用膜分離技術回收VCM精餾尾氣,研究了氣體膜分離技術的原理,并對該技術的各項工藝參數(shù)進行了優(yōu)化、調試。總結出一套最佳控制方案,徹底解決了循環(huán)氣在系統(tǒng)中的累積、膜組件傳遞動力等工藝參數(shù)影響膜分離效果的問題,可使精餾尾氣中的VCM、c2 H2回收率達到95%、85%以上,回收VCM 303 t/a、 H2 89 t/a,獲經(jīng)濟效益202萬元/a。
在城市飲用水膜處理方面,由于新型膜處理技術具有適應的水質范圍廣,出水水質好,占地面積小等優(yōu)點,及其在國外的推廣應用,因此這種新型的膜處理技術不僅能有效地去除水中的濁度、病原微生物和病原寄生蟲,納濾膜還能有效地去除水中的有機污染物,包括常規(guī)工藝很難去除的農(nóng)藥等.
結語
膜分離技術由于其良好的透過性,分離效率高,操作簡便,能耗低等優(yōu)點,在許多領域
得到了廣泛應用,在油田采油廢水處理中亦得到應用,但仍有許多方面需要改進。例如,膜組件的選擇,操作條件的控制,膜材料的表面改性,減少膜污染,同時開發(fā)新型膜分離工藝與新型膜材料。成功解決了上述問題,膜分離技術將會在含油廢水處理中得到更加廣泛的應用。
膜分離科技論文篇二
膜分離技術在生物科技中的應用與進展
【摘 要】膜分離技術作為現(xiàn)代分離技術中的核心技術之一與現(xiàn)代科技已經(jīng)緊密的聯(lián)系在了一起。而它與生命科技的結合更是使它“英雄有用武之地”，推動了生命科學的一系列進展：小分子有機物的分離純化，人工器官尤其是人工腎臟的制造和完善，用于污水處理的膜生物反應器等等都離不開膜分離技術的發(fā)展。本文將就膜分離技術與現(xiàn)代生命科學的結合為切入點，粗淺的介紹一下膜技術的一些基本特點與基本方法和我個人對于這項潛力巨大的技術的展望。
【關鍵詞】膜分離 ; 生物科技; 小分子有機物分離 ; 蛋白質分離; 膜生物反應器
1膜分離技術的發(fā)展現(xiàn)狀以及其在分離技術中的地位
1.1膜分離技術的簡介
膜分離技術是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學位差的推動作用下對混合物中溶質和溶劑進行分離，分級， 提純和富集。根據(jù)膜材質和孔徑大小的不同，我們可以將膜分離技術分為一般微濾(MF)，超濾(UF)，反滲透(RO)，納濾(NF)等等。
膜分離技術自從20 世紀60年代被用于工業(yè)生產(chǎn)以來，經(jīng)歷了膜材質從大孔徑到小孔徑，推動力從重力場到多種電化學作用共同作用的發(fā)展模式。自從上世紀90年到之后TFC膜(低壓聚酰胺復合膜)的成功研制之后，膜分離技術在現(xiàn)代化工和生物工程的各個方面都得到了廣泛的應用。
1.2膜分離技術的獨特優(yōu)勢
而在這些現(xiàn)代分離技術中，膜分離技術的基本原理是利用高分子薄膜的選擇透過性為分離的基本原理，以壓力差，電勢差，電滲差等為動力，以達到物質在薄膜間的傳質而達到分離的目的。因此在經(jīng)歷了：微孔過濾，滲析，電滲析，反滲透，超濾，氣體分離，滲透氣化等發(fā)展過程后[1]，現(xiàn)代膜分離技術具有反應條件要求低(常溫下即可發(fā)生);是一個物理過程，不發(fā)生化學變化所以損耗較小;膜分離過程中多以壓力差為動力(滲透壓也包括在內(nèi));膜的性質穩(wěn)定的情況下膜分離系統(tǒng)可以有極大的分離范圍;膜分離過程的研究比較透徹，分離的流程控制比較容易控制從而得到更高純度的分離產(chǎn)物[2]。這些優(yōu)點都使得它在實際運用中都具有很高的價值，而被廣泛使用在工業(yè)和科研中。
1.3膜分離技術與生命科學的結合
近些年來生物領域飛速發(fā)展，一系列系統(tǒng)理論的建立使得生物科學向更精細更嚴謹?shù)姆较虬l(fā)展，人們對于生物制品需求擴大的同時對其的安全性可靠性的要求也越來越高。尤其是分子生物學的建立使得生命科學的范疇更加靠近生命的本質。而隨著分子生物學的發(fā)展，它對與物質的分離與鑒定的要求也越來越高，傳統(tǒng)的分離手段已經(jīng)無法滿足，但膜分離技術等為代表的現(xiàn)代分離技術(其特點前文已述)卻很好的迎合了他的需求，因此被廣泛的運用于科研與實際生產(chǎn)過程中。
2現(xiàn)代膜分離技術的基本過程與原理詳細
2.1膜分離技術的基本原理以及其分類
以壓力差為推動力的液體膜分離過程通常可根據(jù)分離對象的大小和膜的不同分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。根據(jù)待分離樣品的性質以及分離所選用薄膜的性質尤其是薄膜的孔徑的大小還有分離純度，分離時間，分離速率等方面的要求可以有針對性的選取合適的分離方法，以達到分離預期結果[3]。
2.2膜分離技術的不同操作模式
膜分離技術原理簡單，因此它的工藝流程也便于標準化。由于待分離物質中我們想要的目的產(chǎn)物的分子量各有不同，我們的目標產(chǎn)物最終出現(xiàn)的位置也不同：小分子物質一般會通過薄膜最終在濾過液中富集。而大分子物質會在膜的另一側由于無法濾過被截留在濃縮液中。為了使膜分離過程中的損耗盡可能的小，時間盡可能的短，我們會在料液中添加滲濾溶劑，它可以和小分子組分互相作用和小分子物質一同穿過薄膜從而加速小分子物質過膜速率，使大分子與小分子物質的分離加速，從而解決了高濃度的溶液過膜速率過慢的問題。收集濃縮液得到其中被截留的大分子稱為濃縮。與此不同，利用滲濾溶劑進行的膜分離過程稱為滲濾。
在實際工作中二者往往搭配使用，操作過程由預濃縮、恒容滲濾和后濃縮三個階段組成：利用濃縮模式使料液的濃度上升，在過膜速率出現(xiàn)了明顯下降的時候轉化為滲濾模式，從而達到克服高濃度料液透過速率低，減少濃差極化與膜污染的目的，加快分離速率以免影響物質活性的目的。有時為使純度達到要求還可以采用多級分離的方法從而使物質分離的更加徹底。
在選擇具體的膜分離方式時，我們要考慮的因素有：與上下操作間的銜接，對于膜使用壽命的影響，分離效果的好壞等等。
2.3膜分離的計算模型以及效果衡量
膜分離的傳質原理有兩個主流理論：雙模理論和溶質穿透理論。
雙模理論認為，氣液界面間存在的氣膜和液膜集中了主要的傳質阻力，溶質分子在這兩個膜層內(nèi)梯度擴散，按照Fick第一定律進行計算。
其中，J為擴散速率，D為擴散系數(shù)，dC/dX為濃度梯度。
溶質穿透理論認為，氣液兩相在接觸前都是均一的，接觸后開始互相擴散?？拷缑嫣幦苜|濃度大。在一定時間后，液體達到均一飽和狀態(tài)，此時兩相處于動態(tài)平衡狀態(tài)。可以按照Fick第二定率計算。
其中C為濃度，t為時間，D為傳質系數(shù)，x為離界面的間距。其中D與濃度無關，否則要修正為：
衡量膜的好壞時主要看膜的分離性能與透過性能，主要是指截留率，分離系數(shù)，濃差極化，壓密，膜污染速率等系數(shù)。但是在工藝上來說膜分離效果的衡量主要包括兩個主要參數(shù)：分離時間與分離效果(主要用小分子去除效果來衡量)。
2.3.1分離效果，以小分子去除效果為例：
公式右端是大分子物質濃度除以小分子物質濃度，可以用來表示小分子物質的去除效果。
公式左端表示的過程是料液稀釋后，再濃縮至原體積，重復n次。S1與S2分別表示經(jīng)過膜前后溶液中小分子物質的濃度。
3膜分離技術在生物科技領域使用的具體實例 3.1膜分離技術在小分子有機物分離過程中的應用
常常使用膜分離技術進行分離的小分子物質包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。此處以氨基酸為例進行分析。
氨基酸的膜分離：由于氨基酸本身是兩性物質，有自己的等電點，因此我們在分離氨基酸時往往還會調節(jié)料液的PH值，而且大多采用納濾膜以利用納濾膜的帶電性質以達到最大分離截留效果[4]。對氨基酸分離用納濾膜分為高分子復合膜和無機陶瓷膜，其分離性能與氨基酸混合體系和操作條件有。關有人用ZrO2膜表面接枝交聯(lián)PEI的有機-無機復合納濾膜(膜的等電點為1018)，進行了9種氨基酸(其中酸性2種，堿性3種，中性4種)混合物的膜分離實驗。在pH=2時，帶正電的堿性氨基酸被膜截留(透過率小于25%)，而中性和酸性氨基酸的膜透過率大于85%;在pH=12時，帶負電的酸性氨基酸被膜截留(透過率小于30%)，而中性和堿性氨基酸的膜透過率大于80%，由此可以看出通過改變膜電性與料液的PH值可以分離大多數(shù)的氨基酸[5]。
3. 2膜分離技術在蛋白質分離中的應用
蛋白質是一類以復雜的混合物形式存在的生物大分子，傳統(tǒng)的蛋白質分離方法主要有萃取法、沉淀法等，這些工藝往往操作繁雜、耗時長、蛋白質易變質，且產(chǎn)品的回收率低、二次污染嚴重。膜分離技術則可以很好地克服傳統(tǒng)蛋白質分離技術的缺點，有效改善產(chǎn)品質量，還可以大大提高蛋白質的回收率，實現(xiàn)蛋白質的分離和純化。一般蛋白質的膜分離會用兩張膜：一個膜孔較小，能使需要的蛋白質全部截住，而讓小的蛋白質透出，然后再將截留在第一張膜內(nèi)的蛋白質轉移到孔徑較大的膜內(nèi)，截住較大的蛋白質使所需的蛋白質流過微孔透出，這樣使蛋白質得到了提純，如果還有雜蛋白還可以再接著進行類似流程。比如說美國農(nóng)業(yè)部利用膜技術分離精制了霍霍巴榨油后殘渣中的蛋白質、纖維素等成分，分離后各組分分別作為動物飼料及調節(jié)劑;還有Muller等采用 ZrO2/Al2O3無機超濾膜從酸性酪蛋白乳清中分離α-乳清蛋白，顯著提高了α-乳清蛋白的純度和產(chǎn)量[6]。
3. 3膜分離技術與膜生物反應器
膜生物反應器是一種近些年來膜技術與生物技術結合研究應用于生產(chǎn)的熱門方向，主要是將微生物與膜結合控制料液在膜中的流動利用微生物的各類生化作用來起到去除料液中某些雜質而且可以得到并分離產(chǎn)物的目的?，F(xiàn)階段主要運用于污水高效處理，已經(jīng)有部分進入工廠使用。這里選擇性介紹無泡曝氣膜生物反應器與萃取膜生物反應器[7]。
3.3.1無泡曝氣膜生物反應器。
生物反應器在作用中由于大量污泥(就是大量具有強分解作用的微生物的載體)的存在其過大的需氧量一直是限制其應用的主要原因。而無泡膜生物反應器能很好地解決這一問題。它一般采用的是中空纖維膜，膜的一端封住，空氣或O2在膜的內(nèi)腔里流動，在濃差作用下向膜外側的活性污泥傳遞。氣體進入污水中不產(chǎn)生氣泡，而且氧的傳遞效率高達100%，可以滿足各種微生物生化反應的需氧要求。
3.3.2萃取膜生物反應器。
當廢水中含有對微生物有毒害作用的成分(很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機物等)時，直接用生化法是不適宜的。
而萃取膜生物反應器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內(nèi)流動，而活性污泥則在膜外流動?；钚晕勰嘀械奈⑸镆话闶轻槍U水培養(yǎng)出來的專性細菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發(fā)性有機物透過而水及無機成分則無法透過。首先污染物在膜中溶解擴散，再以氣態(tài)形式離開膜進入膜另側的混合液中，在混合液中由專性菌分解成CO2、H2O等無機小分子[8]。
3.4膜分離技術在醫(yī)藥有效成分提取中的應用
3.5膜分離技術在釀酒中的應用
白酒釀造過程中，如果使用傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵方法，不可避免的會產(chǎn)生甲醇，油性脂肪酸，醇油等雜質，它們會影響產(chǎn)品口感，外觀，其中甲醇對人體有極大危害。因此這些物質的分離會對白酒品質產(chǎn)生極大影響。
有人研究發(fā)現(xiàn)，超濾和微濾是有效的分離此類雜質的手段。在低酒精度下進行膜分離，可以有效的延長產(chǎn)品的保質期，改善口感，卻對其其他理化指標并不產(chǎn)生太大的不良影響(總酸總酯會有所下降)。對于清香型白酒，一般稀釋到28到30度之間過非對稱的活性炭吸附膜，之后再于低溫下保存(18攝氏度)，可以有效避免失光，渾濁等現(xiàn)象，同時降低苦味辛辣味，和蒸餾產(chǎn)生的蒸煮味。
除此之外，在啤酒的發(fā)酵過程中由于采用了代謝控制發(fā)酵的方法，往往會有較高的殘?zhí)?，而使用反滲透過濾之后，也將將有效降低殘?zhí)?，達到改良口感的效果。
3.6其他
膜分離技術還廣泛的運用于其他產(chǎn)業(yè)：高品質飲用水的過濾，發(fā)酵廢液的再利用。
4總結
膜分離技術從產(chǎn)生到現(xiàn)在已獲得巨大的成功，但仍屬于一門發(fā)展中的年輕綜合性學科。理論和應用上都有大量的問題有待解決。比如說：膜壽命過短，易污染;料液粘度大，往往流動性較差;料液固體含量高，膜通量衰減快;膜類型不足，工藝經(jīng)驗不足等等 [3]。
總的來說膜分離技術與生物技術的結合無疑是成功的而且還是潛力巨大的，可以想象在解決了這些問題后這項技術的前景將會多么誘人。
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