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      膜分離技術及其應用領域分析
         發布日期:2016/03/09   
          一、膜分離技術定義
          膜分離技術是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時,實現選擇性分離的技術,半透膜又稱分離膜或濾膜,膜壁布滿小孔,根據孔徑大小可以分為:微濾膜(MF)、超濾膜(UF)、納濾膜(NF)、反滲透膜(RO)等。
          二、膜分離技術種類分析
          各種膜過程具有不同的分離機理,可適用于不同的對象和要求。按分離原理和按被分離物質的大小區分的分離膜種類,從下表可以看出,幾乎所有的分離膜技術均可應用于任何分離、提純和濃縮領域。反滲透和納濾作為主要的水及其它液體分離膜之一,在分離膜領域內占重要地位。


         三、膜分離技術的用領域分析
          膜分離技術作為一種能耗低、設備簡單、操作方便和分離性能好的分離技術,正日益受到廣泛的關注。由于其兼有分離、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。
          1、在化工行業中的應用
          近年來膜分離技術在化工各個分支行業中的迅速發展,使得該技術日趨成熟,同時也促進了化工行業的發展。在此領域已開發應用的主要四大膜分離技術為反滲透、超濾、微濾、電滲,這些膜過程的裝置設計都較為成熟,已有大規模的工業應用和市場。
      由于各國普遍重視環境保護和治理,因而微濾和超濾分離在化工生產中的應用非常常見,廣泛應用于水中細小微粒,包括細菌、病毒及各種金屬沉淀物的去除等。例如:目前國內一些磷肥生產企業采用微濾膜分離去除磷石膏廢水中含氟的化合物。膜分離技術使得石油化工中的污染、資源利用及產品質和能耗等各方面都有了較大的改進。例在合成氨的生產中,每天將有大量氫氣被混在施放氣中白白地掉。20年前國外開發的一種叫(Prism)的氫反應器解決了這個問題。它進料氣的氫濃度大約是60%,經聚型中空纖維復合膜的分離,回收氫的平均濃度接近90%,氫的回收率通常都在95%以上,有的已達98.5%。
          膜分離技術在化工、石油天然氣工業中具有十分廣闊的前景,它對于生產設備的優化及提高經濟效益也都有著十分重要的作用盡管此項技術有待于進一步的探索研究,但作為一門新興科學在不遠的將來終究會在化工及石油天然氣中發揮巨大的作用。
          2、在食品工業中的應用
          膜分離技術最突出的特點是高效節能,它可在常溫下實現對各組分的分離、提純、濃縮,因此它尤其適合在食品加工業中應用。隨著水資源的日益廈乏以及環境的不斷惡化,可持續發展戰略已提上議事日程,人們迫切地需要高效節能和廢料回收的技術,膜分離技術恰恰能扮演這一角色。
          隨著應用的不斷擴展和膜分離本身的進展,用于食品工業中一些新的分離膜和膜過程正受到越來越多的重視。1)無機膜在食品工業的應用已開始從實驗室走向生產,例如在啤酒生產和果汁加工中無機膜已開始應用。2)納濾膜主要用于在某些生產流程中代替反滲透,降低成本,同時提高質量。用反滲透濃縮葡萄汁,把汁中所有成分都濃縮了,高酸度影響葡萄酒質量(特別是蘋果酸),用納濾就可調節各種組分的含量,提高濃縮汁質量。3)抗熱、抗化學試劑、死空間少的反滲透膜及卷式組件。4)滲透汽化用于從食品加工的水溶液中回收芳香化合物、酒或啤酒的去酒精、果汁濃縮、酒精生產等。5)膜法氣體分離用于蔬菜保鮮、發酵等過程。6)超濾酶膜反應器用于環糊精加工;7)憎水超濾膜脂肪酶反應器用于油及脂肪酸加工。
          膜分離技術在食品工業中的應用不僅改革了傳統加工工藝,簡化操作,降低成本, 而且提高了產品的質量,增加了產品的品種。目前,膜分離技術已廣泛應用于乳制品、豆制品的加工、酶制劑的提純濃縮、果蔬汁的澄清及濃縮、卵蛋白的濃縮以及食糖工業、淀粉加工業、動物屠宰加工業等多方面。據美國統計,膜分離技術在食品工業中的應用占各工業應用總數的68%,其中乳品業占37% ,果汁加工業占18%,鹽水淡化占8%。
      在中國,膜分離技術在許多生產廠、食品公工藝的研究單位、食品工程的設計單位產業化應用遠遠不夠,有的甚至不了解膜分離技術,因此,膜分離技術的產業化應用有待完善。對于膜分離技術這種新型科技來說,要縮短和趕上發達國家,和使中國的科技進一步發展,就需要政府對其大量的資金投入和更多的科研人員投身到膜技術的研發中,共同努力,盡快形成自己的優勢。膜分離技術一旦實現大規模的工業應用,將會引起工業生產的重大革新,推動經濟的發展和社會的進步。
          3、在水質處理中的應用
          在歐、美、日等國家和地區,已經將膜分離技術作為21 世紀飲用水凈化的優選技術。飲用水的凈化與純化是從水中去除懸浮物、細菌、病毒、無機物、農藥、有機物和溶解氣體等。微濾可去除懸浮物和細菌,超濾可分離大分子和病毒,納濾可去除部分硬度、重金屬和農藥等有毒化合物,反滲透幾乎可除去各種雜質,電滲析可除氟,膜接觸器可去除水中揮發性有害物質。
          眾多的應用使膜技術在環保廢水處理中發揮著重大的作用。例如:1)無機膜和滲析結合是鈦白廢水回收再用的好途徑;2)電滲析-離子交換樹脂耦合的EDI 技術可部分代替離子交換而無需酸、堿再生, 雙極膜技術可實現各種廢酸、廢堿、廢鹽水的回收再用;3)超濾法使紡織上漿的聚乙烯醇廢液濃縮回用,膜分離處理技術在印染工業上應用也使印染廢水中的染料和水同時回用;4)反滲透法成功地將尼龍的單體己內酰胺濃縮回收;5)超濾將成為每年數億t 含油廢水回注的關鍵技術,還可對洗毛廢水、脫毛廢水、脫脂液廢水、攝影廢水和放射性廢水等進行處理;6)用超濾和反滲透處理水溶性切削油廢水完全能達到要求。
          現在反滲透已成為海水淡化制取飲用水最經濟的手段,每噸水耗電在5 kW·h以下,最大的裝置處理能力達2. 0×105m3·d- 1。同樣,反滲透也是苦咸水淡化最經濟的方法,每噸水電耗在0.5~3kW·h,最大的反滲透裝置處理能力達1.3×105m3·d-1。目前膜法日產約3×106m3海水淡化水和約6×106m3 苦咸水淡化水,為廣大干旱地區提供飲用水和過程用水。工業廢水是工業生產過程中產生的廢水、污水和廢液,必須進行處理,回收有用資源,同時保護環境。早在20世紀70年代反滲透法使電鍍廢水得以循環再用。

          膜分離技術在水處理中應用很廣泛,但是廉價、性能完備的膜的制備和膜污染問題影響著膜分離技術在水處理過程中的應用。為此,研究新材料與開發制膜新工藝、開發性能完備的集成膜分離技術以及開發膜分離與傳統的分離技術相結合的新型膜分離過程將是未來一段時期內的主要研究方向。

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