1、.1膜分离技术及其应用膜分离技术及其应用 山东格瑞水务有限公司山东格瑞水务有限公司.2膜分离发展过程和趋势可用？可用？高增长高增长低增长低增长透析透析微滤微滤超滤超滤反渗透反渗透电渗析电渗析控制释放控制释放气体分离气体分离渗透汽化渗透汽化双极膜双极膜液膜液膜膜反应器膜反应器闸膜闸膜活化传递活化传递山东格瑞水务有限公司.3微滤微滤 0.1-100.1-10 m m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤超滤 0.005-0.005-0.10.1 m m：蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤纳滤 0.0005-0.0050.0005-0.005 m m：低聚糖、染料、多价离子反渗透反渗透0.0001-0.
2、0010.0001-0.001 m m：电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da100Da的有机溶质 膜的适用范围山东格瑞水务有限公司.4膜膜料液料液水水 小分小分子子大分子大分子渗透液渗透液定义：定义：具有选择性分离的功能具有选择性分离的功能薄膜材料。薄膜材料。 “21“21世纪的多数工业中，世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就谁掌握了膜技术，谁就掌握了掌握了2121世纪的未来世纪的未来”膜的简介山东格瑞水务有限公司.5报告内容n膜技术简介 发展历史 专业术语 应用实例n典型膜过程 反渗透 超滤 微滤n陶瓷膜技术 山东格瑞水务有限公
3、司.6 膜的发展历史n1748年Abble Nelkt 发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；n1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；n1861年Schmidt提出超滤概念；n1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）n1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；n1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；n1960年Loeb 和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；n1967年
4、以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。山东格瑞水务有限公司.7n我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。n国内主要的膜研究和推广单位：1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司）2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司） 天津纺织工学院（膜天公司）3）无机膜：南京工业大学（久吾高科） 中国科技大学 膜的发展历史山东格瑞水务有限公司.8 膜的发展历史山东格
5、瑞水务有限公司.9膜的简介n特征特征：具有选择性分离的功具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与的装置、过程、工艺的集成与应用应用n特点特点：n无相变、低能耗无相变、低能耗 n高效率、污染小高效率、污染小n工艺简单、操作方便工艺简单、操作方便n便于与其它技术集成便于与其它技术集成浓缩液浓缩液进料液进料液渗透液渗透液山东格瑞水务有限公司.10膜的分类山东格瑞水务有限公司.11膜的适用范围n分离对象的粒径分布分离对象的粒径分布山东格瑞水务有限公司.12膜元件 山东格瑞水务有限公司.13膜元件山东格瑞水务有限公司.14膜分离的形式错流过滤 终端
6、过滤 污染严重错流过滤污染轻膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.15膜过程的一些术语n错流过滤 FeedR etentateC rossflow m em brane m oduleR ecirculation loopP1P3P2Permeate山东格瑞水务有限公司.16n错流过滤的优点：(1)便于连续化操作过程中控制循环比；(2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进行；(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。膜过
7、程的一些术语山东格瑞水务有限公司.17膜过程的一些术语n通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.hn选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。1）液体分离的选择性常用截留率表示： R1Cp/Cf2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：A/B(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示渗透侧各组分的浓度，x表示原料侧的浓度。当A/B等于1，表示无法实现分离目的，大于1表示A组分通过膜的速度大于B组分。山东格瑞水务有限公司.18n通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.19
8、膜过程的一些术语n推动力： 1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。 膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。 2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3P（P1P2）/2P3山东格瑞水务有限公司.20膜过程的一些术语浓差极化：浓差极化：在膜分离过在膜分离过程中，一部分溶质被截程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为度，这一现象称为“浓浓差极化差极化”。 1 2 3 Cf Cm Cp 浓差 膜层
9、渗透侧 极化层 极化层山东格瑞水务有限公司.21n传递阻力：1）膜阻Rm:与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；2）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。膜过程的一些术语山东格瑞水务有限公司.22nR Rm m 膜管本身阻力膜管本身阻力nR Ri i 膜孔内污染阻力膜孔内污染阻力 nR Rg g 凝胶层阻力凝胶层阻力nR Rc c 浓差极化阻力浓差极化阻力膜污染CguCbRm Ri Rg RcC膜污染阻力的概念模型膜污染阻力的概念模型 山东格瑞水
10、务有限公司.23膜过程的一些术语n膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。n物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。n化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。 山东格瑞水务有限公司.24膜的用途n浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）n纯化：除去杂质；n分离：将混合物分成两种或多种目的产物；n反应促进
11、：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。山东格瑞水务有限公司.25膜的应用从从2020世纪初到世纪初到2020世纪世纪9090年代，膜技术基本已经从实验室年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防与石油化工、电子、冶金、国防等领域得到成功的等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年3030的速度递增着。的速度递增着。山东格瑞水务有限公司.26膜的应用膜海水淡化海水淡化工业废水处理工业废水处理城
12、市废水资源化城市废水资源化天然气天然气生物质利用生物质利用能源能源水资源水资源传统工业传统工业生态环境除尘除尘COCO2 2 控制控制制制 药药食食 品品化工与石化化工与石化电电 子子冶冶 金金燃料电池燃料电池洁净燃烧洁净燃烧山东格瑞水务有限公司.27膜技术的工业应用山东格瑞水务有限公司.28膜技术用于生物质资源开发n膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15158080倍倍n渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能6060n生产装置总投资为传统分离方法总投资的生产装置总投资为传统分离方法总投资的404080%8
13、0% 650 kcal/l130 kcal/l7 wt%乙醇乙醇1380 kcal/l42 wt%乙醇乙醇93 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇980 kcal/l350 kcal/l(90 % ES)(33 % ES)纤维素纤维素发酵发酵蒸馏蒸馏蒸馏蒸馏脱水脱水透醇膜透醇膜60 wt%乙醇乙醇99.8 wt%乙醇乙醇透水膜透水膜传统过程传统过程:发酵速发酵速率低、能耗大率低、能耗大膜生物反应膜生物反应器：器：实现连实现连续生产，降续生产，降低操作成本低操作成本山东格瑞水务有限公司.29膜法海水淡化国家或地国家或地区区沙特沙特中国中国长海长海中国中国长岛长岛中国中国沧化沧化设备能力设备能
14、力m m3 3/d/d56800568001000100010001000180018000 0原水含盐原水含盐量量mg/Lmg/L43700437003500035000340034000 0130013000 0能耗能耗kwh/mkwh/m3 37 75 54.54.52.752.75产水成本产水成本RMB/mRMB/m3 34.884.886.696.695.135.131.831.83反渗反渗透淡透淡化厂化厂的能的能耗及耗及产水产水成本成本 几种几种分离分离方法方法能耗能耗比较比较山东格瑞水务有限公司.30膜法海水淡化嵊泗嵊泗1000吨吨/日反渗透海水淡化装置日反渗透海水淡化装置山东格
15、瑞水务有限公司.31膜法自来水厂巴瓦兹河巴瓦兹河梅里市梅里市1414万立方米万立方米/ /天的纳滤天的纳滤厂，每天厂，每天为巴黎附为巴黎附近近5050万居万居民提供民提供1414万吨饮用万吨饮用水水黎黎山东格瑞水务有限公司.32典型膜应用过程 反渗透n渗透与反渗透的区别： 渗透是水通过 半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。n渗透压的 计算： 理想水溶液渗透压RTCsi 实际溶液iRTCsi Csi是溶质的浓度，mol/cm3山东格瑞水务有限公司.33典型膜应用过程 反渗透
16、半透膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗透B、渗透平衡C、反渗透渗透、平衡渗透、反渗透示意图 山东格瑞水务有限公司.34典型膜应用过程 反渗透n一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。n反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。n反渗透不是渗透的逆过程，两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。n反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。n1784年Abble Nollet用猪膀胱作透过试验，发现
17、渗透现象；n1953年C.E.Reid提出用反渗透法淡化海水的方案；n1960年Loeb 和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜，反渗透技术进入实用化阶段。n反渗透过程可以分为三类： 高压反渗透（5.6-10.5MPa）， 低压反渗透（1.0-4.2MPa）， 纳滤（0.3-1.0MPa）。山东格瑞水务有限公司.35典型膜应用过程 反渗透分离机理n反渗透膜上的微孔孔径约为 2nm，而无机盐离子的直径仅为0.1-0.3nm，水合离子的直径为0.3-0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。nS.Sourirajan提出了优先吸附毛细管流动模型来解释非荷电膜
18、的分离；荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。n溶解扩散模型：膜是无孔的“完整的膜”山东格瑞水务有限公司.36典型膜应用过程 反渗透膜低压渗透侧Jw=水通量Cw=渗透液溶质浓度Qp渗透流量JwACr截留液中溶质浓度Qr截留液流量高压侧p-膜的推动力Cb主体溶质浓度Cm膜面溶质浓度供料截留液渗透液Qi=进料流量Ci=溶质浓度反渗透过程示意图反渗透过程用三个参数来评价：R表观截留率1-w/CiJw=渗透通量单位面积上的渗透流量r回收率间歇系统：r= Jw A t / V连续系统：r= Jw A /Qi山东格瑞水务有限公司.37典型膜应用过程 反渗透反渗透膜：n高操作压力：3
19、10MPa；n要求膜必须有高透水率，高脱盐率；n耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密；n必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。n形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜n主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜膜组件n反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。n主要有：管式、板式、中空纤维、卷式n卷式组件的销售占反渗透市场总量的70，中空纤维组件占26，管式、板框组件的销售量较小。n组件必须满足：1）机械强度：必须承受高压，及周期性的减压与膜清洗；2）水力性能好：组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小；3）经济性：组件寿命必须长；4）制造费用低，易于替换。山东格瑞水务有限公司.38典
20、型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.39典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.40典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.41典型膜应用过程 反渗透过程设计1、原则：n设计变量：组件的流体力学和流速、水的特性（溶质浓度和扩散性、渗透压、粘度等）、操作压力、水回收率、污染指数。n设计过程中应考虑因素：1）溶液变量：悬浮固体、可溶性无机物、微生物、可溶性有机物、有机溶剂、氧化性化学试剂、温度、pH2）最低预处理要求 SDI53）膜的变量：膜材料和组件形式、组件中的流速、压力降、说回收率和浓度、最小运行通量和最大通量、组件排列、清洗要求4）膜与其他过程的结合；5）膜的性能随长期运行会
21、发生变化，随时间的延长，通量和脱盐率发生明显的变化，一般膜的寿命3-5年；山东格瑞水务有限公司.42典型膜应用过程 反渗透2、料液预处理n每个反渗透系统都包含了一定程度的供料预处理系统。n其目的为：延长膜的寿命、防止膜污染、保持系统的去除率和回收率。n与预处理相关的投资成本和操作费用占总生产成本的50。n预处理程度取决于：膜组件的类型、料液组成、系统要求达到的性能。n预处理的方法：1）防止化学损伤膜的预处理n供给水的氯浓度和pH会对膜产生化学损伤。聚酰胺类膜不耐氯，醋酸纤维素特别要控制pH，在pH7的条件下水解特别快。n脱氯常用方法：a、用NaHSO3处理；b、炭过滤c、用SO2气体处理。np
22、H的调整一般用H2SO4或NaOH山东格瑞水务有限公司.43典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.44典型膜应用过程 反渗透n脱盐装置的共同单元：n供给水吸入系统n预处理系统n反渗透膜n产品水后处理n动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗2540冲击式水轮泵反转泵山东格瑞水务有限公司.45典型膜应用过程 反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂 加酸（H2SO4）去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的
23、预处理山东格瑞水务有限公司.46 典型膜应用过程 反渗透浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺山东格瑞水务有限公司.47典型膜应用过程 反渗透应用1、海水和苦咸水淡化2、废水和有害废水的处理n工业废水n市政废水3、化学加工工业的应用n电镀和金属抛光工业n造纸工业n纺织工业n石油工业n电力工业4、食品加工工业的应用n水处理n产品回收n浓缩和脱水n分馏5、地下水和地表水的处理6、纳滤的应用n废水处理n产品脱盐浓缩山东格瑞水务有限公司.48典型膜应用过程 反渗透n反渗透过程已成功使用30多年，据统计，在全世界所有淡化过程生产11.5106m3/d的饮用水中，反
24、渗透占23.4%。n优点：能耗和投资运行费用低，占地小，设备腐蚀轻，易建造、操作、维修，建厂时间短。n海水淡化在沙特至少有6套，产水2300-57000 m3/d，苦咸水淡化13套，3500-53000 m3/d。山东格瑞水务有限公司.49 典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.50典型膜应用过程 反渗透山东格瑞水务有限公司.51典型膜应用过程 超滤定义n超滤膜是按分子大小而去除的压力推动膜过程。一般孔径 为2 - 50nm，能够截留分子量300 - 500000道尔顿的物质。一般物质的大小相差10倍时，分离效果最佳。所能除去的物质包括糖、生物分子、高分子聚合物、胶体物质。超滤的一般操作
25、压力为 2 - 5bar。n切割分子量 （MWCO）： 膜具有90%以上截留率的最小分子量物质。锐截留孔径分布窄，散截留孔径分布宽。同分子量的不同溶质分子，如球形蛋白（白蛋白）、带支链的多糖（葡聚糖）、线性柔性分子（聚乙二醇），会表现出不同的截留性质。有关分子量与分子大小、截留分子量与膜孔径之间的关系报道不多。缺点：不能获得膜结构性能的定量数据；测定结果的影响因素多，测定结果不唯一。山东格瑞水务有限公司.52典型膜应用过程 超滤操作压力0渗透通量 纯溶剂 高流速料液低流速料液AA通量与操作压力之间的关系膜严重污染分离机理n膜对溶质的截留作用是由于：在膜表面及微孔内 的吸附 （一次吸附）、在膜孔
26、中的停留（阻塞）、在膜表面的机械截留（筛分）。其中一次吸附和阻塞是与膜与溶质之间的相互作用、溶质浓度、操作条件有很大关系的。就膜本身而言还是筛分作用为主。山东格瑞水务有限公司.53典型膜应用过程 超滤0时间渗透通量溶剂浓差极化控制严重污染渗透通量随时间的变化n将超滤过程分成三个阶段： 最初几秒种：形成准稳定态浓度极化层； 110min：溶质吸附； 长时间：凝胶n截留率随污染而提高通常归于膜面胶体层的筛分作用和毛细孔径减小。n增加压力即增加截留率，原因是克服渗透压或凝胶层的压密作用。npH通常影响吸附过程从而影响渗透通量。山东格瑞水务有限公司.54 典型膜应用过程 超滤超滤膜及组件n常用超滤膜材
27、料聚合物：聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚片氟乙烯、聚丙烯腈无机材料：氧化铝、氧化锆、氧化钛、硼硅玻璃、热解碳、锆/不锈钢、锆/碳n卷式组件：疏松缠绕组件、清洁流道网（标准螺旋式组件）n板框式组件：料液侧压力5-20bar，流道为0.6mm的能耗比0.3mm的能耗高20-40；n中空纤维：0.5-2.5mm，其内径必须是需过滤系统中最大粒径的10倍；n陶瓷膜：蜂窝状组件，单管组件，圆盘式组件。山东格瑞水务有限公司.55 典型膜应用过程 超滤山东格瑞水务有限公司.56 典型膜应用过程 超滤山东格瑞水务有限公司.57 典型膜应用过程 超滤膜组件山东格瑞水务有限公司.58典型膜应用过
28、程 超滤膜污染及清洗的方法 根据污染物的化学性质，开发清洗剂；n确定清洗方法：低压高速清洗、脉冲清洗、化学清洗等n清洗剂：表面活性剂、酸、碱、氧化剂、络合剂等 用草酸、柠檬酸或EDTA等配制的清洗液可以从膜上除去金属氧化物沉淀； 加酶洗涤剂对有机物，特别是蛋白质、多糖类和油脂类污染物有较好的清洗效果。 双氧水溶液对有机物也有良好的洗涤效果。 如果在膜的微孔中有胶体堵塞，则可以利用分离效率极差的物质，如尿素、硼酸、醇等作清洗剂，这些物质易于渗入细孔而达到清洗的目的。 山东格瑞水务有限公司.59典型膜应用过程 超滤操作方式n批式浓缩：全循环、部分循环n供料排放n全过滤供料槽供料泵调节阀渗透液全循环
29、V0C0=VtCt+A0tJ(t)Cp(t)dtRi=1-Cp/Cr VCF=V0/VrCr=C0(VCF)Ri山东格瑞水务有限公司.60典型膜应用过程 超滤 供料槽供料泵调节阀部分循环渗透液循环泵1、全循环设备简单，一般在试验研究中采用，泵的费用高；2、部分循环的供料泵提供操作压力（小流量，高扬程），循环泵提供膜面流速（大流量，低扬程）排放供料槽渗透液R1R2P2P1两级连续操作方式Qn-1=An-1Jn-1+Qn供料排放山东格瑞水务有限公司.61典型膜应用过程 超滤应用n牛奶中的应用：牛奶脱脂、蛋白预浓缩、降低乳糖含量n果汁澄清：替代离心过滤、果胶酶处理、用硅藻土预涂地真空过滤等，果汁产量
30、高。n发酵液处理：回收抗生素等n排放液处理：造纸工业回收磺化木质素、脱油、脱脂等。山东格瑞水务有限公司.62典型膜应用过程 超滤n头苞霉素C的回收n石油化学和食品工业的萃取过程，用超滤回收溶剂；例如从重碳氢化合物中分离低碳氢化合物；n在天然产品和医药用产品的潜在应用是将产品生产和超滤分离相结合；如将超滤与酶糖化作用结合，生产葡萄糖。n与化学络合反应结合，生产生物活性物质。发酵液MFUFRO低TDS渗透液HPLC纯化的抗生素蛋白质、色素去除细胞收集MF：0.2微米UF：1万分子量RO：聚酰胺反渗透膜山东格瑞水务有限公司.63典型膜应用过程 超滤n过程的经济性：n膜组件和有关设备的成本费；n膜组件
31、替换费；n化学清洗剂费；n能量使用费；n劳力费；n折旧费。山东格瑞水务有限公司.64典型膜应用过程 超滤山东格瑞水务有限公司.65 典型膜应用过程 微滤n微滤：当压力推动流体透过膜或其他过滤介质，从流体中分离微米大小的粒子时，这个过程为微滤。n孔径：0.05-10m；渗透压可以忽略，推动力为0.1-5barn表面过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸大，粒子以其几何形状被阻挡，不能进入和通过膜，这种筛滤机理称为表面过滤。n深度过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸小，粒子能进入过滤介质，并粘附在其上，被除去。山东格瑞水务有限公司.66 典型膜应用过程 微滤 n错流过滤与常规微过滤n常规微滤是指渗透液受压而
32、垂直通过过滤介质，所有大于孔径的粒子被截留。表面过滤和深度过滤膜堆积层时间时间常规过滤错流过滤滤饼厚度通量山东格瑞水务有限公司.67典型膜应用过程 微滤膜及系统1、膜n膜材料：有机物、聚合物、陶瓷膜n结构：均质、不对称、复合膜n制作方法：相转化法、粒子烧结、示踪蚀刻n形状：平板、中空纤维、管式和多通道n支撑膜和非支撑膜n疏水膜和亲水膜n表面电荷：带电荷和不带电荷的膜山东格瑞水务有限公司.68 典型膜应用过程 微滤2、膜的性能特征n截留率n渗透率n废物处置量和产量n耐化学性n表面能和润湿行为n温度极限n机械强度n清洗性n吸收性山东格瑞水务有限公司.69 典型膜应用过程 微滤3、过滤系统n设计中还
33、需提出的关键问题：A、需要达到的要求：料液是否要澄清、残留液是否回收？B、能够达到设计目标的竞争技术是什么？C、完成这一分离的可预见的附加值？D、对于大于某一尺寸的悬浮物是否需要进行绝对分离？E、产品质量和过程的可靠性的定位问题？F、产量大小及运行时间？G、安装和操作系统的投资限制情况？山东格瑞水务有限公司.70 典型膜应用过程 微滤终端微滤的应用1、制药溶液的消毒2、饮料的澄清n60年代初，聚合物膜在啤酒业得以应用，90以上应用于啤酒、果汁饮料、矿泉水等过程中。3、半导体生产工业中液体的纯化n气体过滤器：去除气体中的微粒和胶体、菌体等n超纯水生产中预处理和最终供水4、选择性分析应用n消毒过滤
34、的目的：A、最终消毒，即热敏感制药产品细菌的总去除；B、降低细菌含量，以保持注射液组分中热源的低含量；C、去除注射液中无机和有机粒子，去除在加工过程中产生的带悬浮粒子的气体。n可应用的领域：1）一般服务：注射用水、气体、蒸汽的除菌；2）合成非经肠道药；山东格瑞水务有限公司.71 典型膜应用过程 微滤3）眼药水；4）发酵产品：抗生素、疫苗、生物工程蛋白质；5）血浆和血清的处理。n过滤器选择的标准山东格瑞水务有限公司.72 典型膜应用过程 微滤山东格瑞水务有限公司.73 典型膜应用过程 微滤山东格瑞水务有限公司.74 典型膜应用过程 微滤山东格瑞水务有限公司.75典型膜应用过程 微滤山东格瑞水务有
35、限公司.76典型膜应用过程 微滤生物方面的主要应用n液相澄清：抗生素发酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白质液澄清、酵母溶菌液澄清n固相回收：连续培养发酵的细胞回收、菌细胞的收获和冲洗、网状菌丝体的浓缩、酵母浓缩抗生素的澄清n陶瓷膜过滤：膜面流速2.5-4 m/s,操作压力3-5bar,回收率大于95%。过滤纯化最终产品分离典型分离过程MF离心硅藻土过滤离子交换吸附溶剂萃取等电沉淀液液萃取分级沉淀色谱分离结晶喷雾干燥冷冻干燥发酵产物的下游处理分离山东格瑞水务有限公司.77典型膜应用过程 微滤山东格瑞水务有限公司.78无机膜简介：无机膜简介： 发展发展2 2、自、自8080年代，无机膜进入工业应用领域
36、，相继开发出工业用无机微年代，无机膜进入工业应用领域，相继开发出工业用无机微滤膜和无机超滤膜及其组件，代替高分子膜在其无法使用的苛刻条滤膜和无机超滤膜及其组件，代替高分子膜在其无法使用的苛刻条件下使用。件下使用。20042004年市场将达到年市场将达到100100亿美元。亿美元。（进入了民用工业的快速（进入了民用工业的快速发展阶段）发展阶段）3 3、进入、进入9090年代，由于无机膜优异的性能及材料科学的发展，年代，由于无机膜优异的性能及材料科学的发展，新的膜新的膜材料、新的制膜技术材料、新的制膜技术日益得到发展。此后进入了日益得到发展。此后进入了膜反应研究膜反应研究的高速的高速发展期。发展期
37、。山东格瑞水务有限公司.79无机膜简介：无机膜简介： 特点特点 与有机膜相比1、耐高温：无机膜的使用温度可高于400，甚至可达800，因此特别适合于高温操作产物的直接分离或人为提高温度，以用于高粘度流体的分离；另外用于食品和生物工程领域时可直接高温蒸汽清洗和灭菌。2、化学稳定性好：无机膜能耐酸碱、耐有机溶剂，适用于较宽的pH范围，因此可在强腐蚀性介质中使用，并可采用化学试剂进行清洗；另外无机膜可用于非水溶液体系的分离。3、机械强度高：无机膜特别是分离膜一般以载体膜形式制备，其机械强度远高于有机膜，因此可在较高压力下使用，膜组件及膜微孔不会产生变形和损坏；还可以高压反冲进行再生。4、抗微生物能力
38、强：一般不与微生物发生作用，本身无毒，不污染被分离体系，因此用于食品、生化领域有独特的优势。5、无机膜具有孔径分布范围较窄、分离效率。6、缺点：造价较高，装填面积较小，运行费用偏高山东格瑞水务有限公司.80无机膜简介：无机膜简介： 特点特点1101001000Pore Diameter, nm010203040PSD 10-7, m-104080120160200PSD 10-7, m-1平均孔径：100nm50nm20nm陶瓷膜的孔径分布图山东格瑞水务有限公司.81无机膜简介：分类与现状无机膜简介：分类与现状无机膜粗孔膜50nm微孔膜2nm致密膜微滤膜超滤膜纳滤膜渗 透蒸发膜反渗透膜气体分离
39、膜金属及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜 250nm无机膜集成过程山东格瑞水务有限公司.82陶瓷膜在液相分离领域的应用现状在食品工业中的应用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒类、果汁饮料、调味品等料液的澄清、浓缩除菌。 在环保行业中的应用：以废水、废液的处理为主，主要用于含油废水的处理以及化工、石油化工中生产废液处理，其目标是回收水中有用成分，使处理后的水循环利用或达标排放。在生物与制药工业中的应用：这是一个新的增长点，主要涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。山东格瑞水务有限公司.83 在食品工业中的应用在食品工业中的应用在牛奶工业中的应
40、用在牛奶工业中的应用v牛奶的微滤除菌、乳清浓缩、酸奶处理等 果汁生产中的应用果汁生产中的应用 v主要在苹果汁、猕猴桃汁等生产中已实现工业应用。酿酒工业中的应用酿酒工业中的应用 v无菌低温啤酒生产、啤酒罐底液处理等工业已规模应用以及在葡萄酒生产中的应用。山东格瑞水务有限公司.84在牛奶工业中的应用在牛奶工业中的应用牛奶MFUFRO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山东格瑞水务有限公司.85脱脂奶200m3/d固含量9.2蛋白质3.6乳糖4.7%灰份0.7预处理UF渗透液167m3/d乳糖
41、4.7灰份0.7RO渗透液122m3/dBOD95%）；电导率下降了约）；电导率下降了约79；纳滤工艺具备脱除单糖、脱盐、浓缩三重功能。纳滤工艺具备脱除单糖、脱盐、浓缩三重功能。膜集成过程的研究纳滤膜分离（纳滤膜分离（洋姜洋姜） 山东格瑞水务有限公司.108膜集成过程的研究根据实验考察以及过程优化的结果，设计了根据实验考察以及过程优化的结果，设计了4m4m3 3/hr/hr膜集成膜集成工艺，包括陶瓷膜、纳滤膜和反渗透膜等分离技术。工艺，包括陶瓷膜、纳滤膜和反渗透膜等分离技术。 山东格瑞水务有限公司.109陶瓷膜分离、纳滤、反渗透集成新工艺的处理量达12000吨/年 洋姜提取膜工艺山东格瑞水务有
42、限公司.110膜技术在生物与制药工业应用 微生物发酵在生化行业中具有举足轻重的地位,终产物都是在发酵中形成。但发酵过程中存在许多制约因素，就分离而言，原料的预处理中除去蛋白，发酵中及时分离微生物代谢产物，发酵终了后所要求组分从发酵液中的分离、其它组分的回收利用，以及发酵废液的处理，都是发酵过程要解决的问题。涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。山东格瑞水务有限公司.111膜技术在生物与制药工业应用1、目的产物在初始物料中的含量低2、初始物料成分相当复杂3、生物活性物质稳定性差，易失活、降解4、产品种类繁多5、应用面广，对纯度和含量要求高山东格
43、瑞水务有限公司.112膜技术在生物与制药工业应用1、条件温和，能保持生物活性2、选择性好，分离系数高3、活性产物的量和具有较高的收率4、分离步骤明显减少5、分离快速，生产能力显著提高山东格瑞水务有限公司.113膜技术在生物与制药工业应用n发酵液澄清n细胞分离与收集n酶、蛋白质等大分子物质的浓缩与精制n抗生素的回收及纯化n氨基酸类制品的浓缩n除菌、除热源n反应分离耦合过程n高浓度有机废水的处理山东格瑞水务有限公司.114膜技术在生物与制药工业应用发酵液 菌种 菌体直径m 菌体含量 谷氨酸 杆菌 0.7 4 肌苷 杆菌 0.5 8 柠檬酸 黑曲菌 5 15 淀粉酶 杆菌 0.7 4 糖化酶 黑曲菌
44、 5 15 酵母 酵母菌 5 5 山东格瑞水务有限公司.115膜技术在生物与制药工业应用n谷氨酸发酵液中菌体直径大约为0.73微米，具有很强的亲水性，菌体分离十分困难；n目前味精厂基本都是不除菌直接等电提取；n谷氨酸得率为91.6%；n每生产1吨味精将产生废CODcr 1.14吨，废水量很大；n废液中的菌体高蛋白含量大约为60%左右；n用生物法无法处理到达标排放，对环境造成很大的破坏。山东格瑞水务有限公司.116膜技术在生物与制药工业应用污水处理发酵液等电分离等电母液谷氨酸阳离子交换柱低流分洗脱液高流分洗脱液洗脱液一般工艺流程山东格瑞水务有限公司.117膜技术在生物与制药工业应用发酵液膜除菌设
45、备浓缩等电菌体蛋白谷氨酸四效蒸发冷凝水有机复合肥等电母液的膜分离发酵液的膜分离山东格瑞水务有限公司.118膜技术在生物与制药工业应用 pHGlu（%）COD(mg/L)RG(%)Bacteria(%)等电母液3.02.52630930.601.2渗透液3.02.51443520.600.01山东格瑞水务有限公司.119膜技术在生物与制药工业应用0.2725920.0580001055020.12000555020.3250清液含菌量 拟稳定通量L/m2.h 系统温度 膜面流速m/s 操作压差MPa 孔径nm 山东格瑞水务有限公司.120生化制药生化制药（工艺比较）（工艺比较）膜工艺膜工艺活性炭
46、吸附 生物发酵液 酸化 离子交换 板框过滤 浓缩结晶离心 产品板框过滤 浓缩结晶生物发酵液 酸化 离心 产品 膜过滤 离交吸附山东格瑞水务有限公司.121生化制药：生化制药：程中的应用程中的应用 工艺树脂/m3活性炭/t树脂洗脱液活性炭洗脱液树脂再生剂活性炭再生剂酸液/m30.5N 碱液/m30.1N 碱液/m3酸液/m3碱液/m3酸液/m3传统工艺20302 0 25203010202025253535451015膜 工艺5 10585.510465.587.51010.5122.43年生产年生产10001000吨肌苷吨肌苷所所需的辅助原材料需的辅助原材料q年处理肌苷发酵液3万吨，生产肌苷1
47、000多吨，收率提高5，产值一亿多元；q减少2/3的辅助原材料用量；减少酸碱用量60，废水排放减少2/3；回收了菌体蛋白，废水COD降低60。q人工及维修费用降低60；q生产成本降低：5000元/吨，年增产降耗产生千万元的经济效益。每处理每处理100100吨发酵吨发酵液所需的酸碱量液所需的酸碱量山东格瑞水务有限公司.122生化制药过程中的应用生化制药过程中的应用序号应用单位处理对象年处理量1广东肇庆星湖股份有限公司肌苷发酵液，茑苷产品精制6万吨 2浙江医药股份有限公司新昌制药厂抗生素发酵液4500吨3浙江升华拜克生物股份有限公司抗生素发酵液4500吨4安徽丰原生化股份有限公司赖氨酸发酵液等2万
48、吨5浙江海正药业股份有限公司抗生素发酵液5000吨6浙江海宁金潮实业有限公司硫酸连杆菌素发酵液6000吨7浙江东立生物发展有限公司生物发酵液1.2万吨8石家庄东华金农化工有限公司医药级甘氨酸5000吨9河北新东华氨基酸有限公司甘氨酸脱色3000吨q全国有74家生物医药的上市公司；q陶瓷膜已在5家上市公司应用。山东格瑞水务有限公司.123 2003 2003年年8 8月月2929日一次性投产成功；日一次性投产成功； 转化率和选择性均转化率和选择性均大于大于99.599.5； 最终产品己内酰氨质量达到最终产品己内酰氨质量达到优级品优级品膜面积：膜面积：108m108m2 2; ;处理量：处理量：3
49、535万吨万吨/ /年年 分离效果：渗透液中催化剂含量小于分离效果：渗透液中催化剂含量小于1 1ppmppm悬浮态超细催化的膜反应器悬浮态超细催化的膜反应器年产年产7 7万吨环己酮肟生产装置万吨环己酮肟生产装置山东格瑞水务有限公司.124 纳米粉体制备（工艺比较）（工艺比较）原工艺原工艺膜工艺膜工艺 板框过滤 反 应离心分离打浆洗涤干 燥 灼 烧 离心液回收 滤液回收反 应陶瓷膜洗涤、浓缩喷雾干燥灼 烧山东格瑞水务有限公司.125纳米粉体制备中的应用纳米粉体制备中的应用实例：实例： 500吨/年纳米二氧化钛生产线（国家计委产业化示范项目），新工艺节约投资760万元，降低成本的年效益80万元以上，提高粉体收率5以上，总效益超千万元。国家高新技术产业化示范项目国家高新技术产业化示范项目“500t/a纳米纳米TiO2”生产线中的陶瓷膜分离装置生产线中的陶瓷膜分离装置山东格瑞水务有限公司.126谢 谢！
