液膜分离技术

它是受生物膜选择透过性运输功能和固膜技术的启发,将膜分离与溶媒萃取相结合,使选择性渗透、膜相萃取和膜内相反萃取3 个传质环节同时完成。一般认为膜两侧相界面上传质分离过程存在简单扩散、化学反应、选择性渗透、萃取和反萃取及吸附等。液膜的分离效率,关键在于其稳定性和选择性载体的选择。液膜分离涉及三种液体:通常将合有被分离组分的料液作连续相，称为外相接受被分离组分的液体，称为内相;成膜的液体处于两者之间，称为膜相。在液膜分离过程中，被分离组分从外相进入膜相，再转入内相，浓集于内相。如果工艺过程有特殊要求，也可将料液作为内相，接受液作为外相。这时被分离组分的传递方向，则从内相进入外相。

按构型和操作方式的不同,液膜主要分为乳化液膜(emulsion liquid membrane , ELM) 和支撑液膜(supported liquid membrane , SLM) 。

膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视,近30 年来，美国、加拿大、日本和欧洲技术先进国家，一直把膜技术定位为高新技术，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展,使用范围日益扩大。膜分离技术的发展和应用，为许多行业,如纯水生产、海水淡化、苦咸水淡化，电子工业、制药和生物工程、环境保护、食品、化工、纺织等工业，高质量地解决了分离、浓缩和纯化的问题，为循环经济、清洁生产提供依托技术。

1 膜分离技术简介

1.1 膜的定义

膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，当溶液或混和气体与膜接触时，在压力下，或电场作用下，或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离。

1.2 膜的种类

分离膜包括：反渗透膜(0. 0001～0. 005μm) ，纳滤膜(0. 001～0. 005μm) ，超滤膜(0. 001～0. 1μm) ，微滤膜(0. 1～1μm) 、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。他们对应不同的分离机理，不同的设备，有不同的应用对象。膜本身可以由聚合物,或无机材料，或液体制成，其结构可以是均质或非均质的，多孔或无孔的，固体的或液体的,荷电的或中性的。膜的厚度可以薄至100μm，厚至几毫米。不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要用不同的方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题,也是各公司严格保密的核心技术。

1.3膜分离技术的定义

把上述的膜制成适合工业使用的构型，与驱动设备(压力泵、或电场、或加热器、或真空泵) 、阀门、仪表和管道联成设备。在一定的工艺条件下操作,就可以来分离水溶液或混和气体。透过膜的组分被称为透过流分。这种分离技术被称为膜分离技术。

2膜技术的应用领域

2.1供水

2.1.1高质量饮用水供给

随着水体的污染和人民生活水平提高，人们越来越希望得到高质量的饮用水供给。采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水，设备投资少，制水成本低,是优质饮用水制备的经济有效方法，具有广阔的市场前景。

2.1.2工业供水

自来水和地下水的水质不能满足许多化学工业、电子工业和纺织工业的要求，需要经过净化处理方可以使用，超滤膜技术是净化工业用水的重要技术之一。

2.1.3 医药用水

医药针剂用水是采用多级蒸馏制备的，其工艺繁琐、能耗高、而且质量常常得不到保证。用超滤膜技术除针剂热源和终端水热源，取得很好效果。

2. 2 工艺水的处理(分离、浓缩、分级和纯化)

在各工业生产过程中，往往有分离、浓缩、分级和纯化某种水溶液的需求。传统用的方法是沉淀、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶等过程。这些方法表现出流程长、耗能多、物料损失多、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点，以超滤膜技术取代某种传统技术可以获得显著的经济效益。

2.2.1膜技术在制药工业的应用

膜技术广泛应用于生物制备和医药生产中的分离、浓缩和纯化。如血液制备的分离、抗菌素和干扰素的纯化、蛋白质的分级和纯化、中草药剂的除菌和澄清等。发酵是生物制药的主流技术，从发酵液中提取药物，传统工艺是溶剂萃取或加热浓缩，反复使用有机溶剂和酸碱溶液,耗量大，流程长，废水处理任务重。特别是许多药物热敏性强，使传统工艺的实用性多受限制。国际先进的制药生产线，大量采用膜分离技术代替传统的分离、浓缩和纯化工艺。如以膜设备浓缩纯化抗生素、中药汤及中药针剂澄清等。

2.2.2 膜技术在食品领域工业的应用

利用超滤膜技术把发酵液中产品和菌体分离，再采用其它方法精制流程。其优点是：生产效率和产品质量提高;简化了工艺流程;菌体蛋白不含外加杂质,利用价值高，达到资源综合利用。酱油、醋的澄清、果汁澄清和浓缩、乳制品生产、制糖工业都采用了膜技术。

2.2.3 膜技术在各种工业生产中的应用

凡是涉及分子级的浓缩和分离的过程，都有膜技术应用的机会。汽车电泳漆的在线纯化采用超滤膜除去杂质，持续保证涂漆质量;燃料工业泳超滤膜技术分离和浓缩中间体。

2.3 在环境保护和水资源化的应用

膜技术在废水处理、污染防治和水资源综合利用方面得到广泛应用。在许多情况下，不仅处理了废水，还能回收有用物质和能量。

2.3.1各种含油废水及废油的处理

①采油回注水的处理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油，提高注入水的质量。

②含油废水的处理：许多工业生产和运输业都产生大量的含油废水，膜滤技术是达标排放最有效的方法。

③废润滑油的纯化：用常规技术加膜分离，可得到很纯的润滑油，适用于汽车等废机油的处理。

④机床切削油的纯化回收:膜法可除去废切削油中的细菌和杂质，处理后回用。

⑤废食用油的纯化处理技术:食用油在连续高温下产生致癌物质，用膜法可将这部分除去。

⑥食用菜籽油的纯化：菜籽油中含有15 %～48 %高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,达到标准(芥子酸<5 %) 。

2.3.2 废水的处理及回用

①膜生物反应器处理生活污水回用中水，其占地面积小，设备投资低,处理水质好。

②印刷显影废水的处理及回用，采用膜技术处理可以达标排放，也可回收。

③电镀废水可采用膜技术处理，水回用，污染物回槽利用。

④印染废水采用膜分离可除去有色染料，得到的水回用。牛仔布印染废水可回收靛蓝燃料。

⑤造纸废水用膜可将废水中的木质素、色素等分离出来，净化水可排放或回用。

2.3.3水的淡化技术

①海水淡化技术:应用最新的膜蒸馏技术，最适合和船用发动机热交换器连用，利用废热生产淡水，适合于中、小型渔船远航捕捞使用。

②咸水淡化技术:将天然咸水用膜淡化到应用水质标准。

2. 4气体分离、浓缩技术及其应用

①氧化浓缩：可用膜装置制成安全、简便的医疗和理疗设备，也可用于炼钢吹氧或助燃等工业生产，富氧浓度35 %～80 %。

②氮气浓缩:氮气可用于食品保存、汽车存储、飞机加油、防爆及化学工业，膜设备的氮可浓缩至90 %～98 %。

③二氧化碳、二氧化硫、氢气的分离:当二氧化碳、二氧化硫、氢气分别和其它气体混和在一起时，可用膜将它们分离出来,满足工业的需要。

④氢气的分离和浓缩:在化工产品制造时,往往排出大量氢气,可用膜法将氢气分离出来。

2.5 其它

①膜法保鲜剂：在水果、蛋类外部侵涂一层膜可达保鲜目的。保鲜后，存放期长，外观色泽好。

②制造维生素E 的膜法分离技术:用膜可以从黄豆油中提取VE 的混合物,其抽提剂可循环使用。

液膜分离技术是一项新型高效分离技术，具有在常温下操作，营养成分损失少，设备简单、操作方便、无相变、不产生化学变化、选择性强、分离效率高和节省能源等优点。按照膜孔径的大小，膜分离技术可以进一步细分为微滤、超滤、纳滤、反渗透技术等。目前，膜技术在食品工业中的应用主要有过滤、浓缩、除菌和分离提取功能食品的功能配料等。该项技术已经广泛用于食品工业，现简述如下：

生产果蔬汁

在果蔬汁生产中，GE微滤、GE超滤技术用于澄清过滤;纳滤、反渗透技术用于浓缩。用超滤法澄清果汁时，细菌将与滤渣一起被膜截留，不必加热就可除去混入果汁中的细菌。利用反渗透技术浓缩果蔬汁，可以提高果汁成份的稳定性、减少体积以便运输，并能除去不良物质，改善果蔬汁风味。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸发浓缩过程中几乎全部失去，冷冻脱水法也只能保留大约8%，而用反渗透技术则能保留30～60%。

用于乳品工业

反渗透、超滤技术主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的浓缩。目前各国广泛应用超滤法作为回收乳清蛋白的标准技术。

与其他方法相比，利用膜分离技术加工乳品，可以降低能耗，提高产品质量。将反渗透技术用于稀牛奶的浓缩，可生产出品质令人满意的奶酪及甜酸奶。用反渗透技术除去乳牛清中的微量青霉素，大大延长了乳制品的保质期。当采用超滤法浓缩乳清蛋白时，还可同时除去乳糖、灰分等。

生产酒类

利用超滤技术，可以除去酒及酒精饮料中残存的酵母菌、杂菌及胶体物质等，可以改善酒的澄清度，延长保存期，还能使生酒具有熟成味，缩短老熟期。经超滤处理后，酒的风味有所改善，变得清爽可口，而又醇香延绵。目前采用超滤法精制酒和酒精饮料，已在美国、意大利、日本等国得到应用。此法还可避免酒的热杀菌易引起的混浊成分的析出，简化过滤设备。所处理的酒类有葡萄酒、威士忌、烧酒、清酒、黄酒等。

生啤酒的口味虽优于熟啤酒，但不能长期保存，给运输及销售等带来一定的困难。采用超滤技术进行啤酒的精滤和无菌过滤，可以使生啤酒不经低温加热灭菌而能长期保存。

用于豆制品工业

膜技术在豆制品工业中的主要应用是分离和回收蛋白质。生产豆乳时产生的大豆乳清，通常方法只能从中提取60%的蛋白质，利用超滤法浓缩残留蛋白质，能够增加20～30%的豆腐收得率。采用超滤法还可以在浓缩蛋白的同时，去除产生豆膻味和影响豆乳稳定性的低分子物质，提高豆乳质量。

豆制品工业中的乳清处理，对防止水体污染意义重大。大豆乳清中含有多种低分子蛋白质、多糖类、肽、少糖类等物质，采用超滤法可以从大豆乳清中回收浓缩大豆蛋白，以满足人类和畜牧业的需求。此外，还可获得β-淀粉酶产品。

利用膜技术还可以获得大豆异黄酮、大豆寡糖、大豆分离蛋白、寡肽、免疫球蛋白、竹叶黄酮等功能食品的功能配料。2100433B

液膜模拟生物膜的结构,通常由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。它利用选择透过性原理,以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力,使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩,分离待分离物质。

本书分两篇25章，第Ⅰ篇主要介绍膜分离技术基础理论，包括反渗透、纳滤、超滤、微滤、无机膜分离、离子交换膜、透析、气体膜分离渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏、膜反应器、控制释放及膜分离过流流体力学与传递理论基础等。第Ⅱ篇主要介绍膜分离技术的应用及应用实例，包括液膜分离技术应用及实例、气体膜分离技术应用及实例、渗透汽化膜技术应用实例、双极膜的应用、膜萃取过程的应用、膜蒸馏技术的应用、膜生物反应器在废水处理中的应用、膜分离技术在分析领域中的应用、膜软件的开发创新及其在工业分离领域的应用、中国膜工业的发展与市场等。希望本书对我国膜分离技术的发展起到积极的推动作用。