污水处理技术工艺

膜分离技术及其研究

发布日期:2019-05-11 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

1 膜分离技术概述

1.1 膜分离技术

目前已深入研究和发展的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离、膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控释膜、仿生膜和生物膜等工艺。表1列出了用于工业应用的膜过程的分类和基本特性。

aa01.jpg

微滤是最早的膜分离技术,是在压差作用下的筛孔分离,因此不溶性物质浓缩的过程主要用于过滤悬浮物质颗粒。主要用于截留颗粒物、澄清液体和去除细菌。

超滤是在压差作用下的筛分过程。

纳滤是从水溶液中分离和去除中小分子物质(分子量)的过程。纳滤的原理是在超滤和反渗透之间提供一种选择性的介质,在淡化有机溶液的同时浓缩有机溶液。

反渗透是由压差驱动的膜分离过程。渗透和反渗透都是通过半渗透膜完成的。

电渗析是在直流作用下,由电位差驱动的溶液的净化、纯化或脱盐。

根据溶解和扩散原理,液膜通过液膜将两种不同的、互溶的溶液分离出来,通过渗透起分离和净化的作用。它克服了固体膜的低选择性和低通量的特点。

1.2 膜分离技术特点

膜分离技术作为一种新型的高效分离,浓缩,纯化和净化技术,由于其多学科的特点,膜技术可应用于大量的分离过程。各种膜工艺对于不同的目标和要求具有不同的机制,但具有共同的优点。膜分离过程没有相变,节能,高效,无二次污染。操作过程通常简单经济,可直接扩大单个薄膜。它可以在室温下连续运行。它特别适用于热敏物质的处理。它在食品加工和医学生物化学领域具有独特的适用性。

一般来说,可以穿透气体或液体的膜分离技术在分离以下系统中具有特殊的优势:具有相似化学和物理性质的化合物混合物;具有相似结构或取代基的异构体混合物;含有热不稳定成分的混合物。

当常规分离方法不能经济合理地分离时,膜分离工艺作为分离技术尤其适用。此外,也可与常规分离单元一起作为单元操作。当然,膜分离过程也有其自身的缺点,如膜极化、膜污染、膜寿命有限等,也是我们需要克服或解决的问题。

1.3膜材料、分类和膜分离装置

膜材料分为有机类和无机类。有机材料主要包括纤维素、聚酰胺、芳香杂环、聚砜、聚烯烃、硅橡胶、含氟聚合物等.无机材料主要有金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃等。膜是分离过程的核心。由于膜的种类和功能很多,一般有四种方法,即根据膜的性质、膜的结构、膜的使用和膜的作用机理。根据膜的来源形状和结构,见图1。

aa02.jpg

根据膜的形状,膜分离装置可分为以下五类:平板结构;管状结构;盘管结构;中空纤维结构;旋转叶片动态膜装置。

2 膜分离技术的应用

2.1在化学工业和石油工业中的应用

在化学领域发展和应用的四个主要膜分离技术是反渗透、超滤、微过滤和电渗透。由于一般强调环保和处理,微滤和超滤分离在化工生产中的应用非常普遍,广泛用于去除水中的细小颗粒,包括细菌、病毒和各种金属沉积物。例如:目前国内一些磷肥生产企业利用微过滤膜从磷石膏废水中分离氟化合物。

气体分离技术在化工、石化等行业的应用也具有重要意义。例如:合成氨过程中的回收;三次采油时从甲烷中分离;膜分离氧和氮。

电渗析在化学工业中也有广泛的应用,如天然水的净化、海水淡化等。膜技术被广泛应用于有机废气的处理中,以去除天然气中的水蒸气和酸性气体。

天然气中铯的提取;从合成氨罐中排出的氢气回收;制备富氧空气;从干气催化裂解中分离氢烃。膜分离技术在化学,石油和天然气工业中具有非常广阔的前景。它还在生产设备的优化和经济效益方面发挥着重要作用。虽然这项技术需要进一步的探索和研究,但作为一门新兴科学将在不久的将来在化学和石油和天然气领域发挥巨大作用。

2.2食品工业应用

食品工业的膜分离技术始于20世纪60年代末。它开始于乳制品加工和啤酒的无菌过滤,并逐渐用于果汁、饮料加工和酒精精炼。进入21世纪,我国食品工业随着经济的发展而迅速发展!国家提出可持续发展战略,建设环境友好型社会。膜分离技术由于其环保和环保的特点,在食品工业中得到了广泛的应用,为我国创造了更多的经济和环境效益。到目前为止,膜分离技术在食品加工中得到了广泛的应用。主要用于以下领域:

主要研究结果如下:(1)采用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、纯化和分离。

(2)采用膜分离技术处理乳制品;

(3)采用膜分离技术唤醒和浓缩鸡蛋蛋白;

(四)采用膜分离技术浓缩动物血浆;

(五)利用膜分离技术纯化明胶;

(六)酒精饮料和非酒精饮料加工的申请;

(7)膜分离技术在淀粉废水处理中的应用;

(8)膜分离技术在制糖工业中的应用;

(九)膜分离技术在食用油加工中的应用;

(十)膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。

膜分离技术在食品加工中具有许多优点:与传统方法相比,不会因加热而使色泽、香气、营养等质量指标恶化,节约能源,占地面积小。更重要的是,由于分离膜性能的提高,可以在很高的精度水平上分离出各种组分。

2.4生物技术的应用

膜技术在生物技术中也有广泛的应用,其中微滤和超滤的应用最为广泛。例如,从植物或动物组织提取物中纯化酶,从发酵液或反应液中分离和浓缩产物等。将膜技术应用于蛋白质的水解或糖液生产中,有利于稳定产品质量,提高产品收率,降低产品成本。由于该分离膜可在室温下进行物理和化学分离,特别适用于热敏性生物物质的分离。可以想象,膜分离技术将在生物技术中得到越来越广泛的应用。

膜技术在生物技术中也存在一些问题,其中最重要的是与色谱法相比,分离精度不高。同时不能实现多组分分离,容易在膜上形成粘附层,大大降低了膜的通量,运行后膜清洗困难,膜的耐久性差。这是影响膜技术在生物工程领域应用的主要原因。因此,如何改进和解决上述问题已成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。

2.5水处理中的应用

随着工业的进一步发展,水源和空气污染越来越严重,这就要求人们提高对水的处理和净化能力。因此,膜分离技术在环境工程中发挥着越来越重要的作用。膜分离技术在工业废水和废气处理中的应用已被证明在许多废水处理中是有效的,膜分离技术可以实现闭路循环,同时消除污染,取得较大的经济效益和社会效益。除微滤、超滤、反渗透和电渗析等过程外,渗透汽化的其他膜技术也将在21世纪的环境工程中发挥极其重要的作用。

2.5.1海水和咸水

目前,反渗透海水淡化已成为获取淡水的主要途径。海水和微咸水的淡化可以解决对饮用水的需求。 1968年,中国利用反渗透技术获取山东潮汐岛的饮用水。长海县的反渗透海水淡化站每日淡水成本最高。咸淡水淡化在中国西北地区的一些国家被广泛使用。防渗海水淡化也是获取饮用水的主要途径之一。 2005年,以色列在阿什凯隆建造了世界上最大的反渗透海水淡化厂,占以色列总需水量的15%。

2.5.2纺织印染废水

印染工业产生的废水颜色较高,水中含有生物毒性物质和重金属元素。如果直接排放,会造成严重的环境污染。科学家指出,在印染废水处理过程中,纳米滤膜比防渗透膜能获得更高的通量和抗污染能力。虽然纳米滤膜对一价离子的去除率较低,但这两种膜最受工业回收用水的关注,如镁和钙。离子去除效率是相当反渗透的,纳米过滤的处理成本比纳米过滤低。活性炭吸附、臭氧处理和纳米渗滤的比较表明,纺织工厂废水处理最有效的方法是纳米渗滤。因此,在纺织印染废水处理方面采用过滤方法既经济又有效率!更有利。

2.5.3 化工废水

化工废水的随意排放不仅对环境造成极大的污染,而且是对资源的浪费。在陕西金堆城钼酸铵生产改造工程中,采用纳滤与反渗透相结合的工艺处理钼酸铵废水,使废水中钼酸根离子的回收率达到96%以上,并可用于生产。膜分离法本身就是绿色无污染的,针对不同化学废水的特定成分,结合适当的预处理方法在回收有用物质的同时实现废水的净化。

2.5.4食品工业废水

食品加工业产生的废水通常含有有价值的有机物质,如高浓度的蛋白质和糖。因此,处理这种废水的主要目的之一是回收有机物质。刘红梅等微滤膜和纳滤膜可用于处理姜黄废水,可从废水中提取葡萄糖溶液的纯度,进行进一步的生化处理。与反渗透膜相比,几乎所有材料的高排斥率纳滤膜允许单价盐在一定程度上分离来自盐的食品加工废水中的可用有机物。纳滤膜处理林可霉素废水的结果表明,氯化钠溶液提取率较好的纳滤膜效果较好。

2.5.5 其他废水

报道了用反渗透或纳滤法处理电厂循环污水、垃圾渗滤液和矿山废水。反渗透膜和纳滤膜由于其绿色、无污染、价离子含量高、大分子截留率高等特点,在水处理的许多方面都能得到应用。随着新膜组分的开发以及膜分离与其它分离方法的结合使用,水处理成本低、效率高的优点将更加突出。

3 膜分离设备选用原则

目前,国内许多膜设备制造商与国外制造商相比,仍依赖进口高质量的核心部件。然而,在常规生产领域,国产膜设备在选择中发挥了重要作用,应主要从以下几个方面加以考虑。

1)经济因素。膜的制造水平决定了膜的价格。从生产技术的角度来看,高质量的膜往往伴随着较高的价格,根据不同的分离目的选择合适的经济膜设备。

2)材料的特性。为了了解分离材料溶液的性能,应选择不同的膜设备平面膜、管状膜、中空纤维膜或其他类型的膜部件。

3)膜设备的特点。主要结果如下:(1)膜是否具有较高的热稳定性和机械强度;(2)膜的主要技术指标的截留率主要受料液、膜材料和操作条件的共存成分的影响。(3)膜的渗透浓差极化的趋势结构,如使用年限等;

4)膜设备的使用和维护;

5)日常管理方便,易于清洁的耗电量辅助设备数量。

四膜分离技术的发展趋势

4.1 膜材料

生物膜以其惊人的分离效率而闻名。例如,海带富含海水中的碘,其浓度是海水的1000多倍;shimao(藻类)浓缩铀的浓度是海水的750倍。因此,仿生学是分离膜的发展方向。生物膜是以分子的规则排列为基础的。目前使用的分离膜大多是功能聚合物膜排列不规则的聚合物。生物膜要达到生物膜分离的水平,克服这一根本的差异仍然是一个遥远的目标。目前分离膜材料的发展趋势是:

(1)继续发展功能性高分子膜材料。

(2)无机膜材料的发展。

4.2 新的膜过程

膜分离技术与传统的分离技术或反应过程相结合,以开发新的膜过程。这些新的膜过程在不同程度上吸收了两者的优点,并避免了一些原始的弱点。

(1)膜蒸馏。膜蒸馏是近年来发展起来的一种膜分离新技术,它将膜与蒸馏结合起来。在膜蒸馏过程中,除了常规蒸馏过程中的蒸汽传质冷凝过程外,还存在分离物质通过膜扩散的膜分离过程。避免了蒸馏过程易结垢、抗腐蚀和反渗透高压运行的缺点。

用于膜蒸馏的大分子具有疏水性,如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、卤化聚乙烯、氟化聚合物等。一般认为聚四氟乙烯是最好的。

(2)膜提取。20世纪80年代初,膜分离与液液萃取相结合的新工艺开始出现。

膜萃取的传质过程是在分离器液相和萃取相的微孔膜表面进行的,在常规萃取过程中不存在液滴的分散和聚合。近年来,膜萃取工艺、膜萃取器材料的渗透传质机理、膜装置中流体的分布以及膜的设计方法等方面的研究正在进行中。

(3)膜反应。与传统反应技术相比,膜反应具有三个特点:1反应转化率不受化学平衡转化率的限制; 2可以提高复杂反应的选择性; 3反应,分离设施的分离减少了设备投资和能源消耗。膜化学反应的研究主要集中在膜催化反应上。一些强酸性阳离子交换膜可用于酸催化的反应过程,例如酯化和酰化。更多的研究是使用催化活性的复合金属聚合物膜。或者各种类型的无机膜形成相应的催化反应过程。

膜反应器在取代固定床反应方面具有巨大的潜在经济效益。在石化工业中,90%以上的催化反应都是在进行的,因此无机膜反应器和无机膜反应器是目前世界上膜反应的热点。

4.3 集成膜过程

在求解一个特定的分离目标时,将几个膜过程结合起来,使其发挥最大的作用,往往可以达到最大的分离效果,获得最佳的经济效益。这是近年来膜分离技术发展的又一趋势。例如,微电子工业中使用的超纯水应与反渗透、离子交换和超滤相结合;造纸工业中黑液中木质素磺酸钠的回收应通过缩合、超滤和反渗透实现。采用膜反应器、膜蒸馏、反渗透、渗透蒸发等方法从生物发酵中制得无水乙醇;从蛋白质混合物中分离单个高春蛋白,需采用超滤、分子量不同的超滤;从废水中提取有毒物质,净化膜生物反应器,将有毒物质浓缩回膜中。膜集成工艺的不断发展和完善,将使膜分离技术在工业生产领域发挥更大的作用。

5 结论与讨论

膜分离技术是对传统化学分离方法的一次革命,是21世纪国际公认的最有前途的技术革命之一。目前,膜分离技术已广泛应用于医药、环保、海水淡化等多个工业领域。膜污染是目前研究的热点和难点问题,选择合适的膜清洗工艺、研制高效膜清洗剂、开发抗污染性能好的膜材料对现有膜进行改性具有重要的现实意义。随着膜分离技术的基础研究和应用技术研究的不断深入,可以预见,21世纪的膜技术将在其他学科交叉的基础上形成一门相对完整和系统的学科。并将在人类社会发展史上发挥不可替代的作用。

膜分离技术及其研究

优质文章推荐

更专业的污水处理工程设计、工程总包服务

鸿淳环保公司成立以来一直专注于为企业提供更专业的污水处理方案,切实解决客户的污水处理难题。运用我们自主研发的多项专利技术和专利设备已成功为全国各地的众多企业提供了专业的污水处理方案,尤其是在两广地区,已有超过30个不同行业不同污水类型的成功案例并系统正常运行稳定出水达标。雄厚的技术实例、专业产品和高效服务水平,一定能成为您值得信赖的污水处理解决专家。

foto
鸿淳环保运用自主研发的污水处理专利技术,针对客户实际情况,一站式轻松解决污水处理困扰
  • 更节省成本的污水处理方案
  • 占地更少的系统规划
  • 有效降低污水处理成本
  • 博士级专家免费提供技术方案
  • 多行业领域丰富成功实例经验
  • 完善的售后服务确保出水达标

公司一直与国内著名专业设计院紧密合作,拥有一批具有丰富理论知识和时间经验的水处理专家,经长期的技术研发和经验积累,成功研发出多项污水处理的专利技术,在实际的运用中取得良好的效果和口碑。我们的团队拥有更专业的污水处理工程设计、方案定制能力,设备的采购、安装调试及运行管理一站式解决客户污水处理难题。