2019-08-01

一、微滤超滤纳滤反渗透等膜分离技术发展史

 

膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。一直以来，膜的概念都没有明确的定义，从事不同领域研究的专家们对于膜的定义理解并不完全相同，不过表达的基本意思是一样的。1984年，Lakshminarayanaiah把膜广义地定义为“起栅栏作用，阻止块体移动而允许一个或几个物类有序通过的相”。膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区间。这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比要小的多。

 

微滤超滤纳滤反渗透等膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

 

大多数人会认为，膜离我们的生活非常遥远。其实不然，膜分离技术非常贴近我们的日常生活。如水、果汁、牛奶、保健品、中药、茶食品、饮料、调味品等我们随时可能接触到的，都会用到膜分离技术。

 

随着国民经济的迅速发展，膜分离技术的应用领域不但会越来越广泛，而且其会被越来越多的人认识和接受。据初步统计，目前，全世界膜技术年产值已突破300亿美元，并且正以年均30%的速度高速增长。而中国膜工业协会根据近几年膜工业发展速度和经济建设需求分析预测，2005年，我国膜市场需求将达50亿元人民币以上，2015年，膜市场需求可望超过200亿元人民币，将占到世界总量的10%至15%，而且每年还在以10%~20%的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景。

 

二、微滤超滤纳滤反渗透等膜分离原理

 

膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。

 

三、微滤超滤纳滤反渗透等分离技术

 

 反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟，已有大规模的工业应用，形成了相当规模的产业，有许多商品化的产品可供不同用途使用。这里主要以反渗透膜和超滤膜为代表介绍一下。

 

3.1 反渗透膜(RO)

 

反渗透膜使用的材料，最初是醋酸纤维素(CA)，1966年开发出聚酰胺膜，后来又开发出各种各样的合成复合膜。CA 膜耐氯性强，但抗菌性较差。合成复合膜具有较高的透水性和有机物截留性能，但对次氯酸等酸性物质抗性较弱。这两种材料耐热性较差，最高温度约是60℃左右，这使其在食品加工领域的应用中受到限制。

 

3.2 超滤膜(UF)

 

超滤膜最初也是使用CA做材料，后来各种合成高分子材料得以广泛应用。其材料多种多样，共同特点是具有耐热、耐酸碱、耐生物腐蚀等优点。

 

目前使用最多的UF膜材料是聚芳砜和异丙基聚芳砜。这两种材料的最大优点是耐热性非常强。聚芳砜的机械性能好，有优良的耐氧化性能，通常使用时耐热温度可达8O℃，热杀菌时耐热温度可达90℃，异丙基聚芳砜耐氧化性能更好，较高温度下能够保持良好的机械性能，耐热温度可达90℃ ，热杀菌时可达98℃。进行热杀菌时，高温水急速通过膜装置，因膜装置材料的热膨胀系数不同，有时膜会发生泄漏。现在，通过对环氧系粘合剂的组成、硬化条件的研究，已能够制造耐50℃温差的急速加热冷却的膜装置。

 

四、分离膜的优缺点

 

分离膜共同的优点是：

 

①节约能源；

 

②在常温下进行，特别适用于热敏性物质的处理，能够防止食品质量的恶化和营养成分及香味物质的损失；

 

③食品的色泽变化小，能保持食品的自然状态；

 

④设备体积小且构造简单，费用较低，效率较高；

 

⑤适用范围广，有机物和无机物都可浓缩，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。

 

分离膜的缺点是：

 

①产品被浓缩的程度有限；

 

②有时其适用范围受到限制，因加工温度、食品成分、pH、膜的耐药性、膜的耐溶剂性等的不同，有时不能使用分离膜；

 

③ 规模经济的优势较低，一般需与其它工艺相结合。

 

膜分离技术在食品工业中还广泛用于制取纯净水和生产废水的处理。如近年来绝大多数矿泉水生产厂家均采用超滤或微滤技术除菌、除胶体、除絮凝物质和颗粒等。广东太阳神集团、海南杏仁露饮料公司、天津武清饮料厂、及各啤酒厂等都应用反渗透或电渗析制备纯水配兑饮料，大大改善了产品质量。I.K1oyuncu等人分别采用低压纳滤及二级反渗透系统对牛奶工业废水进行处理。纳滤的COD去除率达98% ，电导率可削减98%以上，Cr、Pb、Ni、Cd等有毒重金属离子的去除率均达100%；而二级反渗透系统对COD、电导率和悬浮固体的去除率均在99%以上，成功实现了废水的再生与回用。另外膜技术在原料液中除气、弃液中产品回收方面均有应用价值。

 

五、膜分离技术的前景

 

 综上所述，膜分离技术在食品加工领域中的应用日益广泛，利用膜技术生产的食品有其明显的优势。但需要改进的地方还很多，其中最主要的是膜性能和膜装置的改进。膜性能的改善包括以下四个方面：

 

膜清洗和保护技术；

 

开发新的超薄膜，甚至是单分子膜，以实现低压下的高透过率。新型的膜分离技术目前大部分处于实验室规模，各国对膜技术的研究和开发投入了大量的人力物力，研究开发所用经费高达产值的6%～9%，1990年全世界制膜工业销售总额已达到40亿美元。膜技术是当代国际上公认的最具有经济效益和社会效益的高新技术之一，虽然分离膜存在一些缺点，但其优势非常明显。为了提高产品附加值及开发新产品而采用膜分离技术是食品加工的发展方向之一，膜分离技术现已实现大规模的工业应用，因此也引起工业生产的重大革新。

开发透过率高、选择性强的膜；
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