膜分离技术及应用（精选十篇）
膜分离技术及应用 篇1
关键词：膜分离技术及应用,环境工程专业,课程建设,教学实践
2013 年石河子大学进行 《本科教学培养方案》 进行了修订,要求对本科人才的培养要以素质培养为核心。根据此宗旨,学校制定了严密的课程框架、教学计划和组织实施体系。其中,本科专业教育的课程框架体现主要由学科基础、专业基础、专业综合课、专业特色课及集中实践教学环节等构成。专业特色课程平台构成了特色专业素质的培养平台,面向部分相关专业学生开放,课程设置主要强调鲜明的专业特色,注重专业的优势和特色,培养研究型、创新性、实践型专才,针对大三、大四学生开设。专业特色课程强调特色前沿课程构成了专业综合素质的培养平台,注重 “按类培养”,细化特色的学生培养方针。《膜分离技术与应用》就属于这个专业综合教育的特色课程,面向化学化工学院的环境工程专业开设。膜分离技术被认为是21 世纪最有前途、最有发展前景的高新技术之一。膜分离技术作为一门专业技术,它集分离、浓缩、提纯及净化技术于一体,是以外界能量为动力,凭借各组分在膜中传质的选择性差异,对多组分流体物质进行分离、分级、提纯和富集的方法［1］。从应用方面而言,在化工、医药、环保、生化、轻工、食品、医疗卫生、电子、纺织、冶金、能源、航天、重工等多个行业领域广泛应用,课程既具有基础性,又具有鲜明的特色,适用面广,符合综合教育特色课的特点,因此课程建设时作为特色选修课程进行建设。
该课程既然面对环境工程类学生,就应该考虑到结合环境工程学生知识结构特点和发展需要,并结合本校实际和国内外专业课程建设的经验,本文拟就环境工程专业 《膜分离技术与应用》特色选修课程建设的思路和实践发展。构建新颖的膜分离技术及应用的课程体系和完善教学方式,以赢得学生的学习兴趣和广泛参与显得尤为重要。现从以下几个方面探讨课程建设与教学实践。
1 膜分离技术及应用的特色选修课程建设的背景
我国膜分离研究始于20 世纪50 年代。20 世纪90 年代,随着中外水处理技术的迅猛发展,我国在多个专业开始设置膜科学技术方面的专业课程,比如,天津大学、华东理工大学、大连交通大学、南京工程学院、华中农业大学等,膜分离成为高端分离方面特色课程。但是,我国大部分院校开设膜分离课程的历史较短,经验不足,而且不同的学校,其学科发展不一样,学科特色也差异很大,所以不能完全照搬其他高校的课程建设［2］。
1. 1 膜分离技术专业发展迅速
近年来随着科技水平的提高,膜科学技术或膜分离技术的使用日益深入并且常态化,社会对膜分离方面的理论知识和人才的需求更加迫切,使得这门技术向专业化方向发展的趋势越来越明显,不仅出现了像上海交通大学、大连理工大学、中国纺织科学研究院、杭州水处理中心、天津大学、天津工业大学、中科院生态研究所、南京工业大学等专业性膜研究团体,而且也出现了大批以膜生产和膜分离技术为主业的专业性营运公司,如陶氏、凯能、天津膜天膜、安徽世杰等,这些都为我们膜科学技术及膜分离技术的快速发展奠定了基础,成为促进了膜分离技术及应用向专业特色课程方向迅速发展的催化剂。
1. 2 膜分离技术课程的开设目标
膜分离技术不同于其他专业课程,它本身具有鲜明的专业特色,但同时又是其他专业课的配角,如 《化工原理》中分离部分内容［1］,《化工分离工程》也包括膜分离部分,《水污染控制工程》也含有膜分离技术及应用,因此该课程能够起到丰富其他专业课的作用。同时,膜科学技术具有鲜明的专业特色,所涉及的专业理论知识具有科学性、系统性、灵活性。面对不同的对象,可以分支出来许多方向,如针对环境科学或环境工程专业,可分设出膜分离技术在环境中的应用等方向。从知识来源上讲,其集成了材料、合成、分离、机械等多个学科的知识点,以及自身的理论,才形成了一个完备的理论体系。它既有特殊性,又具有普遍性,也符合 “来源于大众,服务于大众、一专多能”特点。
2 膜分离技术及应用特色选修课程的建设内容
为了达到本课程的教学目标,在参考其他高校的教学经验基础上,结合学校特色选修课的教学实际,我们对于膜分离技术课程的课程建设与改革提出以下几个方面:
2. 1 明确课程教学目标
学生通过本课程的学习,能够了解一些膜分离过程,如反渗透、纳滤、超滤、微滤、离子交换膜与电渗析、气体分离膜、渗透汽化、膜生物反应器、液膜分离,掌握各种膜分离组件的结构及各种膜分离技术的基本原理,熟悉其在环境工业实际中的应用进展,培养学生分析和解决实际应用问题的能力,为今后从事环境工业及相关行业中熟练应用膜分离技术打下坚实基础［3］。
2. 2 合理安排教学内容
目前,膜分离技术的应用领域比较广,如环境工程、水脱盐与净化、食品工业、医疗卫生、石油化工、生物技术、国防及交通运输等方面,目前在各个方面应用的专著也很多,但是系统性较差,所以,一些具有典型意义的、有代表性的膜分离过程,纳入教学内容体系是非常必要的。这样可以保证教学内容的系统性、连贯性。
针对环境工程专业的学生,课程设置总教学课时24 学时,主要教学内容分为十章内容,第一章绪论,一、分离膜与膜分离技术、二、膜分离技术的研究现状和进展、三、膜分离技术的应用及前景; 第二章反渗透及环境反渗透及环境工业应用,第一节反渗透膜材料及其制备、第二节反渗透膜设备、第三节反渗透技术在环境工业应用,第三章纳滤及环境工业应用,第一节纳滤膜材料及膜的制备、第二节纳滤膜的应用研究,第四章超滤及环境工业应用,第一节超滤膜的制备和保存方法、第二节超滤膜组件、第三节超滤膜装置运行工艺、第四节超滤膜的环境工业应用,第五章微滤及环境工业应用,第一节微滤膜及其制备、第二节微滤膜组件与设备、第三节微滤膜及其环境工业应用,第六章渗透气化及环境工业应用,第一节渗透气化膜与膜材料、第二节渗透气化的工业应用,第七章气体膜分离及环境工业应用,第一节气体分离膜及分离特性、第二节气体分离膜的应用、第三节气体膜分离及其应用前景,第八章电渗析及工业废水应用,第一节电渗析的基本理论、第二节电渗析器结构研究、第三节电渗析技术在工业废水回用处理中的应用,第九章膜生物反应器及环境应用,第一节膜生物反应器全球市场现状、第二节膜生物反应器的分类与特点、第三节膜生物反应器工艺构型及发展、第四节膜污染及其防治、第五节膜生物反应器的推广与应用,第十章膜分离技术应用的前景及展望的专题报告。
如上面所提到的几种膜分离过程,不论应用的对象如何,可以先系统地从各个膜分离过程的分离机理入手,先讲解共性的东西,然后根据实际应用对象的不同,安排专门的时间,以应用案例讲解膜分离过程的应用,这样将深奥的理论知识在实际中加以应用,比如讲解反渗透分离技术在海水和苦咸水的脱盐淡化、超纯水制备、废水处理等方面应用,超滤技术在电泳漆废水、染色废水、含油废水、化纤工业废水等应用［4］。从而能够提高学生对知识的理解和消化,增强学习热情。
2. 3 优化课堂教学方法
根据环境工程专业设定的膜分离技术及应用的教学任务和教学对象的特点,膜分离技术的课程教学也因人制宜,并在不断地提升教学方式的灵活性。我们充分利用现代化多媒体技术,将动态画面引进到教学中,通过膜分离设备的动画演示、模拟化教学、图片资料展示、典型案例分析等辅助教学方式,使专业学习更具趣味性、形象性。课堂教学中尽可能调动学生的求知欲望,实现教学双方的良性互动,使教师的 “教”与学生的 “学”在一个轻松活跃的气氛中进行。另外课堂教学和课后巩固相结合,使学生温故而知新; 教学和实践相结合,使学生能够建立起实际解决问题的能力。同时,针对膜分离技术课程的特点,教师适时布置一些针对性膜分离技术在环境工业中应用的一些题目［5］,如 “膜分离技术在纺织印染行业清洁生产中的应用”、“膜分离技术在饮用水处理中的应用”、“膜分离技术在垃圾填埋场渗滤液处理中的应用”、“膜分离技术深度处理造纸废水的应用”、 “膜分离技术深度处理制革废水的应用”、“陶瓷膜分离技术在含油废水处理中的应用”等等,让同学们通过查阅相关资料数据库完成一篇小论文,提高科研论文的写作水平。
3 课程建设的实现目标
膜分离技术课程的建设将坚持高标准、严要求、力足长远的方针,争取在较短时间内建立一支责任感强、团结协作精神好、教学经验丰富、教学特色鲜明的教学队伍。及时把学科最新发展成果和教改成果引入教学,建立实验教学模式,理论联系实际,有效地培养学生创新思维和独立分析问题、解决问题的能力［2］。同时,根据课程内容和学生特征,重视教学理念,因地制宜地制定合理、灵活的教学方案,运用多样化的教学方法,提高教学效果和质量。初步建成膜分离技术课程网站,形成网络课堂远程互动平台,教师及时答疑解惑,一对一地进行课程辅导与交流,增进学生对课程的认知度。
4 结语
膜分离技术的发展和应用 篇2
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。
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。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。
膜分离技术的国内发展动态
中国的膜技术从60年代中期起步研究,长时间在实验室内和中试规模徘徊。从“七五”计划开始,国家科委把膜技术列为国家重大科研项目加以支持,膜技术取得较大进展,特别是改革开放的国策促进了广泛的国际交流,膜技术在国民经济发展中的重要性日益增大,国内膜工业产值也逐渐增加。
近10年来,中国的膜技术的总体水平有了很大的进展,但与国际技术先进国家的差距仍然很大。问题主要表现在:生产现代化、产业化程度低,原料不规范,工艺参数未严格控制,产品质量不稳定;膜的品种少,应用范围小。尤其应用的工艺设计、系统成套能力、膜组件水平、相关机电产品等方面,尚未达到国际先进水平,远不能满足国内市场需求,膜技术存在着很大的发展空间。
首先,我们要加强研发能力,推动膜技术产业的发展,依靠科技进步,提高产品质量,降低成本,增加品种,扩大应用面。
膜分离技术在环境工程中的应用 篇3
环境的保护和治理是近几年来一直受到社会各界人士关注的话题。众所周知，我国的雾霾现象非常严重，对我国的大气和其他环境产生了严重的危害。不仅是我国，全世界对环境的污染和防治采取了高度的重视。膜分离技术作为一种新兴的高科技技术，其在环境工程中具有污染小、能耗低、操作简单等优点，在食品、药品、环境、能源开采等方面都有广泛的运用。本文就膜分离技术对环境工程中起到的作用进行探究，对膜分离技术在环境中的保护与污染的治理进行相关阐述。
一、膜分离技术的基本内容
1.1.膜分离技术的基本原理
膜分离技术中的“膜”是指选择性透过膜，动物细胞中的一部分细胞膜都是选择性透过膜。在动物细胞中，由于细胞内外的液体浓度差造成细胞膜两侧之间形成的渗透压，而相对分子质量不同的物质在选择性透过膜时的速率不同，速率相近的物质就会聚集在一起，进而对物质起到了提纯和分离的作用。由膜分离技术提纯净化的饮用水质量可以直接影响到人体健康，在工业废水、城市污水等方面的治理也起到关键性的作用。膜分离技术的适应性相当强，可以根据自身的属性等其他的因素采用不同的分离技术，对于各行业发展都有突出的贡献。国内外专家对于膜分离技术的评价普遍很高，认为其为二十一世纪最具发展潜力的技術之一，部分专家甚至认为膜分离技术的发展是“历史上的第二次工业革命”。
1.2.膜分离技术的特点
膜分离技术在很多领域都具有广泛的用途。相较于传统的分离技术，膜分离技术由于不会让相关物质产生化学性质的变化，换句话说，分離物质不会由于膜分离技术而产生自身属性的变化，因此膜分离技术在各个领域都具有非常强的适应性。其次，由于膜分离技术不会改变物质的属性，所以其造成的能源消耗较低，这是很多国家看重膜分离技术发展的一个重要原因。膜分离技术所需的技术设备相当简单，在对其技术设备进行检修更换时会更简便且维修成本更低。另一方面，膜分离技术原理简单，不涉及物质自身属性的改变，属于简单的物理反应。在对水进行加工处理时，其产出的水质要高于其他方式产出的水质，且由于其不会改变水分子之间的结构，其分离出来的纯净水稳定性较高，具有较长的保存期。在对水污染进行治理时，分离技术的不同会将污水内的各种物质都提纯出来进行处理。
二、膜分离技术对环境工程的作用
膜分离技术根据实际情况的不同会采取不同的分离方式，针对相关物质的相对分子质量和自身属性等其他因素，会采用微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等分离技术。其在物质的提纯净化、污染治理等方面都起到相当重要的作用，是预治环境污染的重要先进技术。下面两个例子是膜分离技术在环境工程中起到作用的实例：
2.1.膜分离技术对水的净化作用
膜分离技术在对生活用水的净化、对工业用水的处理、对城市废水污水之间的治理方面具有重要作用。众所周知，饮用水的质量会直接影响到我们的身体健康，饮用水在进行净化提纯之前通常含有大量的细菌、微生物、悬浮物等其他对人体有害的物质。膜分离技术在对饮用水进行过滤的过程中，能杀死饮用水中含有的细菌和病毒，而起反渗透操作可以做到几乎去除饮用水内的所有杂质和微生物。目前膜分离技术已经成为海水淡化工程中的一项重要核心技术。膜分离技术对于工业用水和城市废水的处理原理基本相同，由于工业用水和废水的金属元素浓度较高，反渗透膜作为分解分子质量较大的物质具有较强的功能，常被用于处理重金属浓度较高的工业废水。在经过反渗透膜处理的工业废水中，其金属元素浓度都能达到标准废水排放水平，并且能让浓缩液得到进一步的处理，进行回收，另外，纳滤膜在进行重金属废水处理时，可以使废水中的90%转化为纯净水，对工业废水中的重金属元素能进行95%以上的去除。
2.2.膜分离技术对染料工业的作用
我国是世上著名的染料生产大国，每年的染料生产量达到数十万吨，在固体染料的生产过程中常常有着很低的效率。染料在溶液中的分离存在较为严重的问题，染料的分离一般通过盐析和压滤等技术进行操作，而盐析过程中会使得其生产出来的盐分降低溶液中染料的纯度，另一方面盐析生成的盐分会降低染料的着色效果，且耗时长，功耗大，在染料工业生产之后形成的废水会对环境造成严重的污染。膜分离技术在染料工业中的应用能够有效的解决染料工业的工作效率，并能解决传统工染料生产作业方式造成的环境污染问题。膜分离技术能够代替传统的染料生产技术，一般采用纳滤膜分离技术代替原有的盐析、压滤工艺。在用纳滤膜分离技术进行染料生产工业中，由于纳滤膜自身具有的微孔结构，溶液中的物质在纳滤膜进行穿透和扩散的过程中会受到纳滤膜自身所带电荷的电力作用。对于相对分子质量较大的多价盐和部分有机物有较强的拦截作用，纳滤膜分离技术在染料生产中的工艺简单、效率高，且对染料工业造成的污染能进行有效的解决。在提高染料质量和提高厂家的经济效益的同时，减少了染料废水对环境的污染。
结束语：膜分离技术作为一项新兴的技术，在与人类休戚相关的众多领域都具有广泛的利用价值。目前膜分离技术对于环境工程的作用还处于初级阶段，但其已经起到了良好的效果。随着人们对大气污染、水污染等环境问题的越来越重视，膜分离技术必将更加引起人们的关注，膜分离技术在环境保护方面的应用还存在很大的潜力，具备良好的发展前景。
参考文献
[1]季敬福.膜分离技术在水处理环境工程中的应用[J].装饰装修天地，2016（04）
[2]方明.膜分离技术的应用与进展探讨[J].中国高新科技企业，2016（06）
膜分离技术及应用 篇4
膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时, 实现选择性分离的技术, 半透膜又称分离膜或滤膜, 膜壁布满小孔, 根据孔径大小可以分为:微滤膜 (MF) 、超滤膜 (UF) 、纳滤膜 (NF) 、反渗透膜 (RO) 等, 膜分离都采用错流过滤方式。膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点, 因此在饮用水净化、工业用水处理, 食品、饮料用水净化、除菌, 生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用, 并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。分离膜因其独特的结构和性能, 在环境保护和水资源再生方面异军突起, 在环境工程, 特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。超滤作为膜分离技术的一种, 在工业污水处理中应用也日益广泛, 本文以某发电公司为例, 就膜分离技术超滤在工业污水处理的应用及维护清洗进行探讨。
1 超滤系统的运行
1.1 超滤前预处理
预处理系统是指原液在进入超滤装置之前去除各种有害杂质的工艺过程及设备。该发电公司超滤采用的是全量过滤 (死端过滤) , 即不排浓水, 因此超滤进水浊度要求小于17NTU。该发电公司预处理是一套集絮凝沉淀和砂滤于一体的自动设备, 它采用时序全自动控制, 能自动排泥, 自动反洗。预处理的出水浊度常小于1NTU, 并添加了Na Cl O, 保证出水含有一定的余氯, 防止了微生物的滋生, 满足超滤进水要求。在取水源的枯水期, 由于水源受上游化工厂污染严重, 有机物含量大, 超滤通常使用自来水作为水源。自来水浊度通常小于0.5NTU, 满足超滤进水要求。
1.2 超滤前管路冲洗和盘式过滤器预过滤
由于超滤进水管采用镀锌管, 进行管路冲洗可去除管道的浮锈, 减少进水的铁含量。盘式过滤器为130um的机械过滤器, 水中大于130um的大颗粒可被除去, 以达到保护超滤膜组件的目的。盘式过滤器截留的污物, 可通过设定时间进行自动反洗除去。
1.3 超滤单元反洗
原水经滤筒通过滤膜时, 由于水中杂质在超滤膜表面的截留, 膜的过滤阻力逐渐增加, 过滤水量会随时间下降, 反洗可以恢复超滤膜的膜通量。正常运行时超滤反洗分为加氯反洗和脱氯反洗, 加氯反洗有助于防止微生物的滋生和有机物的洗脱, 脱氯反洗是去除过量的余氯, 以保证出水余氯合格, 满足后面的除盐工艺。加氯反洗一般控制反洗水余氯为3~5mg/L。
1.4 停机备用反洗
停机备用反洗, 又称为解列加氯反洗, 同正常运行的加氯反洗相同, 作用在于防止微生物的滋生。
2 超滤系统运行注意事项
2.1 超滤运行指标
超滤配备仪表有出水余氯仪、反洗余氯仪、出水氧化还原电位仪、温度表和进出口压力表。运行中监测的指标如下:超滤滤膜对p H适应较广泛, 在电厂采用的原水一般都符合要求, 因此p H只需定期监测。超滤膜的清水透过率与进水温度有关。在给定的压力下, 透过膜的清水通量随温度的增高而增高。南方电厂一般符合要求, 只作定期监测, 北方电厂冬季可以通过预加热, 提高进水温度, 既可增加超滤效率, 也为除盐工艺作准备。超滤进水保证一定的余氯可以防止微生物滋生损坏滤膜, 一般控制在0.05~0.1mg/L。
超滤出水浊度是监测超滤过滤效果的主要指标, 出现出水浊度超标时, 可分别检查各滤筒的出水浊度, 以确定哪个滤筒出现问题。出水余氯和ORP均为满足后续除盐工艺要求, 可通过调节NaHSO3泵开度调节NaHSO3加入量, 从而控制出水余氯含量。
2.2 运行水锤现象的防止
超滤系统管道曲折, 阀门繁多, 运行工况较多, 运行时经常会出现由于阀门开关缓慢而导致的水锤现象。水锤对超滤的滤膜和管道都会造成很大的损坏, 该电厂超滤投运一年后出现管道爆破现象, 分析原因是由于长期的水锤现象造成的。经调试发现水锤现象是由于阀门和泵开关的时序不当造成的, 如停泵时远端的阀门已关闭而泵未停运, 启动泵时远端阀门未开启泵已早启动。该发电公司通过修改阀门和泵的开关时序来消除水锤现象 (使先开阀门后启泵, 先停泵后关阀门) 。超滤系统滤筒设计压力0.30MPa, 滤筒进出口运行压降≤0.10MPa, 反洗系统设计压力0.30MPa。超滤过滤提升泵和反洗水泵均配备了变频器, 使超滤启动时能逐渐加压, 有效避免了压力超标造成的超滤膜损坏。停机时也是先降压后停泵, 也减少了水锤的发生。超滤管道和滤筒存在气体会影响超滤的过滤效果, 容易对滤膜造成损坏。超滤管道和滤筒空气的排放是通过自动排气装置进行的, 发现缺陷时要及时检修, 不能关闭自动排气装置继续运行。
2.3 超滤膜元件的检漏
超滤每个膜元件都由很多中空纤维管组成, 其中任何一根断裂都会影响出水水质, 为了保证出水质量, 超滤膜元件断裂膜管时应进行查漏封堵。通过对单个膜元件出水浊度的检测可发现膜管破裂的膜元件。膜管断裂的检查方法采用气压法, 即在超滤膜元件的滤后水端通入压缩空气 (0.02~0.05MPa) , 并在膜元件两端涂上肥皂水, 通压缩空气后, 断裂的膜管其端口会产生气泡, 做记号并用环氧树脂封堵即可。
3 超滤系统化学清洗
虽然反洗可以迅速恢复膜通量, 提高产水量, 但反洗并不能完全恢复膜通量, 在运行3个月后, 超滤装置进水压力会由正常情况下的50KPa升高到80KPa, 膜筒出水压力维持正常情况下的30KPa, 出水流量由33t/h降为25t/h, 膜透过率由126L/ (m2·h) 降为86L/ (m2·h) , 出水浊度0.20NTU升高至0.3NTU, 说明超滤膜污堵, 需要进行化学清洗。超滤装置运行较长一段时间后, 在线反洗余氯仪的溢流管和电极处黏有红褐色附着物, 在线出水余氯仪的溢流管和电极处黏有绿色粘滑性附着物。对这两种附着物进行分析, 定性确定褐色沉积物主要由铁铝化合物组成;绿色附着物放在坩锅内燃烧有蛋白质气味, 放在10%的盐酸溶液中不溶解, 但颜色变成了灰白色, 说明该绿色附着物主要为有机物。根据以上分析, 超滤装置膜筒中主要附着物为有机物、铁、悬浮物、胶体硅。由于超滤装置膜筒材料是醋酸纤维, 其耐酸碱性能不佳, 不宜使用氢氧化钠碱洗, 同时考虑清洗成本并参考膜生产厂提供ANSYS 的清洗方法, 采用了EDTA+磷酸三钠碱洗, 并与柠檬酸酸洗相结合, 间断使用次氯酸钠清洗的方案。
4 结论
膜分离技术在近30多年发展非常迅猛, 与常规方法相比具有能耗低、单级分离效率高、过程简单、不污染环境等优点。超滤作为膜分离技术的一种, 在火力发电厂水处理中应用也日益广泛, 总结和研究超滤系统运行和维护技术具有积极的意义。
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膜分离技术及其应用的研究进展 篇5
（中国石油大学
摘
理学院，北京
102249）
要：简要介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等几种膜分离技术的分离机理、制备方法和特
点；并介绍了膜分离技术在食品、医药、石油化工、水处理等方面的应用及其膜分离技术的发展趋势.
关键词：膜分离；应用；发展趋势
中图分类号：TQ028．8文献标识码：A文章编号：1673－260X（2013）10－0041-
03
为1￣10万的大分子．超滤膜的筛分孔径小，它可截
油脂、蛋白质、有机大分子、悬浮物等留病毒病菌、
［4］
．高亚宁等［5］使用0．8％￣1％的硼酸作为交联剂对纤维强度进行改进，原液中硼酸的目的是使挤入碱性凝固浴中的纺丝原液与硼酸发生交联反应减少大分子的缠结，形成网络状凝胶．肖凯军等［6］采用戊二醛交联法，通过用聚乙二醇（PEG－1000）和戊二醛交联剂对基膜进行亲水化预处理，制备了一种新型聚乙烯醇（PVAL）超滤膜．该PVAL超滤膜具有耐污
耐酸性和耐高温，可获得广泛的应用．超滤膜具染、
有以下特点：（1）超滤可在常温下进行，那些对热敏
浓缩、精制都可在不影响质量的情况物质的分离、
下进行．（2）超滤过程不会发生相变，因此与一般相变分离法相比，它的能耗较低．（3）超滤过程以压力作为驱动力，装置结构简单，操作简便，容易维修［7］．1．3纳滤
纳滤膜分离的基本技术原理［8］较为简单（见图1），在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液．因此膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口，影响膜通量的因素有温度、压力、固含量、离子浓度、黏度等．赵理等［9］以聚砜为膜原料，添加一定量的新型二胺，以DMAC溶剂，得到中空纤维PSF
膜分离是指借助膜的选择渗透作用，在外界能
量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进
分级、提纯和富集．该技术作为新的分离净行分离、
化和浓缩技术，与其他传统的分离方法相比，常温
节能、工艺简便、投资少、污染小，下操作，有高效、
并且膜分离具有过程简单、经济适用、分离系数较
没有污染、能适合常温下连续操作、可直接放大、大、可专一配膜等优点［1］．人类对于膜的研究源于18世纪，但是膜分离技术的工业应用是在上个世纪60年代以后．从六十年代的反渗透到九十年代的渗透汽化，膜分离技术发展迅速．膜分离技术的应用
、微领域不断扩大，常用的膜分离技术有超滤（UF）
滤（MF）、反渗透（RO）、纳滤（NF）、电渗析（ED）、等．现已涉及人们生产和生活的各个方面，对水处理工
化工生产、医药、食品生产和生物工程等领域的业、
发展产生了巨大的作用．
1膜分离技术的分离原理及其特点1．1微滤
微滤（MicroporousFiltration）膜分离技术起始于十九世纪中期，是以静压差为动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程．张庆勇等［2］简单阐述了利用固态粒子烧结法制备技术和方法．并应用于水处理和油水分离等领域．微滤膜的特点（1）孔隙大，流速快．由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍．（2）孔径均匀，过滤精度高．能够将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留．（3）无吸附或少吸附．微孔膜厚度一般在90￣150Lm之间，因而吸附量很少，可忽略不计．（4）无介质脱落．微滤膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液［3］．1．2超滤
超滤是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压（100￣1000kPa）差为驱动力的膜分离技术．它可分离液相中直径在0．05￣0．2μm的分子和分子量
图1膜分离操作基本工艺流程
－41－
基膜．再以TMC和PIP为缩聚单体，正己烷和水为两相溶剂，并在水相中添加一定量的二氧化硅纳米颗粒．制备了所需的纳滤膜．
纳滤膜的特点：（1）离子选择性，纳滤膜对单价盐的截留率仅为10％～80％，具有相当大的渗透性，而二价及多价盐的截留率均在90％以上．（2）截留相对分子质量，截留相对分子质量（MWCO）在200￣1000之间，适宜于分离相对分子质量在200
以上，大小约为1nm的溶解组分［10］．（
3）操作压力低，操作压力低，纳滤膜组件的操作压力，一般为0．7MPa，最低为0．3Mpa［11］．1．4反渗透
反渗透（ReverseOsmosis）是利用膜的选择性，以反渗透膜两侧静压差为驱动力，允许溶剂通过而第一文库网截留离子物质，对液体混合物进行分离的过程．进行反渗透分离过程有2个必要条件［12］：一是外加压力必须大于溶液的渗透压力（操作压力一般为1．5￣10．5MPa）；二是必须有一种高透水性、高选择性的半透膜．反渗透膜微孔孔径一般小于1nm，对绝大部分无机盐、溶解性有机物和胶体有很高的去除率．周勇等［13］采用间苯二胺分别与均苯三甲酞氯、5一异氰酸醋异酞酞胺（ICIC）、5一氯甲酸异酞酞氯（CFIC）通过界面聚合工艺制备反渗透复合膜．反渗透的特点：（1）在常温不发生相变的情况下，可以对水和溶质进行分离．（2）具有较高的水回用率和脱盐率．（3）反渗透膜分离技术杂质去除的范围广．（4）利用较低压力作为膜分离动力，分离装置简单，操作、维护和自控简便，现场安全卫生［14］（．5）膜分离技
术有冷杀菌的作用，且能耗低、
费用省、速度快、不污染环境［15］．1．5电渗析
电渗析（ED）是在外加直流电场的作用下，利用离子透过选择性离子交换膜而迁移，使带电离子从水溶液和其他不带电组分中部分分离出来的一
种电化学分离过程［16］．其原理
（如图2）所示，在外加直流电场的作用下，以电位差为驱动力，原水中的阳离子向阴极迁移，淡化室中的阳离子透过阳膜进
图2
电渗析技术原理
－42－
入浓缩室，但浓缩室中的阳离子受阻于阴膜而留
下；同时原水中阴离子向阳极迁移，淡化室中的阴离子透过阴膜进入浓缩室，但浓缩室中的阴离子受阻于阳膜而留下．电渗析技术具有以下特点：电渗
析技术由于具有能耗低、
药剂耗量少、环境污染小、操作简便、使用寿命长、无污染等特点，广泛地应用于海水、苦咸水脱盐［17］．2膜分离技术的应用
膜分离技术，作为一种新型的分离技术，既能对废水进行有效的净，高效地去除污染物，又能回收一些有用物质，同时具有节能、无相变、安全性高、生物稳定性好、设备简单、操作方便等特点，因此在生产生活中得到了广泛的应用并显示了广阔的发展前景．
2．1在化工生产中的应用
在合成氨方面，可用于高压机后新鲜气油分离采用超滤，技术除去新鲜气中的油水尘等杂质，大大改善了冷交换器的油污和积炭堵塞现象，进一步优化了操作条件，降低了能耗，有效保护了合成塔触媒．联碱生产过程中经常会产生重碱、食盐、纯碱等有用物质的母液泄漏及生产设备冲洗水外排，既造成了浪费，又对环境造成了污染［18］．徐昌松等［19］采用电渗析技术处理联碱含盐废水，可将含盐质量分数为1％的联碱废水浓缩到10％，而淡液含盐的质量分数0．05％．结果表明采用电渗析技术处理联碱废水是可行的，可实现联碱生产废水零排放．大多数有机溶剂（如醇类、酮类、酯类等）常含有少量水会形成共沸物，用恒沸精馏、萃取精馏等特殊精制工
艺脱水，存在工艺复杂、
能耗高等问题．使用膜选择分离技术进行脱水就不再受恒沸点制约，容易从有机溶剂混合物中脱除微量水，可大幅度降低分离过程能耗［20］．
2．2在环境中的应用
随着我国经济社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对水质量的`要求也不断提．柴克鹏［6］在对星级宾馆的扩建改造中，将宾馆所排放的污水进行收集后处理后，将其用于绿化和厕所用水．所选用的超滤膜为聚丙烯中空纤维膜，利用该膜组件和采用反洗工艺来处理污水，处理后的水质完全符合预期要求．王立国等［21］采用核桃壳过滤器―超滤装置组合工艺处理油田含油污水，油的质量浓度由10．98mg／L降到0．33mg／L，出水达到A1类标准的要求．
填埋式处理垃圾的方法，是我国处理垃圾的主要方式，因此将会产生大量的垃圾渗透液．王薇等［22］采用MBR和纳滤集成处理工艺对垃圾渗透液进行处理可有效截留MBR产生中的COD、色度等，经过纳滤处理过的垃圾渗透液符合污染物的特别排放标准．李黎等［23］
在峨眉山市垃圾渗滤液处理工程
中，纳滤系统采用纳滤卷式膜，运行压力0．5￣1．7Mpa．运营至今运行情况稳定，纳滤出水完全达标排放．
2．3在医药生产中的应用
超滤技术是一种用以分离、
提纯和浓缩物质的新方法．以膜两侧压差为推动力，利用膜孔径大小来进行筛分．邱礼新等［24］采用中空纤维超滤膜法制备精制双秦滴眼液，采用中空纤维超滤设备，所用原液采用经鉴定的生药加水煎煮而成．经研究证明，经过超滤技术所制备的双秦滴眼液的PH为7．5接近中性，并且具有良好的稳定性；其中所含的药物成分有所提高．刘洪谦等［25］运用超滤法精制生脉饮口服液，利用外压式中空纤维超滤膜来进行筛分证明超滤法能有效去除杂质、提高产品澄清度，并且能保留原配方的成分．2．4在食品中的应用
乳清是干酪生产中排出的质量约为加工原料奶90％比例的副产物．孔凡丕等［26］运用GFLB－75N型管式分离机纳滤膜选用OsmonicsDK2540F纳滤膜，以及小型喷雾干燥设备等仪器对干酪进行乳清脱盐处理．所得的乳清酚灰为4．76％比原料降低了45．28％，乳清蛋白几乎完全截留．在对脱脂牛奶的处理中．食盐的截留率约为60％．结果表明，采用纳滤处理可有效地去除杂味和盐味，并不破坏牛奶的口味和营养价值．3发展趋势
随着我国经济的快速发展，膜分离技术作为一种新型的单元操作过程，在许多行业已经得到广泛的应用，并且在某些行业应用的比较成熟．在对于
生产成本要求不断降低、
产品质量要求不断提高的今天，膜技术的优势会越来越明显．
由于膜分离技术的大量应用是近些年开始的，因此膜技术的发展也受到一些因素的制约：如膜污
染、
膜产品的价格和膜分离要求的提高．如果我国的科研人员能将这几个方面的问题更好的解决，膜分离技术将在我国的经济发展中发挥更重要的作用．―――――――――――――――――――
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膜分离技术及应用 篇6
关键词：膜分离技术 废水资源化 高效处理
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-106-02
膜分离技术是基于膜材料形成的分离边界的分离技术，最初应用于军事、航空航天、原子能等高端领域，随着其在民用领域应用日趋广泛，被公认为是20世纪末到21世纪最有发展前途的高新科技之一。
1 膜分离技术在废水资源化处理领域主要的应用
膜是具有选择性分离功能的材料。膜分离技术是指利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程。它与传统过滤的不同在于膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。基于膜分离技术的这些特点和优势，可实现废水资源化处理，将废水中的污染物提取出来资源化，取得可观的经济和环保效益。
如图1所示，膜分离技术在废水资源化处理领域的应用主要涉及电镀废水资源化处理、印染废水资源化处理、垃圾渗透液资源化处理、造纸废水资源化处理以及生活污水中水回用等方面，对传统重污染行业的绿色化、环保化、零排放转型提供了技术保障。
2 电镀废水資源化处理技术
电镀工业是金属表面涂装行业的重要分支，是工业体系中不可或缺的重要组成部分，对各行业的影响重大。电镀产品涉及机械制造、轻工产品、汽车产品、电子产品、生活用品、航空航天领域、国防领域、塑料产品等多个领域，对国民经济的支撑作用举足轻重。电镀废水是在电镀生产过程中产生的特种废水，其主要成份为电镀工艺中镀层金属离子、电镀助剂、金属表面清洗剂、表面活性剂、金属表面保护油脂等，铬、锌、铅、铜、银、金等贵重金属以及氰化物、氟化物、络合物等剧毒成分均会在电镀废水中出现，针对不同的电镀工艺和电镀产品其中的成份会出现显著的差异。电镀废水资源化处理技术是针对不同的电镀工艺的具体需求提供解决方案，目的是将电镀废水中的重金属成分回收，浓缩处理后作为电镀液从新应用到电镀工艺中去；同时如氰化物等剧毒电镀助剂也可以转化成为氰化钠等有效成份回收最终从新投入电镀工艺使用；成分份额最大的水经过净化后也直接回用于电镀生产工艺。这样以来电镀废水被分解为重金属、电镀助剂、水三个资源成份而相继回用于电镀工艺中，从而实现电镀废水真正的对于环境的零排放资源化回用。
此技术与传统电镀废水处理技术区别在于传统电镀废水处理技术是通过化学、物理、生物的方法将电镀废水中的各种成份分步骤去除，最终达到环境排放标准排放到环境中，纯粹为了环保而进行处理，纯粹投入而没有任何经济效益。电镀废水资源化处理技术是通过膜分离、膜反应、物理化学、电化学的方法将电镀废水中的成份转化为三种资源回收利用，包括重金属电镀液、电镀助剂、水，不向环境中排放任何污染成份，具有巨大的经济效益和环保效益。膜分离技术的出现为电镀废水资源化的技术实现成为可能，对环境友好型绿色电镀行业的兴起起到巨大推进作用。
3 印染废水资源化处理技术
印染工业是纺织工业的重要组成部分，与人民群众的生活起居密不可分。人们的生活用品中一大部分属于纺织产品，而这些纺织产品的在不同的印染工艺作用下呈现出不同的颜色和图案，构成人类社会五彩斑斓的生活图景。印染工艺主要是借助高温定型、化学反应染色、化学定型等方法将指定的颜色和图案在白色的胚布上染色、定型，保证印色和染制的牢固性和耐久性不褪色。印染废水是印染工艺中水洗、印色、定型、缸染、轧染所产生的生产废水，其主要成份包括染料、分散剂、定型剂、柔化剂、光亮剂、水等，由于印染工艺的产量和特点所决定，印染废水的产生量非常大，中等规模的印染企业每日的用水量在1万吨左右，印染废水的处理是环境保护领域的传统难题，太湖水域的污染和富营养化是印染废水污染的典型例证。印染废水资源化处理技术是基于膜分离技术基础，结合物、化学、电化学的方法，将印染废水中的染料、印染助剂、水进行分步回收，从新投入印染工艺中进行使用，从而大大节约的印染行业的用水需求，为印染行业的绿色生态行业转变铺平了道路。
4 垃圾渗滤液零排放回用
垃圾渗滤液是垃圾在填埋和堆放过程中由于垃圾中有机物质分解产生的水和垃圾中的游离水、降水以及入渗的地下水，通过淋溶作用而形成的废水。
垃圾渗滤液产生量约为垃圾产量的10%，污染物成份复杂、浓度高、水质波动大、氨氮和硫化物含量高、不利于生化降解，如果深入地下水系统会产生强烈的污染效应，严重威胁水环境安全。
迄今为止，垃圾渗滤液处理仍是污染控制领域公认的难题，垃圾渗滤液的处理已经成为我国当前及今后相当长时期内环境污染控制的一项重大课题。
垃圾渗滤液资源化处理技术是针对不同的垃圾填埋场和垃圾堆场的渗滤液具体水质和水量情况，将渗滤液中的重金属、氨氮、水进行分步提取回收，作为有效利用的资源循环利用，实现变毒为宝、转废物为资源的功效。
垃圾渗滤液资源化处理技术与传统渗滤液处理技术的区别在于传统技术是将垃圾渗滤液中的重金属、氨氮、有机物等成分利用物理、化学、生物的方法进行去除，达到最终出水达标排放的目的；而垃圾渗滤液资源化处理技术则是基于膜分离技术基础结合物理、化学的方法将垃圾渗滤液中的重金属、氨氮、水等有效成份进行回收利用，将纯投入的环保项目转化成为资源回收再利用的清洁生产项目，成为固体废物资源化领域的延伸和拓展。
5 造纸废水资源化处理技术
造纸行业是一种传统工业，历史十分悠久工艺也非常成熟，由于电子行业和电子产品日新月异取代了部分纸制品的市场份额，加之新材料的诞生也对造纸行业产生了不小的冲击，并且造纸工艺本身产生造纸废水对于环境的污染也是这个行业的重要积弊，基于这些原因造纸行业被人们称为夕阳行业之一。
造纸废水是造纸生产工艺过程中所产生的生产废水，其主要成份是纸浆、纤维素、酸碱助剂、色素、木质素、水等，小型造纸厂由于缺乏监管造纸废水未经处理排放造成水环境污染事故比比皆是，所以国家出台政策关停小型造纸厂，实现造纸行业的规模化运行，确保造纸废水的处理和达标排放。
膜分离技术及其应用现状 篇7
膜分离技术是指用天然或人工合成的具有选择透过性膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的边缘学科高新技术[1]。由于膜分离技术具有节能、高效、简单、造价低、无相变、可在常温下连续操作等优点,而且特别适合热敏性物质的处理的特点,其应用已渗透到人们生活和生产的各个方面,现已被广泛应用于化工、环保、生物工程、医药和保健、食品和生化工程等行业。虽然膜分离技术的应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离,但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入,膜分离技术应将得到更加广泛的应用,其在未来是世界各国研究的热点,它将在各个领域发挥更引人注目的作用。
2 膜分离技术
2.1 膜分离技术的特点[2]
(1)在常温下进行,特别适用于热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩,且可以同步进行能较好地保持产品原有的色、香、味和营养成分;
(2)分离过程中不发生相变,挥发性物质损失少,节约能源;
(3)具有冷杀菌作用,保存期长,无二次污染;
(4)选择性好,应用范围广,但要选择相应的膜类型;
(5)设备简单,易于操作,可连续进行,效率高。
2.2 膜分离技术的分类
2.2.1 微滤
微滤主要是根据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。在给定压力[(50～100) kPa],溶剂、盐类及大分子物质均能透过孔径为(0.1～20)μm的对称微孔膜,只有直径大于50nm的微细颗粒和超大分子物质被截留,从而使
溶液或水得到净化。微滤技术是目前所有膜技术中应用最广、经济价值最大的技术,主要用于悬浮物分离、制药行业的无菌过滤等[3]。在微滤方面今后应着重研究开发廉价膜组件;耐高温抗溶剂的膜及组件;不污染,易清洗的长寿命膜。
2.2.2 超滤
超滤和微滤一样,也是利用筛分原理以压力差为推动力的膜分离过程。同微滤过程相比超滤过程受膜表面孔的化学性质的影响较大。在一定的压力[(100～1 000) kPa]条件下溶剂或小分子量的物质透过孔径为(1～20)μm的对称微孔膜,而直径在(5～100)nm之间的大分子物质或微细颗粒被截留,从而达到了净化的目的。超滤主要用于浓缩、分级、大分子溶液的净化等。在超滤方面今后应重点开发抗污染膜;比较廉价的,长寿命的膜组件;低能耗的膜组件;抗溶剂的膜及组件;适用于高温、高pH值和抗氧化的膜。
2.2.3 反渗透
反渗透过程主要是根据溶液的吸附扩散原理,以压力差为主要推动力的膜过程。在浓溶液一侧施加一外加压力[(1 000～10 000) kPa]，当此压力大于溶液的渗透压时，就会迫使浓溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1～1nm的非对称膜流向稀溶液一侧,这一过程叫反渗透。反渗透过程主要用于低分子量组分的浓缩、水溶液中溶解的盐类的脱除等。在这方面今后应优先发展抗氧化膜;耐细菌侵蚀的膜;透水性好的易清洗、消毒的膜。
2.2.4 纳滤
纳滤是膜分离技术的一个新兴领域,纳滤膜(Nanofihhrahion Membranes)是20世纪80年代末期问世的一种新型分离膜,其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200～2 000,由此推测纳滤膜可能拥有1mm左右的微孔结构,故称之为“纳滤”。纳滤膜大多是复合膜,其表面分离层由聚电解质构成,因而对无机盐具有一定的截留率。目前国外已经商品化的纳滤膜大多是通过界面缩聚及缩合法在微孔基膜上复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层。纳滤也是根据吸附扩散原理以压力差作为推动力的膜分离过程。它兼有反渗透和超滤的工作原理。在此过程中,水溶液中低分子量的有机溶质被截留,而盐类组分则部分透过非对称膜。纳滤能使有机溶质得到同步浓缩和脱盐,而在渗透过程中溶质损失极少。纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质,同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过,堪称为当代最先进的工业分离膜。由于它具有热稳定性、耐酸、碱和耐溶剂等优良性能,所以在工业领域有着广泛的用途,随着纳滤分离技术越来越广泛地应用于食品、医药、生化行业的各种分离、精制和浓缩过程,纳滤膜分离机理的研究也成为当今膜科学领域的研究热点之一。
2.2.5 渗透
渗析也称透析是最早被发现和研究的膜现象。它是根据筛分和吸附扩散原理,主要利用膜两侧的浓度差使小分子溶质通过对称微孔膜进行交换,而大分子被截留的过程。渗析主要用于从大分子溶液中分离低分子组分。由于超滤技术的发展,渗析技术正逐渐被取代。但是近年来,血液渗析技术的发展使渗析技术得到重视,血液渗析和血液超滤技术互有补充,各有侧重。
下表形象地表示了几种膜过程的分离、浓缩特点[4]。
3 膜分离技术的应用领域
自20世纪50年代的微滤膜和离子交换膜率先进入工业应用后,60年代的反渗透进入工业应用,70年代为超滤,80年代为气体分离,90年代为渗透汽化,以及后来的一些新型膜分离技术的工业应用。至今膜分离技术已经在国民经济的各行各业中确立了自己的地位,下面对它在各个领域的应用做以简略叙述。
3.1 在化工及石油化工中的应用
由于各国普遍重视环境保护和治理,因而微滤和超滤分离在化工生产中的应用尤为常见,广泛用于水中细小微粒,包括细菌、病毒、及各种金属沉淀物的除去等。例如:目前国内一些磷肥生产企业采用微滤膜分离除去磷石膏废水中含氟的化合物[5]。气体分离在化工和石油化工方面的应用也颇具意义,例如:在合成氨工艺中回收H2;在3次石油回采中从甲烷中分离C02;由膜分离氧和氮等。电渗析在化工中的应用也较为广泛,例如:自然水的纯化,海水脱盐等。醇类与水的沸点相差较小,所以醇类与水的分离要想达到理想的分离效果,若采用传统的精馏分离将十分困难,采用电渗析技术则变得较为方便。在化工生产中甲醛与己醛反应生成季戊四醇,还生成副产物甲酸,采用电渗析法可有效地对季戊四醇进行精制和分离。膜分离技术在化工、石油天然气工业中具有十分广阔的前景,它对于生产设备的优化及提高经济效益都有着十分重要的作用。尽管此项技术还有许多理论与实践问题有待于进一步研究探讨,但作为一门新兴科学在不远的将来终究会在化工及石油天然气工业中发挥巨大的作用。
3.2 在废水处理中的应用
我国目前城市污水集中处理率不高,大量污水未经处理直接排人江河湖海,造成严重污染。用传统工艺与膜技术集成,可以将废水或污水净化、再生,从而循环使用。近年来,水处理专家将膜分离技术引入废水生物处理系统,开发了一种新型的水处理系统,即膜生物反应器(MBR),它是膜组件与生物反应器相结合的一个生化反应系统。目前有三种形式:即分离式、一体式和一体重力淹没式。90年代以后MBR在国外已有应用实例。加拿大的Zenon公司开发的膜生物反应器已被美国、德国、法国等地方应用,规模从380 m3/到7600m3/d。由于我国膜材料生产技术达不到要求,因此目前关于MBR的研究仅限于实验室和小规模应用阶段。但也取得了丰硬的成果,为将来大规模实际应用打下良好基础。韩怀芬等人初步研究了膜生物反应器在难降解的造纸废水中的处理效果,并与传统的活性污泥法和生物接触氧化法进行了对比,结果表明:在同样水质的条件下,膜生物反应器的处理效果明显好于普通的生物法。污泥浓度达6000 mg/L以上时,膜生物反应器出水COD可降至100 mg/L以下。白晓慧，陈英旭采用厌氧/膜生物反应器(MBR)工艺对生产医药中间体酰氯的废水进行了中试。结果表明,膜生物反应器具有抗冲击能力强,处理效果好,占地面积小的优点,适合于处理水量小、浓度高的废水[6]。当前,国内外专家学者研究的焦点集中在:减少膜污染、利用MBR脱氮除磷、去除水中微污染、寻找MBR最佳运行条件等方面。
3.3 在医疗医药中的应用
人工肾主要为中空丝型,分为透析型和过滤型,主要是通过由透析膜相隔的血液和透析液中各成分之间的浓,度差所造成的扩散,达到清除血液中废物和有害杂质的目的控制释放膜主要用于制造控制释放药物。许多口服药不需要控制释放,但若药物在体内的有效浓度范围窄,并且超过最低中毒浓度就会有明显的副作用,就要利用控制释放膜制取口服控制释放药物皮肤渗透法主要适用于对皮肤有高渗透性并且所需剂量不大的药物,此类体系最主要的优点是避免了一次性代谢。黏膜植入通常用于眼睛、口腔、子宫及阴道等,这类系统也可避免一次性代谢,能够释放局部作用的药物。皮下植入是目前仍在研究的一种方法,主要用于不适合于口服的大分子药物,如胰岛素、麻醉拮抗药、干扰素等[7]。膜分离在制药领域中的应用非常广泛,根据不同的应用范围,采用膜电解、电渗析、透析、微滤、超滤或反渗透技术,将药的有效成分分离、纯化。
膜分离在生化制药方面的应用最早,曾用于酶、激素、核酸、病毒、多肽、疫苗、血清制剂以及蛋白质制剂的浓缩、脱盐精制等。超滤法去除右旋糖苷注射液热原;微孔精密过滤器用于丝裂霉素、妥布霉素、阿霉素、柔红霉素等大生产的分离过滤,用于葡萄糖与活性炭混合液的分离。电渗析已用在血浆的处理、免疫球蛋白和其他蛋白质的分离。
3.4 在食品工业中的应用
膜分离技术用于食品工业开始于20世纪60年代末,首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的,随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。至今,膜分离技术在食品工业中已得到广泛应用。主要用于以下几个方面:(1)利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。如:采用超滤和反渗透相结合的方法,进行大豆乳清的分离回收;采用超滤和反渗透技术处理花生,可将花生蛋白和花生油全部提取且无废料;采用超滤法从菜籽粕中制取菜籽浓缩蛋白和分离蛋白等。(2)利用膜分离技术加工乳制品。如:农场采用反渗透就地对牛奶进行预浓缩后加工成炼乳等制品;制造干酪前用超滤对牛奶进行组分分离;电渗析除乳清灰分;利用膜生物反应器将乳糖转化为产成品(例如乳胶)等。(3)利用膜分离技术对卵蛋白进行浓缩。如:采用膜分离技术和喷雾干燥组合的生产工艺.可有效除去卵蛋白中引起变色的葡萄糖和无机盐分子;采用超滤法可浓缩全蛋等。(4)利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩。如:采用超滤技术,以板框式超滤装置来浓缩动物全血,目前已可将其干物质含量从18%～21%提高到了28%～30%。(5)利用膜分离技术对明胶进行浓缩和提纯。动物的骨胳和肌肉组织中含有明胶,采用超滤法目前可将明胶浓缩到固形物含量达15%[8]。
膜分离技术用于食品加工有很多优点:与传统方法相比,不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化;节省能源、设备占地面积小;更重要的是由于分离膜性能的提高,能在很高精度水平下分离各种成分。
4 展望
膜分离技术在21世纪是世界各国研究的热点它将在各个领域发挥更引人注目的作用。
(1)海水是地球上最大水源,膜法是净化技术的前沿,成本又低,因此膜技术在淡水资源开发上有极其广阔的市场需求背景。
(2)预计21世纪膜分离的应用将持续增长,尤其是微滤/超滤、微滤/反渗透、微滤/超滤/反渗透或纳滤结合的膜处理过程。增长的领域包括:饮用水处理、工业废水的脱色、垃圾填场渗滤液的处理、膜生物反应器的应用、水的回收与循环利用。这些膜分离技术的应用将降低未来的环境污染,前景非常广阔
应作为首选重点。
(3)石油化工是膜技术在21世纪可以大显身手的重要领域,从油田淡水供应、污水处理,到生产加工过程的反应、分离、浓缩、纯化等,都和膜技术息息相关,而膜技术在这方面的应用目前还处在初始阶段,所以,膜技术在此方面的应用潜力非常巨大。
参考文献
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[7]陈红霞.膜技术在医疗医药中的应用[J].中国药物与临床.2005,5(4):296-298.
膜分离技术的研究与应用 篇8
关键词：膜,膜分离技术,超滤,纳滤,反渗透
膜是指分隔两相或者两部分的界面,这个界面能以特定形式限制和传递流动的物质[1]。膜的分离技术是指利用分离膜的选择透过性,在外界推动力的作用下对混合物进行分离提纯[2]。目前膜在各种分离技术中得到了充分的应用,例如在给水工程、工业废水、医药行业、食品行业、能源行业等领域。 随着国家对饮用水标准的提升,原有的水处理方式已无法达到现在的要求。根据 “十二五”期间,我国对城镇污水处理的规划,国家计划投资4300亿元,预计2015年前后污水处理量约为1. 67亿吨/日,其中以膜法水处理占30% 左右,膜的需求量大约为2024万平方米; 国家还会投入1405亿元对原来的老水厂进行改造和兴建水厂,膜法对水进行处理预计占总投资额的20% ; 根据国家规划新增膜法对海水淡化进行处理,预计实现产值44亿元,同时也会增加对苦咸水利用,预计苦咸水淡化规模将达到20万吨/年,将为行业带来100多亿元的收入。以上各项合计给膜行业带来1000亿元产值[3]。
1膜分离技术
1.1膜的种类
膜的分类方法有很多种,就其结构膜可以分为对称膜、非对称膜及复合膜; 依据其孔径的大小,可以分为微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜; 根据材料的不同,分为无机膜与有机膜,无机膜主要包括陶瓷膜和金属膜; 有机膜主要由聚醚砜类、含氟高分子类、纤维素类及其衍生物、聚酰胺类等材料制备而来。
1.2膜分离技术
与传统的分离技术相比,膜分离技术具有高效、操作简单等特点[4]。根据分离膜的分类,膜的分离技术大致分为以下几类[5,6]:
1.2.1微滤
微滤分离技术是以微滤膜为核心部件,依据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。微滤分离技术对大小为0. 1 ~ 1 μm颗粒有拦截的作用,微滤具有操作压力低、占地面积小等特点,被广泛地应用在饮用水处理工程、废水处理、医药行业、食品行业等领域。
1.2.2超滤
超滤是以超滤膜为核心部件,以压力为驱动的膜分离过程。超滤其孔径范围为0. 01 ~ 0. 1 μm,能使溶剂和小分子溶质透过膜,截留下大分子溶质。此项技术运用大通量、耐高温、 抗氧化性强的的超滤膜及膜组件,可以实现水的再利用,并且在蛋白质分离上应用突出。
1.2.3纳滤
纳滤是利用孔径大小介于反渗透和超滤之间的膜进行的分离技术,纳滤所运用的纳滤膜具有离子选择性。此项技术被广泛应用于河水及地下水中有害物质的去除,废水处理等,最大的优点是投资成本低。
1.2.4反渗透
反渗透主要以反渗透膜为核心部件,在溶液的液面上施加大于渗透压的压力时,使溶剂流动方向与原来的渗透方向相反,从溶液向溶剂一侧流动的过程。反渗透膜技术被广泛应用于城市污水处理,饮用水,含盐水的处理等方面。
2膜分离技术的应用
2.1在给水工程中的应用
2.1.1饮用水的处理
饮用水的纯化和净化是指除去水中悬浮物、高分子、有机大分子以及有毒化合物等。微滤可去除水中的小颗粒和悬浮固体; 超滤主要对大分子有机物进行去除; 纳滤可去除一部分有毒化合物; 反渗透主要对有害物质有较高的去除率[7]。1987年美国科罗拉多州建成世界上第一座膜分离水厂后,膜法已作为第三代城市饮用水净化工艺开始广泛出现在国内外的自来水厂,加拿大Collingwood自来水厂、英格兰约克夏Keldgate自来水厂、新加坡Chestnut自来水厂及国内的佛山新城区优质供水工程、澳门大水塘自来水厂、宁波航丰自来水厂、北京第三水厂、上海青浦第三水厂等均引入了膜法技术。
2.1.2海水和苦盐水淡化
反渗透膜法应用于淡化海水的主要原因时此法过程中能耗低,此法是目前海水淡化和苦咸水脱盐最经济的技术之一[8]。
Li等[9]研究了MFI型 ( Mobil Oil公司的ZSM系列) 的一种分子筛膜脱盐的过程,主要是考察不同盐离子种类对膜的影响。结果表明: 随着盐离子数目和种类的增加,分子筛膜的截留率也有所增加。
2.2工业废水的处理
2.2.1石化废水处理
王立国等[10]利用中空纤维超滤装置,运行流量每小时1. 5 t, 对胜利油田的含油污水进行实验,实验结果表明,过滤后,对水中的悬浮固体含量以及含油量去除可以满足地渗透油层注水对水质的要求。此装置的应用不仅获得经济效益,也有利于环境建设。
2.2.2印染污废水处理
Badani等[11]采用新型膜生物反应器对纺织印染废水进行处理,测试结果COD的去除率为97% ,氨氮含量及色度的去除率均为70% ,处理后的渗透液还可以回收利用。印染工业废水成分复杂,一般使用超滤技术与其他技术相结合的分离过程, 以此来延长膜的使用寿命,提高膜的使用价值。
2.2.3垃圾渗透液处理
郭健等[12]采用 “多孔陶瓷微滤 + 两级反渗透”工艺处理垃圾渗透液,经过陶瓷微滤预处理后,出水的COD为50. 3% 、 氨氮去除率为30. 2% ; 然后将滤过液经过反渗透处理后,出水的COD为94. 8% 、氨氮去除率为91. 3% 。采用多级处理的方式,可以提高COD的去除率,同时提高膜的使用寿命。
2.3在医药行业的应用
随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低,微滤、超滤、 渗透等膜分离技术广泛应用于医药行业[13]。
鲍磊等[14]利用超滤、纳滤和反渗透技术对淫羊藿苷进行分离、提取。先利用超滤分离技术对淫羊藿提取液进行处理,去除大分子杂质和微生物,然后利用纳滤膜去除渗透液中小分子杂质,得到高纯度药液; 最后使用反渗透膜对药液进行脱水浓缩,提取液纯度为88% 。
除此外,膜在医药行业的应用还包括: 利用微滤技术进行药物分离; 利用超滤和反渗透技术中药液进一步精制和浓缩等[15]。
2.4在食品行业的应用
膜分离技术在食品工业的应用始于1960s,发展至今,在食品加工中的应用已非常广泛。
A. Cassano等[16]以管状PVDF超滤膜为过滤膜,采用错流过滤分离技术,对血橙汁进行澄清处理,滤后悬浮颗粒被完全除去,与原汁相比,总抗氧化活性下降了1. 5% ,被截留的总花色苷为9. 4% 。
膜分离技术在食品行业的研究还包括很多领域: 利用膜分离技术对各种蛋白质进行提纯; 对淀粉、糖类的分离; 在油制品加工中的应用; 对各种乳制品进行加工等[17]。
2.5在能源行业的应用
随着锂电池的需求不断增加,对电池隔膜的需求也越来越大。目前以美国Celgard和日本UBE为代表的锂电池隔膜的主流产品是,聚乙烯( PE) 膜、聚丙烯( PP) 膜等。很多锂电池隔膜都是采用相转化法进行制备[18,19],此法可以调控膜的孔径和孔隙率,能满足产品要求。
3展望
膜分离技术及其在化工方面的应用 篇9
1 膜分离技术的基本特点
膜实际上也就是一种凝聚相物质, 用于分离一两个流体相。对于膜而言, 可以是气态、固态、液态等多种凝聚性形式。而且, 膜可为一相, 也可为复合相, 但是对于复合相而言, 相和膜相之间的相表面会有所差异, 这主要是由于膜有多薄, 都必须2个或2个以上界面, 但是也正是由于这2个或2个以上界面, 才可以发挥出膜分割流体物质的作用。其次, 膜面积并没有明确的规定, 可小可大, 在流体相中, 膜可以以独立形式存在, 也可以在支持体的微孔中或者在载体表面依附。膜分离主要是由梯度差异 (包括电位差、压力差、浓度差、分压差等) 来推动, 一般可将膜分离划分为以下3种形式:
1.1 渗析式膜分离
这种膜分离形式的主要原理是在固体膜侧放置被处理的溶液, 而在接纳渗析组分的溶液或者溶剂放置膜的另外一侧, 然后通过电位差、浓度差等将料液中的一些离子或者溶质推动透过膜进入到接受液中, 最后将其分离。电渗析、渗析是渗析式膜分离的主要形式。
1.2 过滤式膜分离
这种膜分离方式的基本原理, 就以溶液来讲解, 在固体膜 (也即是分离器) 侧放置待处理的溶液, 然后通过额外增加的压力或者自身形成压力差的推动下, 部分物质会透过膜形成渗滤液, 而没有通过膜的部分溶液也就会形成滤余液。如果是混合气体, 最后可被分离成滤余气、渗滤气。因为待处理混合物质的组分物质存在一定差异, 分子大小也会存在很大差异, 因此这些物质透过膜的速率也会存在较大区别, 这样就会导致残留的部分和透过部分的组分有所不同, 最终分离组分。现阶段, 过滤式膜分离的形式主要包括微滤、渗透、超滤以及气体渗透等。
1.3 液膜分离
这种分离形式在分离的过程中, 料液、接受液、液膜分别是第一液相、第二液相、第三液相, 液膜介于接受液以及料液之间, 这三个液相是相互独立的, 并不能相互混合。液膜分离的过程实际上也是反萃取和萃取的有机结合, 萃取就相当于溶质通过料液进入到液膜中。
2 分析膜分离技术在化工方面的实际应用
现阶段, 关于膜分离中的电渗析技术、超滤技术、反渗透技术以及微滤技术等技术已经相对较为成熟, 在工业生产领域中得到了广泛应用, 并且也取得了比较显著的市场效益。尤其是随着人们环保意识的不断提高, 在化工生产以及环境污染治理等工作中广泛应用到膜超滤技术以膜微滤技, 特别在水中病毒、细菌过滤以及水中细微颗粒以及金属沉淀物中的应用较为突出。
2.1 含氟化合物去除中的应用
目前很多磷肥生产企业会利用膜微滤技术将磷石膏废水中的一些含氟化合物去除, 膜分离技术可以有效截留大分子溶质, 微粒在0.05-10um左右也可以去除。根据相关研究显示, 废水通过膜微滤技术处理以及石灰乳处理的残余氟量会有很大差异, 前者比后者低很多。以往在废水中加入石灰乳, 废水中的氟化合物中和以及沉淀的效果并不理想, 很难符合标准的排放要求 (10mg/L) 。而且传统的石灰乳处理废水的过程中, 首先会在废水中加入两级石灰乳中和后, 再将石灰乳、铁盐、废水中和反应后产生的Ca F2微粒全部加入到养晶槽内进行絮凝沉淀反, 然后再固液分离沉降槽中的絮凝沉淀物, 最后将沉淀槽的槽底污泥通过泵送到过滤机中, 使其脱水。整个处理过程相当繁琐, 时间也比较长。
但是通过将膜微滤技术处理废水中的含氟化合物, 只需要在膜分离器中放置石灰乳, 还有废水进行中和反应后的Ca F2微粒即可。通过膜微滤技术处理的废水含氟量大概只有6mg/L左右, 远远小于10mg/L, 符合废水排放标准, 这样废水也可以循环应用。
2.2 在废气粉尘回收中的应用
在工业生产过程中很容易产生大量的粉尘, 对周围环境会造成严重的污染。比如, 若采用旋风分离器或者普通袋滤器来处理水泥窑尾气, 尾气的粉尘含量经处理后大概是90~115mg/m3, 这样形成的系统阻力介于1.5~2.0k Pa左右, 并不满足国家排放标准, 同时由于尾气含水量较大, 若短时间内温度急剧下降, 极易导致生产设备堵塞, 对生产造成严重影响。但是若采用膜微滤分离技术处理, 废气粉尘含量可降低至4.3mg/m3, 而系统阻力也只是在1.00k Pa左右, 完全满足国家排放标准要求, 同时可减少生产设备堵塞现象, 大大提高生产效率。其次, 膜微滤分离器至少会有3年以上使用寿命, 比较经济、节能。在磷肥生产、磷酸氢钙干燥窑尾气、石灰窑、钛白粉生产、磷铵生产等诸多方面粉尘处理中都有所应用。
2.3 其他应用分析
目前, 在自然水、苦卤、海水纯化等工作中都广泛应用到了电渗析分离技术, 尤其是在初级纯水以及饮用水纯化中的应用相对广泛。通过膜电渗析分离技术可以提高工业废水的净化率, 循环利用水资源。而且也可用于醇类物质分离、水分离、果汁脱酸分离等。
结语
总而言之, 膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术, 将其应用于化工生产中可大大提高工业生产效益, 也可大大减少能耗, 缓解环境污染, 有利于促进化工行业的健康、可持续发展。
摘要：膜分离技术是近年来新兴的一门高效化工分离技术, 具有高选择性、节能、高效等特点, 在化工生产中的应用越来越广泛。本文主要介绍了膜分离技术的基本特点, 同时具体分析了膜分离技术在化工生产方面的实际应用。
关键词：膜分离技术,化工生产,特点,应用分析
参考文献
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膜分离技术在聚丙烯装置的应用 篇10
本文通过详细阐述膜分离技术在聚丙烯装置生产中的应用, 论证了膜分离技术具备无污染、节能环保和工艺简便等独特优点, 是一种便于自动化、可连续操作的高效分离技术。
环保领域膜技术的应用
膜分离技术简介
膜在大自然中, 特别是在生物体内是广泛存在的, 但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段, 1965年着手反渗透的探索, 1967年开始的全国海水淡化会战, 大大促进了我国膜科技的发展;70年代进入开发阶段, 这时期, 微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来;80年代跨入了推广应用阶段, 80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。
随着我国膜科学技术的发展, 相应的学术、技术团体也相继成立。她们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。半个世纪以来, 膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变, 成为一项高效节能的新型分离技术。1925年以来, 差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用。
由于膜分离技术本身具有的优越性能, 故膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天, 产业界和科技界把膜过程视为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。曾有专家指出:谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。
80年代以来我国膜技术跨入应用阶段, 同时也是新膜过程的开发阶段。在这一时期, 膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。并且, 在这一时期, 国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。
环境保护和膜的适用用途
环境保护的一个十分重要的内容就是废物 (固体) 、废液 (液体) 及废气 (气体) 处理, 即将三废再利用, 减少向周围环境排出的数量或将排放物的有害物质经过分离、无害化处理后排放。表1中给出了典型的三废物质及膜分离技术的适用范围。从中可以看出, 因膜技术的处理对象为流体, 故主要适用于废水、废液及废气的处理。给分离膜的分类根据待分离物质的大小, 依次可分为微滤、超滤、纳滤、反渗透及气体分离膜。需要说明的是, 膜分离只具有物质分离的功能, 若构成一个完整的环保处理系统, 常常需要与其它处理技术组合使用。
适用于废水排放用途的膜分离技术
排放水处理以往采用沉淀法、活性污泥法、蒸发法等, 现在膜法或与上述方法配合使用, 或者完全代替使用。使用膜法时, 除得到膜透过液外, 对于浓缩液有时可通过萃取方法提取有用物质, 而多数情况则是固化后燃烧处理。第一套使用反渗透膜技术的大型实验装置于1993~1995年在日本千叶县花见川下水处理场完成了实际运转实验。反渗透膜产出水 (210立方米/天) 的水质达到了自来水标准。反渗透装置实现了自动连续运行。
适用于饮用水用途的膜分离技术
饮用水也日益受到环境污染的影响, 江河水、地下水的污染多数是因为三废物质排放所引起的。特别是作为污染物质, 不仅是混浊物质, 还常伴随有三卤甲烷及农药等可溶解成分, 以往的絮凝沉降、砂滤等方法不能除去可溶解成分, 故还常需用活性炭吸附机臭氧氧化分解处理。
适用于排放气体的膜分离技术
大气污染的主要原因有:促进地球温暖化的二氧化碳、引起酸性雨的燃烧气体中的含硫成分、造成光化学污染的氮气及有机蒸气成分、造成大气臭氧层破坏的氯氟碳 (CFC) 成分等。关于这些气体的排放基准, 世界各国都在制定相应的规则和环境目标。二氧化碳及二氧化硫分离膜仍未达到实用化阶段。有机蒸气分离, 例如汽油蒸气的回收分离膜已有应用实例。有机蒸气称作挥发性有机化合物VOC (Volatile Organic Compounds) 。含有汽油成分的混合气体经前置过滤器导入膜分离组件, 在膜透气侧设有真空泵造成负压, 透过分离膜的VOC成分在吸收塔内被汽油液体所吸收。
膜分离技术在聚丙烯装置中的应用
中海石油中捷石化有限公司聚丙烯装置于2003年10月份建成投产, 并分别通过2004年、2005年两次扩建, 又增加了8台12m3聚合釜, 设计年产量可达到60kt/a。它作为一套工艺成型的间歇式液相本体法聚丙烯装置, 无论工艺、操作、设备等各方面都处于国内小本体装置的先进水平, 自投产以来效益可观。但是近些年来, 由于丙烯原料价格上涨, 市场竞争激烈, 致使聚丙烯装置效益萎缩。怎样才能确保聚丙烯产业的持续发展呢?成为了聚丙烯行业各企业的共同课题。安全环保、节能降耗的技术应用应该是企业的最佳选择, 也是当前我们公司生产装置管理中的重点工作。自聚丙烯装置开工投产以来, 通过充分调动员工学习积极性, 不断采纳员工合理化建议, 再加上经常性向各企业同行学习先进经验技术, 在安全环保、节能降耗方面已有所突破。
在聚丙烯装置开工之初, 丙烯尾气回收系统工艺流程不完善, 仍有大量的不凝气必须排放到火炬, 其中含有大量的丙烯大部分通过火炬烧掉, 既浪费原材料, 又污染环境。我公司一直坚持安全环保、节能降耗的发展思路, 为解决上述问题, 我们对各种丙烯回收技术进行了深入的考察:有机气体膜分离技术是20世纪90年代兴起的新型膜分离技术, 正在逐步应用于石油化工行业中。与传统的深冷过程、变压吸附 (PSA) 相比, 膜分离法回收丙烯单体具有投资少、占地小、启动快、稳定可靠的特点。同时, 由于回收的丙烯和氮气均为循环利用, 是一个绿色处理过程。采用压缩, 冷凝, 有机膜系统, 使不凝气通过有机蒸气膜分离系统, 回收其中大部分丙烯单体, 回收率可达95%以上。经过研究论证, 我公司聚丙烯装置于2004年检修期间对尾气回收系统不凝气排放实施了技术改造, 引进了一套与装置配套的环保工程——有机蒸气膜分离技术。
原工艺流程存在的问题
聚丙烯装置由闪蒸岗位低压回收的丙烯气经过除尘器进入气柜贮存, 通过压缩机压缩再经冷凝器冷凝成液相丙烯得到回收, 但低压回收混合气中含有的氮气为不凝气, 会造成回收液相丙烯储罐内的压力升高。为保证压缩机正常运行, 需不定期对丙烯储罐进行排放, 使得储罐中的气相丙烯随不凝气排放至大气中, 不但造成资源浪费而且污染环境, 并成为安全生产上的重大隐患。
膜分离技术的工作原理
膜分离原理是根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成分离。在橡胶态聚合物膜中可凝性有机蒸气 (如丙烯) 与惰性气体 (如氮气) 相比, 前者有较大的溶解度, 被优先渗透, 如丙烯和氮气混合物通过膜变成渗透流 (富丙烯流) 和非渗透流 (富氮气流) , 从而达到丙烯提浓分离的目的。有机蒸气膜法回收系统主要采用“反向”选择性高分子复合膜。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异和分子大小不同的穿透性能的差异, 在一定的压差推动下, 可凝性有机蒸气 (如乙烯、氯甲烷、氯乙烯、丙烯、重烃等) 与惰性气体 (如氮气、甲烷、氢气、氩气等) 相比, 被优先吸附渗透, 从而达到分离的目的。
聚丙烯装置采用有机蒸气膜回收系统, 先使低浓度的丙烯得到富集, 再经压缩/冷凝回收, 从而提高丙烯的回收率。实际上, 不凝气中丙烯的回收过程是压缩/冷凝/膜分离组合工艺 (简称CCM系统) , 它是一个零排放的“绿色工艺过程”。
膜分离技术的应用方案及工艺流程
我公司引进的全套膜分离系统由3个膜分离器并列组成, 膜分离装置的进料气为丙烯贮罐原排至火炬的不凝气。在聚丙烯闪蒸过程中有大量的惰性气体氮气伴随丙烯气一起进入气柜, 经压缩后这些氮气在液相丙烯贮罐顶排出 (即膜回收原料气) , 由于不凝气中含有大量没有被压缩为液相的丙烯气体, 排火炬时造成丙烯资源的浪费。在液相丙烯贮罐顶排放的不凝气经分液罐精滤器除去其中含有的液滴丙烯、水和粉尘, 净化后的气体进入膜回收装置, 在一定的压差推动下, 渗透侧得到的富集丙烯、丙烷渗透气返回气柜, 丙烯含量很少的尾气放空或进火炬系统。
各类因素膜分离技术的影响
温度的影响破坏性试验证明:膜的使用温度上限为70℃。随着温度下降, 丙烯的渗透速度下降;温度过低 (5℃以下) , 可能使部分液相丙烯吸附于分离层, 导致膜的损坏。试验证明, 膜的最佳使用温度为 (20~25℃) , 综合考虑生产条件及膜的性能, 确定膜的操作温度为 (10~40℃) 。另外, 考虑到气体膨胀是吸热过程, 应对膜前的管线进行保温, 并配有蒸气加热管线, 以控制操作温度。
气体流量的影响由于单膜处理量的限制, 放空气体的流量将直接影响丙烯的回收率。放空气体的流量过高, 会导致大量丙烯无法处理而直接放空;膜处理量过大, 会使操作压力不易控制, 膜使用寿命缩短。生产中放空气体的流量与膜处理量的匹配及调整是一个关键问题。
氧气的影响作为安全控制指标的氧含量一直是影响膜使用的重要因素之一, 合格的氧含量应小于1.5%。由于氧分子直径小于丙烯大于氮气, 经过膜分离后, 其渗透率也处于两者之间, 因而造成膜中氧的富集。可以通过控制丙烯闪蒸釜排放的丙烯尾气中的氧含量来控制膜中的氧含量。
膜的运行寿命膜分离系统运行一段时间后, 膜的性能逐渐下降。运行初期, 膜具有良好的性能, 丙烯回收率保持在90%以上。受丙烯含量、流量、杂质等因素的影响, 膜性能缓慢下降, 并保持相对稳定, 丙烯回收率稳定在70%~80%之间。在较为理想的状态下, 膜的良好性能可保持24个月以上。运行后期, 膜性能快速下降, 此时必须更换膜组件。
现场运行状况分析
我公司的膜分离系统自2004年投用以来, 分离性能稳定, 各项指标均达到了设计的运行标准。2008年重新更换了三组膜后目前正常运行三年了。正常运行条件下, 以冷凝器排放气组成作为膜分离器的入口组成, 处理量70m3~220m3/h。在运行过程中, 控制膜分离后的尾气中丙烯气的体积分数小于10%。使用CCM系统后, 气柜中的氮气体积分数由8%升高到12%, 这将在一定程度上增加压缩机的功率消耗, 但对系统影响不大。
膜分离系统现场运行数据如图1所示。虽然进入膜分离器的原料气的组成与处理量波动较大, 但膜的分离性能基本维持稳定。特别是排放尾气中的丙烯体积分数小于15%。由图1发现在系统回收的不凝气中丙烯含量平均分布在40%~60%之间。
图2展示了现场运行过程中膜分离系统的丙烯回收率, 从图中可以看出, 尽管在运行过程中, 原料的处理量和组成发生波动, 但丙烯的回收率基本保持在95%以上。
膜回收系统的经济效益
从表2可以得出, 2009年1月1号到12月31号全年原料气进口累积量是716294Nm3, 尾气累积量是65727Nm3。
渗透气累积量=原料气累积量-尾气累积量=716294-65727=450567Nm3
渗透气累积量650567Nm3, 渗透气中平均丙烯含量为63.8%, 计算得到纯丙烯为415061Nm3, 气相丙烯的密度为1.86千克/Nm3
回收丙烯质量=242405×1.86÷1000=772吨
所以膜回收系统2009年回收丙烯772吨, 每吨丙烯按10000元计算。
年经济效益=772×10000=772万元
结论
膜分离技术在我公司的应用大大降低了丙烯资源的损耗, 丙烯的回收率达到95%以上, 正常负荷生产全年可回收丙烯772吨左右, 经济效益可观。通过膜分离技术在我公司聚丙烯装置中应用的应用效果来看, 说明了该技术的优点是:企业装置改造投资少, 可以降低生产单耗, 增加装置经济效益, 同时大大降低有机气体排放量, 可以达到企业节能减排的效果。
