超濾膜分離的基本原理精選(九篇)

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第1篇：超濾膜分離的基本原理范文

    一、超濾膜技術(shù)的基本原理及特點

    1.超濾膜技術(shù)的基本原理。

    超濾(UltraFiltration,簡稱UF)是溶液在壓力作用下,溶劑與部分低分子量溶質(zhì)穿過膜上微孔到達膜的另一側(cè),而高分子溶質(zhì)或其他乳化膠束團被截留,實現(xiàn)從溶液中分離的目的。其截留機理主要是篩分作用,但有時膜表面的化學(xué)特性(膜的靜電作用)也起著截留作用。超濾分離時是在對料液施加一定壓力后,高分子物質(zhì)、膠體物質(zhì)因膜表面及微孔的一次吸附,在孔內(nèi)被阻塞而截留及膜表面的機械篩分作用等三種方式被超濾膜阻止,而水、無機鹽及低分子物質(zhì)透過膜。

    超濾膜技術(shù)截留分子量的定義域為500-500000左右,對應(yīng)孔徑約為0.002-0.1μm,操作靜壓差一般為0.1-0.5MPa,被分離組分的直徑約為0.005-10μm。

    2.超濾膜技術(shù)的特點。

    (1)對雜質(zhì)的去除效率高,產(chǎn)水水質(zhì)大大好于傳統(tǒng)方法。

    (2)徹底消除或者大大減少化學(xué)藥劑的使用,避免二次污染。

    (3)系統(tǒng)易于自動化,可靠性高。運行簡易,設(shè)施只有開啟,關(guān)閉兩檔。

    (4)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,有耐酸、耐堿以及耐水解的性能,能廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。

    (5)耐熱溫度可達到140℃,可采用超高溫的蒸汽和環(huán)氧乙烷殺菌消毒;能在較寬的PH范圍內(nèi)使用,可以在強酸和強堿和各種有機溶劑條件下使用。

    (6)過濾精度高,能有效濾除水中99.99%的膠體、細菌、懸浮物等有害物質(zhì)。

    (7)與常規(guī)水處理系統(tǒng)費用相當(dāng)生活污水經(jīng)過超濾使處理水質(zhì)變好從而進行回用,而工業(yè)廢水中由于一般技術(shù)不能達標,采用超濾技術(shù)能充分處理廢水。

    二、超濾膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

    1.飲用水凈化。

    當(dāng)前,隨著我國水污染問題的日益嚴重,我國出現(xiàn)了新的水質(zhì)問題,如賈第蟲和隱孢子蟲(兩蟲)問題、水蚤及紅蟲問題、藻類污染加劇及臭味和藻毒素問題、水的生物穩(wěn)定性問題等。而將超濾膜技術(shù)應(yīng)用于飲用水的凈化時,其可去除水中包括水蚤、藻類、原生動物、細菌甚至病毒在內(nèi)的微生物,對水中的致病微生物、濁度、天然有機物、微量有機污染物、氨氮等都有較好的處理效果,能滿足人們對水質(zhì)的要求。

    如,張艷等以混凝沉淀為預(yù)處理方法,通過中試試驗,對浸沒式超濾膜處理東江水的最佳運行方式進行了研究,該工藝通過對水中的致病微生物、濁質(zhì)、天然有機物、有毒有害微量有機污染物、氨氮、重金屬等設(shè)置多級屏障,可以使其含量得到逐級削減,最后得到優(yōu)質(zhì)飲用水。

    2.造紙廢水的處理。

    超濾膜技術(shù)應(yīng)用于造紙廢水中,主要是對某些成分進行濃縮并回收,而透過的水又重新返回工藝中使用。一般,造紙廢水膜分離技術(shù)研究主要包括:回收副產(chǎn)品,發(fā)展木素綜合利用;制漿廢液的預(yù)濃縮;去除漂白廢水中的有毒物質(zhì)等。

    楊友強等[3]研究了超濾法處理造紙磺化化機漿(SCMP)廢水及影響超濾的各種因素,結(jié)果表明:截留分子量為20000u的聚醚砜(PES200)膜適于處理SCMP廢水,清洗后膜的通量可恢復(fù)98%。黃麗江等[4]采用0.8μm微濾(MF)與50nm超濾(UF)無機陶瓷膜組合工藝對造紙廢水進行了處理,在溫度為15℃、壓力為0.1MPa的操作條件下,0.8μm膜對COD的去除率為30%~45%,50nm膜對COD的去除率為55%~70%。

    3.含油廢水的處理。

    含油廢水存在的狀態(tài)分三種:浮油、分散油、乳化油。前兩種較容易處理,可采用機械分離、凝聚沉淀、活性炭吸附等技術(shù)處理,使油分降到很低。但乳化油含有表面活性劑和起同樣作用的有機物,油分以微米級大小的離子存在于水中,重力分離和粗粒化法都比較困難,而采用超濾膜技術(shù),它使水和低分子有機物透過膜,在除油的同時去除COD及BOD,從而實現(xiàn)油水分離。

    如,油田含油廢水中通常油量為100~1000mg/L,超過國家排放標準(<10mg/L),故排放前采用先進的高效衡壓淺層氣浮技術(shù)和中空纖維膜分離技術(shù)進行了分離,在操作壓力為0.1MPa、污水溫度40℃時,膜的透水速度可達60~120L/(m2·h),出水中含油量為痕跡,懸浮物固體含量平均值為0.32mg/L,懸浮物粒徑中值平均值為0.82μm,完全達到了特低滲透油田回注水的水質(zhì)標準。

    4.城市污水回用。

    城市污水是一種重要的水資源,國外早已開始廣泛英語膜法進行城市污水回用,隨著我國水污染問題的愈發(fā)嚴重,將超濾膜技術(shù)應(yīng)用于城市污水回用,也日漸引起了人們的關(guān)注。如,湯凡敏等[5]利用CASS與超濾膜組合工藝處理小區(qū)生活污水,當(dāng)水力停留時間為12h、CODCr濃度在215~677mg/L之間時,該工藝出水CODCr穩(wěn)定在30mg/L左右;NH3-N濃度為22.2~41.2mg/L時,出水NH3-N最低可達0.2mg/L,去除率達到90%以上,出水pH值在7.26~7.89之間,出水濁度小于0.5,出水水質(zhì)優(yōu)于回用水標準,可直接回用。

第2篇：超濾膜分離的基本原理范文

1.課程設(shè)置。在環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)計劃安排上，環(huán)境材料學(xué)為36學(xué)時，設(shè)置在第5學(xué)期或第7學(xué)期。其先修課程為無機化學(xué)、物理化學(xué)、有機化學(xué)、環(huán)境學(xué)原理、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程原理等課程。結(jié)合實際教學(xué)情況，環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)側(cè)重水、大氣、固廢的污染控制和治理，這些專業(yè)基礎(chǔ)課程作為先修內(nèi)容被充分掌握，有利于本課程中重點和難點內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)掌握。

2.實踐教學(xué)環(huán)節(jié)?！昂窕A(chǔ)、寬口徑、強能力、高素質(zhì)”是本科教育致力實現(xiàn)的培養(yǎng)目標，對于工科專業(yè)而言，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是不可或缺的重要環(huán)節(jié)，這在環(huán)境材料學(xué)課程的教學(xué)中也應(yīng)有所體現(xiàn)。實踐教學(xué)通常包括專業(yè)實驗課、課程實習(xí)和課程設(shè)計等內(nèi)容。專業(yè)實驗課教學(xué)可鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。課程設(shè)計把理論課程中學(xué)習(xí)到的理論知識、工程規(guī)范、計算方法等串聯(lián)起來。目前，受限于教學(xué)學(xué)時、師資力量等因素，環(huán)境材料學(xué)僅設(shè)置課堂理論教學(xué)，這不利于學(xué)生充分理解和掌握教學(xué)內(nèi)容。

3.教學(xué)內(nèi)容、模式單一。依據(jù)不同專業(yè)的學(xué)科特點和培養(yǎng)目標，環(huán)境材料學(xué)的課程教學(xué)重點和內(nèi)容取舍也有所側(cè)重，筆者所在的環(huán)境工程專業(yè)具有較強的工程實踐性，要求學(xué)生更多地掌握環(huán)境治理材料、環(huán)境功能材料等內(nèi)容；同時要求學(xué)生具備將所學(xué)知識與環(huán)境工程現(xiàn)場實踐相結(jié)合的能力，目前的教學(xué)內(nèi)容相對單一，教學(xué)模式相對簡單，基本處于教師單向講解、學(xué)生被動接受的層次；如何在相對較少的學(xué)時條件下，改進教學(xué)模式、擴展教學(xué)內(nèi)容并突出重點值得深入分析和探討。

二、課程改革的初步建議

1.課程設(shè)置。學(xué)生對與材料學(xué)相關(guān)的有機化學(xué)、高分子化學(xué)等基礎(chǔ)課掌握程度不深，在有限的課堂教學(xué)學(xué)時內(nèi)，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和體系沒有完全建立，這對環(huán)境材料的教學(xué)開展較為不利；針對目前狀況，筆者認為應(yīng)加大前修課程，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生高度重視，從而為本課程學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。例如，本課程的第八章為環(huán)境治理材料，其中重點介紹了大氣污染和水污染兩種類型材料，大氣污染治理材料中涉及了多種過濾及吸附用纖維材料的類型、特點、功效等，這些內(nèi)容需要對大氣污染的產(chǎn)生機理、過程、治理方法等有深入學(xué)習(xí)和理解后才能更好地為學(xué)生所掌握。針對目前情況，筆者認為應(yīng)加大前修基礎(chǔ)課程的學(xué)時，同時應(yīng)該把課程設(shè)置由第五學(xué)期向后延至第六或第七學(xué)期，這樣，在完成了相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)后，學(xué)生在環(huán)境材料學(xué)的后續(xù)課程中才能更好地掌握相關(guān)內(nèi)容，遇到一些教學(xué)難點、重點才不會產(chǎn)生畏難情緒而影響學(xué)習(xí)。

2.完善實踐教學(xué)。本課程以理論教學(xué)為主，但是開展適當(dāng)?shù)膶嵺`教學(xué)對學(xué)生建立完整的知識架構(gòu)和體系也是有很大促進作用的。例如可以在環(huán)境治理材料一節(jié)中設(shè)置關(guān)于水污染治理材料的實驗，針對目前最有發(fā)展前景的膜處理技術(shù)，設(shè)置相關(guān)課后實驗。膜分離法的基本原理是利用天然或人工合成的膜材料，以外界能量或其他類型的化學(xué)位差等為動力來源，對待處理水中含有的一定無機鹽、金屬離子、有機大分子、膠體粒子采用分離、分級、提純的方法。按膜分離的不同種類和分離處理級別，可以分為微濾、超濾、納濾、反滲透等，這些不同種類的基礎(chǔ)和核心就是制備成膜的基質(zhì)材料的不同。通過不同的實驗裝置及材料組合可以為學(xué)生形象地展示不同膜材料的分離處理效果。微濾膜的分離粒子直徑在0.1~1μm，主要可以除去水中的一些較大粒徑的懸浮顆粒物，目前此類濾膜多由聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯類材料制得，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、可適用于各種復(fù)雜工作環(huán)境；超濾膜的分離物直徑可以達到0.002~0.01μm，對分子量在1000~10000范圍左右的大分子有機物有過濾作用，可以有效分離去除，超濾膜目前主要由有機型的醋酸纖維素材料及無機型的陶瓷、金屬膜材料制得，比較適于水相體系中膠狀懸浮物的去除；納濾膜的分離直徑可以達到0.001μm即1nm的級別，可以截除大部分的糖類、小分子有機物、二價鹽等分子量在200~400范圍左右的物質(zhì)，目前主要納濾膜材料有磺化聚醚砜類等；納濾類膜材料相對于僅可容水分子通過的反滲透膜，其操作壓力更低，較好的耐壓密性和較強的抗污染能力，相對于超濾膜來說其過濾能力又具有較大程度的提高，因此在對截留物質(zhì)要求不苛刻的場合較為實用。通過對以上膜分離材料的實驗操作及分析，學(xué)生比較容易建立起直觀而深刻的認識，達到舉一反三、觸類旁通的效果。在實驗結(jié)束后，以小組為單位，組織學(xué)生針對各組所用膜材料的結(jié)構(gòu)、性能、處理效果進行分析、討論，促進教學(xué)內(nèi)容吸收理解的同時又可以鍛煉學(xué)生討論和表達能力。

第3篇：超濾膜分離的基本原理范文

[關(guān)鍵詞]中藥廢棄物；資源化；膜分離與集成技術(shù)；適宜性

中藥廢棄物的資源化是中藥行業(yè)形成現(xiàn)代、環(huán)保、集約新產(chǎn)業(yè)的必然選擇[1]。中藥廢棄物主要來源于中藥材生產(chǎn)過程產(chǎn)生的非藥用部位、加工過程形成的下腳料，以及中藥材深加工產(chǎn)業(yè)過程中形成的大量廢渣、廢水、廢氣等。中藥材大多來源于植物，我國中藥行業(yè)每年要消耗植物類藥材70萬噸左右，每年產(chǎn)生的植物類藥渣高達數(shù)百萬噸，而中藥廢棄物的綜合利用技術(shù)尚處于初級階段，研究領(lǐng)域具有明顯局限性，資源化研究主要集中于將廢棄物用于栽培食用菌、發(fā)酵生產(chǎn)，用作飼料、生物質(zhì)能源、造紙原料等，對廢棄物中仍含有的大量有效組分的再利用研究較少。

中藥廢棄物由粗纖維、粗蛋白、粗脂肪以及多種微量元素等組成，不同途徑的廢棄物，其理化特征各異，有效組分主要包括以某些一次代謝產(chǎn)物作為起始原料，通過一系列特殊生物化學(xué)反應(yīng)生成的小分子次生代謝產(chǎn)物，如萜類、甾體、生物堿、多酚類等；亦包括多糖、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)。在制藥分離過程工程化設(shè)計中，“清潔工藝”是中藥制藥行業(yè)升級的必然選擇。中藥廢棄物資源化的過程也是利用現(xiàn)有的分離技術(shù)對不同類型的有效組分進行提取富集的過程，為此，需要在對中藥廢棄物主要化學(xué)組成及理化特征開展系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展“無廢或少廢工藝”，根據(jù)可資源化的要求，采用過程集成技術(shù)，優(yōu)化中藥廢棄物再利用工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)中藥廢棄物資源化的循環(huán)利用經(jīng)濟模式，促進中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程中由傳統(tǒng)工藝向生態(tài)工藝轉(zhuǎn)化。

1膜科學(xué)技術(shù)用于中藥廢棄物資源化的意義

膜科學(xué)技術(shù)是材料科學(xué)與過程工程科學(xué)等諸多學(xué)科交叉結(jié)合、相互滲透而產(chǎn)生的新領(lǐng)域。其中利用壓力梯度場的膜分離技術(shù)主要指微濾（MF）和超濾（UF），系篩效應(yīng)的一種，即利用待分離混合物各組成成分在質(zhì)量、體積大小和幾何形態(tài)的差異，借助孔徑不同的膜而達到分離的目的；利用溫度場、化學(xué)勢梯度場及電位梯度場（電壓）的膜分離技術(shù)，則包括膜蒸餾（MD）、反滲透（RO）、氣體膜分離（GS）以及電滲析（EDR）等，依賴的是膜擴散機制，即利用待分離混合物各組分對膜親和性的差異，使膜親和性較大的組分能溶解于膜中，并從膜的一側(cè)擴散到另一側(cè)，從而實現(xiàn)與其他組分的分離[2]。

膜科學(xué)技術(shù)自20世紀60年代開始工業(yè)化應(yīng)用之后發(fā)展十分迅速，其品種和應(yīng)用領(lǐng)域不斷發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于水處理、石油化工、制藥、食品等領(lǐng)域。日本自20世紀80年代起應(yīng)用膜分離技術(shù)生產(chǎn)漢方制劑[3]，近年來，我國中藥制藥行業(yè)也開始采用膜分離技術(shù)對傳統(tǒng)提取、分離技術(shù)進行改良，并已取得了重要進展[4-5]。中藥廢棄物為組成與性質(zhì)十分復(fù)雜的物質(zhì)體系，“分離”過程的科學(xué)、有效是其再利用領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵。膜科學(xué)技術(shù)所具有的節(jié)約、清潔、安全等優(yōu)勢，符合建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，以及循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展思路，當(dāng)然也是中藥廢棄物資源化的重要選擇之一。當(dāng)前高分子科學(xué)、分析技術(shù)的快速發(fā)展以及環(huán)境友好戰(zhàn)略的實施使膜科學(xué)技術(shù)步入了新的發(fā)展階段，從而為中藥廢棄物的提取、分離、濃縮、純化一體化工程集成技術(shù)的研究提供了機遇與保證。

2膜分離技術(shù)用于中藥廢棄物資源化的原理與方法

制藥工業(yè)的現(xiàn)代化進程，特別是中藥制藥的產(chǎn)業(yè)升級，使傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。以中藥藥效物質(zhì)回收或精制為目標的中藥廢棄物資源化體系，其原料液濃度低、組分復(fù)雜，且回收率要求較高，現(xiàn)有的建立在既有化工分離技術(shù)基礎(chǔ)上的中藥分離技術(shù)，往往難以滿足這類分離任務(wù)的要求。

2.1膜材料用于中藥廢棄物資源化的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的分離技術(shù)比較，膜分離技術(shù)具有以下特點：①無相變，操作溫度低，適用于熱敏性物質(zhì)；②以膜孔徑大小特征將物質(zhì)進行分離，分離產(chǎn)物可以是單一成分，也可以是某一相對分子質(zhì)量區(qū)段的多種成分；③分離、分級、濃縮與富集可同時實現(xiàn)，分離系數(shù)較大，適用范圍廣；④裝置和操作簡單，工藝周期短，易放大；⑤可實現(xiàn)連續(xù)和自動化操作，易與其他過程耦合。

其中，膜家族的重要成員無機陶瓷膜，因其構(gòu)成基質(zhì)為ZrO2或Al2O3等無機材料及其特殊的結(jié)構(gòu)特征，而具有如下的優(yōu)點：①耐高溫，適用于處理高溫、高黏度流體；②機械強度高，具良好的耐磨、耐沖刷性能，可以高壓反沖使膜再生；③化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、抗微生物降解；④使用壽命長，一般可達3～5年，甚至8～10年。這些優(yōu)點，與有機高分子膜相比較，使它在許多方面有著潛在的應(yīng)用優(yōu)勢，尤其適合于中藥物料的精制。因而無機陶瓷膜分離技術(shù)在我國中藥行業(yè)廢棄物資源化領(lǐng)域具有普遍的適用性。

2.2膜技術(shù)集成用于中藥廢棄物資源化的優(yōu)勢

從中藥廢棄物化學(xué)組成具有多元化的特點來看，采用過程集成，即將2個或2個以上的反應(yīng)過程或反應(yīng)-分離過程相互有機地結(jié)合在一起進行聯(lián)合操作，有助于提高目標產(chǎn)物的收率或提高分離過程產(chǎn)品的純度，可以解決許多傳統(tǒng)的分離技術(shù)難以完成的任務(wù)。過程集成通常采用2個獨立的設(shè)備，通過物流（可以是氣、液或固態(tài)）在2個設(shè)備間流動來完成，耦合過程可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，互補對方的不足。因此，集成分離技術(shù)可成為中藥廢棄物精制的一種基本方法。過程集成還具有簡化流程、降低消耗等優(yōu)點，符合現(xiàn)代制藥工業(yè)的發(fā)展趨勢，因而對于實現(xiàn)中藥廢棄物的資源化和產(chǎn)業(yè)化有著廣闊的應(yīng)用前景。

膜科學(xué)技術(shù)可為過程集成提供寬闊的平臺。為使整個生產(chǎn)過程達到優(yōu)化，可把各種不同的膜過程集成在一個生產(chǎn)循環(huán)中，組成一個膜分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括不同的膜過程，也可包括非膜過程，稱其為“集成膜過程”。進入21世紀以來，膜集成工藝日益成為膜技術(shù)領(lǐng)域的新生長點，如由膜過程和液液萃取過程耦合所構(gòu)成的“膜萃取”技術(shù)，可避免萃取劑的夾帶損失和二次污染，拓展萃取劑的選擇范圍，提高傳質(zhì)效率和過程的可操作性，該集成技術(shù)已用于麻黃水提液中萃取分離麻黃堿[6]。

3膜科學(xué)技術(shù)用于中藥廢棄物資源化的應(yīng)用實踐

3.1膜分離技術(shù)在分離、富集中藥廢棄物中有效組分的應(yīng)用

利用中藥的目標成分和非目標成分相對分子質(zhì)量的差異，可用截留相對分子質(zhì)量適宜的超濾膜將兩者分開；利用膜蒸餾技術(shù)對水分子的氣化作用，可由制藥廢水中精制藥效成分。吳庸烈等[7]采用膜蒸餾技術(shù)對洗參水進行濃縮處理，成功的回收了其中90%以上的皂苷，而其中主要微量元素和氨基酸的含量也提高了近10倍。李博等[8]采用PVDF超濾膜自制藥廢水中富集青皮揮發(fā)油，精油的截留率可達到67.5%；通過GC-FID對膜過程前后樣品化學(xué)成分的比較發(fā)現(xiàn)，超濾法富集的揮發(fā)油與原揮發(fā)油近乎一致。

3.2膜集成技術(shù)在分離、富集中藥廢棄物中有效組分的應(yīng)用

采用膜法脫色取代傳統(tǒng)的活性碳脫色，再利用膜法濃縮取代傳統(tǒng)的苯提取或減壓蒸餾，從麻黃中提取麻黃素，經(jīng)一次處理就可得到麻黃堿98.1%，色素除去率達96.7%以上。與傳統(tǒng)工藝相比，收率高，質(zhì)量好，生產(chǎn)安全可靠，成本顯著降低，且也避免了對環(huán)境的污染。對一個年產(chǎn)30噸的麻黃堿廠來說，膜法可至少增加5噸麻黃堿產(chǎn)量，同時避免了污水排放[9]。徐萍等[10]采用超濾和反滲透串聯(lián)的膜集成技術(shù)富集中藥揮發(fā)油。實驗體系選取當(dāng)歸、川芎、肉桂、麻黃、丹皮經(jīng)水蒸氣蒸餾法得到的含油水體，以5萬相對分子質(zhì)量PS超濾膜與復(fù)合反滲透膜集成后進行分離、濃縮。結(jié)果表明，該集成技術(shù)在壓力1.2 MPa、溫度30 ℃條件下，當(dāng)歸、川芎、肉桂、麻黃、丹皮等含油水體超濾液中指標性成分阿魏酸、川芎嗪、桂皮醛、鹽酸麻黃堿、丹皮酚的保留率分別為95.80%，96.01%，95.41%，96.89%，97.01%，實現(xiàn)了中藥揮發(fā)油的有效富集。

3.3膜與其他分離技術(shù)集成在分離、富集中藥廢棄物中有效組分的應(yīng)用

膜分離過程與其他分離技術(shù)的集成，如膜與吸附樹脂技術(shù)的集成、膜與萃取技術(shù)的集成、膜與蒸餾技術(shù)的集成等，均是以提高目的產(chǎn)物的分離選擇性系數(shù)并簡化工藝流程為目標。

3.3.1 膜與大孔吸附樹脂分離技術(shù)的集成 從中藥廢棄物的分離原理與單元操作角度來看，膜分離過程的篩效應(yīng)和擴散效應(yīng)均需在中藥多元成分的水溶液狀態(tài)下進行，即利用待分離混合物各組成成分在質(zhì)量、體積大小和幾何形態(tài)的差異，或者待分離混合物各組分對膜親和性的差異，借助壓力梯度場等外力作用實現(xiàn)分離，此分離過程選擇性較低。而大孔吸附樹脂是吸附性和分子篩原理相結(jié)合的分離吸附材料，大孔吸附樹脂技術(shù)的實踐應(yīng)用表明，它對中藥或復(fù)方定組分具有較強的選擇吸附性。膜分離與樹脂吸附技術(shù)的集成，可充分體現(xiàn)“平衡、速度差與反應(yīng)”、“場-流”等分離理論的技術(shù)優(yōu)勢，促使中藥廢棄物中的多元組分在選擇性篩分效應(yīng)的作用下，實現(xiàn)水溶液狀態(tài)下的定向、有效分離。周昊等[11]采用陶瓷膜與大孔吸附樹脂集成技術(shù)分離油茶餅粕提取液中茶皂素，結(jié)果表明，茶皂素不僅純度高、顏色淡，且該技術(shù)生產(chǎn)成本低，污染小，可以成為工業(yè)上生產(chǎn)茶皂素產(chǎn)品的一種新技術(shù)。

3.3.2 膜與離子交換色譜分離技術(shù)的集成 離子交換色譜是以離子交換劑為基本載體的一類分離技術(shù)。離子交換的過程即是溶液中的可交換離子與交換劑上的抗衡離子發(fā)生交換的過程，該過程遵循“平衡、速度差與反應(yīng)”分離原理。離子交換法是分離和提純中藥及天然產(chǎn)物中化合物的有效手段之一，如采用陽離子交換樹脂富集季銨型生物堿。由于離子交換法省時省力，而且還可以節(jié)約大量的有機溶媒，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。張育榮[12]利用膜與離子交換色譜分離技術(shù)集成從章魚下腳料中提取天然牛磺酸，其工藝流程見圖1。研究結(jié)果表明，采用膜與離子交換色譜分離集成技術(shù)處理中藥廢棄物，可以使中藥多元組分實現(xiàn)水溶液狀態(tài)下的定向分離。

3.3.3 膜與分子蒸餾分離技術(shù)的集成 分子蒸餾是一種在高真空度（0.133～1 Pa）條件下進行的非平衡蒸餾。分子蒸餾適用于不同物質(zhì)相對分子質(zhì)量差異較大的液體混合物系的分離，特別是同系物的分離。近年來，分子蒸餾技術(shù)及其集成技術(shù)在中藥揮發(fā)性成分的分離中已突顯出其技術(shù)優(yōu)勢，如已用于白術(shù)、香附等揮發(fā)油中有效成分的提取分離[13]。依據(jù)分子蒸餾基本原理，對于中藥廢棄物中高沸點、熱敏性組分的揮發(fā)性成分，采用分子蒸餾工藝，可以依據(jù)揮發(fā)性多組分中分子運動平均自由程的差異，使各組分在遠低于其沸點的溫度下從混合物中一次性、迅速得到分離[14]。

由于分子蒸餾是在極高的真空度下進行，該技術(shù)所用設(shè)備投資較大，適合于把粗產(chǎn)品中高附加值的成分進行分離和提純[15]。對于中藥廢棄物中高沸點、熱敏性組分的揮發(fā)性成分，采用傳統(tǒng)的提取方法如水蒸氣蒸餾、浸提法等，不僅易引起分子的重排、聚合等反應(yīng)，而且在后續(xù)的處理中還要加入溶劑萃取、離心分離、濃縮等工藝進一步純化?；谀ぜ杉夹g(shù)的中藥揮發(fā)油高效收集成套技術(shù)，可用于中藥含油水體中揮發(fā)油及其他小分子揮發(fā)性成分的富集[16]；在分子蒸餾工藝流程后，采用膜分離技術(shù)進行定向分離，可成為中藥廢棄物中揮發(fā)性成分定向分離的優(yōu)勢技術(shù)。

3.3.4 膜與超臨界流體萃取分離技術(shù)的集成 以超臨界液體為萃取劑的萃取操作稱為超臨界流體萃取。在超臨界流體萃取中，高的萃取能力和選擇性通常不能同時兼得。如果將超臨界溶劑的溶解度提高，能夠增加萃取量，但也會增加其他組分的溶解度，萃取選擇性反而會降低，導(dǎo)致分離的困難[17]。而超臨界流體與膜過程耦合，既可以降低膜分離阻力又可以選擇性的透過某些成分，在降低能耗和提高選擇性上多方面獲益。超臨界流體萃取與膜分離的技術(shù)集成，也可為復(fù)合型新工藝的開發(fā)和應(yīng)用提供廣闊空間，達到降低過程能耗、減小操作費用、實現(xiàn)精細分離、利于環(huán)境保護等目的[18-19]。

鄭美瑜等[20]采用超臨界CO2萃取魚油得到三酸甘油脂，再采用納濾技術(shù)得到三酸甘油脂中最有價值的長鏈不飽和脂肪酸。目前的研究報道[21]，采用此種集成技術(shù)還可將蘿卜籽、胡蘿卜油中的β-胡蘿卜素進行精制；將超臨界CO2應(yīng)用于黏性液體的超濾工藝，還可顯著降低錯流過濾的阻力，提高滲透通量；與納濾技術(shù)集成使用，還可提高超臨界溶劑循環(huán)使用的效率，確保超臨界萃取過程的經(jīng)濟性。

4膜科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于中藥廢棄物資源化過程的展望

近年來，膜分離與反應(yīng)過程集成技術(shù)，如膜生物反應(yīng)器技術(shù)在制藥工業(yè)廢水回收方面的應(yīng)用已得到廣泛應(yīng)用[22]，膜領(lǐng)域面臨的國家重大需求日益彰顯，歐洲和日本明確提出在21世紀的工業(yè)中，膜分離技術(shù)扮演著戰(zhàn)略角色[23]。而膜分離也被視為我國中藥制藥工業(yè)亟需推廣的高新技術(shù)之一[24-25]。

膜科學(xué)技術(shù)用于中藥廢棄物資源化過程具有廣闊的前景，但目前需要優(yōu)先解決的問題是：①以膜集成技術(shù)為重點的中藥膜技術(shù)標準化與工程化；②膜與大孔吸附樹脂等分離技術(shù)集成的系統(tǒng)優(yōu)化；③膜技術(shù)在中藥制藥工業(yè)節(jié)能減排方面的應(yīng)用推廣。上述3個問題既是膜科學(xué)技術(shù)全面進入中藥廢棄物資源化領(lǐng)域的重要保障，也是膜科學(xué)技術(shù)在中藥廢棄物資源化領(lǐng)域的應(yīng)用模式，其研究成果具有普遍適用性，廣泛適用于中藥廢棄物加工利用各個單元操作，對實現(xiàn)中藥廢棄物資源化行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，推動中藥產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

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Optimization theory and practical application of membrane science

technology based on resource of traditional Chinese medicine residue

ZHU Hua-xu1，2 ， DUAN Jin-ao1*， GUO Li-wei1，2*， LI Bo2，

LU Jin2， TANG Yu-ping1， PAN Lin-mei2

（1.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization，

Nanjing University of Chinese Medicine， Nanjing 210023， China；

2. Jiangsu Botanical Medicine Refinement Engineering Research Center， Nanjing University of

Chinese Medicine， Nanjing 210023， China）

[Abstract] Resource of traditional Chinese medicine residue is an inevitable choice to form new industries characterized of modern， environmental protection and intensive in the Chinese medicine industry. Based on the analysis of source and the main chemical composition of the herb residue， and for the advantages of membrane science and technology used in the pharmaceutical industry， especially membrane separation technology used in improvement technical reserves of traditional extraction and separation process in the pharmaceutical industry， it is proposed that membrane science and technology is one of the most important choices in technological design of traditional Chinese medicine resource industrialization. Traditional Chinese medicine residue is a very complex material system in composition and character， and scientific and effective "separation" process is the key areas of technology to re-use it. Integrated process can improve the productivity of the target product， enhance the purity of the product in the separation process， and solve many tasks which conventional separation is difficult to achieve. As integrated separation technology has the advantages of simplified process and reduced consumption， which are in line with the trend of the modern pharmaceutical industry， the membrane separation technology can provide a broad platform for integrated process， and membrane separation technology with its integrated technology have broad application prospects in achieving resource and industrialization process of traditional Chinese medicine residue. We discuss the principles， methods and applications practice of effective component resources in herb residue using membrane separation and integrated technology， describe the extraction， separation， concentration and purification application of membrane technology in traditional Chinese medicine residue， and systematically discourse suitability and feasibility of membrane technology in the process of traditional Chinese medicine resource industrialization in this paper.

第4篇：超濾膜分離的基本原理范文

關(guān)鍵詞：含重金屬；工業(yè)廢水；離子；處理方法；回收利用

Abstract: the untreated in industrial wastewater discharge of heavy metal pollution in increasing, to people's living environment and human health caused a serious threat. Therefore, of heavy metals in the industrial wastewater treatment caused extensive attention of the whole society. This paper expounds the present main of heavy metals in industrial wastewater treatment methods, including the physical method, chemical method, biological method, and points out the processing method of characteristics, for the industrial wastewater treatment of heavy metals to provide the reference.

Keywords: contain heavy metals; Industrial wastewater; Ion; Processing methods; recycling

中圖分類號：X703文獻標識碼： A 文章編號：

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)也得到了較快發(fā)展，大量含有重金屬的工業(yè)廢水未經(jīng)處理就排放到環(huán)境中，導(dǎo)致了土壤和水源中重金屬積累的加劇，重金屬的污染也日益嚴重。由于重金屬易通過食物鏈而生物富集，構(gòu)成對生物和人體健康的嚴重威脅。如何有效地處理重金屬工業(yè)廢水已成為社會共同關(guān)注的問題。處理重金屬工業(yè)廢水的方法盡管多種多樣，但大體可歸納為物理法、化學(xué)法和生物法。本文就含重金屬工業(yè)廢水處理方法進行介紹。

1 含重金屬廢水處理方法

1.1 物理法

(1)膜分離法

膜分離技術(shù)使用一種特殊的半透膜，在外界推動力作用下，使溶液中一種溶質(zhì)和溶劑滲透出來，從而達到分離的目的。根據(jù)膜的不同，可以分為電滲析、反滲析、液膜、超濾等。目前反滲透和超濾膜在電鍍廢水中已廣泛應(yīng)用。

液膜分離技術(shù)是將萃取和膜過程結(jié)合的一種高效分離技術(shù)，萃取與反萃取同時進行，是分離和濃縮金屬離子的有效方法。其中支撐液膜在處理重金屬廢水，提取稀有、貴重金屬離子，如提取鉑、鎵、銦等方面具有低耗能、低成本等、效率高等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。將膜技術(shù)與其他技術(shù)工藝有機結(jié)合起來處理重金屬廢水將是未來的發(fā)展方向。某蓄電池材料有限公司主要從事廢舊鉛酸蓄電池的回收和鉛基合金、電解鉛的生產(chǎn)，其廢水處理系統(tǒng)采用混凝沉淀／膜處理組合工藝，進一步確保出水水質(zhì)達標。半年多的實際運行表明：該工藝運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達到《污水綜合排放標準》（GB8978－1996）的一級排放標準，并實現(xiàn)了回用（回用率）70％。

(2)吸附法

吸附法是利用吸附劑吸附廢水中重金屬的一種方法，其中吸附法被認為是去除痕量重金屬有效的方法。常用的吸附劑有活性炭、沸石、硅藻土、凹凸棒石、二氧化硅、天然高分子及離子交換樹脂等。其中天然沸石吸附能力最強，也是最早用于重金屬廢水處理的礦物材料。

納米FeO是一種有效的脫鹵還原的納米材料。與常規(guī)的顆粒鐵粉相比，納米FeO顆粒有粒徑小、易分散、比表面積大，表面吸附能力強，反應(yīng)活性強，還原效率和還原速度遠高于普通鐵粉的特點。納米FeO除了可以高效還原有機氯代物以外，其對Cr6＋、Pb2＋和AS3＋等多種重金屬同樣表現(xiàn)出良好的處理效果。

負載型納米FeO主要是利用負載物（如聚合物、硅膠、沙子和表面活性劑等）在固液表面的吸附作用，能在顆粒表面形成一層分子膜阻礙顆粒間相互接觸，同時增大了顆粒之間的距離，使顆粒之間接觸不再緊密。與普通納米FeO相比，負載型納米FeO不僅對水體中的重金屬和有機污染物有更高的去除效率，而且其重復(fù)利用性和穩(wěn)定性也優(yōu)于一般納米FeO。Ponder等利用聚合松香負載納米FeO去除水中的Cr6＋和Pb2＋，結(jié)果表明：負載型納米FeO的去除率不僅比投加量高3．5倍的普通鐵粉高近5倍，而且也略高于無負載納米FeO的去除率。

凹凸棒石又稱坡縷石，是一種2∶1（TOT）型層鏈狀海泡石族的含水富鎂、鋁的硅酸鹽黏土礦物，其晶體化學(xué)式：Mg5（H2O）4［Si4O10］2（OH）2，它比表面積大、吸附性能良好、來源廣、成本低、儲量豐富，但是目前國內(nèi)應(yīng)用凹凸棒石吸附處理重金屬廢水還處在研究階段，凹凸棒石黏土吸附金屬離子的種類有待擴寬。黃德榮等用吸附混凝法，將凹凸棒石黏土和混凝劑連用治理含鋅電鍍廢水，Zn2＋的去除率高達99．8％以上。同時，凹凸棒石粘土含有大量的結(jié)構(gòu)羥基，如Si－OH、Mg－OH和A1－OH等。由于其結(jié)構(gòu)中存在著A13＋對Si4＋及Al3＋，F(xiàn)e2＋對Mg2＋等類質(zhì)同晶置換現(xiàn)象，故晶體中含有不定量的Na＋，Ca2＋，F(xiàn)e3＋和A13＋等，各種離子替代的綜合結(jié)果是凹凸棒石常常帶少量的永久性的負電荷，因此凹凸棒石具有很強的物理和化學(xué)吸附能力。

離子交換樹脂法是一種應(yīng)用廣泛的方法，樹脂中含有的氨基、羥基等活性基團可以與重金屬離子進行螯合、交換反應(yīng)，從而去除廢水中重金屬離子的方法，同時還可以用于濃縮和回收溶液中痕量的重金屬，其優(yōu)點是樹脂具有可逆性，可通過再生重復(fù)使用，且交換選擇性好，缺點是價格昂貴。因此研究和選擇成本低、選擇性高、交換容量大、吸附－解吸過程可逆性好的離子交換樹脂，對于處理重金屬廢水有著重要意義。

1.2 化學(xué)法

(1)化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法是指向重金屬廢水中投放藥劑，通過化學(xué)反應(yīng)使溶解狀態(tài)的重金屬生成沉淀而去除的方法。包括中和沉淀法、硫化物沉淀法、鋇鹽沉淀法等。中和沉淀法應(yīng)用比較廣泛，向重金屬廢水中投放藥劑（如石灰石）使廢水中重金屬形成沉淀而去除?；瘜W(xué)沉淀法處理重金屬廢水具有工藝簡單、去除范圍廣、經(jīng)濟實用等特點，是目前應(yīng)用最為廣泛的處理重金屬廢水的方法。

(2)電化學(xué)法

電化學(xué)法是應(yīng)用電解的基本原理，使廢水中重金屬離子在陽極和陰極上分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使重金屬富集，從而去除廢水中重金屬，并且可以回收利用。

高壓脈沖電凝法（HVES）是采用高電壓小電流，系運用電化學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)為化學(xué)能，對廢水中有機或無機物進行氧化還原、中和反應(yīng)。通過凝聚、沉淀、浮除將污染物從水體中分離，從而有效地去除廢水中的Cr6＋、Ni2＋、Cu2＋、Zn2＋、Cd2＋、Cn－、油、磷酸鹽以及COD、SS與色度。該方法操作方便、反應(yīng)迅速，可去除的污染物廣泛、無二次污染、經(jīng)濟實用，在國外電化學(xué)技術(shù)被稱為“環(huán)境友好技術(shù)”。李宇慶等采用高壓脈沖電凝－FenTon氧化工藝處理制藥廢水，研究表明在PH值為4左右、極板間距為20MM電流強度為10A、高壓脈沖電凝反應(yīng)時間為45Min、H2O2投加量為4ML／L、FenTOn氧化時間為60Min時，對CODCr去除率為為36．5％～39．2％，廢水M（BOD5）／M（CODCr）從0．13提高到0．37，可生化性大大提高，為后續(xù)處理達標排放奠定了基礎(chǔ)。

微電解－生物法是利用廢鐵屑對電鍍廢水進行預(yù)處理，使大部分的Cr6＋在較短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為Cr3＋，同時使廢水的PH值上升2～3，然后將廢水加入到生物反應(yīng)器中通過生物作用將廢水中剩余的重金屬離子去除，達到凈化電鍍廢水的目的。通過與生物法的結(jié)合，提高了此種技術(shù)對廢水凈化的效率。該方法結(jié)合了氧化還原、絮凝、吸附作用，協(xié)同性強、綜合效果好、操作簡便，運行費用低。但是，由于電解裝置經(jīng)一段時間的運行后，會大大降低了處理效果，必須開發(fā)新型的處理裝置以彌補這一缺陷；另外在運行過程中表面沉積物易于使電極產(chǎn)生鈍化，降低處理效果，因此，操作條件的優(yōu)化和各種助劑、催化劑的研制、選用、配比很重要。針對目前微電解法存在的問題以及工程應(yīng)用的要求，可以將微電解法和化學(xué)法、生物法以及其它方法結(jié)合起來，充分利用各種方法的優(yōu)點，研究出新型的工藝，來解決實際應(yīng)用過程中所存在的問題。

電去離子技術(shù)（EDI，electrodeionization），是將離子交換樹脂填充在電滲析器的淡水室中從而將離子交換與電滲析進行有機結(jié)合，在直流電場作用下同時實現(xiàn)離子的深度脫除與濃縮，以及樹脂連續(xù)電再生的新型復(fù)合分離過程。該方法既保留了電滲析連續(xù)除鹽和離子交換樹脂深度除鹽的優(yōu)點，又克服了電滲析濃差極化所造成的不良影響，且避免了離子交換樹脂酸堿再生所造成的環(huán)境污染。所以，無論從技術(shù)角度還是運行成本來看，EDI都比電滲析或離子交換更高效。但同時處理過程中也不同程度存在膜堆適用性差，過程運行不夠穩(wěn)定，易形成金屬氫氧化物沉淀等問題。隨著研究的不斷深入，上述問題將逐步解決，EDI也將成為一種很有發(fā)展?jié)摿Φ闹亟饘購U水處理技術(shù)。

1.3 生物法

(1)植物修復(fù)法

植物修復(fù)法是指利用高等植物通過吸收、沉淀、富集等作用降低已有污染的土壤或地表水的重金屬含量，以達到治理污染、修復(fù)環(huán)境的目的。該方法實施較簡便、成本較低并且對環(huán)境擾動少。但是治理效率較低，不能治理重度污染的土壤和水體。Rai和Dwivedi等調(diào)查發(fā)現(xiàn)水蕹（Ipomeaaquqtica）是一種很好的蓄積植物，該植物最大可以蓄積Cu：62，MO：5，Cr：13，Cd：11，AS：0．05μg／gDW。Bareen和Khilji研究表明，長苞香蒲90d后也可以去除底泥中42％Cr，38％Cu和36％Zn。

(2)生物絮凝法

生物絮凝法是利用微生物或微生物產(chǎn)生的代謝物進行絮凝沉淀的一種除污方法。目前已開發(fā)出具有絮凝作用的微生物有細菌、霉菌、放線菌、酵母菌和藻類等共17個品種，而對重金屬有絮凝作用的只有12個，陳天等從多種微生物中提取殼聚糖為絮凝劑回收水中Pb2＋、Cr3＋、Cu2＋等重金屬離子。在離子濃度是100Mg／L的200ML廢水中加入10Mg殼聚糖，處理后Cr3＋、Cu2＋濃度都小于0．1Mg／L，Pb2＋濃度小于1Mg／L，處理效果十分明顯。

(3)生物吸附法

生物吸附法是利用生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來吸附溶于水中的金屬離子，再通過固液兩相分離去除水溶液中的金屬離子的方法。該方法在低濃度下，選擇吸附重金屬能力強，處理效率高，操作的PH值和溫度范圍寬，易于分離回收重金屬，成本低等特點。同時還可從工業(yè)發(fā)酵工廠及廢水處理廠中排放出大量的微生物菌體，用于重金屬的吸附處理。蔣新宇等用毛木耳（Auriculariapolytricha）子實體為生物吸附材料，通過對起始PH值、反應(yīng)時間、重金屬濃度這3個因素對毛木耳子實體吸附Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋的研究，結(jié)果表明最適起始PH值為5，PH值是影響毛木耳子實體吸附重金屬離子的主要因素。其中在10Mg／L重金屬濃度下，毛木耳子實體對Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋的最大吸附率分別為94．12％、96．22％、99．94％、99．19％，在吸附達到平衡以前，毛木耳子實體對Cd2＋、Cu2＋、Pb2＋、Zn2＋最大平衡吸附量分別為10．09、8．36、23．57和3．64Mg／g，而對Pb2＋的吸附量最大。因此毛木耳子實體是很有發(fā)展?jié)摿Φ闹亟饘購U水處理技術(shù)。

2 結(jié)語

綜上所述，含重金屬工業(yè)廢水處理方法較多，各有各的優(yōu)點和缺陷。但是重金屬廢水處理比較復(fù)雜，且水體中含有多種重金屬離子，因此，在處理過程中應(yīng)該考慮采用多種方法和工藝的綜合運用，將處理后的重金屬充分回收、廢水回用，以達到最好的處理效果，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益相統(tǒng)一。

參考文獻