-
膜技術
(科學名詞)
鎖定
膜技術技術介紹
同時,膜技術在日常生活中也日益顯示出它的重要作用和光明前景。膜技術作為新型分離技術已廣泛應用於氣體分離、物料分離和水處理,其中水處理領域對膜產品的需求量最大。以飲用水為例,自從人們發現自來水含有三滷甲烷、農藥、洗滌劑以及自來水管、水塔的二次污染後,就開始用反滲透膜製備純淨水。但是由於純淨水製作成本較高,而且在去除水中有害物質的同時,也把對人體有益的無機鹽剔除掉了。於是,人們又用純膜裝置生產出具有礦泉水和純淨水兩者優點的、具有生物活性的、可直接生飲的過濾水。
超濾膜技術既可除去水中病菌、病毒、熱源、膠體、等有害物質,又可透析對人體有益的無機鹽,已廣泛應用於牛奶脱脂、果汁濃縮、黃酒純化、白酒陳化、啤酒除菌、味精提純 、蔗糠脱色、氨基酸濃縮、醬油除菌等生產中,而且還廣泛應用於醫療針劑水、輸液水、洗瓶水、外科手術洗潔水的製備。因其克服了蒸餾水中含有細菌屍體的缺點,且具有生物活性,所以更有利於病人恢復健康而備受醫學界推崇。
膜技術正在把我們的生活帶入一個更新的時代。
膜技術技術定義
分離溶質時一般叫滲析;分離溶劑時一般叫滲透。
膜技術技術特點
根據推動力的不同,膜分離有下列幾種:
濃度差:擴散滲析
電位差:電滲析
壓力差:反滲透(RO, reverse osmosis):MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A0
納濾(NF, nanofiltration):MW: 100-1000, 0.5-5 nm
超濾(UF, ultrafiltration):MW: 1000—百萬, 5 nm-0.2 μm
微濾(MF, microfiltration):0.2-1 μm
(1A0=10-8 cm, 1m =10^2cm, 1nm=10-7cm)
膜分離的特點:
1、可在一般温度下操作,沒有相變;
2、濃縮分離同時進行;
3、不需投加其他物質,不改變分離物質的性質;
4、適應性強,運行穩定。
膜技術技術發展
經過50多年的發展,我國膜產業已經步入快速成長期。超濾、微濾、反滲透等膜技術在能源電力、有色冶金、海水淡化、給水處理、污水回用及醫藥食品等領域的工程應用規模迅速擴大,多個具有標誌性意義的大型膜法給水工程、污水回用工程及海水淡化工程已經相繼建成。我國膜產業總產值已經從1994年2億元上升到2011年近400億元。
隨着國家節能減排要求和居民對飲水質量要求的不斷提高,國內對水處理尤其是深度水處理的需求越來越迫切,作為水處理的核心元件——膜的應用將越來越廣泛,市場總量也將越來越大。
國家環保總局環境規劃院預測,我國“十二五”和“十三五”時期廢水治理投入將分別達1.05萬億元和1.39萬億元,其中工業和城鎮生活污水的治理投資將分別達4355億元和4590億元。在此背景下,廣泛應用於污水處理的膜技術在未來十年間將迎來大發展。
此外,“十一五”以來,我國不斷加大分離膜的研發和產業化推進力度,在開發分離膜新膜種和膜製造技術創新以及膜技術的工程應用方面走在了世界前列。2010年來,國家發改委、科技部和工信部等部委已將膜技術列入“十二五”重大產業技術予以專項支持。
在市場需求及產業政策的雙重推動下,我國膜技術產業將迎來產值可觀的“黃金十年”,預計這十年內我國膜法水處理工程將以40%的年增長率高速發展,膜產品產值年增長率也將達到20%以上,遠遠高於國際平均水平,屆時中國膜市場將佔全球膜市場總需求量的15%-20%。
膜技術的發展:
1.低污染膜:
2.超低壓膜:
由於節省電耗和降低相關機械部件的壓力等級引起材料費下降等優點,自1999年以來超低壓膜在膜技術領域應用比重日益增大,這在以使用4英寸膜為主的小型裝置中應用最為突出,大型裝置中應用超低壓膜也呈上升趨勢。
3.帶正電荷的反滲透膜:
4.耐高温、食品級、衞生級反滲透膜:
普通水處理膜技術採用反滲透膜的使用温度均為0~45℃,但在需要耐90℃高温殺菌的特殊場合,可使用耐高温、耐化學藥品的反滲透膜。此外,各種有特殊膜元件結構的食品級或衞生級的反滲透膜技術也開始在國內應用。
膜技術電滲析
膜技術原理
陰膜只讓陰離子通過;陽膜只讓陽離子通過。
陰極:
還原反應:2H+ +2e → H2↑
陰極室溶液呈鹼性,結垢
陽極:
氧化反應:4OH- → O2↑+2H2O +4e
或 2Cl-→Cl2↑+2e
陽極室溶液呈酸性,腐蝕
特點:只能將電解質從溶液中分離出去。不能去除有機物等。
膜技術離子交換膜
離子交換膜:對溶液中的離子具有選擇透過的特性★按其結構分為:異相膜、均相膜。
異相膜:離子交換樹脂磨成粉末,加入粘合劑,滾壓在纖維網上。
★按離子選擇性分:
★離子交換膜是電滲析的關鍵部分,良好的電滲析應在於:
(1)高的離子選擇性;(2)滲水性差;(3)導電性好;(4)化學穩定性和機械強度。
膜技術材料簡介
膜是一種具有特殊選擇性分離功能的無機或高分子材料,它能把流體分隔成不相通的兩個部分,使其中的一種或幾種物質能透過,而將其他物質分離出來。膜技術是環境保護和環境治理的首選技術。在食品工業中也正在發揮着重要的作用。
膜是膜技術的核心,膜材料的性質和化學結構對膜分離性能起着決定性的影響。
膜技術材料分類
⑴ 按材料來源分:天然膜和合成膜,合成膜又分為有機膜與無機膜。
⑵ 按結構分有七類:
c.非對稱膜。膜斷面為不對稱結構,是工業上應用最多的膜。
e.離子交換膜。
f.荷電膜。
⑶ 按形狀分:平板膜、管式膜、中空纖維膜和卷式膜
膜技術在日常生活中也日益顯示出它的重要作用和光明前景。自從人們發現自來水含有三滷甲烷、農藥、洗滌劑以及自來水管、水塔的二次污染後,就開始用反滲透膜製備純淨水。但是由於純淨水製作成本較高,而且在去除水中有害物質的同時,也把對人體有益的無機鹽剔除掉了。於是,人們又用純膜裝置生產出具有礦泉水和純淨水兩者優點的、具有生物活性的、可直接生飲的過濾水。
膜技術膜分離
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,它與傳統過濾的不同在於,膜可以在分子範圍內進行分離,並且這過程是一種物理過程,不需發生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級,依據其孔徑的不同(或稱為截留分子量),可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜,根據材料的不同,可分為無機膜和有機膜,無機膜主要是陶瓷膜和金屬膜,其過濾精度較低,選擇性較小。有機膜是由高分子材料做成的,如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚碸、聚氟聚合物等等。錯流膜工藝中各種膜的分離與截留性能以膜的孔徑和截留分子量來加以區別,下圖簡單示意了四種不同的膜分離過程:(箭頭反射表示該物質無法透過膜而被截留):
膜技術微濾
微濾(MF) 又稱微孔過濾,它屬於精密過濾,其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質分為有機和無機兩大類,有機聚合物有醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚碸、聚酰胺等。無機膜材料有陶瓷和金屬等。鑑於微孔濾膜的分離特徵,微孔濾膜的應用範圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物,以達到淨化、分離、濃縮的目的。
膜技術超濾
超濾(UF) 是介於微濾和納濾之間的一種膜過程,膜孔徑在0.05μm至1000μm之間。超濾是一種能夠將溶液進行淨化、分離、濃縮的膜分離技術,超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關的篩分過程。以膜兩側的壓力差為驅動力,以超濾膜為過濾介質,在一定的壓力下,當水流過膜表面時,只允許水及比膜孔徑小的小分子物質通過,達到溶液的淨化、分離、濃縮的目的。
對於超濾而言,膜的截留特性是以對標準有機物的截留分子量來表徵,通常截留分子量範圍在1000~300000,故超濾膜能對大分子有機物(如蛋白質、細菌)、膠體、懸浮固體等進行分離,廣泛應用於料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。
既可除去水中病菌、病毒、熱源、膠體、COD等有害物質,又可透析對人體有益的無機鹽,已廣泛應用於牛奶脱脂、果汁濃縮、黃酒純化、白酒陳化、啤酒除菌、味精提純 、蔗糠脱色、氨基酸濃縮、醬油除菌等生產中,而且還廣泛應用於醫療針劑水、輸液水、洗瓶水、外科手術洗潔水的製備。因其克服了蒸餾水中含有細菌屍體的缺點,且具有生物活性,所以更有利於病人恢復健康而備受醫學界推崇。
膜技術納濾
濃縮提純技術---納濾膜技術。納濾(NF) 是介於超濾與反滲透之間的一種膜分離技術, 其截留分子量在80~1000的範圍內,孔徑為幾納米,因此稱納濾。基於納濾分離技術的優越特性,其在製藥、生物化工、 食品工業等諸多領域顯示出廣闊的應用前景。
對於納濾而言,膜的截留特性是以對標準NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表徵,通常截留率範圍在60~90%,相應截留分子量範圍在100~1000,故納濾膜能對小分子有機物等與水、無機鹽進行分離,實現脱鹽與濃縮的同時進行。
濃縮提純工藝上主要採用截留分子量在100~1000Dal的納濾膜。納濾膜對二價離子,功能性糖類,小分子色素,多肽,頭孢菌素等物質的截留性高於98%,而對一些單價離子,小分子酸鹼,醇等有30-50%的透過性能,常用於溶質的分級,溶液中低分子物質的洗脱和離子組分的調整,溶液體系的濃縮等流體物質的分離、精製、濃縮、脱鹽等工藝過程中。比如結晶母液的回收,樹脂解析液的濃縮,熱敏性物質的濃縮純化等。
濃縮提出技術可採用的膜組件主要有:卷式膜,管式膜,中空纖維膜。
採用納濾膜分離技術濃縮提純的優點:
1. 濃縮純化過程在常温下進行,無相變,無化學反應,不帶入其他雜質及造成產品的分解變性,特別適合於熱敏性物質。
2. 可脱除產品的鹽分,減少產品灰分,提高產品純度,相對於溶劑脱鹽,不僅產品品質更好,且收率還能有所提高。
3. 工藝過程收率高,損失少4. 可回收溶液中的酸,鹼,醇等有效物質,實現資源的循環利用
5. 設備結構簡介緊湊,佔地面積小,能耗低
6. 操作簡便,可實現自動化作業,穩定性好,維護方便。
膜技術反滲透
反滲透(RO) 是利用反滲透膜只能透過溶劑(通常是水)而截留離子物質或小分子物質的選擇透過性,以膜兩側靜壓為推動力,而實現的對液體混合物分離的膜過程。反滲透是膜分離技術的一個重要組成部分,因具有產水水質高、運行成本低、無污染、操作方便運行可靠等諸多優點 ,而成為海水和苦鹹水淡化,以及純水製備的最節能、最簡便的技術.目前已廣泛應用於醫藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業。反滲透技術已成為現代工業中首選的水處理技術。
反滲透的截留對象是所有的離子,僅讓水透過膜,對NaCl的截留率在98%以上,出水為無離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細菌、膠體粒子、發熱物質,也即能截留所有的離子,在生產純淨水、軟化水、無離子水、產品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經應用廣泛。
膜技術工藝原理
膜分離的基本工藝原理是較為簡單的(參見下圖)。在過濾過程中料液通過泵的加壓,料液以一定流速沿着濾膜的表面流過,大於膜截留分子量的物質分子不透過膜流回料罐,小於膜截留分子量的物質或分子透過膜,形成透析液。故膜系統都有兩個出口,一是迴流液(濃縮液)出口,另一是透析液出口。在單位時間(Hr)單位膜面積(m2)透析液流出的量(L)稱為膜通量(LMH),即過濾速度。影響膜通量的因素有:温度、壓力、固含量(TDS)、離子濃度、黏度等。
膜技術工藝流程
基本流程
由於膜分離過程是一種純物理過程,具有無相變化,節能、體積小、可拆分等特點,使膜廣泛應用在發酵、製藥、植物提取、化工、水處理工藝過程及環保行業中。對不同組成的有機物,根據有機物的分子量,選擇不同的膜,選擇合適的膜工藝,從而達到最好的膜通量和截留率,進而提高生產收率、減少投資規模和運行成本。
膜技術飲水改善
飲用水新的國家標準對微生物、重金屬以及有機污染物提出了多項新的控制指標,而目前自來水廠採用的絮凝、沉澱和化學消毒方法只能適用於以優質水源為原水的情況,要消除重金屬、有機污染物、高鹽度、高硬度、毒素及部分致病微生物的影響,必須依靠超濾和反滲透膜技術。目前我國採用了膜技術的自來水廠的比例還不到1%。新版《生活飲用水衞生標準》的實施,給膜技術打開了更加廣闊的市場空間,對膜技術的應用推廣起到積極的促進作用。另外,通過膜技術的應用以減少水體污染,是從根本上解決飲水安全的必由之路。
提高飲用水安全標準,只是保障水安全的一個方面。我國人均水資源佔有量只有世界人均水平的1/4,居世界第109位,嚴重缺水的現實對我國的經濟發展已經形成了制約。過去10年間,我國再生水的用量大幅度提高。一方面,由於我國政府加大了對廢水的治理力度,從外部環境上提高了防治水污染的要求;另一方面,水資源的緊缺成為化工企業新建擴建項目的瓶頸,加大工業廢水的再生力度,實現水的循環利用和零排放也成為企業的內在需求。提高再生水的利用率將成為未來我國化工行業乃至整個國民經濟可持續發展的必然選擇,膜技術已經成為再生水用量提升的重要支撐。
除了工業用再生水,我國也加強了民用再生水設施的建設力度。今年4月19日,國務院辦公廳正式轉發《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》,提出“十二五”期間,全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃投資近4300億元,其中再生水利用設施建設投資達304億元,目標是到“十二五”末,將我國城鎮再生水利用率由目前的8.5%提高到15%以上。
目前膜技術在水處理領域推廣應用存在兩大瓶頸:一是設備投資和運營成本高,以飲用水為例,採用膜技術處理的飲用水成本會提高15%~30%;二是決策機構對民族品牌膜產品不夠信任。要解決高成本問題,最主要的還是要通過技術創新手段。比如,採用複合熱致相分離制膜技術製備聚偏氟乙烯(PVDF)毛細管膜、通過技術創新改變制膜方法降低膜成本,採用組件中增加爆氣裝置、氣提內循環和重力過濾等新技術大幅度降低運營成本。此外,產品本地化也是降低成本的重要途徑。
事實上,技術創新和技術進步是一個長期的過程,從原始技術研發,到生產出產品,到市場應用,到客户反饋,再到技術修正,這個過程至少需要3~5年。中國的膜技術要想在水處理市場上贏得信任,還需要市場考驗和錘鍊。但是,未來有關水再生和飲水安全方面的先進的膜技術一定會誕生在中國,因為這些技術的最大市場在中國。
膜技術技術的應用
隨着膜技術的不斷髮展,膜技術在很多發麪得到廣泛的應用:
膜技術空間形式
近年來,隨着建築空間觀念的日益深化以及科學手段的不斷提高,“迴歸自然”、“沐浴自然之温馨”已是現代建築環境學發展的主流。室內外的視線越來越模糊,出現了許多亦內亦外、相互滲透的不定空間,如:大廳裝飾、天井、四季廳、動植物園、公園廣場、觀景台、舞台、體育場館、體育看台、文化娛樂場所等。由於膜材的光透性,白天陽光可以透過膜材形成慢射光,使膜覆蓋空間內達到和室外幾乎一樣的自然效果,因此膜結構能創造出與自然環境相媲美的空間形式。
膜技術標誌小品
一個城市的中心區反映一個城市的地理風貌和民族風情,同時,也是一個城市文化發展程度的標誌。而景觀設計要求其具有廣泛的可讀性、雅俗共賞,既有超凡脱俗的藝術價值,又能使大眾喜聞樂見與大眾息息相通。膜結構以其輕盈飄逸的造型、柔美並帶有力量的曲線和大跨度和大空間的鮮明個性和標識性,應用於城市小品設計中。
膜技術綠色漫步道
近年來,在人口密集的大城市,在居住區周邊配置綠色空間並有人行步道。居民可以在不受車輛的影響下,在居住區附近的街心地帶輕鬆愉快地散步、休憩,而感到十分愜意。在綠色空間中構造一座膜小品或者走廊、亭台水榭、休憩遮陽傘等,不僅生動地美化了環境(如同廣闊綠洲中的點點白帆),又有很強的功能性(人們可以在行走之暇小憩一會兒),而且增加了空間的參差感。
膜技術商業街
商業街在城市中佔有相當大的比重。商業街的建築與環境是城市文明的窗口,代表着物質文明和精神文明的水平,同時,也是景觀環境的重要組成部分。膜結構輕巧別緻極具現代化風格,且表現形式多樣易於安裝移動,在商業街設計中得以廣泛應用。
膜技術建築入口
建築入口使城市公共空間與建築空間相鄰的界面,成為城市空間的組成部分。它是人們視覺最先接觸的部分,因此,除了功能以外,還應有很強的標識性,並能體現建築的個性,是建築環境和城市景觀的重要組成部分。由於膜結構自然的曲線美是其他結構類型無法比擬的,故成為近來建築入口及屋頂經常採用的形式。
膜技術步行街
利用膜結構輕巧,別緻的造型建造各種半封閉,全封閉的不行空間,使其形成全天候的建築空間,提供防風雨,防日曬等人工環境,並有較好的廣告標識效果,因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。
膜技術停車場
隨着都市現代化步伐的加快 , 汽車成為任何一個都市不可缺少的交通工具。我國由於汽車工業高速發展,城市的汽車擁有量成倍上升,但城市建設規劃沒能儘快適應這一發展的要求,常常是車無停放之地。所以在建設羣規劃時就應充分考慮停車場的問題,把停車場的建設和規劃當成現代城市建設規劃的重要組成部分,變得越來越重要。同樣,膜結構在停車場建設中也以其優美的造型和實在的功能擔當重要角色。
膜技術高速收費站
在城市的入口處,設計擁有自己城市鮮明特色和文化韻味的建築形式乃是每個城市發展的首選之作,而張拉膜以自己多變的特性,柔美的造型以及夜晚配合彩燈的照射所顯示出特有的柔和的氛圍更讓過往着記憶深刻,同時極具現代感張拉膜又展現了一個城市的發展理念和思路。
膜技術應用領域
1. 電力;
2.電子;
3.化工醫藥;
4.輕工;
5.生物;
6.食品飲料;
7.市政;
8.環保等行業。
它的應用範圍廣、產業關聯度大。
膜技術技術應用
在水處理領域中,超濾技術可以除去水中的細菌、病毒、熱源和其它膠體物質,因此用於製取電子工業超純水、醫藥工業中的注射劑、各種工業用水的淨化以及飲用水的淨化。在食品工業中,乳製品、果汁、酒、調味品等生產中逐步採用超濾技術,如牛奶或乳清中蛋白和低分子量的乳糖與水的分離,果汁澄清和去菌消毒,酒中有色蛋白、多糖及其它膠體雜質的去除等,醬油、醋中細菌的脱除,較傳統方法顯示出經濟、可靠、保證質量等優點。
在醫藥和生物化工生產中,常需要對熱敏性物質進行分離提純,超濾技術對此顯示其突出的優點。用超濾來分離濃縮生物活性物(如酶、病毒、核酸、特殊蛋白等)是相當合適的從動、植物中提取的藥物(如生物鹼、荷爾蒙等),其提取液中常有大分子或固體物質,很多情況下可以用超濾來分離,使產品質量得到提高。
在廢水處理領域,超濾技術用於電鍍過程淋洗水的處理是成功的例子之一。在汽車和傢俱等金屬製品的生產過程中,用電泳法將塗料沉積到金屬表面上後,必需用清水將產品上吸着的電鍍液洗掉。洗滌得到含塗料1~2%的淋洗廢水,用超濾裝置分離出清水,塗料得到濃縮後可以重新用於電塗,所得清水也可以直接用於清洗,即可實現水的循環使用。目前國內外大多數汽車工廠使用此法處理電塗淋洗水。
微濾的應用
微濾主要用於除去溶液中大於0.05μm 左右的超細粒子,其應用十分廣泛,在目前膜過程面業銷售額中佔首位。