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一、微濾超濾納濾反滲透等膜分離技術(shù)發(fā)展史 微濾超濾納濾反滲透等膜分離是在20世紀初出現(xiàn)，20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為當今分離科學(xué)中最重要的手段之一。 膜可以是固相、液相、甚至是氣相的。用各種天然或人工材料制造出來的膜品種繁多，在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)上呈現(xiàn)出各種各樣的特性。一直以來，膜的概念都沒有明確的定義，從事不同領(lǐng)域研究的專家們對于膜的定義理解并不相同，不過表達的基本意思是一樣的。1984年，Lakshminarayanaiah把膜廣義地定義為“起柵欄作用，阻止塊體移動而允許一個或幾個物類有序通過的相”。膜從廣義上可定義為兩相之間的一個不連續(xù)區(qū)間。這個區(qū)間的三維量度中的一度和其余兩度相比要小的多。 大多數(shù)人會認為，膜離我們的生活非常遙遠。其實不然，膜分離技術(shù)非常貼近我們的日常生活。如水、果汁、牛奶、保健品、中藥、茶食品、飲料、調(diào)味品等我們隨時可能接觸到的，都會用到膜分離技術(shù)。 隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不但會越來越廣泛，而且其會被越來越多的人認識和接受。據(jù)初步統(tǒng)計，目前，膜技術(shù)年產(chǎn)值已突破300億美元，并且正以年均30%的速度高速增長。而中國膜工業(yè)協(xié)會根據(jù)近幾年膜工業(yè)發(fā)展速度和經(jīng)濟建設(shè)需求分析預(yù)測，2005年，我國膜市場需求將達50億元人民幣以上，2015年，膜市場需求可望超過200億元人民幣，將占到世界總量的10%至15%，而且每年還在以10%~20%的幅度遞增，顯示出這一新興產(chǎn)業(yè)的廣闊前景。 二、微濾超濾納濾反滲透等膜分離原理 膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，當膜兩側(cè)存在某種推動力(如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等)時，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達到分離、提純的目的。不同的膜過程使用不同的膜，推動力也不同。目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過程有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、滲析(D)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。 三、微濾超濾納濾反滲透等分離技術(shù) 反滲透、超濾、微濾、電滲析這四大過程在技術(shù)上已經(jīng)相當成熟，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，形成了相當規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，有許多商品化的產(chǎn)品可供不同用途使用。這里主要以反滲透膜和超濾膜為代表介紹一下。 3.1反滲透膜(RO) 反滲透膜使用的材料，最初是醋酸纖維素(CA)，1966年開發(fā)出聚酰胺膜，后來又開發(fā)出各種各樣的合成復(fù)合膜。CA膜耐氯性強，但抗菌性較差。合成復(fù)合膜具有較高的透水性和有機物截留性能，但對次氯酸等酸性物質(zhì)抗性較弱。這兩種材料耐熱性較差，溫度約是60℃左右，這使其在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用中受到限制。 3.2超濾膜(UF) 超濾膜最初也是使用CA做材料，后來各種合成高分子材料得以廣泛應(yīng)用。其材料多種多樣，共同特點是具有耐熱、耐酸堿、耐生物腐蝕等優(yōu)點。 目前使用最多的UF膜材料是聚芳砜和異丙基聚芳砜。這兩種材料的是耐熱性非常強。聚芳砜的機械性能好，有優(yōu)良的耐氧化性能，通常使用時耐熱溫度可達8O℃，熱殺菌時耐熱溫度可達90℃，異丙基聚芳砜耐氧化性能更好，較高溫度下能夠保持良好的機械性能，耐熱溫度可達90℃，熱殺菌時可達98℃。進行熱殺菌時，高溫水急速通過膜裝置，因膜裝置材料的熱膨脹系數(shù)不同，有時膜會發(fā)生泄漏。現(xiàn)在，通過對環(huán)氧系粘合劑的組成、硬化條件的研究，已能夠制造耐50℃溫差的急速加熱冷卻的膜裝置。 四、分離膜的優(yōu)缺點 分離膜共同的優(yōu)點是： ①節(jié)約能源； ②在常溫下進行，特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，能夠防止食品質(zhì)量的惡化和營養(yǎng)成分及香味物質(zhì)的損失； ③食品的色澤變化小，能保持食品的自然狀態(tài)； ④設(shè)備體積小且構(gòu)造簡單，費用較低，效率較高； ⑤適用范圍廣，有機物和無機物都可濃縮，可用于分離、濃縮、純化、澄清等工藝。 分離膜的缺點是： ①產(chǎn)品被濃縮的程度有限； ②有時其適用范圍受到限制，因加工溫度、食品成分、pH、膜的耐藥性、膜的耐溶劑性等的不同，有時不能使用分離膜； ③規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢較低，一般需與其它工藝相結(jié)合。 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中還廣泛用于制取純凈水和生產(chǎn)廢水的處理。如近年來絕大多數(shù)礦泉水生產(chǎn)廠家均采用超濾或微濾技術(shù)除菌、除膠體、除絮凝物質(zhì)和顆粒等。廣東太陽神集團、海南杏仁露飲料公司、天津武清飲料廠、及各啤酒廠等都應(yīng)用反滲透或電滲析制備純水配兌飲料，大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量。I.K1oyuncu等人分別采用低壓納濾及二級反滲透系統(tǒng)對牛奶工業(yè)廢水進行處理。納濾的COD去除率達98%，電導(dǎo)率可削減98%以上，Cr、Pb、Ni、Cd等有毒重金屬離子的去除率均達99%；而二級反滲透系統(tǒng)對COD、電導(dǎo)率和懸浮固體的去除率均在99%以上，成功實現(xiàn)了廢水的再生與回用。另外膜技術(shù)在原料液中除氣、棄液中產(chǎn)品回收方面均有應(yīng)用價值。 五、膜分離技術(shù)的前景 綜上所述，膜分離技術(shù)在食品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，利用膜技術(shù)生產(chǎn)的食品有其明顯的優(yōu)勢。但需要改進的地方還很多，其中最主要的是膜性能和膜裝置的改進。膜性能的改善包括以下四個方面： ①開發(fā)透過率高、選擇性強的膜； ②開發(fā)不易發(fā)生污染的膜； ③開發(fā)用簡單的清洗方法即可清除污染的膜和膜裝置以及具有全自動反沖洗裝置的膜分離系統(tǒng)； ④開發(fā)用簡單的熱蒸汽殺菌即可殺菌的膜和膜裝置； ⑤膜清洗和保護技術(shù)； ⑥開發(fā)新的超薄膜，甚至是單分子膜，以實現(xiàn)低壓下的高透過率。新型的膜分離技術(shù)目前大部分處于實驗室規(guī)模，各國對膜技術(shù)的研究和開發(fā)投入了大量的人力物力，研究開發(fā)所用經(jīng)費高達產(chǎn)值的6%～9%，1990年制膜工業(yè)銷售總額已達到40億美元。膜技術(shù)是當代的有經(jīng)濟效益和社會效益的之一，雖然分離膜存在一些缺點，但其優(yōu)勢非常明顯。為了提高產(chǎn)品附加值及開發(fā)新產(chǎn)品而采用膜分離技術(shù)是食品加工的發(fā)展方向之一，膜分離技術(shù)現(xiàn)已實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，因此也引起工業(yè)生產(chǎn)的重大革新。 |
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