纳滤反渗透技术的发展史与分离原理分析

纳滤反渗透技术的发展史与分离原理分析 一、微滤超滤纳滤反渗透等膜分离技术发展史 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。 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。 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。 中药现代化膜分离提取浓缩澄清纯化设备： 中药现代化膜分离提取浓缩澄清纯化设备包含：微滤膜设备,超滤膜设备,纳滤膜设备,反渗透等膜分离成套设备。作用：分离、提取、纯化和浓缩。 中药产品包括中药材、中药饮片、中药提取物、中成药。中药产品具有高效、速效、长效;剂量小、毒性小、副作用小;便于储存、便于携带、便于服用的“三三”特点。 我国是中药的故乡，也是中药大国，中药--我国的传统医药，它已有几千年的发展历史。近些年来，中医中药逐渐被人们认可和重视起来，尤其是一些疑难杂症和非典时期，中药所发挥的重要作用让人们无法再小视它的存在。 中药现代化和产业化已经被列入国家支持与发展的重点。其实，世界上每年中医药方面的销售额是达到上百亿美元的，然而中国占有的比例仅仅只有约1.3%～4.0%左右。我们一直在思考这样一个问题形成的根本原因，究其原因之所在是--我们缺乏以现代化和高科技为基础的具有国际竞争力的中药产业。找到了原因，剩下来我们需要做的就是改进传统工艺，将现代化的高新技术运用于中药的提取中，以促进我国中药产业新的腾飞。 中药和植物提取传统工艺采用水提、醇沉、大孔树脂吸附、蒸发等，传统工艺周期长、建设成本高、能耗大、收率低、操作工序复杂、环境污染严重、三废治理成本高，在除杂、除菌 、除热原等方面具有极大的不稳定性，严重影响了制剂的品质;并且耗费大量水 、电能源及有机溶剂 ，造成生产成本增加。 用过滤技术集成膜分离技术系统对中药和植物水提液直接进行澄清、分级纯化、浓缩，可以取代二次醇沉、以及树脂吸附工序，直接去除靴质、胶体、植物纤维、大分子蛋白及细菌等杂质，透过液澄清透、纯度高，如采用膜分离浓缩澄清液可以脱除盐份和水，得到高纯度的浓缩液。 当前，膜分离技术在制药行业不能得到推广应用的原因不但是企业内部膜技术人员的短缺和资金的不足。还有一个更重要的原因：哪就是我们的技术人员和企业领导不愿意也不想改变现有的生产工艺。因为制药是一个特殊行业，改变一个工艺，不但有一定的风险，还有许多报批等方面的麻烦。要知道，在市场激烈竞争的今天，谁能拥有降低成本并能提高产品质量的技术，谁就可以占领市场，谁就可以在竞争中战胜对手，使企业拥有更加广阔的发展空间。而膜技术恰好具有这样的特点。在这里，我们先简要的说明一下膜分离技术在中药制剂中的应用： ① 膜法精制中药口服液、药酒。中药口服液是近年来我过医疗保健行业大力发展的新剂型， 由于其疗效好，见效快，服用方便等优点，受到广泛好评。原生产工艺采用水提醇沉法，不仅流程长，产品黏度大，提取液中还含有大量亚微粒、微粒和絮状物等杂质。难以用一般的沉降、板框过滤、浸取等方法精制，故成品静置后易产生沉淀，影响口服液的外观及品质。如果采用相应的截留分子量的膜进行超滤后，再进行罐装，则可以保证产品外观透明鲜亮、口感改善、保质期延长， 同时还可简化生产工艺，为企业节约成本开支。主要工艺流程如下： 药材煎煮→水提液→微滤除杂→超滤提纯→成品罐装 由此可见，膜法处理中药口服液可以简化生产工艺，缩短生产周期，取代传统的板框过滤、硅藻土过滤等，有效去除鞣质、淀粉、树脂、蛋白、果胶等。并且得到的产品无论是澄清度、透光度和稳定性都明显提高。长期存储澄清度不变。口服液不再有沉淀和挂壁现象。 ② 水提液无需冷却可直接过滤。由于胶脂类的物质被膜分离除去，料液浓缩时黏度大大降低，使浓缩蒸发和后序过滤大大方便，缩短了时间降低了成本。 ③尤其是需要两次醇沉工艺的品种，采用膜技术可以取代一次醇沉。节约大量乙醇，大大降低其生产成本，还能降低乙醇回收所需能耗，缩短生产周期。最近有一家药厂。这家药厂投资几百万元，上了一套陶瓷膜面积200多平方米的设备。用于中药水提液的过滤，取代一次醇沉。仅此一个品种(一种口服液)，每年就可以为企业节约190万元(这套陶瓷膜分离设备还可以进行多个品种的过滤生产)。同时，使工艺过程由原来的15天缩短为现在的10天。产品的质量也得到了明显的提高。用他们自己总结的话说：“新工艺能显著提高产品的收率和品质，缩短生产周期。省去了大量的乙醇及蒸发浓缩过程，减轻后工序的运行压力，从而降低了生产成本，更主要的是保证了药液的澄明度，提高了产品的市场竞争力。仅此一项殊荣，即可带来中药界的关注，为中国的国药走出国门起到了跳板的作用”。目前，这家药厂正在计划用膜技术进行常温下药液浓缩，从而取代双效或三效蒸发浓缩，实现企业全方位现代化，自动化。