收藏 | 最全膜分离技术详解
一、概述
膜是一层薄薄的屏障层。 在外界能量作用下，利用膜内各组分传质的选择性差异，对多组分流体物质进行分离、分级、净化和富集的方法。
膜的定义
膜是起分子级分离和过滤作用的介质。 当溶液或混合气体与膜接触时，有些物质在压力下、或在电场作用下、或在温差作用下可以透过膜，而另一些物质则可以透过膜。 它被选择性地拦截，从而使溶液中的不同组分或混合气体中的不同组分被分离。 这种分离是分子水平的分离。
膜的定义
最常见的广泛定义之一是“膜”是两个相之间的不连续间隔。 因此，膜可以处于气相、液相、固相或其组合。 简而言之，膜是分隔两种流体的薄屏障。 描述膜转移速率的膜特性是膜渗透性。
以常见的超滤工艺为例，其分离机理主要是筛分：膜表面存在微孔。 当流体流经膜一侧表面时，一些较小的分子带着一些溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析。 液体，而大分子被截留在原侧，形成保留液体，从而达到将大分子溶质与小分子溶质和溶剂分离的目的。
形象地说，膜就像一个筛子，可以阻挡大的，让小的通过。 但这种筛网的独特之处在于它的孔径非常小，用于分离大分子和小分子。 只要我们选择孔径合适的膜，就可以进行所需的分子级分离。
膜分离技术的定义
将上述膜制成适合工业用途的结构，与驱动设备(压力泵、或电场、或加热器、或真空泵)、阀门、仪表、管道连接形成装置。 在一定的工艺条件下操作，可以分离水溶液或混合气体。 通过膜的组分称为渗透物部分。 这种分离技术称为膜分离技术。
膜类型
分离膜包括：反渗透膜（0. 0001~0. 001μm）、纳滤膜（0. 001~0. 01μm）超滤膜（0. 01~0. 1μm）微滤膜（0. 1~10μm）、电渗析膜、渗透汽化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。它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异质、多孔或无孔、固体或液体、带电或中性。 膜的厚度可以薄至100微米，厚至几毫米。 不同的膜具有不同的微观结构和功能，需要不同的制备方法。 膜的生产方法一直是膜领域的核心研究课题，也是企业严格保密的核心技术。
按微观结构分
对称膜、非对称膜、复合膜、多层复合膜等
按宏观结构分
平板膜、卷式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维等
无论是在实验室还是工业规模生产中，膜都会被制成一定形式的组件，作为膜分离装置的分离单元。 工业上应用和商业化的膜组件主要有平板式、圆管式、螺旋缠绕式和中空纤维式。 相应的膜几何形状分为平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。后三者都是管式膜，其区别主要在于直径：直径>10mm的为管式膜；直径>10mm的为管式膜；直径>10mm的为管式膜。 直径在0.5～10mm之间的为毛细管膜；
2、膜的分类及膜工艺
最常用的膜分离过程是由压力差驱动的液体分离膜。 根据膜孔径和截留特性的不同，可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，如下图所示。
膜和膜工艺的分类
3、膜过滤法
传统的过滤方法是死端过滤：随着料液的进出，由于滤料表面被堵塞，过滤速度迅速降低。
大多数膜系统采用错流过滤：流体进出一次，流动方向平行于膜表面。 这减少了膜表面的浓差极化层，降低了过滤阻力。 膜表面不易堵塞，过滤速度更快。 如下所示。
4、膜系统的组成
目前常见的膜分离过程以压力差为驱动力，以错流过滤方式进行。 可在常温下进行分子级过滤分离。 这是一个物理过程，过程中没有相变。 动力由泵提供。 当流经膜表面时，一些较小的分子穿过膜，而大分子则被截留。 膜系统组成及基本过滤原理如下图所示：
5.反渗透的基本原理
反渗透过程
反渗透利用反渗透膜的特性，仅通过溶剂（通常是水）选择性地截留离子物质。 它利用膜两侧的静压差作为驱动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂透过反渗透膜。 一种能够分离液体混合物的膜工艺。
反渗透与纳滤和超滤一样，是一种压力驱动的膜分离技术。 其操作压差一般为1.5~10.5MPa，截留组分为(1~10)X10-10m小分子物质。 此外，还可以从液体混合物中除去所有悬浮固体、溶解固体和胶体，例如将水从水溶液中分离出来，以达到分离、纯化等目的。 目前，随着超低压反渗透膜的发展，可以在小于1MPa的压力下进行部分海水淡化，适用于水的软化和选择性分离。
分离原理
反渗透膜的选择渗透性与膜中组分的溶解、吸附和扩散有关。 因此，除了膜孔的大小和结构外，还与膜的化学和物理性质即成分密切相关。 与膜间相互作用密切相关。 可见，化学因素（膜及其表面性质）在反渗透分离过程中起主导作用。
当使用半透膜分离两种不同浓度的溶液时，该膜仅允许溶剂分子通过。 由于浓溶液中溶剂的化学势低于其在稀溶液中的化学位置，稀溶液中的溶剂分子会自发地穿过半透膜迁移到浓溶液中。
反渗透的应用
反渗透技术的大规模应用主要是在苦咸水和海水淡化方面。 此外，它还广泛应用于纯水制备和生活水处理，以及其他方法难以分离的混合物。 反渗透的工业应用包括：（1）海水和苦咸水淡化以生产饮用水； (2)半导体工业、医药、化工所需超纯水的制备； (3)用于浓缩过程，包括：食品工业中果汁、糖、咖啡的浓缩； 电镀、印染行业废水浓缩； 乳品工业中奶酪生产前的牛奶浓缩。
6.纳滤膜的基本原理
纳滤技术是反渗透膜工艺中为满足工业软化水的需要、降低成本而不断发展起来的膜新品种。 它可以适应在较低的工作压力下运行，从而降低成本。 我国于20世纪90年代初开始研制纳滤膜。 与国外相比，我国纳滤技术整体只能说刚刚起步。 膜的开发、组装技术和应用开发都刚刚起步。
纳滤工艺
纳滤（NF）是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动的膜分离技术。 它具有两大特点：①对水中分子量数百的有机小分子成分具有分离性能； ② 对不同价态的阴离子都有作用。 物质的电荷和离子价电荷浓度对膜的分离效果影响很大。 (Donan()模型===Donan()效应。该模型基于平衡，用于描述带电膜的海水淡化过程。一般纳滤膜多为带电膜，所以该模型更多地用于描述海水淡化纳滤膜过滤工艺。
用于饮用水和工业用水的净化、废水净化处理、工艺流体中有价值成分的浓缩等。其操作压差为0.5~2.0MPa（或0.345~1.），截留分子量极限为200~1000（或200~500），分离分子大小为1 nm的溶解成分。 由于NF膜达到相同渗透通量所需的压差比RO膜低0.5～3MPa，因此NF膜过滤也称为“松散RO”或“低压反渗透”。
分离原理
NF膜和RO膜都是无孔膜，其传质机制一般认为是溶解扩散。 然而，大多数纳滤膜都是带电膜，其对无机盐的分离行为不仅受化学势梯度控制，而且还受到电势梯度的影响。 也就是说，NF膜的行为及其带电特性，以及溶质带电状态和相互作用都会受到影响。 靠关系。
纳滤膜的应用
纳滤（NF）膜是介于反渗透（RO）膜和超滤（UF）膜之间的新型分离膜。 由于其纳米级膜孔径和膜上多重电荷等结构特点，主要应用于以下几个方面：
(1)不同分子量有机物的分离；
(2)有机物与小分子无机物的分离；
(3)溶液中一价盐和二价或多价盐的分离；
(4)将盐与其相应的酸分离。 从而达到饮用水和工业用水的软化、液体物料的脱色、浓缩、分离和回收的目的。
对Na+、Cl-等一价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、SO42-等二价离子以及除草剂、农药、颜料、染料、抗生素、多肽等小分子量（200-1000）物质的截留率低截留率很高，水在纳滤膜中的透过率远大于反渗透膜，所以当需要用分子筛截留低浓度二价离子和溶质时重量从500到数千，选择纳滤比。 反渗透经济。
七、超滤膜的基本原理
超滤（UF）现象被发现已有130多年的历史，我国对超滤技术的研究比国外晚了10年左右。 它始于20世纪70年代中期，20世纪80年代得到很大发展，20世纪90年代得到广泛应用。
超滤工艺
一般认为，超滤是一种筛选和分离的过程。 在静压差的推动下，料液中的溶剂和小溶质颗粒从高压料液侧穿过膜到低压侧，一般称为过滤液或渗透液，大颗粒成分被膜阻挡，使其在滤液残液中的浓度升高。 根据这样的分离机理，超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成一定尺寸和形状的孔。 聚合物的化学性质对膜的分离特性影响不大。
分离机构
一般认为超滤的分离机理是筛分分离过程，但膜表面的化学性质也是影响超滤分离的重要因素。 即超滤过程中截留溶质的方式有三种：膜表面的机械截留（筛分）、膜孔内的截留和去除（阻塞）、膜表面和孔道的吸附（初级）。吸附）。
超滤膜的应用
超滤的工业应用可分为三种类型：（1）浓缩； (2)小分子溶质的分离； (3)大分子溶质的分类。 大多数工业应用都是集中的。 小分子溶质可以通过与大分子结合或络合来分离。
超滤广泛应用于需要将较大分子和颗粒与低分子物质或溶剂分离的领域。 超滤装置可单独运行，也可与其他处理设备联合运行，用于各种分离过程。 目前，超滤膜除了应用于工业废水处理、城市污水处理、饮用水生产、高纯水制备、生物制剂净化以及食品和制药行业外，正在向非水系统应用发展。 无机超滤膜广泛应用于该领域，具有良好的前景。
八、微滤膜的应用
微滤是所有膜工艺中最常用、销售额最大的技术，其年销售额大于所有其他膜工艺销售额的总和。 工业上，微滤主要用于从溶液中分离大于0.1mm的颗粒。 其最大的市场是医药行业的灭菌过滤和电子行业的高纯水制备。 已成功应用于食品工业的多个领域。 它用于与细胞捕获和各种颗粒收集相关的各种生物和生理分析。 浓缩等方面也得到了广泛的应用。 随着水资源的日益短缺和社会生活水平的提高，饮用水生产和城市污水处理已成为微滤工艺的两大潜在大市场。 其最新的应用领域是生物技术和生物医学技术。
9、膜技术的应用领域
高品质饮用水供应
随着水体的污染和人们生活水平的提高，人们越来越希望获得高质量的饮用水供应。 采用活性炭吸附过滤和超滤相结合的方式生产高品质饮用水，设备投资少，制水成本低。 是一种经济有效的制备高品质饮用水的方法，具有广阔的市场前景。
工业供水
自来水和地下水的水质不能满足许多化工、电子工业和纺织工业的要求，需要净化后才能使用。 超滤膜技术是净化工业水的重要技术之一。
药水
医用注射用水采用多级蒸馏制备。 工艺繁琐、耗能，而且质量往往得不到保证。 采用超滤膜技术去除注水热源和末端水热源，取得了良好的效果。
工艺水处理（分离、浓缩、分馏和纯化）
在各种工业生产过程中，常常需要对某些水溶液进行分离、浓缩、分级和提纯。 传统的方法有沉淀、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶。 这些方法均存在流程长、能耗高、材料损失高、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点。 用超滤膜技术替代某些传统技术可取得显着的经济效益。
膜技术在制药行业的应用
膜技术广泛应用于生物制剂和药品生产中的分离、浓缩和纯化。 如血液制剂的分离、抗生素和干扰素的纯化、蛋白质的分馏和纯化、中草药的灭菌和澄清等。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。 其耗资大、流程长、废水处理任务重。 特别是许多药物对热高度敏感，这限制了传统工艺的实用性。 国际先进的药品生产线广泛采用膜分离技术替代传统的分离、浓缩和纯化工艺。 例如，膜设备用于抗生素浓缩纯化、中药汤剂、中药注射液澄清等。
膜技术在食品工业中的应用
采用超滤膜技术将发酵液中的产物和细菌分离，再采用其他方法精制工艺。 其优点是：提高了生产效率和产品质量； 简化工艺流程； 细菌蛋白不含外界杂质，利用价值高，实现资源综合利用。 膜技术用于酱油和醋的澄清、果汁的澄清和浓缩、乳制品生产和制糖工业。
膜技术在各种工业生产中的应用
任何涉及分子水平浓缩和分离的过程都有膜技术应用的机会。 汽车电泳漆在线净化采用超滤膜去除杂质，持续保证漆面质量； 燃料工业采用超滤膜技术来分离和浓缩中间体。
在环境保护和水资源利用方面的应用
膜技术广泛应用于废水处理、污染防治和水资源综合利用。 在许多情况下，不仅废水得到处理，而且有用的材料和能源也得到回收。
(1)各种含油废水、废油的处理
①采油注入水的处理：膜法可以去除水中乳化的溶解油，提高注入水的质量。
②含油废水的处理：许多工业生产和交通运输行业都会产生大量的含油废水。 膜过滤技术是达标排放最有效的方法。
③废润滑油的净化：采用常规技术和膜分离，可以获得非常纯净的润滑油，适用于汽车等废机油的处理。
④机床切削油的净化回收：膜法可以去除废切削油中的细菌和杂质，处理后回用。
⑤废弃食用油净化处理技术：食用油在持续高温下会产生致癌物质，这部分可以通过膜法去除。
⑥食用菜籽油的提纯：菜籽油中含有15%～48%的高碳芥子酸，可采用膜法去除，达到标准（芥子酸）
(2)废水处理及回用
①对于印刷显影废水的处理回用，可以采用膜技术处理达标排放，也可以循环利用。
②电镀废水可采用膜技术处理，水可回用，污染物可返回池内重复利用。
③印染废水膜分离可去除有色染料，所得水可回用。 靛蓝燃料可以从牛仔布印染废水中回收。
④造纸废水膜可以将废水中的木质素、颜料等分离出来，净化后的水可以排放或回用。
海水淡化技术
（1）海水淡化技术：应用最新的膜蒸馏技术，最适合与船用发动机热交换器配合使用，利用余热生产淡水。 适合中、小型渔船远距离捕鱼使用。
(2)盐水淡化技术：利用膜法将天然盐水淡化至适用的水质标准。
10、国内外膜分离技术发展趋势
膜分离技术受到世界技术先进国家的高度重视。 近30年来，美国、加拿大、日本以及技术先进的欧洲国家始终将膜技术定位为高科技技术，并投入大量资金和人力推动膜技术的快速发展及其使用。 范围日益扩大。 膜分离技术的开发和应用，为纯净水生产、海水淡化、苦咸水淡化、电子工业、制药与生物工程、环保、食品、化工、纺织等众多行业提供了优质的分离浓缩解决方案和其他行业。 和净化问题，为循环经济和清洁生产提供支撑技术。
我国的膜技术研究始于20世纪60年代中期，长期徘徊在实验室和中试阶段。 从“七五”开始，国家科委将膜技术列为国家重大科研项目予以支持。 膜技术取得了长足的进步。 特别是改革开放的国家政策促进了广泛的国际交流。 膜技术在国民经济的发展中发挥了重要作用。 膜产业的重要性日益增加，国内膜产业的产值也逐渐增加。 近10年来，我国膜技术整体水平取得了长足进步，但与国际先进国家差距仍然较大。 主要问题是：生产现代化、工业化程度低、原材料不标准、工艺参数控制不严格、产品质量不稳定； 膜品种少，应用范围小。 尤其是应用工艺设计、系统成套能力、膜组件水平以及相关机电产品尚未达到国际先进水平，远远满足国内市场需求。 膜技术还有很大的发展空间。
首先要加强研发能力，推动膜技术产业发展，依靠技术进步，提高产品质量，降低成本，增加品种，扩大应用。 此外，通过招商引资、技术引进、消化吸收，膜技术应用的工艺设计和系统成套能力、膜制备和膜组件水平、膜品种及相关机电产品均达到国际先进水平。