食品分离技术——膜分离技术优秀PPT.ppt
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1、回回 顾顾一、分离技术的分类及特点一、分离技术的分类及特点 v 分离技术:分为机械分离和传质分离两大类。l 机械分离处理的是两相或者两相以上的混合物,l 如过滤、沉降、离心分离、旋风分离等。l 传质分离的特点是分离过程中间有传质现象发生。如反渗透、超滤、电泳等传质分离过程:包括平衡分离过程和速率控制分离过程。传质分离过程:包括平衡分离过程和速率控制分离过程。l 速率控制分离过程:根据混合物中各个组分扩散速度的差异来实现分离的过程,如反渗透、超滤、电泳等。分离中利用浓度差、压力差以及温度差等作为分离推动力。l 平衡分离过程:指借助于分离媒介(热能、溶剂、吸附剂),使均相混合物系统变成两相系统,再
2、以各组分在媒介中的不同的分配系数为依据而实现分离的过程。如萃取、精馏、吸附、吸收、离子交换等。v 按分离性质分类按分离性质分类 l 物理分离法:以被分离对象在物理性质方面的差异l 作为分离依据,热扩散法、过滤、沉淀、离心分离等;l 化学分离法:依据被分离对象在化学性质方面的差异l 来分:沉淀分离法、溶剂萃取法、离子交换技术等;l 物理化学分离法:被分离对象中,存在着不止一个l 特性方面的差异,包括在物理和化学性质方面的差异。二、二、食品分离新技术在食品工业中的重要性食品分离新技术在食品工业中的重要性 2、食品分离新技术能提高食品原料的综合利用程度。、食品分离新技术能提高食品原料的综合利用程度。
3、3、食品分离新技术能保持和改进食品的营养和风味。、食品分离新技术能保持和改进食品的营养和风味。4、食品分离新技术使产品符合食品卫生的要求。、食品分离新技术使产品符合食品卫生的要求。5、食品分离新技术能改变食品行业的生产面貌。、食品分离新技术能改变食品行业的生产面貌。1、食品分离技术是食品工业的基础。、食品分离技术是食品工业的基础。植物油、淀粉、植物油、淀粉、糖、速溶咖啡等糖、速溶咖啡等油脂的低温脱溶、茶叶下脚料、柑橘皮的利用等等油脂的低温脱溶、茶叶下脚料、柑橘皮的利用等等膜分离代替热处理浓缩和真空浓缩、分离生物活性物质膜分离代替热处理浓缩和真空浓缩、分离生物活性物质去除其中的有害成分:棉酚、芥
4、子苷、黄曲霉素去除其中的有害成分:棉酚、芥子苷、黄曲霉素一、一、膜分离技术的发展历程膜分离技术的发展历程 1748年,Abble Nelkt首次进行猪膀胱膜的渗透分离试验,揭示了膜分离现象;1861年Thomas Graham介绍了用膜分离法可以从多糖蛋白质 溶液中除去一些无机盐类物质;1864年,Traube成功研制出第一片人造膜亚铁氰化铜膜 1907年Bechhold首先发表了滤膜性质的报告;1930年左右法国出现硝酸纤维素膜商品,用于过滤病毒和分 离血清蛋白质等;1953年,年,佛罗里达大学的佛罗里达大学的Reid等人最早提出反渗透等人最早提出反渗透 淡化海水;淡化海水;1960年,年,
5、Loeb与与Sourirtajan发明了第一代高性能的非对发明了第一代高性能的非对 称性醋酸纤维素膜,反渗透称性醋酸纤维素膜,反渗透(RO)首次用于海水及苦咸水首次用于海水及苦咸水 淡化。但至淡化。但至20世纪世纪60年代中期,才应用于工业上。年代中期,才应用于工业上。l 在膜分离技术发展史上,首先出现的技术为超滤在膜分离技术发展史上,首先出现的技术为超滤 l (Ultrafiltration,简称,简称UF)和微孔过滤和微孔过滤(Microfiltration,l 简称简称MF),然后出现反渗透,然后出现反渗透(Reverse Osmosis,简称,简称RO)。20世纪60年代初,在制膜技术
6、取得了突破后,膜分离技 术才得到飞跃发展;膜材料、膜装置相继被发明;1957年中国科学院化学所开始了离子交换膜的研究。年中国科学院化学所开始了离子交换膜的研究。1964年海军医学研究所研制出咸水淡化器。年海军医学研究所研制出咸水淡化器。1970年北京市环境保护科学研究所建立电渗析淡化年北京市环境保护科学研究所建立电渗析淡化 水站,淡化水生产量达水站,淡化水生产量达100m3/d以上;以上;我我我我 国:国:国:国:1977年至1984年,我国共生产电渗析器4000台左右,平均每年生产约600台;目前膜分离技术广泛应用于水处理、乳品加工、果 蔬加工、食品发酵、蛋白质和酶的提取等。二、膜分离技术的
7、基本概念二、膜分离技术的基本概念 膜膜分分离离:指指用用天天然然或或人人工工合合成成的的高高分分子子膜膜,以以外外加加压压力力或或化化学学位位差差为为推推动动力力,对对双双组组分分或或多多组组分分的的溶溶液液进进行行分分离离、分分级级、提提纯纯和和富富集集的的方方法法;膜膜分分离离法法可可用用于液相和气相的分离。于液相和气相的分离。渗析渗析(或透析或透析):用半透膜把容器隔开,膜的一侧是:用半透膜把容器隔开,膜的一侧是溶液,另一侧是纯水,或者膜的两侧是浓度不同的溶溶液,另一侧是纯水,或者膜的两侧是浓度不同的溶液。小分子溶质透过膜向纯水侧移动,而纯水透过膜液。小分子溶质透过膜向纯水侧移动,而纯水
8、透过膜向溶液侧移动的现象。向溶液侧移动的现象。属于渗析的分离方法有:电渗析、压渗析、渗析、热渗析。属于渗析的分离方法有:电渗析、压渗析、渗析、热渗析。属于渗析的分离方法有:电渗析、压渗析、渗析、热渗析。属于渗析的分离方法有:电渗析、压渗析、渗析、热渗析。(一膜分离概念(一膜分离概念 浸浸透透:仅仅有有溶溶液液中中的的溶溶剂剂透透过过膜膜向向纯纯水水侧侧或或浓浓溶溶液液 侧移动,而溶质不透过膜的分离现象。侧移动,而溶质不透过膜的分离现象。只能使溶剂或溶质透过的膜称为半透膜。如果半透膜只 能使某些溶质或溶剂透过,而不能使另一些溶质或溶剂 透过,称之为膜的选择透过性。引起上述分离的推动力:电位差、压
9、力差、浓度差、温度差引起上述分离的推动力:电位差、压力差、浓度差、温度差等。等。属于渗透的分离方法有:电渗透、反渗透、浸透、热渗透。属于渗透的分离方法有:电渗透、反渗透、浸透、热渗透。膜分离是对溶液中不同溶质的分离,每一种溶质是由膜分离是对溶液中不同溶质的分离,每一种溶质是由 不同的分子构成的,因此,膜分离也是一种分子级分离。不同的分子构成的,因此,膜分离也是一种分子级分离。n 从膜功能上来说,膜分离技术主要包括:l 在食品工业中应用最广泛的膜分离技术:微滤微滤MF)、超滤)、超滤UF)、纳滤)、纳滤NF)、反渗透)、反渗透RO)、电渗析)、电渗析ED)、气体渗透)、气体渗透GP)、膜乳化)、
10、膜乳化FE及液膜分离技术等。及液膜分离技术等。超滤、反渗透和电渗析超滤、反渗透和电渗析超滤、反渗透和电渗析超滤、反渗透和电渗析 (二分类(二分类过程过程 膜膜 主要功能主要功能 推动力推动力 微滤微滤对称细孔高分子膜对称细孔高分子膜孔径孔径0.0310 nm 0.0310 nm 滤除滤除 50 nm50 nm的的颗粒颗粒 压差压差 0.1 MPa 0.1 MPa 超滤超滤非对称多孔膜非对称多孔膜孔径孔径120 nm 120 nm 滤除滤除 5100 nm 5100 nm的颗粒的颗粒 压差压差 0.1 MPa 0.1 MPa 反渗透反渗透非对称性或复合膜非对称性或复合膜孔径孔径0.11 nm 0
11、.11 nm 水溶液中溶解盐水溶液中溶解盐类的脱除类的脱除 压差压差1 10 MPa 1 10 MPa 透析透析非对称离子交换膜非对称离子交换膜孔径孔径110 nm 110 nm 水溶液中无机酸、水溶液中无机酸、盐的脱除盐的脱除 浓度差浓度差 电渗析电渗析阴、阳离子交换膜阴、阳离子交换膜孔径孔径110 nm 110 nm 水溶液中酸、水溶液中酸、碱、盐的脱碱、盐的脱除除 电位差电位差 气体分离气体分离均质膜和非对称膜均质膜和非对称膜 滤除滤除 50 nm50 nm的的颗粒颗粒 压差压差110 Mpa110 Mpa浓度差浓度差 渗透汽化渗透汽化复合膜复合膜 水、有机物的分水、有机物的分离离 渗透
12、边的分压渗透边的分压下降下降 液膜液膜液体保存在多孔膜中液体保存在多孔膜中 盐、生理活性物盐、生理活性物质的分离质的分离 浓度差浓度差 常见的膜分离过程常见的膜分离过程三、膜分离的基本方法及其原理三、膜分离的基本方法及其原理 (一一)反渗透反渗透(Reverse Osmosis,简称,简称RO)。1、反渗透的基本原理、反渗透的基本原理 n n反渗透技术是利用反渗透膜只能透过溶剂反渗透技术是利用反渗透膜只能透过溶剂(通常通常是水是水)而不能透过溶质的选择透过性,对溶液施而不能透过溶质的选择透过性,对溶液施加压力以克服溶液的渗透压,使溶剂通过反渗透加压力以克服溶液的渗透压,使溶剂通过反渗透膜而从溶
13、液中分离出来的过程。反渗透的压力差膜而从溶液中分离出来的过程。反渗透的压力差为为110MPa110MPa。反渗透的最大特点:能截留绝大部分和溶剂分子大小同一数量级的溶质,而获得相当纯净的溶剂(如水)。2、反渗透的特征参数、反渗透的特征参数 透水速率:在反渗透中,单位时间内通过半透膜透水速率:在反渗透中,单位时间内通过半透膜透水速率:在反渗透中,单位时间内通过半透膜透水速率:在反渗透中,单位时间内通过半透膜 的透过液体积的透过液体积的透过液体积的透过液体积(或质量或质量或质量或质量);评价反渗透操作的指标:透水速率和溶质透过率评价反渗透操作的指标:透水速率和溶质透过率评价反渗透操作的指标:透水速
14、率和溶质透过率评价反渗透操作的指标:透水速率和溶质透过率 或溶质脱除率。或溶质脱除率。或溶质脱除率。或溶质脱除率。溶质透过率溶质透过率溶质透过率溶质透过率(SP)(SP):某离子或分子在透过液中的浓度与:某离子或分子在透过液中的浓度与:某离子或分子在透过液中的浓度与:某离子或分子在透过液中的浓度与 在浓缩液主体中的浓度之比值,在浓缩液主体中的浓度之比值,在浓缩液主体中的浓度之比值,在浓缩液主体中的浓度之比值,即即即即:SP SP=(透透透透过过过过液液液液中中中中溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度 /原原原原液液液液溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度)100%100%v 溶质的透过率(脱除率)与半
15、透膜的特性、压力 v 差、溶质分子大小、分子形状、所带电荷以及此v 溶质是否为制膜材料的溶剂成分等因素有关。3、例:反渗透法生产精制水、例:反渗透法生产精制水(二超(二超 滤滤(Ultrafiltration,简称简称UF)v 超滤:在一定压力(010.8MPa)下,利用超滤膜只允许溶剂、无机盐和小分子物质透过,而截留溶液中的悬浮物、胶体、微粒、有机物、细菌和其他微生物等大分子物质或微细粒子,进行分离的物理筛分过程。v 超超超超滤滤滤滤膜膜膜膜的的的的结结结结构构构构:超超超超滤滤滤滤所所所所用用用用的的的的膜膜膜膜为为为为非非非非对对对对称称称称性性性性膜膜膜膜,其其其其表面表面表面表面v
16、为为为为活活活活性性性性层层层层,有有有有孔孔孔孔径径径径1.020.0nm(1.020.0nm(或或或或更更更更大大大大)的的的的微微微微孔孔孔孔,能够截能够截能够截能够截v 留留留留相相相相对对对对分分分分子子子子质质质质量量量量为为为为500500以以以以上上上上的的的的大大大大分分分分子子子子和和和和胶胶胶胶体体体体微微微微粒。粒。粒。粒。v 超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用;超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用;超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用;超滤膜对大分子的截留机理主要是筛分作用;同时,膜的化学性质也影响透过性能,如离子交换膜。同时,膜的化学性质也影响透过性能,如离
17、子交换膜。决定截留效果的主要是:膜的表面活性层上孔的大小和形状决定截留效果的主要是:膜的表面活性层上孔的大小和形状决定截留效果的主要是:膜的表面活性层上孔的大小和形状决定截留效果的主要是:膜的表面活性层上孔的大小和形状 超滤系统,超滤系统,6t/h 超超滤滤过过程程与与反反渗渗透透过过程程非非常常接接近近,只只不不过过超超滤滤膜膜孔孔径径稍稍大大,而而反反渗渗透透操操作作压压力力较较高高。从从半半透透膜膜的的角角度度来来看看,超超滤滤可可以以看看成成有有较较大大孔径的反渗透膜。孔径的反渗透膜。v 超滤与反渗透超滤与反渗透(三三)、纳、纳 滤滤Nanofiltration,NF)纳滤也称为低压反
18、渗透纳滤也称为低压反渗透0.52.5MPa或松散反渗透或松散反渗透(Loose RO),是具有纳,是具有纳米级孔径且带有电荷的特殊膜过滤。米级孔径且带有电荷的特殊膜过滤。纳滤膜的分离机理:纳滤膜的分离机理:纳滤膜对溶质分子的截留去除主要受膜的电纳滤膜对溶质分子的截留去除主要受膜的电荷性和孔径大小的影响荷性和孔径大小的影响决定了纳滤膜对溶决定了纳滤膜对溶质分离的两个主要机制:电荷作用和筛分作质分离的两个主要机制:电荷作用和筛分作用。用。1、NF膜介于膜介于RO与与UF膜之间。膜之间。RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率;膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率;NF膜膜 主要脱除纳米级主要脱除纳米级
19、110nm的溶质粒子,截留分子的溶质粒子,截留分子量量 为为2001000Da。UF对盐和低分子量有机物没有截留对盐和低分子量有机物没有截留效效 果,而果,而NF膜能截留低分子量有机物和多价盐。膜能截留低分子量有机物和多价盐。2、NF操作压力低,为操作压力低,为0.52.0MPa,而反渗透,而反渗透110MPa3、NF膜为荷电膜,膜表面一般带负电。因道南效应膜为荷电膜,膜表面一般带负电。因道南效应 (donnan),可实现不同价态离子的分离。),可实现不同价态离子的分离。在很低压力下仍具有较高脱盐性能;在很低压力下仍具有较高脱盐性能;截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐。截留分子量为数百的膜也可
20、脱除无机盐。NF膜的特点膜的特点某公司不同膜的截留率比较某公司不同膜的截留率比较物质种类物质种类物质种类物质种类反渗透膜反渗透膜反渗透膜反渗透膜宽松反渗透膜宽松反渗透膜宽松反渗透膜宽松反渗透膜纳滤膜纳滤膜纳滤膜纳滤膜超滤膜超滤膜超滤膜超滤膜氯化钠氯化钠氯化钠氯化钠99%99%7095%7095%050%050%0%0%硫酸钠硫酸钠硫酸钠硫酸钠99%99%8095%8095%99%99%0%0%氯化钙氯化钙氯化钙氯化钙99%99%8095%8095%060%060%0%0%硫酸镁硫酸镁硫酸镁硫酸镁99%99%9598%9598%99%99%0%0%硫酸硫酸硫酸硫酸98%98%8090%8090%
21、0%0%0%0%盐酸盐酸盐酸盐酸90%90%7085%7085%0%0%0%0%果糖果糖果糖果糖 99%99%99%99%99%99%0%0%蔗糖蔗糖蔗糖蔗糖 99%99%99%99%99%99%0%0%腐殖酸腐殖酸腐殖酸腐殖酸 99%99%99%99%99%99%0%0%病毒病毒病毒病毒99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99%99%蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99%99%细菌细菌细菌细菌99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99.99%99%99%u 主要用于饮用水
22、的软化、脱色、脱异味,脱可主要用于饮用水的软化、脱色、脱异味,脱可u 溶性有机物、农药、合成洗涤剂等。溶性有机物、农药、合成洗涤剂等。u 抗生素的浓缩和纯化;抗生素的浓缩和纯化;u 肽和氨基酸的分离;肽和氨基酸的分离;u 果汁的高度浓缩;果汁的高度浓缩;u 牛奶及乳清蛋白的浓缩;牛奶及乳清蛋白的浓缩;u 农产品的综合利用农产品的综合利用 NF 的的 应应 用用阿鸥纳滤净水机阿鸥纳滤净水机纳滤设备纳滤设备系系 列列 纳纳 滤滤 膜膜微滤微滤Micro Filtration)、超滤)、超滤Ultra Filtration)、)、纳滤纳滤(Nano Filtration)、反渗透、反渗透(Rever
23、se Osmosis)(四)(四)电渗析电渗析(Electrodialysis(Electrodialysis,ED)ED)电渗析:是在外电场的作用下,利用一种特殊膜(称为离子交换膜)对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与其溶剂分离的过程。电渗析的原理示意图电渗析的原理示意图电渗析过程原理图电渗析过程原理图+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室淡化室淡化室浓缩室阴极室阴极室阴膜阳膜阴膜实际应用的电渗析器 (五渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来(五渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液分离液体混
24、合物。其原理如图所示。体混合物。其原理如图所示。渗透汽化分离示意图渗透汽化分离示意图(真空气化真空气化)渗透汽化分离示意图渗透汽化分离示意图(惰性气体吹扫惰性气体吹扫)(六各种分离法的适用范围及性质(六各种分离法的适用范围及性质四、膜分离过程中应注意的几个问题四、膜分离过程中应注意的几个问题(一膜的变化(一膜的变化1、浓差极化:膜分离时在溶液与膜的界面上,溶、浓差极化:膜分离时在溶液与膜的界面上,溶质逐渐积累质逐渐积累,当其浓度超过主体液浓度时,产生,当其浓度超过主体液浓度时,产生了界面与主体液之间的浓度梯度,引起溶质从界了界面与主体液之间的浓度梯度,引起溶质从界面向主体液扩散,使膜透过通量减
25、少面向主体液扩散,使膜透过通量减少 的现象。的现象。果胶、蛋白质一类高分子物质在膜表面造成浓度增高的现象称为凝胶极化。浓差极化与凝胶极化是造成膜污染的主要原因2、膜的压实、膜的压实 3、膜的降解、膜的降解 4、膜的结垢、膜的结垢 压力较高压力较高 膜产生变形,膜通量减小。膜产生变形,膜通量减小。处理:提高膜的机械强度处理:提高膜的机械强度;定期进行反冲洗,恢复膜原有的孔隙;定期进行反冲洗,恢复膜原有的孔隙 化学降解和生物降解。化学降解和生物降解。处理液中悬浮物、离子化合物或盐类物质所致。处理液中悬浮物、离子化合物或盐类物质所致。(二浓缩极限(二浓缩极限在反渗透浓缩时,为防止膜的压实使渗透流率逐
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