液膜分離技術

液膜模擬生物膜的結構,通常由膜溶劑、表面活性劑和流動載體組成。它利用選擇透過性原理,以膜兩側的溶質化學濃度差為傳質動力,使料液中待分離溶質在膜內相富集濃縮,分離待分離物質。

它是受生物膜選擇透過性運輸功能和固膜技術的啓發,將膜分離與溶媒萃取相結合,使選擇性滲透、膜相萃取和膜內相反萃取3 個傳質環節同時完成。一般認為膜兩側相界面上傳質分離過程存在簡單擴散、化學反應、選擇性滲透、萃取和反萃取及吸附等。液膜的分離效率,關鍵在於其穩定性和選擇性載體的選擇。液膜分離涉及三種液體:通常將合有被分離組分的料液作連續相，稱為外相接受被分離組分的液體，稱為內相;成膜的液體處於兩者之間，稱為膜相。在液膜分離過程中，被分離組分從外相進入膜相，再轉入內相，濃集於內相。如果工藝過程有特殊要求，也可將料液作為內相，接受液作為外相。這時被分離組分的傳遞方向，則從內相進入外相。

按構型和操作方式的不同,液膜主要分為乳化液膜(emulsion liquid membrane , ELM) 和支撐液膜(supported liquid membrane , SLM) 。

膜分離技術受到世界各技術先進國家的高度重視,近30 年來，美國、加拿大、日本和歐洲技術先進國家，一直把膜技術定位為高新技術，投入大量資金和人力，促進膜技術迅速發展,使用範圍日益擴大。膜分離技術的發展和應用，為許多行業,如純水生產、海水淡化、苦鹹水淡化，電子工業、製藥和生物工程、環境保護、食品、化工、紡織等工業，高質量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環經濟、清潔生產提供依託技術。

1 膜分離技術簡介

1.1 膜的定義

膜是一種起分子級分離過濾作用的介質，當溶液或混和氣體與膜接觸時，在壓力下，或電場作用下，或温差作用下，某些物質可以透過膜，而另些物質則被選擇性的攔截，從而使溶液中不同組分，或混和氣體的不同組分被分離,這種分離是分子級的分離。

1.2 膜的種類

分離膜包括：反滲透膜(0. 0001～0. 005μm) ，納濾膜(0. 001～0. 005μm) ，超濾膜(0. 001～0. 1μm) ，微濾膜(0. 1～1μm) 、電滲析膜、滲透氣化膜、液體膜、氣體分離膜、電極膜等。他們對應不同的分離機理，不同的設備，有不同的應用對象。膜本身可以由聚合物,或無機材料，或液體制成，其結構可以是均質或非均質的，多孔或無孔的，固體的或液體的,荷電的或中性的。膜的厚度可以薄至100μm，厚至幾毫米。不同的膜具有不同的微觀結構和功能，需要用不同的方法制備。制膜方法一直是膜領域的核心研究課題,也是各公司嚴格保密的核心技術。

1.3膜分離技術的定義

把上述的膜製成適合工業使用的構型，與驅動設備(壓力泵、或電場、或加熱器、或真空泵) 、閥門、儀表和管道聯成設備。在一定的工藝條件下操作,就可以來分離水溶液或混和氣體。透過膜的組分被稱為透過流分。這種分離技術被稱為膜分離技術。

2膜技術的應用領域

2.1供水

2.1.1高質量飲用水供給

隨着水體的污染和人民生活水平提高，人們越來越希望得到高質量的飲用水供給。採用活性炭吸附過濾和超濾結合製取高質量飲用水，設備投資少，制水成本低,是優質飲用水製備的經濟有效方法，具有廣闊的市場前景。

2.1.2工業供水

自來水和地下水的水質不能滿足許多化學工業、電子工業和紡織工業的要求，需要經過淨化處理方可以使用，超濾膜技術是淨化工業用水的重要技術之一。

2.1.3 醫藥用水

醫藥針劑用水是採用多級蒸餾製備的，其工藝繁瑣、能耗高、而且質量常常得不到保證。用超濾膜技術除針劑熱源和終端水熱源，取得很好效果。

2. 2 工藝水的處理(分離、濃縮、分級和純化)

在各工業生產過程中，往往有分離、濃縮、分級和純化某種水溶液的需求。傳統用的方法是沉澱、過濾、加熱、冷凍、蒸餾、萃取和結晶等過程。這些方法表現出流程長、耗能多、物料損失多、設備龐大、效率低、操作繁瑣等缺點，以超濾膜技術取代某種傳統技術可以獲得顯著的經濟效益。

2.2.1膜技術在製藥工業的應用

膜技術廣泛應用於生物製備和醫藥生產中的分離、濃縮和純化。如血液製備的分離、抗菌素和干擾素的純化、蛋白質的分級和純化、中草藥劑的除菌和澄清等。發酵是生物製藥的主流技術，從發酵液中提取藥物，傳統工藝是溶劑萃取或加熱濃縮，反覆使用有機溶劑和酸鹼溶液,耗量大，流程長，廢水處理任務重。特別是許多藥物熱敏性強，使傳統工藝的實用性多受限制。國際先進的製藥生產線，大量採用膜分離技術代替傳統的分離、濃縮和純化工藝。如以膜設備濃縮純化抗生素、中藥湯及中藥針劑澄清等。

2.2.2 膜技術在食品領域工業的應用

利用超濾膜技術把發酵液中產品和菌體分離，再採用其它方法精製流程。其優點是：生產效率和產品質量提高;簡化了工藝流程;菌體蛋白不含外加雜質,利用價值高，達到資源綜合利用。醬油、醋的澄清、果汁澄清和濃縮、乳製品生產、製糖工業都採用了膜技術。

2.2.3 膜技術在各種工業生產中的應用

凡是涉及分子級的濃縮和分離的過程，都有膜技術應用的機會。汽車電泳漆的在線純化採用超濾膜除去雜質，持續保證塗漆質量;燃料工業泳超濾膜技術分離和濃縮中間體。

2.3 在環境保護和水資源化的應用

膜技術在廢水處理、污染防治和水資源綜合利用方面得到廣泛應用。在許多情況下，不僅處理了廢水，還能回收有用物質和能量。

2.3.1各種含油廢水及廢油的處理

①採油回注水的處理:膜法可以除去在水中的乳化溶解油，提高注入水的質量。

②含油廢水的處理：許多工業生產和運輸業都產生大量的含油廢水，膜濾技術是達標排放最有效的方法。

③廢潤滑油的純化：用常規技術加膜分離，可得到很純的潤滑油，適用於汽車等廢機油的處理。

④機牀切削油的純化回收:膜法可除去廢切削油中的細菌和雜質，處理後回用。

⑤廢食用油的純化處理技術:食用油在連續高温下產生致癌物質，用膜法可將這部分除去。

⑥食用菜籽油的純化：菜籽油中含有15 %～48 %高含炭量的芥子酸。用膜法可除去,達到標準(芥子酸＜5 %) 。

2.3.2 廢水的處理及回用

①膜生物反應器處理生活污水回用中水，其佔地面積小，設備投資低,處理水質好。

②印刷顯影廢水的處理及回用，採用膜技術處理可以達標排放，也可回收。

③電鍍廢水可採用膜技術處理，水回用，污染物回槽利用。

④印染廢水採用膜分離可除去有色染料，得到的水回用。牛仔布印染廢水可回收靛藍燃料。

⑤造紙廢水用膜可將廢水中的木質素、色素等分離出來，淨化水可排放或回用。

2.3.3水的淡化技術

①海水淡化技術:應用最新的膜蒸餾技術，最適合和船用發動機熱交換器連用，利用廢熱生產淡水，適合於中、小型漁船遠航捕撈使用。

②鹹水淡化技術:將天然鹹水用膜淡化到應用水質標準。

2. 4氣體分離、濃縮技術及其應用

①氧化濃縮：可用膜裝置製成安全、簡便的醫療和理療設備，也可用於鍊鋼吹氧或助燃等工業生產，富氧濃度35 %～80 %。

②氮氣濃縮:氮氣可用於食品保存、汽車存儲、飛機加油、防爆及化學工業，膜設備的氮可濃縮至90 %～98 %。

③二氧化碳、二氧化硫、氫氣的分離:當二氧化碳、二氧化硫、氫氣分別和其它氣體混和在一起時，可用膜將它們分離出來,滿足工業的需要。

④氫氣的分離和濃縮:在化工產品製造時,往往排出大量氫氣,可用膜法將氫氣分離出來。

2.5 其它

①膜法保鮮劑：在水果、蛋類外部侵塗一層膜可達保鮮目的。保鮮後，存放期長，外觀色澤好。

②製造維生素E 的膜法分離技術:用膜可以從黃豆油中提取VE 的混合物,其抽提劑可循環使用。

液膜分離技術是一項新型高效分離技術，具有在常温下操作，營養成分損失少，設備簡單、操作方便、無相變、不產生化學變化、選擇性強、分離效率高和節省能源等優點。按照膜孔徑的大小，膜分離技術可以進一步細分為微濾、超濾、納濾、反滲透技術等。目前，膜技術在食品工業中的應用主要有過濾、濃縮、除菌和分離提取功能食品的功能配料等。該項技術已經廣泛用於食品工業，現簡述如下：

生產果蔬汁

在果蔬汁生產中，GE微濾、GE超濾技術用於澄清過濾;納濾、反滲透技術用於濃縮。用超濾法澄清果汁時，細菌將與濾渣一起被膜截留，不必加熱就可除去混入果汁中的細菌。利用反滲透技術濃縮果蔬汁，可以提高果汁成份的穩定性、減少體積以便運輸，並能除去不良物質，改善果蔬汁風味。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸發濃縮過程中幾乎全部失去，冷凍脱水法也只能保留大約8%，而用反滲透技術則能保留30～60%。

用於乳品工業

反滲透、超濾技術主要用於乳清蛋白的回收和牛乳的濃縮。目前各國廣泛應用超濾法作為回收乳清蛋白的標準技術。

與其他方法相比，利用膜分離技術加工乳品，可以降低能耗，提高產品質量。將反滲透技術用於稀牛奶的濃縮，可生產出品質令人滿意的奶酪及甜酸奶。用反滲透技術除去乳牛清中的微量青黴素，大大延長了乳製品的保質期。當採用超濾法濃縮乳清蛋白時，還可同時除去乳糖、灰分等。

生產酒類

利用超濾技術，可以除去酒及酒精飲料中殘存的酵母菌、雜菌及膠體物質等，可以改善酒的澄清度，延長保存期，還能使生酒具有熟成味，縮短老熟期。經超濾處理後，酒的風味有所改善，變得清爽可口，而又醇香延綿。目前採用超濾法精製酒和酒精飲料，已在美國、意大利、日本等國得到應用。此法還可避免酒的熱殺菌易引起的混濁成分的析出，簡化過濾設備。所處理的酒類有葡萄酒、威士忌、燒酒、清酒、黃酒等。

生啤酒的口味雖優於熟啤酒，但不能長期保存，給運輸及銷售等帶來一定的困難。採用超濾技術進行啤酒的精濾和無菌過濾，可以使生啤酒不經低温加熱滅菌而能長期保存。

用於豆製品工業

膜技術在豆製品工業中的主要應用是分離和回收蛋白質。生產豆乳時產生的大豆乳清，通常方法只能從中提取60%的蛋白質，利用超濾法濃縮殘留蛋白質，能夠增加20～30%的豆腐收得率。採用超濾法還可以在濃縮蛋白的同時，去除產生豆羶味和影響豆乳穩定性的低分子物質，提高豆乳質量。

豆製品工業中的乳清處理，對防止水體污染意義重大。大豆乳清中含有多種低分子蛋白質、多糖類、肽、少糖類等物質，採用超濾法可以從大豆乳清中回收濃縮大豆蛋白，以滿足人類和畜牧業的需求。此外，還可獲得β-澱粉酶產品。

利用膜技術還可以獲得大豆異黃酮、大豆寡糖、大豆分離蛋白、寡肽、免疫球蛋白、竹葉黃酮等功能食品的功能配料。