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气体膜分离过程测试仪

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气体膜分离过程测试仪相关的论坛

  • 【原创】膜分离制氧设备概述

    一、膜分离制氧基本原理 气体在膜中传质过程的研究推算起来实际已有100多年历史了,人们对单一的气体在聚合物及其膜中传送进行了大量的研究, 从而在理论上得到了较好的发展。然而, 膜在实际中的应用却是近几十年间的事, 较突出的例子是核武器中同位素铀的分离。直到20世纪70年代末期,气体在聚合物膜中的渗透性和选择性已发展到具有工业化经济价值时,膜才像今天这样得到大规模应用。 一般说来,膜对所有气体都是可以渗透的,只不过渗透的程度不同而已。气体透过 中空聚合物膜是一个复杂的过程,其透过机制一般是气体分子首先被吸附到膜的表面溶 解,然后在膜中扩散,最后从膜的另一侧解吸出来,膜分离技术依靠不同气体在膜中溶 解和扩散系数的差异来实现气体的分离。当混合气体在一定的驱动力(膜两侧的压力差或压力比)作用下,渗透速率相当快的气体如水汽、氧气、氢气、氦气、硫化氢、二氧 化碳等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷 和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧被富集从而达到混合气体分离的目的。 二、膜分离制氧设备的流程 根据分离条件中压力 不同,通常我们将膜制氧分成两种不同的工艺流程,用户可根据不同的工况要求,选择适合的流程以达到最低单耗的目的。 1、 高压流程膜制氧 压缩空气经预处理系统除去油、尘埃等固体杂质及大部分的气态水,预热后进入膜分离器,渗透速率相当快的气体如水汽、氧气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧被富集;系统在PLC或DCS系统的控制下可实现连续稳定的输出氧气。 2、 负压流程制氧 经鼓风机后的原料空气,净化除去粉尘再进入膜分离器,渗透速率相对慢的气体,如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧富集后作为废气排出,以真空泵抽真空将渗透侧的富氧空气收集作为产品气。系统在PLC或DCS系统的控制下可连续获得稳定纯度的氧气。 三、膜分离制氧设备的特点 膜法氧氮分离设备主要特点 1、 装置工艺流程简单、结构紧凑、设备投资省 2、 装置占地面积小,可用于室内、外操作 3、 装置自动化程度高,开停车方便快捷;10分钟内达到氧浓度。 4、 无阀门切换等运动部件,不需定期更换易损件,维修量少。 5、 通过增加膜分离器,很容易扩大富氧空气产量。 6、 装置运行和维护费用较PSA法制氧低;在纯度25~35%的范围内,具有优越的性能 价格比。在助燃应用方面,它具有其它空气分离方法所不可比拟的优势,运行能耗较低。 7、 装置运行独立性强,稳定性好,可靠性高,常温低压下工作,安全性能好。 8、 装置规模可从0.2-50000 Nm3/h,产品氧气纯度可达25-45%; 四、膜分离制氧设备的基本组成 高压流程设备主要组成 /低压流程设备组成 1、空气压缩机 / 1、鼓风机组 2、空气源预处理组件/ 2、除尘、冷却器 3、空气缓冲罐/ 3、膜分离器 4、膜分离器/ 4、成品氧气缓冲罐 5、成品氧气缓冲罐/ 5、切换阀门及相应的管件 6、切换阀门及相应的管件/ 6、真空泵机组 7、自动控制、检测系统/ 7、氧气增压机 8、可扩展的增压系统/ 8、自动控制、检测系统 五、膜制氧设备安装运行条件 1、安装条件:安装现场应清洁、平整,吊车或叉车容易到达并进行安装; 2、使用环境要求:安装现场周围空气应干净、无油雾、无腐蚀气体,通风良好; 3、配套条件:电源:380V/50Hz/3相五线; 4、冷却水:符合工业用冷冻、冷却水。 六、膜制氧设备选型注意事项 1、在具体选型前首先确认对所需氧气设备最终产品气的要求,在制造厂商的建议下确定所需设备的流程; 2、考察设备设计的合理性(每一个配件的设置是否合理,必需,并发挥其最大功效); 3、考察设备运行的可靠性(考证设备设计中保证措施的合理性); 4、制造厂商研究开发能力、制造经验及水平; 5、 全面计算制氧设备的成本(设备价格、投入设备所必备的水、电、场地及其费用,设备的使用维护成本,设备的使用寿命),而不仅仅只考虑设备的价格。------------------------------------------------------------希望各位同行互相交流。E-mail:hongfun@hotmail.com

  • 【实战宝典】膜分离过程中膜容易被污染,主要分为几个方面?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/2977985问题描述:膜分离过程中膜容易被污染,主要分为几个方面?解答:[font=宋体][color=black][back=white]膜分离技术中膜污染是运行中一系列增加膜阻力的因素的总称,一种是由于污染物的存在,从引起污染,膜污染可分为四个方面,即物理污染、无机污染、有机污染和生物污染。膜污染现象可以引起运行情况恶化,过膜流量严重下降,高能耗,膜组件的频繁更换与清洗等问题。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 膜分离技术

    膜分离技术

    一、膜分离技术简介    膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜,根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要还只有微滤级别的膜,主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2006/04/200604071749_16429_1604910_3.jpg[/img]

  • 【转帖】环保-水处理知识-膜分离技术

    [em09501][em09504]微滤(MF) 又称微孔过滤,它属于精密过滤,其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类,有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴于微孔滤膜的分离特征,微孔滤膜的应用范围主要是从[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物,以达到净化、分离、浓缩的目的。 对于微滤而言,举个例子,艾柯超纯水设备膜的截留特性是以膜的孔径来表征,通常孔径范围在0.1-1微米,故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。 超滤(UF) 是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程,膜孔径在0.05um至1000分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术,超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力,以超滤膜为过滤介质,在一定的压力下,当水流过膜表面时,只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过,达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。 对于超滤而言,膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征,通常截留分子量范围在1000-300000,故超滤膜能对大分子有机物(如蛋白质、细菌)、胶体、悬浮固体等进行分离,广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。 纳滤(NF) 是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术, 其截留分子量在80-1000的范围内,孔径为几纳米,因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性,其在制药、生物化工、 食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。 对于纳滤而言,膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征,通常截留率范围在60%-90%,相应截留分子量范围在100-1000,故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离,实现脱盐与浓缩的同时进行。 反渗透(RO) 是利用反渗透膜只能透过溶剂(通常是水)而截留离子物质或小分子物质的选择透过性,以膜两侧静压为推动力,而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分,因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点 ,而成为海水和苦咸水淡化,以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。 反渗透的截留对象是所有的离子,仅让水透过膜,对NaCl的截留率在98%以上,出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质,也即能截留所有的离子,在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。 膜分离的基本工艺原理是较为简单的(参见下图)。在过滤过程中料液通过泵的加压,料液以一定流速沿着滤膜的表面流过,大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐,小于膜截留分子量的物质或分子透过膜,形成透析液。故膜系统都有两个出口,一是回流液(浓缩液)出口,另一是透析液出口。在单位时间(Hr)单位膜面积(m2)透析液流出的量(L)称为膜通量(LMH),即过滤速度。影响膜通量的因素有:温度、压力、固含量(TDS)、离子浓度、黏度等。 膜分离操作基本工艺流程: 由于膜分离过程是一种纯物理过程,具有无相变化,节能、体积小、可拆分等特点,使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的有机物,根据有机物的分子量,选择不同的膜,选择合适的膜工艺,从而达到最好的膜通量和截留率,进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。 Part2:膜分离系统应用 1、澄清纯化技术-超/微滤膜系统 澄清纯化分离所采用的膜主要是超/微滤膜,由于其所能截留的物质直径大小分布范围广,被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。 超/微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。 澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有:陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。 采用膜分离澄清纯化的优点: 1)、可得到绝对的真溶液,产品稳定性好; 2)、过滤分离收率高; 3)、分离效果好,产品质量高,运行成本低; 4)、缩短生产周期,降低生产成本; 5)、过程无需添加化学药品、溶媒溶剂,不带入二次污染物质; 6)、操作简便,占地面积小,劳动力成本低; 7)、可拓展性好,容易实现工业化扩产需求; 8)、设备可自动运行,稳定性好,维护方便。 2、浓缩提纯技术――纳滤膜系统 膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100-1000Dal的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于98%,而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有30~50%的透过性能,常被应用于溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。 纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。 浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有:卷式膜、管式膜。 采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点: (1)、能耗极低,节省浓缩过程成本; (2)、过程无化学反应、无相变化,不带入其他杂质及造成产品的分解变性; (3)、在常温下达到浓缩提纯目的,不造成有效成分的破坏,工艺过程收率高; (4)、可完全脱除产品的盐分,减少产品灰分,提高产品纯度; (5)、可回收溶液中的酸、碱、醇等物质; (6)、设备结构简洁紧凑,占地面积小; (7)、操作简便,可实现自动化作业,稳定性好,维护方便。 Part3:行业应用 1、制药行业 生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制 树脂解析液的浓缩及解析剂回收 农药水剂、粉剂的生产应用 中药浸提液过滤除杂及浓缩 中药浸膏生产应用 合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩 结晶母液回收 [emot=emot_01]

  • 【世界环境日】膜分离技术在废水处理等领域中应用

    膜分离技术是一种利用膜材料对混合物中的组分进行分离的技术,其应用范围广泛,包括水处理、化工、食品饮料、医药等领域。以下是一些膜分离技术的具体应用:1. 水处理:膜分离技术在污水处理和海水淡化中有着广泛的应用。例如,反渗透(RO)和纳滤(NF)膜可以用于去除水中的有机物、重金属离子和微生物,从而达到净化水质的目的。2. 化工:在化工行业中,膜分离技术用于分离和浓缩各种化学物质,如酸、碱、盐等。此外,膜分离技术还可以用于气体分离,如分离氧气和氮气。3. 食品饮料:在食品饮料行业中,膜分离技术用于去除食品中的杂质、颜色、味道和微生物,以提高产品的质量和口感。同时,膜分离技术还可以用于果汁的澄清和浓缩。4. 医药:在医药行业中,膜分离技术用于分离和提纯药物成分,如抗生素、维生素等。此外,膜分离技术还可以用于血浆分离和免疫分离等。5. 环境工程:膜分离技术在环境工程中也有广泛应用,如用于vocs的去除、废气净化等。6. 生物工程:在生物工程领域,膜分离技术用于细胞培养中的细胞分离和纯化,以及蛋白质的提纯等。7. 能源:在能源领域,膜分离技术用于氢能的提纯和燃料电池的膜材料等。总的来说,膜分离技术的具体应用非常广泛,其选择和应用取决于分离目的、分离物质的性质以及经济、效率等因素。随着膜材料和技术的不断发展,膜分离技术的应用范围还将进一步扩大。

  • 【实战宝典】膜分离制氧的基本流程是什么?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/774432问题描述:[font=宋体]膜分离制氧的基本流程是什么?[/font]解答:[font=宋体]膜分离制氧的流程:根据分离条件中压力不同,通常我们将膜制氧分成两种不同的工艺流程,用户可根据不同的工况要求,选择适合的流程以达到最低单耗的目的。[/font]a[color=black][back=white])[/back][/color] [font=宋体]高压流程膜制氧[/font][font=宋体]压缩空气经预处理系统除去油、尘埃等固体杂质及大部分的气态水[/font],[font=宋体]预热后进入膜分离器,渗透速率相当快的气体如水汽、氧气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后,在膜的渗透侧被富集,而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧被富集;系统在[/font]PLC[font=宋体]或[/font]DCS[font=宋体]系统的控制下可实现连续稳定的输出氧气。[/font]b[color=black][back=white])[/back][/color] [font=宋体]负压流程制氧[/font][font=宋体]经鼓风机后的原料空气,净化除去粉尘再进入膜分离器,渗透速率相对慢的气体,如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧富集后作为废气排出,以真空泵抽真空将渗透侧的富氧空气收集作为产品气。系统在[/font]PLC[font=宋体]或[/font]DCS[font=宋体]系统的控制下可连续获得稳定纯度的氧气。[/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【第三届原创参赛】膜分离研究进展及其应用

    维权声明:本文为gl19860312原创作品,本作者与仪器信息网是该作品合法使用者,该作品暂不对外授权转载。其他任何网站、组织、单位或个人等将该作品在本站以外的任何媒体任何形式出现均属侵权违法行为,我们将追究法律责任。膜分离研究进展及其应用摘要: 膜分离技术是利用天然或人工合成的具有选择透过性的薄膜,以外界能量或化学位差为动力,对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的分离技术。目前,该技术以高效、节能和绿色等特点,应用越来越多,已被国际公认为20世纪末到21世纪中期有发展前途的一项重大高新技术。笔者主要介绍了膜分离技术的原理,及其分离过程研究的现状和发展趋势,最后又涉及到其应用。关键词: 膜分离;应用;研究进展膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜,根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要还只有微滤级别的膜,主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。一、膜分离原理与过程膜是每一膜分离过程的核心部件,它可以看成是两相之间一个具有透过选择性的屏障,或看作两相之间的界面,膜分离过程可由图示意,相1为原料或上游侧,相2为渗透物或下游侧。原料混合物中某一组分可以比其他组分更快的通过膜而传递到下游侧,从而实现分离。 与传统的分离技术如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等相比,膜分离技术具有以下特点:高效的分离过程、低能耗、接近室温的工作温度、品质稳定性好、连续化操作、灵活性强、纯物理过程、环保。膜结构参数的影响膜的分离性能与其材料性质、结构相关,它们不仅影响膜的渗透分离性能,更与膜的使用寿命密切相关。膜的选择包括膜材质和膜孔径,以下主要对这两方面对膜分离过程的影响进行分析。膜材质膜材质的表面性质对膜分离过程的影响较大,选择适宜的膜材质可以保证所滤药液的稳定性,同时也可避免药液对膜的腐蚀所引起膜的破损脱落。按对水的亲和性可将膜材质分为疏水性和亲水性两类,膜的亲水性、荷电性会影响到膜与溶质间相互作用的大小,如醋酸纤维素、聚丙烯腈等亲水性膜材料对溶质吸附少,截留相对分子质量较小

  • 【实战宝典】膜分离原理的氮气发生器原理是什么?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/4270684问题描述:膜分离原理的氮气发生器原理是什么?解答:[font=宋体][color=black][back=white]膜分离氮气发生器是以中空纤维膜组为核心技术,对压缩空气进行氮、氧分离产出合格的氮气纯度;膜分离制取氮气是利用对不同的气体组分具有不同的选择性渗透和扩散的特性,使空气通过薄膜进行物理分离,达到获得氮气目的。每种气体都具有不同的渗透速率:空气中的氧气、二氧化碳、水蒸汽等渗透率[/back][/color][/font][color=black][back=white]“[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]快[/back][/color][/font][color=black][back=white]”[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white],由高压内侧纤维壁向低压外侧渗出,由膜组件一侧的开口排出;渗透速率小的[/back][/color][/font][color=black][back=white]“[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]慢气[/back][/color][/font][color=black][back=white]”——[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]氮气被富集在高压内侧,由膜组件的另一端排出,从而实现了氧[/back][/color][/font][color=black][back=white]—[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]氮的分离。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【实战宝典】膜分离系统应用浓缩提纯技术――纳滤膜系统及优点?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/2112837问题描述:[font=宋体]膜分离系统应用浓缩提纯技术[/font][font='Times New Roman','serif']――[/font][font=宋体]纳滤膜系统及优点?[/font]解答:[font=宋体][color=black][back=white]膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在[/back][/color][/font][color=black][back=white]100~1000 Dal[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的截留性能高于[/back][/color][/font][color=black][back=white]98%[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white],而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有[/back][/color][/font][color=black][back=white]30[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]~[/back][/color][/font][color=black][back=white]50%[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]的透过性能,常被应用于溶质的分级、溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中,纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有:卷式膜、管式膜。[/back][/color][/font][font=宋体][color=black][back=white]采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点:[/back][/color][/font][color=black][back=white]a) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]能耗极低,节省浓缩过程成本。[/back][/color][/font][color=black][back=white]b) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]过程无化学反应、无相变化,不带入其他杂质及造成产品的分解变性。[/back][/color][/font][color=black][back=white]c) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]可完全脱除产品的盐分,减少产品灰分,提高产品纯度。[/back][/color][/font][color=black][back=white]d) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]可回收溶液中的酸、碱、醇等物质。[/back][/color][/font][color=black][back=white]e) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]操作简便,可实现自动化作业,稳定性好,维护方便。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【实战宝典】膜分离技术优点有哪些?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/386793问题描述:膜分离技术优点有哪些?[font=宋体]解答[/font]:[font=宋体][color=black][back=white]膜分离技术优点有以下几个方面:[/back][/color][/font][color=black][back=white]a) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]在常温下进行:有效成分损失极少,特别适用于热敏性物质,如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩。[/back][/color][/font][color=black][back=white]b) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]无相态变化:保持原有的风味,能耗极低,其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的[/back][/color][/font][color=black][back=white]1/3-1/8[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]。[/back][/color][/font][color=black][back=white]c) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]无化学变化:典型的物理分离过程,不用化学试剂和添加剂,产品不受污染。[/back][/color][/font][color=black][back=white]d) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]选择性好:可在分子级内进行物质分离,具有普遍滤材无法取代的卓越性能。[/back][/color][/font][color=black][back=white]e) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]适应性强:处理规模可大可小,可以连续也可以间隙进行,工艺简单,操作方便,易于自动化。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【转帖】超滤膜分离技术基础

    超滤膜的过滤原理超滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程,以膜两侧的压力差为驱动力,以超滤膜为过滤介质,在一定的压力下,当原液流过膜表面时,超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液,而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧,成为浓缩液,因而实现对原液的的净化、分离和浓缩的目的。超滤膜过滤原理图原液一般指需要净化、分离或浓缩的溶液,透过液指原液中透过超滤膜而被滤除大分子溶质的那部分液体,浓缩液则是原液中因分离出透过液而剩余的高浓度溶液。在净化水工程中,原液是指原水进水,透过液即为净化水,浓缩液则是排放的废水。内压式和外压式中空纤维超滤膜:一个中空纤维超滤膜组件主要是由成百到上千根细小的中空纤维丝和膜外壳两部分组成,一般将中空纤维膜内径在之间的超滤膜称为毛细管式超滤膜,毛细管式超滤膜因内径较大,因此不易被大颗粒物质堵塞,更适用于过滤原液浓度较大的场合。按进水方式的不同,中空纤维超滤膜又分为内压式和外压式两种:内压式:即原液先进入中空丝内部,经压力差驱动,沿径向由内向外渗透过中空纤维成为透过液,浓缩液则留在中空丝的内部,由另一端流出,其中环氧树脂端封的作用是在中空纤维膜丝的端头密封住膜丝之间的间隙,从而使原液与透过液分离,防止原液不经过膜丝过滤而直接渗入到透过液中。外压式中空纤维超滤膜则是原液经压力差沿径向由外向内渗透过中空纤维成为透过液,而截留的物质则汇集在中空丝的外部,外压式中空纤维超滤膜全量过滤和错流过滤方式:中空纤维超滤膜的过滤方式主要分为全量过滤和错流过滤两种:全量过滤方式是指原液中的水分子全部渗透过超滤膜,没有浓缩液流出,而错流过滤方式则是在过滤的过程中有一部分的浓缩液体从超滤膜的另一端排掉。超滤的过滤孔径:从表一中可以看出,在膜法分离技术中膜的微孔径在20*10-10m~1000*1-10m之间的过滤膜称为超滤膜,即0.002-0.1um之间,而一般胶体体积均≥0.1um,乳胶≥0.5um,大肠菌、葡萄球菌等细菌体积≥0.2um,悬浮物、微粒子等体积≥5um,因此超滤膜可以过滤出溶液中的细菌、胶体、悬浮物、蛋白质等大分子物质。超滤膜分离技术的特点超滤膜的分离过程具有以下几个显著特点: 在常温和低压下进行分离,因而能耗低,从而使设备的运行费用低。、设备体积小、结构简单,故投资费用低。超滤分离过程只是简单的加压输送液体,工艺流程简单,易于操作管理。、超滤膜是由高分子材料制成的均匀连续体,纯物理方法过滤,物质在分离过程中不发生质的变化,并且在使用过程中不会有任何杂质脱落,保证超滤液的纯净。以上特点决定了超滤膜的应用非常广泛,从普通家用饮水的净化到工业水处理都有大规模的应用,因而超滤膜分离技术作为国家火炬计划重点支持的六大高新技术之一,具有广阔的发展前景。

  • 【实战宝典】分子印迹膜分离技术的基本流程有哪些?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/774432问题描述:分子印迹膜分离技术的基本流程有哪些?解答:a) [font=宋体]模板分子与功能单体中的功能基团结合,形成功能单体[/font]-[font=宋体]模板分子的主客体配合物。[/font]b) [font=宋体]选择合适的交联剂,在惰性溶剂(致孔剂)中,对功能单体[/font]-[font=宋体]模板分子配合物进行交联,形成共聚物。在交联过程中,将功能单体上与模板分子结合的功能基团的空间取向与排列位置固定下来。[/font][font='Times New Roman','serif']c) [/font][font=宋体]通过一定的方式(物理或化学方法),断开模板分子与功能单体的结合键,再去除模板分子。[/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【分享】水处理——膜分离技术?

    [size=4]1、概述 [url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%C4%A4.htm][u][color=#000080]膜[/color][/u][/url][url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%B7%D6%C0%EB.htm][u][color=#000080]分离[/color][/u][/url]法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。溶剂透过膜的过程称为[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%C9%F8%CD%B8.htm][u][color=#000080]渗透[/color][/u][/url](osmosis)。溶质透过膜的过程称为[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%C9%F8%CE%F6.htm][u][color=#000080]渗析[/color][/u][/url](dialysis)。几种主要[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%C4%A4%B7%D6%C0%EB.htm][u][color=#000080]膜分离[/color][/u][/url]法的特点:(1)膜分离过程不发生相变,因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%B7%B4%C9%F8%CD%B8.htm][u][color=#000080]反渗透[/color][/u][/url]法能耗最低;(2)膜分离过程在常温下进行,因而特别适于对热敏性物料,如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩;(3)装置简单,操作简单,控制、维修容易,且分离效率高。与其它[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%CB%AE%B4%A6%C0%ED.htm][u][color=#000080]水处理[/color][/u][/url]方法相比,具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点;(4)由于目前膜的成本较高,所以膜分离法投资较高,有些膜对酸或碱的耐受能力较差。所以目前膜分离法在水处理中一般用于回收[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%B7%CF%CB%AE.htm][u][color=#000080]废水[/color][/u][/url]中的有用成分或水的回用处理。2、[url=http://www.samsco.com.cn/KWD_%B5%E7%C9%F8%CE%F6.htm][u][color=#000080]电渗析[/color][/u][/url](electrodialysis)原理和工作过程用特制的半透膜(semi-permeable membrane) 将浓度不同的溶液隔开,溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散(diffusion)到浓度低的一侧,这种现象称为渗析作用(dialysis),也称扩散渗析、浓差渗析。电渗析的原理是在直流电场的作用下,依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜(ion exchange membrane),使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液,以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。3、离子交换膜离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成,含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换基团,在水中交换基团发生离解,使膜上带有负电,能排斥水中的阴离子,吸引水中的阳离子并使其通过。阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子交换基团,在水中离解出阴离子,使膜上带正电,吸引阴离子并使其通过。复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成,具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极,阴膜面朝向阳极时,正、负离子都不能透过膜,显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时,膜电阻降低,膜两侧相应的离子进入膜中。4、电渗析器电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级:一对正、负电极之间的膜堆称为一级。段:具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。电渗析法可以有效地回收废水中的无机酸、碱、金属盐及有机电解质等,使废水净化。5、反渗透(1)、反渗透(reverse osmosis, RO)原理开始时两边液面相同,由于浓度差存在,半透膜又不允许溶质通过,所以水透过膜,使浓水一边液面升高,产生渗透压,在浓水边加压,当压力超过渗透压时,则水透过半透膜,即反渗透,实现净化过程。(2)、反渗透膜及作用机理反渗透膜应具有多种性能:选择性好,单位膜面积上透水量大,脱盐率高;机械强度好,能抗压、抗拉、耐磨;热和化学的稳定性好,能耐酸、碱腐蚀和微生物侵蚀,耐水解、辐射和氧化;结构均匀一致,尽可能地薄,寿命长,成本低。反渗透膜的分类:按成膜材料可分为有机膜和无机高聚物膜;按膜的形状可分为平板状、管状、中空纤维状膜;按膜结构可分为多孔性和致密性膜,或对称牲(均匀性)和不对称性(各向异性)结构膜;按应用对象可分为海水淡化用的海水膜、咸水淡化用的咸水膜及用于废水处理、分离提纯等的膜。反渗透膜的透过机理1)氢键理论该理论认为,水透过膜是由于水分子和膜的活化点形成氢键及断开氢键的过程。即在高压作用下,溶液中水分子和膜表皮层活化点缔合,原活化点上的结合水解离出来,解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合,又解离出下一个结合水。水分子通过一连串的缔合-解离过程,依次从一个活化点转移到下一个活化点,直至离开表皮层,进入多孔层。2)优先吸附-毛细管流理论该理论把反渗透膜看作一种微细多孔结构物质,它有选择性吸附水分子而排斥溶质分子的化学特性。当水溶液同膜接触时,膜表面优先吸附水分子,在界面上形成一层不含溶质的纯水分子层,其厚度视界面性质而异,或为单分子层或为多分子层。在外压作用下,界面水层在膜孔内产生毛细管流连续地透过膜。[/size]

  • 【实战宝典】膜分离系统应用澄清纯化技术-超/微滤膜系统及优点?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/2112837问题描述:[font=宋体]膜分离系统应用澄清纯化技术-超[/font][font='Times New Roman','serif']/[/font][font=宋体]微滤膜系统及优点?[/font]解答:[font=宋体][color=black][back=white]澄清纯化分离所采用的膜主要是超[/back][/color][/font][color=black][back=white]/[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]微滤膜,由于其所能截留的物质直径大小分布范围广,被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。超[/back][/color][/font][color=black][back=white]/[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有:陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。[/back][/color][/font][font=宋体][color=black][back=white]采用膜分离澄清纯化的优点:[/back][/color][/font][color=black][back=white]a) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]可得到绝对的真溶液,产品稳定性好。[/back][/color][/font][color=black][back=white]b) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]过滤分离收率高。[/back][/color][/font][color=black][back=white]c) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]分离效果好,产品质量高,运行成本低。[/back][/color][/font][color=black][back=white]d) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]缩短生产周期,降低生产成本。[/back][/color][/font][color=black][back=white]e) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]过程无需添加化学药品、溶媒溶剂,不带入二次污染物质。[/back][/color][/font][color=black][back=white]f) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]操作简便,占地面积小,劳动力成本低。[/back][/color][/font][color=black][back=white]g) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]可拓展性好,容易实现工业化扩产需求。[/back][/color][/font][color=black][back=white]h) [/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]设备可自动运行,稳定性好,维护方便。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 变温PID串级控制系统提高膜分离制氮机产量的解决方案

    变温PID串级控制系统提高膜分离制氮机产量的解决方案

    [size=16px][color=#990000]摘要:膜分离制氮过程中需要将干燥空气进行加热才能使产品氮气纯度满足要求。目前各种制氮机为了保证氮气纯度,往往都将加热温度控制在较高水平,无法根据氮气纯度实时改变工作温度,从而造成氮气产量小、效率低现象。本文提出的解决方案则以氮气纯度作为主控参数,而将温度作为次控参数,由两个具有变送和远程设定点功能的PID控制器组成串级控制系统来进行变温调节,将氮气纯度始终控制在设定值附近,在满足纯度要求的前提下可有效降低膜组件的工作温度,并显著提高产品氮气产量。[/color][/size][align=center][img=高精度温度串级控制器在空气膜分离制氮中的应用,650,353]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304040954565083_2140_3221506_3.jpg!w690x375.jpg[/img][/align][size=16px][/size][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 氮气作为一种常用的惰化气体,其制作方法主要有变压吸附法、膜分离法和深冷法,而膜分离制氮[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]对于其他两种方法具有系统简单、 体积小、操作简便、可靠性高、便于操作和维护的优点。膜分离法制备氮气的设备在运行过程中需要加热空气才能使产品氮气纯度达到 99.0%以上,而在目前很多膜分离制氮机的温度控制方面,还存在以下工程实际问题需要解决:[/size][size=16px] 目前大多数膜分离制氮机的温度控制还是采用固定温度下的PID控制方式,如有些制氮机的膜组件需要将空气加热到49℃恒定温度。但当设备更换新膜组件时,膜性能比较好时,则只需较低温度(例如 35℃)就可以使产出的氮气纯度达到 99.0%,氮气流量也能够满足用户使用要求。如果膜组件入口气体温度仍然控制在 49℃,则膜组件产品氮气的纯度会升高很多,回收率下降,即氮气产量就下降很多,难以满足用户要求。 [/size][size=16px] 由此可见,在膜分离制氮设备中,真正需要的是能根据产出氮气的纯度要求来实时调节空气加热温度,这样才能保证产品氮气的纯度和流量同时满足用户要求。为了解决此问题,本文将提出采用串级控制器的膜分离制氮解决方案,在氮气纯度满足要求的前提下提高氮气产量。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 膜分离制氮的一般工艺流程如图1所示, 空气经空压机压缩和调节阀后形成高压压缩气体,经过空气预处理装置去除固体颗粒油分和水分,成为高度洁净的压缩冷空气后,再经过电加热器将其加热到设定温度。 高温压缩空气进入膜组件,膜组件将分离出高纯氮气和富氧气体。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.膜分离制氮气工艺控制系统示意图,650,207]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304040957161940_2313_3221506_3.jpg!w690x220.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 膜分离制氮气工艺流程示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 膜分离制氮系统的温度控制多采用工业用PID控制方式,并由人工设定系统的工作温度。PID控制器调节加载给加热器的电功率,从而实现膜分离制氮系统恒温工作。温度控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.恒定温度PID控制示意图,500,137]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304040957420919_8350_3221506_3.jpg!w690x190.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 恒定温度PID控制示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的采用恒定温度PID控制方式存在膜组件老化时无法保证产氮气纯度稳定以及产量降低的缺点,本文的解决方案则采用了PID串级控制方式,其结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=03.变温度PID串级控制示意图,690,189]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304040958060588_9122_3221506_3.jpg!w690x189.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图3 变温度PID串级控制示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在图3所示的串级控制系统中包含了主和次两个闭环控制回路:[/size][size=16px] (1)次控制回路包括温度传感器、电加热器和次PID控制器,其中将进入膜组件的空气温度作为次回路的控制参数。[/size][size=16px] (2)主控制回路则包括了氮气分析仪、次控制回路、膜组件和主PID控制器,其中将膜组件产出氮气的纯度作为主回路的控制参数。[/size][size=16px] 解决方案中串级控制系统的主要特征是将主控制回路的输出值(即温度值)作为次控制回路的设定值,从而控制电加热器的加热功率来调整进入膜组件的空气温度。尽管串级控制系统中用到了两个PID控制器,但要实现串级控制功能,相应的PID控制器需要具备以下功能:[/size][size=16px] (1)在次控制回路中,所用的PID控制器输入信号为标准的热电偶或热电阻信号,输出信号是4~20mA或0~10V标准的模拟信号,控制器具有PID自动控制和PID参数自整定功能。而重要的是这个次PID控制器的设定值是主PID控制器的输出值,且不是固定值,而且设定值信号类型和量程要与所接入的温度传感器完全保持一致。[/size][size=16px] (2)在主控制回路中,主PID控制器需要具有标准的PID自动控制和PID参数自整定功能之外,还需具有接收氮气分析仪输出的4~20mA或0~10V模拟信号或其他形式信号的能力。最重要的是主PID控制器要具有输出温度传感器(热电偶或热电阻)信号的能力,而且所输出信号完全能被次PID控制器接收。[/size][size=16px] 由此可见,要真正在工程上实现膜分离氮气的串级控制,关键是要解决以下三个问题:[/size][size=16px] (1)增加一个氮气纯度测量装置。此装置可以是氮气纯度传感器或分析仪等,氮气测量装置的输出信号最好是4~20mA或0~10V等形式的标准模拟信号,以便主PID控制器接收。[/size][size=16px] (2)主PID控制器的输出信号需要与次PID控制回路中所用温度传感器的类型和量程始终保持一致,由此使得此输出信号便于被次PID控制器接收后作为设定值来进行温度控制。[/size][size=16px] (3)次PID控制器要具有自动可变设定值功能,即能够接收主PID控制器的控制输出信号作为随时改变的设定值,次PID控制器随时根据接收到的设定值进行温度控制。[/size][size=16px] 由此可见,串级控制的核心是解决主PID控制器输出和次PID控制器的输入问题,采用一般的工业用PID控制器很难实现上述复杂的功能,如果采用PLC控制也需要复杂编程和相应硬件支持。为此,本解决方案采用了两台标准化的,且高精度多功能的PID控制器(VPC2021-1系列),具体接线如图4所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=04.串级控制PID调节器接线示意图,690,190]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304040958225065_8103_3221506_3.jpg!w690x190.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图4 串级控制系统PID调节器接线示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图4所示,具有变送功能的主PID控制器,在主输入端口接收氮气纯度传感器测量信号,然后根据所设置的氮气纯度固定值进行PID自动控制,相应的控制输出信号(输出值或偏差值)经过变送转换为4~20mA, 0~10mA, 0~20mA, 0~10V, 2~10V, 0~5V和1~5V七种模拟信号中的任选一种,并传送给次PID控制器的次输入端。[/size][size=16px] 具有远程设定点功能的次PID控制器,在次输入端口接收主PID控制器的变送信号作为变化的设定值,然后根据主输入端口接收到的温度传感器信号,进行PID自动控制,控制信号经主输出端口连接电加热器执行机构,对空气加热温度进行自动调节。[/size][size=16px] 需要提醒的是,如果主PID控制器输出的控制信号能被次PID控制器次输入通道接收,且输入信号类型和量程与主输入通道接入的温度传感器一致,也可采用普通PID控制器作为主控制器。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案,可以很好的解决空气膜分离中纯度稳定的氮气输出,从而提高产品氮气的产量。同时通过降低了的空气加热温度,可以达到节能效果。[/size][size=16px] 此解决方案不仅可以应用于空气膜分离制氮领域,也可以在其他串级控制方面得到应用。不仅可以进行温度参数的串级控制,也可以进行位移、真空、压力和张力等其他参数的串级控制。[/size][size=16px] 在此解决方案的串级控制系统中,分别采用了多功能PID控制器中的变送和远程设定点功能,这是一般工业用PID控制器无法具备的高级功能。方案中所用的PID控制器不仅功能强大和具有RS485通讯接口,还具有很高的测控精度,如24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比。随机配备的计算机软件,可直接通过计算机进行相应的参数设置和控制运行。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/size][/align][size=16px][/size]

  • 【实战宝典】分子印迹膜分离技术

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/6028886问题描述:[font=宋体]分子印迹膜分离技术[/font]解答:[font=宋体]分子印迹技术是指合成对模板分子或目标分子具有特异性识别能力的分子印迹聚合物([/font]molecularlyimprinted polymers[font=宋体],[/font]MIPs[font=宋体])的新型分离技术。[/font][font=宋体]有特异性识别能力的分子印迹聚合物([/font]molecularly[font=宋体]当模板分子(印迹分子)与聚合物单体接触时会形成多重作用点,通过聚合过程这种作用就会被记忆下来,当模板分子除去后,聚合物中就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴,这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。[/font]MIPS[font=宋体]最广泛的应用之一是利用其特异的识别功能去分离混合物,近年来,引人瞩目的立体、特殊识别位选择性分离已经完成。其适用的印迹分子范围广,无论是小分子(如氨基酸、药品和碳氢化合物等)还是大分子(如蛋白质等)已被应用于各种印迹技术中。[/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【实战宝典】膜分离技术中引起膜的劣化原因是什么?

    [font=宋体]链接:[/font]https://bbs.instrument.com.cn/topic/2977985问题描述:膜分离技术中引起膜的劣化原因是什么?解答:[font=宋体][color=black][back=white]膜分离技术中会出现膜的劣化,劣化是膜自身发生了不可逆转的损害,这种损害原因有三种:一是由于膜在强氧化剂或高[/back][/color][/font][color=black][back=white]pH[/back][/color][font=宋体][color=black][back=white]值下产生的化学反应,如水解、氧化;二是物理性变化,如长期高压操作导致膜压密,以及长期停用时保管不善造成膜干燥;三是微生物造成的生物降解反应。[/back][/color][/font]以上内容来自仪器信息网《样品前处理实战宝典》

  • 【金秋计划】膜分离技术在中药绿色制造中的应用与展望

    中药作为中华民族传统文化的瑰宝,在疾病预防、治疗、保健中具有重要作用。国务院在《中医药发展战略规划纲要(2016—2030年)》中明确指出,中医药是我国为数不多具有原创优势的科技领域,是我国医药卫生领域科技竞争力的重要体现。同时,该纲要也明确将建立中药绿色制造体系制定为重点任务,促进中药制药向绿色制造转型,以促进中药产业的高速发展,这对国家经济发展也具有重大意义。 中药组成十分复杂,一味中药可能含有成百上千种不同的成分,如生物碱、有机酸、黄酮、挥发油和萜类化合物及蛋白质、淀粉、多糖等,且其相对分子质量大小不一[1]。一般来说,中药有效成分如生物碱、有机酸和黄酮等的相对分子质量往往小于1 000,具有多靶向作用,被称为天然组合化学库(natural combinatorial chemical libraries,NCCL)[2]。如何在中药中获得NCCL及如何对NCCL中成分进行选择性分离,使其可以达到世界卫生组织(World Health Organization,WHO)对传统医药“安全、有效、稳定、均一、经济”的要求,是实现中药绿色制造的重点和难点。 分离是中药生产过程中的共性关键技术[3],中药传统的分离方法主要有吸附法、萃取法、醇沉法、离子交换法和重结晶法等,这些方法大多存在以下问题:有机试剂消耗量大、污染严重;生产周期长、能耗高;有效成分损失多,非有效成分去除率低,药效不能充分利用;过于注重单个成分的作用,不符合中药“整体、多元”特征[4]。传统分离工艺的诸多缺点使承载了中华民族几千年智慧结晶的中药难以达到WHO对传统医药的要求,降低了中药在国际医药市场的竞争力。据统计,2018年全球中药市场容量为800亿美元,我国中药出口总额为36.24亿美元,中成药出口总额仅为2.64亿美元,而日韩中药产品占全球市场的80%[5]。日本占据了大量的中药国际市场,与其应用膜分离技术生产中药产品密切相关,如小柴胡汤作为日本药典中首个被认可的中药汉方制剂,就使用了超滤工艺生产[6-7]。因此,当前亟需开发新型的分离技术用于中药绿色生产及资源化利用,推动中药绿色制造。 膜分离技术是以选择透过性薄膜为载体,在膜两侧施加驱动力(压力场、电场、浓度场等)对混合物进行分离、纯化和浓缩,从而获得目标产品的过程,常用的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、膜蒸馏等[8-9]。目前,膜分离技术已广泛用于食品、医药、生物、能源、石油、化工和水处理等领域,是当今分离科学中最重要的新型分离技术之一,也是国际公认的21世纪最有发展前途的高新技术之一[10]。膜分离技术以水为基本溶剂的特点,符合千百年来中医用药的要求,其高效率、低能耗、无污染的分离特点,也符合中药绿色制造的标准[11]。因此,本文将详细介绍膜分离技术在中药绿色制造中的应用,并展望未来膜分离技术在中药绿色制造中的发展方向,推动实现中药绿色制造。 1 微滤 千百年来,以水煎煮是中药最常用的使用方法,但是以水煎煮得到的药液杂质含量较高、药液浑浊,对药效会产生一定的影响。微滤膜孔径为0.1~5.0 μm,几乎允许所有中药有效成分通过,同时可以有效截留中药提取液中固形物、颗粒、微生物等杂质,降低溶液黏度,使溶液变得澄清透明,减少服用剂量、提高用药安全性[12-13]。因此,现阶段微滤技术主要用于中药提取液的预处理(表1)[14-23],如山茱萸水提液、三七水提液、黄柏提取液等,实验装置见图1(超滤、纳滤和反渗透实验装置同此图)。李国龙等[14]使用无机陶瓷微滤膜精制山茱萸水提液,主要成分马钱苷的透过率达75.3%。锶景希等[17]采用50、200和500 nm的无机陶瓷膜精制川芎水提液,其有效成分阿魏酸透过率分别高达88%、94%和96%。王龙德等[18]使用聚醚砜微滤膜分离提纯苦楝素,苦楝素的透过率达到99.4%,通量达到147.2 L/(m2h)。姜淑等[15-16,19]用陶瓷膜微滤过程对三七、槐米、黄柏提取液进行了精制处理,3种提取液有效成分透过率均大于70%,与提取[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]比,陶瓷膜微滤透过液变得澄清透明、有效成分含量高。在后续清洗过程中,膜清洗方便、通量恢复率高,可再生使用。罗友华[22]使用陶瓷膜微滤技术精制复方咽舒宁水提液,其有效成分表告依春和哈巴俄苷在微滤液中的透过率分别达到93.8%和82.7%,且与水提[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]比,微滤液对5种咽炎致病菌的最低抑菌浓度和最低杀菌浓度无明显差异。 微滤预处理效果好、能耗低、无污染等特点也使其与其他分离技术(如醇沉法)相比有更大的应用前景。金万勤等[20]使用无机微滤膜精制枳实水煎液,并与醇沉法精制效果进行对比。微滤透过液中辛弗林得率为81.9%,醇沉上清液辛弗林得率为80%,二者相当,但醇沉法消耗大量有机试剂,安全性较差。姜淑等[21]用陶瓷膜微滤精制小儿健脾平肝水提液,与醇沉法相比,微滤液中固形物去除率为44.6%,醇沉液中固形物去除率为45.5%,固形物去除率相当;微滤液中芍药苷透过率为69.5%,而醇沉液中芍药苷透过率仅为38.0%,在有效成分透过率方面微滤法显著优于醇沉法。因此,相比于其他预处理工艺,微滤是一种安全、有效、无污染的工艺。 2 超滤 超滤核心为超滤膜,超滤膜截留相对分子质量为1×103~5×105,相比于微滤,超滤适用范围更广。中药中低分子量有效成分的相对分子质量一般小于1 000,称为NCCL。同时,中药中还含有大量的高相对分子质量有效成分,如中药多糖,其相对分子质量为5×103~5×105。因此,超滤膜广阔的使用范围可实现中药有效成分的分离和纯化。 在中药有效成分分离、纯化方面,李路军等[24]使用不同孔径的超滤膜对山麦冬多糖提取液进行了分离纯化。经分离后的多糖中相对分子质量在3×104以上的质量分数为50.3%,在1×104~3×104的质量分数为19.6%,在1×103~1×104的质量分数为13.8%,相对分子质量小于1 000的低聚糖和单糖质量分数为16.3%,各级多糖干物质质量分数均大于90%,表明使用超滤获得高纯度多糖的同时实现了多糖的分级和分离。朱应怀等[25]使用陶瓷膜超滤技术对甘草中甘草酸和甘草苷进行了同步提取纯化处理。在最优条件下,甘草酸和甘草苷的超滤平均透过率分别高达99.3%和98.9%。这种方法生产成本低、污染小、效率高,适用于工业化应用。 中药制剂是中医药行业的重要组成部分,是走向中药现代化的关键一步。但是,近年来中药制剂安全成了人们所关注的问题,中药制剂生产工艺也存在着一些不足,如分离技术不成熟、制剂疗效不稳定等[26]。就分离技术而言,超滤工艺因其具有常温操作、不使用有机溶剂、无相变等特点,适用于中药制剂中液体制剂(如注射剂和口服液等)的生产,同时选择合适的超滤膜可除去中药制剂中热源等大分子物质,提高中药液体制剂的稳定性和安全性[27]。如表2所述,超滤已应用于多种中药液体制剂的生产[28-39],如脉络宁注射液、热毒宁注射液、舒血宁注射液、苦参素注射液等。 缪菊连等[28]优化超滤工艺用于三七总皂苷注射液的分离纯化,在最优工艺条件下,人参皂苷Rg1、Rb1及三七皂苷R1各组分透过率均超过90%。杨琴等[29]使用响应面法对参麦注射液的超滤工艺进行了优化,总固体和总皂苷的平均透过率分别达到了94.0%和89.2%,内毒素截留率达到了95.6%。姜国志等[30]采用正交实验法优化了舒血宁注射液的超滤工艺,研究结果显示药液温度、密度和进出口压差3个因素对总黄酮醇苷、银杏内酯A~C的透过率、总固体的降低率无显著影响,而超滤膜孔径对其有显著的影响(P<0.01)。宫凯敏等[33]用超滤技术去除苦参素注射液中细菌内毒素,结果表明经超滤处理后的苦参素注射液细菌内毒素去除率为96.2%,有效成分氧化苦参碱的透过率为96%。支兴蕾等[34]使用超滤法去除生脉注射液中细菌内毒素,结果表明截留相对分子质量为1×105复合超滤膜对各有效成分透过率均大于99%,对细菌内毒素去除率达97.8%。朱明岩等[37]使用不同超滤膜组件对热毒宁注射液进行了处理,结果发现中空纤维膜、板式膜在固含物减少率及提高澄明度方面较卷式膜有优势,3种膜组件均适合热毒宁注射液脱炭液的超滤,其中以板式膜为最佳,说明使用不同孔径超滤膜及膜组件处理中药注射剂可以提高临床使用安全性。王永香等[38]研究了不同截留相对分子质量膜和膜组件对热毒宁注射液脱碳液的精制效果,研究发现截留相对分子质量为1 000的聚砜中空纤维膜对草酸盐和树脂有明显的去除效果,截留相对分子质量为5 000的聚砜板式膜能100%去除细菌内毒素。薛东升等[39]使用超滤工艺制备痰热清注射液,经超滤处理后其指标性成分黄芩苷、氨基酸和熊去氧胆酸的透过率分别达到92.3%、96.7%和93.8%,内毒素去除率达到了注射用水的标准要求。说明超滤可以有效去除中药制剂中的内毒素,保留有效成分,提高中药制剂的用药安全性,推动中药绿色制造。 3 纳滤 纳滤膜孔径为0.5~1.0 nm,推动力压差为0~4 MPa,分离性能介于反渗透和超滤,允许无机盐、小分子有机物质和溶剂透过膜,从而达到分离浓缩的效果[40]。在制药和医疗中,纳滤多用于抗生素、维生素、氨基酸等发酵液的澄清滤过,中成药、保健品口服液的除菌浓缩等[41]。同时,纳滤具有筛分效应、溶解-扩散效应和道南效应等[42-43]。因此,在中药行业中,纳滤更多的用于具有多种存在形式的酚酸和生物碱浓缩分离,如阿魏酸、京尼平苷酸、苦参碱等。 李存玉等[44-45]使用响应面法对川芎水提液和苦参提取液的纳滤分离工艺进行了优化,在最优工艺条件下,川芎指标性成分阿魏酸的截留率达到93.0%,接近实测值91.2%;苦参中苦参碱的截留率为94.4%,总生物碱截留率达到97.6%。陈晓鹏等[46]对比了减压浓缩和纳滤浓缩2种工艺对杜仲叶中京尼平苷酸的精制效果,发现在最佳纳滤工艺条件下(膜截留相对分子质量为400、跨膜压差为1.40 MPa、pH 6.80),京尼平苷酸平均截留率约为93.7%,而减压浓缩在最优温度70 ℃下为86%左右,在温度高于80 ℃时透过率低于75%,成分损失明显。纳滤在常温下运行,可以有效避免热敏性成分的损失,相比于其他浓缩工艺(如蒸发浓缩),纳滤更适用于中药活性成分的浓缩处理。 如上所述,纳滤原理不是简单的“筛分”,是多种效应共同作用的结果,解决纳滤分离机制不清晰这一问题有助于推进纳滤工艺在中药行业中的应用。李存玉等[47]研究了枳实中辛弗林存在状态与其纳滤传质过程的相关性。通过测定辛弗林pKa(8.25~8.84)分析溶液中辛弗林的存在状态,设计了3种不同pH溶液(4.0、8.5、10.0),然后测定3种不同pH溶液纳滤过程的膜通量,发现当辛弗林处于完全解离状态时膜通量最低,这是由于以解离态存在的辛弗林因电荷排斥难以接近膜表面从而保持了高截留率,而游离态辛弗林不受电荷排斥影响从而更容易接近膜进而扩散通过膜。表明通过控制pH可以调控中药活性成分的存在状态,从而提高纳滤分离浓缩效率。Huang等[48]研究了竞争效应在纳滤膜分离苦参碱和氧化苦参碱中的作用。通过研究发现苦参碱和氧化苦参碱单体溶液截留率相似,当二者处于混合溶液时,苦参碱截留率无明显变化,而氧化苦参碱的截留率却明显增加。因为当二者溶液混合时,苦参碱呈解离态,氧化苦参碱呈游离态,此时纳滤膜表面带负电,解离态苦参碱会优先占据纳滤膜表面膜孔,从而增加氧化苦参碱截留率,表明控制合适的pH,可以实现结构相似中药活性成分的分离。 此外,针对适用于中药活性成分分离的纳滤膜开发,Tan等[49]成功研发了一种具有超亲水性的新型中性电荷纳滤膜。该纳滤膜对中药中具有药理活性的代表性小分子化合物如小檗碱(生物碱)、栀子苷(糖苷)、辛弗林(生物碱)、阿魏酸(有机酸)等具有不同电荷的有机分子具有良好的分离性能,对相对分子质量<400的分子透过率高于90%,对相对分子质量>800的分子截留率达到90%。同时,在较宽的pH范围和不同的盐溶液中,该纳滤膜能保持稳定的电中性,并且由于超亲水性和中性电荷的协同作用,该纳滤膜也具有优异的防污染性能。该研究为设计具有特定表面性能的亚纳米多孔膜用于分子的分离提供了新思路,这对具有复杂溶液体系的中药提取液的浓缩无疑是巨大的利好。 综上,纳滤在常温下即可达到浓缩的目的、运行过程中无相变、无化学反应,能耗低、操作简便,符合中药绿色制造的要求,尤其适用于中药热敏性有效成分的浓缩处理。同时,大量高性能纳滤膜的问世,将会促进中药有效成分浓缩的发展,加快中药现代化转型的脚步。 4 膜蒸馏 膜蒸馏是膜技术与蒸发相结合的过程,可实现在较低温度下物质的浓缩分离。膜蒸馏技术在中药行业中一般用于中药有效物质的浓缩、中药废水的循环利用等领域[50]。 在中药有效成分的浓缩方面,黄荣荣等[51]探讨了真空膜蒸馏技术浓缩枇杷叶提取液的可行性,结果表明浓缩后的提取液中有效成分熊果酸没有损失,且膜通量保持稳定,无明显膜污染。石飞燕等[52]使用真空膜蒸馏法对黄芩提取液进行了浓缩处理,通过优化进料温度、真空度等参数,黄芩苷的截留率可达100%。表明膜蒸馏技术可以实现中药提取液有效成分的高效浓缩。 在中药废水循环利用方面,课题组前期使用真空膜蒸馏技术回收中药清洗废水,对进料温度、流量、渗透侧真空度和膜材料进行了参数优化并考察了化学清洗对膜污染的去除效果[53]。结果表明,使用真空膜蒸馏法回收中药加工清洗废水是可行的。与进料溶[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/5p][color=#3333ff]液相[/color][/url]比,馏出液化学需氧量降低了99%。通过化学清洗,特别是碱作为清洗剂,能有效去除污垢层,增加膜使用寿命。同时,课题组前期还进行了真空膜蒸馏处理中药姜黄清洗废水工艺研究,通过优化工艺条件,膜通量最高可达51.35 kg/(m2h),馏出液水质完全符合《中药类制药工业水污染物排放标准(GB/T 21096-2008)》中所规定的排放限值,同时达到《城市污水再生利用工业用水水质(GB/T 19923-2005)》中所规定的再生用水标准[54]。表明在中药废水循环利用方面,膜蒸馏技术表现出较大的应用空间,有望成为推动中药现代化的关键技术。 5 集成膜技术 如上文所述,中药组成成分复杂,一味中药通常含有多种有效成分,仅使用一种膜分离技术难以有效实现中药有效成分的分离、纯化和浓缩。郭立玮等[55]2016年中国-欧盟医药生物膜科学与技术研讨会中提到,膜分离及其集成技术适应中药药效物质整体、多元的优势,可充分实现中药资源的核心价值,并具有高效、节能和无污染等特点,是体现中药资源的“潜在价值”与“间接价值”的共性关键技术。 目前,集成膜技术形式多样,微滤膜孔径最大,一般作为第1步用于中药提取液预处理来除去细菌、胶体、不溶性颗粒等物质;超滤膜孔径范围广,既可用于微滤液的进一步处理,除去大分子蛋白质、细菌、胶体等物质,也可用于中药有效成分如多糖的分级分离及其他小分子成分的分离和精制;纳滤、膜蒸馏等由于膜孔径较小,一般用于经微滤、超滤后中药提取液的分离和浓缩。在以上膜分离技术中,以微滤、超滤、纳滤互为组合的膜集成技术应用范围广且最为常用,如微滤-超滤、微滤-纳滤、超滤-纳滤、微滤-超滤-纳滤等,见表3[56-63]。 张丽等[56]使用微滤-超滤精制淫羊藿水提液,以总黄酮透过率、溶液固溶物去除率为评价指标。结果表明经微滤-超滤技术处理后的淫羊藿水提液中总黄酮透过率可达90%以上。Pi等[57]用膜技术清洁化生产麻黄中的麻黄碱,首先用0.45 μm微滤膜预处理,麻黄碱透过率达到97.9%;然后用截留相对分子质量为160的纳滤膜浓缩微滤渗透液中麻黄碱,麻黄碱的截留率达到99.9%。此时纳滤透过液化学需氧量仅为110 mg/L,可回收至萃取工序。与传统工艺相比,水耗降低了59.4%,废水产生量降低了75.8%。宋晓春等[59]通过超滤-纳滤证实了膜集成技术用于当归水提液纯化和浓缩的可行性。在最优工艺条件下,阿魏酸超滤透过率>90%、纳滤泄露率仅为1%。韩伟等[60]使用超滤-纳滤分离浓缩金毛狗脊中的黄酮类成分,经超滤分离后,总黄酮透过率为61.3%;然后经纳滤浓缩后,总黄酮回收率达到68.3%。并且与大孔吸附树脂法相比,纳滤只需要90 min就可以将超滤透过液浓缩2.19倍,回收率为68.3%,而大孔吸附树脂法经283 min只能浓缩1.63倍,回收率为61.8%。骆灵敏等[61]用超滤-纳滤分离浓缩川贝母生物碱。实验结果表明截留相对分子质量为1×104的超滤膜,允许98.6%的西贝母碱的透过率,同时可除去98.6%的蛋白质;截留相对分子质量为500的纳滤膜可截留93.6%的西贝母碱。薛盛剑等[62]采用超滤-纳滤浓缩干姜有效成分,在最佳工艺下,其指标性成分6-姜辣素超滤透过率达到98.6%,纳滤截留率达95.6%,总蛋白去除率为98.9%。袁亮等[63]采用多级膜技术(微滤-超滤-纳滤)浓缩黄芩苷提取液,有效成分黄芩苷的总回收率高达96%。微滤、超滤、纳滤在常温下运行,反应无相变,可实现中药提取液中有效成分的分离、纯化和浓缩,特别适用中药有效成分中某些具有热不稳定性物质的分离、纯化和浓缩,是推动中药产业现代化的关键技术。 随着科技的进步,中医药产业发展迅速,中药废水的排放量也越来越大。中药废水成分复杂、有机物含量高、色度重、气味大等特点也使它成为行业公认的难处理废水之一[64]。中药废水处理方式多种多样,膜分离法便是其中之一。Zhong等[65]讨论了用超滤-膜蒸馏技术实现中药废水资源化利用的可行性。经超滤处理后,废水中咖啡酸、绿原酸、迷迭香酸、甘草酸铵的透过率分别为87%、76%、67%、99%,有机物去除率达到64%,并且选择具有抗污染和抗湿性的聚偏氟乙烯膜进行膜蒸馏。此研究表明超滤-膜蒸馏技术能有效分离大分子和生物活性化合物,实现中药废水的资源化利用。 Li等[66]针对上述超滤-膜蒸馏集成技术在中药废水处理中的不足,设计了超滤-正渗透-膜蒸馏集成技术系统进行中药废水资源化利用研究。在超滤和膜蒸馏之间增加正渗透工艺,有效去除超滤透过液中天然表面活性剂甘草酸等,避免了之前超滤-膜蒸馏处理中药废水时出现的膜润湿问题。膜集成技术将微滤、超滤、纳滤等膜技术优点集结为一体,充分发挥各种膜技术的优点,避其不足,对于实现现代中药绿色制药的目标具有重大意义。 6 其他膜分离技术 6.1 反渗透 反渗透原理是借助半透膜对溶液中溶质的截留作用,以高于溶液渗透压的压差为推动力,使溶剂渗透通过半透膜,溶质不能透过半透膜,从而达到分离浓缩的目的[67]。目前,在中药行业中反渗透主要用于药液的浓缩、澄清、制药用水等。 严滨等[68]用反渗透技术对鼻炎康等中药提取液进行了浓缩研究。结果表明,反渗透工艺可有效脱水60%以上,中药的主要有效成分保留率达90%,膜通量稳定在14 L/(m2h),膜清洗后通量可恢复至80%以上。李光等[69]用反渗透技术对五味子保健酒进行了澄清处理,经过反渗透处理后,五味子保健酒的澄清度和稳定性得到了大幅度的提高。金唐慧[70]考察了反渗透浓缩对四逆汤物料体系理化参数的影响,并进行了相关性研究。实验结果表明各样品体系的电导、盐度和溶解性固体总量(total dissolved solids,TDS)3种理化参数与渗透压存在显著的相关性,盐度、电导、TDS三者之间亦显著线性相关。同时,四逆汤物料体系经过反渗透浓缩后,浓缩液中原化学成分组成得到了很好的保留,证明了反渗透用于中药提取液浓缩的可行性。 6.2 电渗析 通过压力驱动膜技术可以成功从中药水提液中分离获得NCCL,NCCL由生物碱、有机酸、黄酮等多种活性成分构成,具有多靶点的作用效果。然而NCCL中不同类成分的药理活性、作用机制不同,如生物碱类和黄酮类化合物是传统中药莲子心中2种重要的活性成分,连心碱类具有抗炎、抗心律失常、抗血栓、调血脂等药理活性[71-72],而黄酮类化合物则具有对过敏、感染、高血压、肿瘤等疾病的辅助治疗作用[73-74]。因此,中药活性成分的高效、高质量分离对于提高中药临床疗效、减少临床服用剂量具有重大意义。同时,中药有效成分如生物碱、有机酸等在传统分离纯化过程中,一般会使用离子交换树脂吸附、洗脱,这会导致中药洗脱液中含有大量的离子化成分,难以实现精细分离。 电渗析技术核心为离子交换膜,电渗析膜堆单元中离子交换膜可根据实际情况选择合适的排列方式,在直流电场的作用下,溶液中阳离子通过阳离子交换膜向阴极移动,阴离子通过阴离子交换膜向阳极移动,进而实现溶液中荷电物质与荷电物质、荷电物质与非荷电物质的高效筛分、分级分离[75-76]。因此,电渗析技术在中药有效成分的选择性分离及中药树脂洗脱液精细分离方面具有广泛的应用前景。 课题组前期采用电渗析技术,从含盐洗脱液中同时回收盐和纯化两性离子水苏碱[77]。电渗析分离装置淡化室为含盐洗脱液,含有两性离子水苏碱和高浓度的氯化钠,通过调节pH,水苏碱以游离态形式存在,此时淡化室中钠离子和氯离子会在电场作用下通过阳离子交换膜和阴离子交换膜迁移至浓缩室,同时实现回收盐和纯化两性离子水苏碱的目的。经电渗析工艺处理后,副产物氯化钠溶液的浓度高达2.9 mol/L,可以直接回收利用;氯化钠的回收率可达99.8%,质量分数可达99.6%;水苏碱的回收率和质量分数分别可达95.6%和99.3%,且能耗仅为8.34 kWh/m3。此外,课题组还设计了多种电渗析装置用于中药有效成分的分离纯化,分别为一种电渗析用于益母草总碱洗脱液脱盐的方法,益母草总碱溶液的脱盐率达到了99%以上[78];一种电渗析去除芦笋皂苷提取液中重金属离子的方法,重金属离子的去除率达99%以上[79];一种超滤膜辅助电渗析装置用于苦参生物碱的分离纯化的方法,苦参生物碱中氧化苦参碱回收率达到了97.0%,氧化苦参碱质量分数达到98.7%[80]。 综上,电渗析工艺以外加电场为推动力,利用离子交换膜对荷电物质的选择性筛分功能,可实现中药提取液中荷电物质与荷电物质、荷电物质与非荷电物质的高效筛分、分级分离。基于该技术高效率、低能耗、高选择性分离等优势,电渗析将在中药有效成分(特别是生物碱、有机酸等荷电有机物质)分离中将体现出较大的潜力,并有望实现规模化应用。 7 膜分离技术在中药绿色制造中的展望 膜分离作为一种新兴跨学科的高新技术,已成为当今世界最重要的分离手段之一。中药有效成分多数为小分子有机化合物,对温度、pH等外界因素较为敏感,膜分离技术具有的常温操作、低能耗、无相变分离和相变分离等特性,既不改变中药有效成分的理化性质,也切实符合中药绿色制造的要求。 目前,膜分离技术在中药有效成分的分离、中药制剂的除杂和中药废水的资源化利用等已经取得了一定规模的应用,并且取得了一定的成效。然而,由于中药溶液体系的复杂性,膜污染成为了制约中药绿色制造的一大挑战,使当前应用最多的膜分离技术还是以无机陶瓷膜为主的微滤技术,如云南白药集团股份有限公司推出的“宫血宁胶囊”就采用陶瓷膜微滤技术生产,并成功入选了《中国药典》2020年版[81]。相比与有机高分子膜,无机陶瓷膜以二氧化锆或三氧化二铝等无机材料为基质,具有耐高温、机械强度高、化学稳定性好和使用寿命长等优点,适合体系复杂中药提取液的分离,其中三氧化二铝膜约占膜应用总量的22%[9]。其他膜分离技术还需结合中药产业的特点继续发展,如有研究表明中药某些活性成分如生物碱对不同材质的超滤膜具有较强的选择性,截留相对分子质量为1×104的醋酸纤维素超滤膜对辛弗林的透过率可达99.0%,而截留相对分

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  • 【求助】膜分离原理的氮气发生器?

    【求助】膜分离原理的氮气发生器?

    能否请各位大侠详细的讲一讲膜分离技术的氮气发生器的原理那? 下面的图片是我在网上找到的,能否结合图,解释一下呢?http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/09/201209291722_393810_2021949_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/09/201209291723_393811_2021949_3.jpg

  • 海瑞思泄漏测试仪特点介绍

    海瑞思泄漏测试仪特点介绍 http://www.hairays.com 目前我所了解的海瑞思智能泄漏测试仪,是一种新型的气密检测,漏气测试方法。能够用于测试气压衰减检漏、真空衰减检漏、质量流量测试,爆裂测试,气阀开启气压测试,以及其他气体测试。其广泛运用于小家电行业,阀门管件行业,通信基站设备,铝合金压铸产品等。泄漏测试仪的特点:1.强大的上位机软件,可实现网络化的管理,及临控运行状态。2.简单的校准过程,只需更改一个参数即可完成校准。3.宽气压范围广(0-0.4MPA)并可实现多组压力顺序测试。4.配高灵敏度传感器,及压力调节阀,最小分辨率可达0.01pa5.极小的内部体积(1.5cc),最大限度的保证测试的稳定性。6.全彩色图形触摸屏操作,采用大尺寸触摸屏作为人机界面显示,7.独特的气动密封技术,保证测试稳定,体积小巧(254X280X400)8.数据实时存储实现产品可追溯性,历史记录可以无限扩充。9.直观易用的用户界面,实事精准的曲线,准确的把握测试流程的每个环节。10.内置多组串口、以太网口和PLC I/O接口可控制外围治具或设备,编程简单 泄漏测试仪系统拥有多达60个子程序,可以对每一个子程序进行单独的参数设定,进行并联测试,也可以将子程序串联起来,进行测试,就可以实现复杂的测试过程。泄露测试仪自带6路开关量输入和8路开关量继电器输出,供用户使用。用户可以通过在触摸屏上进行简单的编程,即可使这些输入输出端口实现用户所希望的动作。控制外围夹具。www.hairays.com欢迎提供相关资料:气体泄漏测试仪、空气泄漏测试仪,漏气检测设备等。

  • 多种测试仪器介绍一

    1、 气体渗透仪――用于各种膜,片材气体透过试验之溶解度、扩散、渗透系数的测定,自控温,全自动,压差法。2、 透气性测试仪(透气仪)-适用于薄膜、复合膜等材料的O2、N2、CO2等气体透过率的测试。3、 透氧仪(容器/薄膜透氧仪)――适用于容器和包装膜的氧气透过量的测定。执行标准ASTM F 1307、ASTM D3985,等压法。4、 透湿性测试仪(透湿仪)- 适用于薄膜、复合膜等各种包装材料、聚合物产品的水蒸气透过率的测试。 5、 T3型透湿性测试仪- 适用于薄膜、复合膜等各种包装材料、聚合物产品的水蒸气透过率的测试,十二腔测试。

  • 比表面积测试仪常见的测试方法有哪些

    比表面积测试仪有许多的方式供我们选用,通常我们选用的就是动态法、直接对比法、  多点BET法、静态容量法等多种方式,而今天我们所要学习的就是关于动态法的一些常见方式解决方案。  我们选用的动态法其实过程也不是那么复杂,只是需要我们更多的细心和解决方式。  比表面积测试仪首先就是将待测粉体样品装在U型的样品管内,使富含必定份额吸附质的混合气体流过样品,这样形成一种特地的测试效果,我们可以依据吸附前后气体浓度改变来断定被测样品对吸附质分子的吸附量来达到我们所要测试的成果。  比表面积测试仪静态法主要依据断定吸附吸附量办法的不一样分为分量法和容量法; 分量法是依据吸附前后样品分量改变来断定被测样品对吸附质分子的吸附量,来判断其测试的成分内容,更多的是因为分辨率低、准确度差、对设备需求很高级缺点已很少运用。所以很好的办法就是我们解决其弊端,然后达到我们所要用的要求,才能达到我们比表面的测试效果。  比表面积测试仪容量法是将待测粉体样品装在必定体积的一段关闭的试管状样品管内,然后通过向样品管内写入必定压力的吸附质气体,能给我们依据吸附前后的压力或分量改变来断定被测样品对吸附质分子的吸附量来达到我们所要进行的有效措施。  介绍了这么多关于比表面积测试仪的一些常见测试方法,更多的是要我们有效的改善我们的测试方式,达到我们更加仔细的能力,还有就是方面我们正常的工作和测试内容。www.chinazhongqi.net/93.html

  • 【分享】微孔分布测试仪的主要特性

    微孔分布测试仪主要应用领域:催化剂,广泛用于石化、化工、医药、食品、农业、精细化工等领域;吸附剂,如活性炭、分子筛、活性氧化铝等,广泛用于环保领域;颜填料,无机颜料、碳酸钙、氧化锌、氧化硅、矿物粉等;陶瓷材料原料,氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硅、碳化硅等;炭黑、白炭黑、纳米碳酸钙等用于橡塑材料的补强剂等;新型电池材料,如钴酸锂、锰酸锂、石墨等电极材料;发光稀土粉末材料;磁性粉末材料,如四氧化三铁、铁氧体等;纳米粉体材料,包括纳米陶瓷材料、纳米金属材料,纳米银粉、铁粉、铜粉、钨粉、镍粉等;其他,如超细纤维、多孔织物、复合材料、沉积物、悬浮物等  微孔分布测试仪的主要特性:  测试时间:多点BET法比表面积平均每个样品15分钟,孔径分布测试、孔隙度测试平均每个样品100分钟  主要功能:可实行BET比表面积(多点及单点)测试,Langmuir比表面积测试,炭黑外比表面积测定,吸附、脱附等温曲线测定,BJH孔径分布、总孔体积和平均孔径测定;  真空系统:极限真空度6×10-2Pa  微孔分布测试仪测量范围:比表面积≥0.01M2/g至无规定上限,孔尺寸0.7~400nm;  样品数量:可同时测定1-4个样品;  测量精度:≤±2%;  微孔分布测试仪的压力控制:高精度压力传感器,数字显示,精度0.2%,独特的充气与抽气速度自动控制系统  运行方式:高度自动化,智能化,长时间运行可以无人看管自行测试  测试气体:高纯氮气(不用氦气),氮气消耗量极小  微孔分布测试仪的吸附过程:样品不需要频繁从液氮杜瓦瓶中进出,液氮消耗极少  软件系统:在Windows平台上,提供过程控制和数据采集、处理、报告系统,多种测试方法可自由方便选择,在计算机屏幕上,同步显示吸、脱附,比表面积及微孔分布测量仪测试过程、可随时查看已完成部分的测试数据;本机软件功能强大、界面友好、兼容性高、使用方便;

  • 质子交换膜燃料电池气体扩散层厚度方向导热系数测试方法研究

    质子交换膜燃料电池气体扩散层厚度方向导热系数测试方法研究

    [color=#cc0000]摘要:针对质子交换膜燃料电池中气体扩散层材料厚度方向导热系数测试,介绍了气体扩散层在压缩等条件下进行测试的几种有效测试方法,并分析了稳态法和瞬态法的特点、局限性和应用中存在的问题。并针对瞬态法开展了深入研究,提出了一种更实用的新型测试模型结构。[/color][color=#cc0000]关键词:燃料电池,气体扩散层,导热系数,温度波法,激光闪光法[/color][align=center][color=#cc0000][img=气体扩散层导热系数测试,690,454]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152122447766_8811_3384_3.jpg!w690x454.jpg[/img][/color][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][color=#cc0000]1. 概述[/color][/b]  质子交换膜燃料电池中的气体扩散层(GDL)材料呈现明显的各向异性特点,而且厚度很薄,也就是气体扩散层材料是微米量级的物理尺度。在如此小的物理尺度下对薄膜材料性能进行准确测量评价,势必面临着严峻的技术挑战,这种技术挑战完全是薄膜材料面内方向热物理性能测试无法比拟的,毕竟物理尺度不在一个量级上。因此,上海依阳实业有限公司针对薄膜材料,特别是质子交换膜燃料电池中的气体扩散层薄膜材料,对厚度方向导热系数测试技术进行研究,以在实际工程应用中建立起测量准确性高、且操作简便的测试方法和测试仪器。[b][color=#cc0000]2. 气体扩散层厚度方向导热系数测试要求[/color][/b]  根据目前质子交换膜燃料电池中的气体扩散层(GDL)材料的现状,GDL薄膜材料在厚度方向上的导热系数测试,要考虑以下几方面的特性:  (1)各向异性条件:如文献报道,各种GDL材料的面内方向和厚度方向导热系数分别为3.5~15W/mK和0.2~2W/mK。这基本就确定了GDL薄膜厚度方向导热系数变化范围大致为0.05~5W/mK,这个范围基本就是非金属薄膜材料的导热系数范围。  (2)厚度范围:各种GDL材料的厚度基本都在100~500范围内。  (3)压缩力条件:在燃料电池装配过程中会对GDL产生一定的压缩力来改变电池性能,加载到GDL上的压力范围一般为1MPa以下,最大不超过6MPa。  [b][color=#cc0000]3. 测试方法及其特点分析[/color][/b]  薄膜材料的导热系数测试方法众多,但由于GDL被测样品要在上述加载压力下进行测试,有些方法并不适合。合适的测试方法基本上分为稳态法和瞬态法两类。[color=#cc0000]3.1. 稳态法3.1.1. 稳态热流计法[/color]  对于薄膜和薄层材料厚度方向导热系数的测试,最常用的方法是A-S-T-M D5470。由于这种方法基于稳态热流测量,所以通常称之为保护热流计法或恒定热流法。另外,由于这种方法可以对被测样品加载可控的压缩力和对接触热阻进行测量,使得这种方法在大多数GDL厚度方向导热系数测量中得到应用。[align=center][img=,690,547]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152116413556_4706_3384_3.jpg!w690x547.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-1 气体扩散层(GDL)厚度方向导热系数测量装置示意图[/color][/align]  如图3-1所示,在稳态热流计法中,GDL样品夹在上下两个热流计棒之间。上热流计顶部与热板接触,下热流计棒底部与冷板接触,因此通过柱形棒轴线方向从顶部到底部存在连续的热流,实验装置也设计成热量仅允许沿轴向传递。通过温度传感器测量棒上的温度分布梯度(如图3-1所示,并排放置,在顶部和底部棒上具有相同间隔),施加到GDL样品上的压缩载荷也通过负载装置控制。在达到稳态条件下,分别测量流经样品的热流、样品厚度方向上的温差和样品厚度,就可根据稳态傅立叶传热定律计算得到GDL样品厚度方向上的导热系数。[color=#cc0000]3.1.2. 准稳态法[/color]  准稳态法是一种介于稳态和瞬态方法之间的一种导热系数测试方法,在板状被测样品的一面线性升温和降温过程中,在一维热流边界条件下,样品的冷热面温差会逐渐趋于一种相等状态,这个动态过程中的稳态阶段,就称之为准稳态。通过准稳态下的测量可确定被测样品导热系数随温度的实时变化曲线,准稳态法导热系数测试所对应的标准测试方法为A-S-T-M E2584。  准稳态法的测量原理如图3-2所示,Zamel等人采用准稳态法对用作GDL的碳纸在厚度方向的导热系数进行了测量,并测量了温度、压缩和PTFE加载对碳纸厚度方向导热系数的综合影响。在测试中所用的样品材料为日本东丽TPGH-120型号的碳纸,单张碳纸的厚度为370μm,被测样品由6层碳纸组成,总厚度为2.22 mm。测试温度范围为-50~120℃,压缩力大小最大为1.6 MPa。如所推测的那样,在碳纸未经处理和经PTFE处理过的不同情况下,随着压缩增加,导热系数增加。此外,他们还观察到温度的升高导致厚度方向导热系数提高。这种行为与面内导热系数研究的测量结果形成对比,表明碳纤维的热膨胀具有方向依赖性。[align=center][img=,690,561]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152117126996_6136_3384_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-2 准稳态法GDL厚度方向导热系数测量原理图[/color][/align][color=#cc0000]3.1.3. 稳态法应用中存在的问题和局限性[/color]  目前GDL厚度方向导热系数测量的大多数都是采用稳态测量方法,从文献报道上来看基本都是采用自行搭建的测试仪器。稳态法的最大特点是原理模型简单,这往往误导了很多此方法的使用者。因为稳态法原理模型所要求的边界条件非常苛刻且实现难度大,要做到对薄膜类材料导热系数准确测量需要非常精密的加工制造和复杂的校准过程,所以很多国外商品化稳态法测试仪器往往很昂贵,而这些往往是自行搭建仪器最容易忽略的关键内容,由此带来的结果就是测试数据波动性大和误差大,不同文献往往会得出相反的结论。  迄今为止,已经尝试了实验性努力以使用稳态法了解压缩对厚度方向导热系数的影响。用稳态法Khandelwal和Mench测量了温度在+26~+73℃范围内对TORAY碳纸导热系数的影响,他们报告了导热系数随温度升高而降低。他们的测量是在2MPa的压缩力下进行,该压缩力大小代表着接触热阻最小化的压力。在同一项研究中,他们还测量了Teflon对SIGRACET碳纸处理的影响,并表明在碳纸上添加PTFE会大大降低其导热系数。  在文献中还研究了压缩和添加PTFE对多个制造商碳纸的总导热系数的影响,观察到的一般趋势是厚度方向导热系数随着压缩压力的增加而增加,这主要归因于碳纤维之间总接触热阻的降低。在Burheim等人的研究中,他们研究了压缩、厚度、PTFE和液态水对碳纸的厚度方向导热系数的影响,他们报告说,添加PTFE会导致整体导热系数降低,而压缩和液态水会导致这种性能提高。此外,他们的主要观察之一是具有不同厚度的TORAY纸显示出不同的导热性,他们将这一发现主要归功于这种碳纸的制造过程,而且他们假设较厚的样品是通过将较薄的样品堆叠在一起而制成的。  在Nitta等人的研究中报道了,尽管施加的压力高达5.5MPa,但发现TORAY碳纸的导热系数与压缩压力无关,他们认为这种趋势主要是由于通过空气的热传递引起的,尽管其导热系数低于固体碳纤维的导热系数。值得注意的是,根据TORAY材料的规格参数,不考虑纸张厚度时,TORAY碳纸厚度方向导热系数在室温下为1.7 W/mK。没有关于TORAY所使用的测量方法的公开信息,此外,在已发表的文献中关于获得该值所需的压缩压力存在很大差异。例如,根据Khandelwal和Mench和Burheim等人的研究,压缩压力对整体导热系数有显著影响,而在参考文献中可以看出这种情况并非如此。  通过对大量文献进行分析,发现在气体扩散层(GDL)厚度方向热导率测试中很多研究机构选择稳态法测量导热系数,主要出于以下几方面的考虑:  (1)同时兼顾气体扩散层样品面内方向导热系数的测试。  (2)同时兼顾气体扩散层样品厚度方向电导率的测试。  (3)可进行仪器结构扩展以兼顾薄膜样品面内方向电导率和导热系数的测试。  由于在稳态法测试仪器研制过程中,缺乏对测试模型和边界条件的深刻理解,缺乏仪器设计和高精度制造的能力,缺乏校准和考核仪器的技术手段,以及稳态法自身存在的局限性,这些都会造成稳态法测试仪器对薄膜导热系数测量产生较大误差,使得薄膜热物理性能变化规律很容易淹没在仪器的系统误差内。  纵观各种稳态法测试仪器,在薄膜材料厚度方向导热系数测试应用中普遍存在的问题以及测试方法固有的局限性主要表现在以下几个方面。  (1)温度传感器的选择:温度测量的准确性差是目前稳态法薄膜导热系数测量的最严重问题。温度测量涉及到流经薄膜样品厚度方向热流测量和薄膜样品厚度方向上两个表面上的温度差,因此温度测量对导热系数和热阻测量精度有着直接影响。尽管在稳态法中温度测量可以是相对形式(温差值),但对温度传感器的灵敏度、稳定性和一致性要求非常高。绝大多数自制稳态法仪器普遍采用细径铠装热电偶进行测温,采用细径主要是为了减少铠装热电偶金属套管带来的侧向散热损失。而热电偶是一种测温精度较差的温度传感器,在常温附近更容易引起较大误差,所以热电偶的测温精度根本无法满足要求。但如果选择精度合适的电阻温度传感器,则会增大传感器尺寸,带来更大的定位误差,同时会增加传感器自身导热带来的散热损失。  (2)温度传感器的校准和配套措施:温度传感器除了在安装前需要进行自身校准之外,因为温度传感器还涉及到热流测量和样品表面温度的推算,安装后的温度传感器还需要进行一系列的在线校准来对传感器和装置做出准确的评估和合理的修正。另外,为了防止温度传感器引线带了的侧向热损,需要配套专门用于热电偶引线的热防护装置,这势必使得整个测量装置非常复杂。A-S-T-M D5470只是给出了原则性的规定,并没有详细的描述,这方面内容在A-S-T-M C177中有着详细描述以及试验考核验证过程。  (3)对于薄膜厚度方向导热系数测试,薄膜样品厚度,特别是在线受压时的厚度要求均匀性要好,这就对测量装置的机械移动机构和在线厚度测量机构提出非常高的要求,位移、平行度和位移测量至少要达到微米量级精度,否则很容易在加载压力过程中使得薄膜样品产生倾斜而带来很大的热阻和导热系数测量误差。同时,还需要测试仪器在整个生命周期内始终保持这个高精度。  (4)综上所述,可以将稳态法导热系数和热阻测量装置等效看作是一个精度更高的大号螺旋千分卡尺,位移及其厚度测量精度至少优于10微米,而且还要保证平行度,同时还要布置上多只温度传感器及其主动和被动热防护装置。所有这些都会使得相应的稳态法测试仪器较为复杂,在选材、设计和加工制作中要十分谨慎,并经过一系列复杂的校准和考核试验后,仪器才能正常使用。目前我们看到的国内外大多数自制的稳态法测试仪器,包括国内一些仪器厂商生产的一些低价的稳态法测试仪器,只能属于教学类仪器,根本经不起规范的考核验证的检验,无法真正在科研生产中进行准确测量,使得很多材料特征及其变化规律往往淹没在巨大的测试误差范围内。[color=#cc0000]3.2. 瞬态法[/color]  瞬态法不同于稳态法需要人为加载一个较大的温度梯度,瞬态法测量时只是在稳态样品上施加一个1℃左右的微小温度扰动,测量由于温度扰动所引起的温度幅度或相位变化,测试过程更快捷,测试边界条件更接近于薄膜材料的真实使用环境,直接得到的测量结果往往是热扩散系数。尽管瞬态法理论模型和数据处理十分复杂,但测量装置十分简单,可以直接放置在各种实际应用环境中进行测试,特别适用于老化过程中薄膜材料性能的实时衰减考核。  在ISO 22007标准测试方法中,比较全面的对各种瞬态法做出了规定。但针对气体扩散层(GDL)厚度方向导热系数在压力加载过程中的测试,比较合适的瞬态法是温度波法和激光闪光法。由于瞬态热线法和平面热源法测量的是体积导热系数,无法明确测量厚度方向导热系数,并不适合各向异性GDL厚度方向导热系数测试。[color=#cc0000]3.2.1. 温度波法[/color]  ISO 22007-3规定了一种温度波分析方法,用于确定薄膜和塑料板在整个厚度方向上的热扩散系数。温度波法是一种通过测量样品前后表面之间温度波的相移来测量薄而扁平样品厚度方向热扩散系数的方法。使用在样品两个表面上溅射或接触的电阻器,一个作为加热器,通过交流焦耳加热产生温度波,另一个作为温度计来检测温度波。  ISO 22007-3中给出了温度波法测量装置示意图,如图3-3所示,同时还给出了直接溅射到薄膜样品前后表面上的加热器和传感器元件的示例,如图3-4所示。[align=center][img=3-3 温度波法热扩散系数测量装置示意图,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151925076294_8710_3384_3.jpg!w690x473.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图3-3 温度波法热扩散系数测量装置示意图[/color][/align][align=center][color=#cc0000][img=3-4 加热器和传感器单元示例,690,381]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151925274567_6425_3384_3.jpg!w690x381.jpg[/img][/color][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-4 加热器和传感器单元示例[/color][/align]  从上述描述中可以看出,温度波法测量装置包括彼此面对的微加热器和温度传感器,样品安装在它们之间。向加热器提供弱的正弦电功率信号,在样品表面上产生温度波。温度传感器是一种高灵敏度电阻传感器,它使用前置放大器在将弱信号进入锁相放大器之前对其进行放大。观察到的温度信号是激发温度波和背景温度信号的混合,例如环境的温度。在交流测量中,锁定放大的一个优点是能够提取和分析信号中仅一个指定频率分量的变化,抵消室温变化的影响(误差的主要来源)以及噪声成分实现高灵敏度测量。通过将实际施加的温度波幅度限制在1℃以内或更低,可以有效地抑制对流和辐射,并确保几乎不损坏样品。此外,如果采用极小的传感器尺寸则可识别更小样品区域内的热扩散系数。  由此可以看出,在样品的夹持、厚度控制和测量方面,温度波法与稳态法基本相同,温度波法也可以在测量过程中对样品加载一定的压力,但温度波法则规避了稳态法温度和热流测量方面的复杂问题,并采用交流加热和锁相放大技术可以有效的提取测量信号和减少误差,可以对薄膜材料进行高灵敏测量。  温度波法对薄膜热性能测试有着明显优势,Morikawa和Hashimoto采用此方法对芳香族族聚酰亚胺薄膜厚度方向热扩散系数进行了测量,获得了10~570K温度范围内厚度范围为0.1~300μm的薄膜热扩散系数。  但从图3-4所示的样品制备中可以看出,需要在薄膜样品的两个表面上进行繁琐的溅射工艺处理,这明显制约了温度波法的广泛应用,这也是ISO 22007-3温度波法标准颁布这么多年来一致没有推广使用的主要原因。[color=#cc0000]3.2.2. 激光闪光法[/color]  在ISO 22007-4对激光闪光法也做出的规定。激光闪光法的原理是使用短能量脉冲(通常由激光提供)照射样品的正面,并使用红外探测器记录样品背面的后续温度升高。从样品背面的温度-时间曲线的形状和样品厚度,可以确定样品的热扩散率。对于具有多孔或透明性质的薄膜材料,它们必须在测试前进行涂覆以确保分别在前后面进行吸收和发射。激光闪光法测量原理和样品表面处理如图3-5所示。[align=center][img=,690,236]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901152117530286_1398_3384_3.jpg!w690x236.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图3-5 激光闪光法测量原理和样品表面处理示意图[/color][/align]  激光闪光法最大的特点是非接触测量,很容易进行各种温度下的测试,因此激光闪光法在薄膜热物理性能测试中应用十分广泛。但对于气体扩散层(GDL)这种特殊薄膜材料的测试,采用激光闪光法则存在以下问题:  (1)气体扩散层(GDL)是一种多孔材料,相对于激光而言属于透光材料,在采用激光闪光法测试是需要对GDL样品进行表面处理,需要镀金和喷涂石墨来进行遮光处理,但这样的样品表面处理会使涂层材料通过孔隙进入GDL样品而对测量结果带来严重影响。  (2)GDL薄膜材料需要在可控压力加载情况下进行测试,而普通的激光闪光法测量装置并不具备压力加载和控制能力,由此使得激光闪光法很少用于GDL导热系数的测试。[color=#cc0000]3.2.3. 瞬态法特点和应用中存在的问题[/color]  在薄膜材料热性能测试方面,稳态法与瞬态法有着明显区别和各自的显著特点。  稳态法是基于温度和热流处于不随时间变化的稳定状态下进行测试的一种方法,测量薄膜材料热性能基本是基于较厚块体样品的测试软硬件体系。而在薄膜材料稳态法测试过程中,由于样品厚度的减小,相应的被测信号(如温度和热流)相应的也会变小,这使得在块体样品测试中一些并不明显的问题得到了放大和凸出,如温度传感器精度、热损影响和测量表面精度等。为了解决因样品变薄所带来的一系列问题,就需要增加相应的辅助措施来保证测试满足边界条件,从而造成测试设备整体十分复杂,并需要进行一系列的校准验证考核试验,但效果并不十分明显。从另一个方面来看,稳态法是在块体材料热性能基础上发展起来的测试方法,对于较大尺寸的块体样品测试技术非常成熟和稳定。为了进行薄膜材料测试,在稳态法上做的任何工作都是在挖掘稳态法的潜力,是对稳态法测试能力区间的下限进行进一步的拓展,但毕竟是测试能力下限,受到了稳态法自身的制约,这种扩展空间十分有限且效果很难保证。这也是市场上没有可用于薄膜材料热性能测试仪器的主要原因。  瞬态法与稳态法恰恰相反,瞬态法是基于样品材料对热激励动态响应的一种测试方法,被测样品越薄,对热激励的响应越快,所以瞬态法的核心是检测物理量随时间变化快慢的问题。同时,在被测样品对热激励的快速响应过程中,周围环境和其他边界条件的影响反而变得很小,这就是瞬态法测试设备往往比较简单的主要原因。最主要的是,随着技术的发展,块体样品(特别是薄膜材料)对热激励的动态响应时间,在当前的电子检测技术面前都不属于快速测量范畴,采用目前的各种电子技术手段很容易对热激励响应进行快速和准确测量。从另一方面理解,就是针对材料的热性能测试,瞬态法可以针对不同被测样品厚度范围(响应时间)采用相应响应频率范围的电子仪器和设备来实现准确测量,而目前电子仪器设备的测试能力要远远超过薄膜材料热性能测试的需求。这就是瞬态法自身的最大优势,同时也是目前市场上薄膜材料热性能测试仪器大多采用瞬态法的主要原因。  瞬态法与稳态法一样,在实际应用中都存在以下几方面的共性问题:  (1)在线厚度的均匀性和准确测量问题:样品尺寸越大,样品厚度越小,厚度均匀性越难保证。稳态法由于要布置多只温度传感器而使得样品面积尺寸没有多少减少余地,所以在厚度均匀性保证上有一个极限值。但瞬态法在样品尺寸变化上则有很大空间,瞬态法可以根据激励源和探测器的尺寸来改变样品尺寸大小,样品可以做到很小尺寸,如激光闪光法样品尺寸可以做到直径5~12mm,温度波法样品尺寸还可以更小,由此使得瞬态法更容易保证样品厚度的均匀性以及在线准确测量。  (2)接触热阻问题:无论是稳态法还是瞬态法,测量中都会面临接触热阻问题,在薄膜材料测试中会更为明显。稳态法解决接触热阻问题是通过测量一系列相同材质和表面状态但厚度不同的样品,通过测试结果推算出接触热阻。但对于薄膜材料而言,一系列不同厚度薄膜样品很难加工制作,另外薄膜厚度均匀性问题也会造成接触热阻测量误差很大。因此无论是稳态法还是瞬态法,采用变厚度测量方法测试接触热阻只能算是一种无奈之举。在瞬态法测试过程中,可以将接触热阻看作是另一种材质的样品薄膜,整个测试模型就可以看作是一个多层薄膜结构的测试问题。只要采用瞬态法测量结果推算出各分层样品的热性能参数,就可以消除接触热阻的影响。随着瞬态法理论模型的发展,目前已经找到多层结构求解的技术途径,还需要进一步的模拟计算和试验考核以验证此方法的准确性和可靠性。  (3)多层膜问题:大多数薄膜材料在实际应用中都是沉积在基材上,或是与其他薄膜材料进行复合后使用,呈现单层结构并能用于测量的薄膜材料很少,因此更有应用价值的是多层膜的测试问题,特别是对于多层膜样品要能够测试出各个单层薄膜的热物性参数,同时还要考虑压缩力等外部环境条件。多层膜问题与接触热阻问题类似,核心都是一个根据瞬态法测量结果求解单层膜信息的科学问题。[b][color=#cc0000]4. 瞬态法测试技术的深入研究[/color][/b]  从上述瞬态法特点和存在问题中可以看出,对于薄膜材料,特别是对于质子交换膜燃料电池气体扩散层薄膜材料,瞬态法测试中很大的问题是要对每个被测气体扩散层样品进行表面加工和处理,这显然会增大测试的难度和工作量。如果样品材料的刚度不够而发生皱着和弯曲,则会很难制造合适的被测薄膜样品,因此薄膜测试中被测样品的制作和提取一直是个比较棘手的问题。  我们通过分析,对瞬态法测试技术进行了更深入的研究,特别是在被测样品环节提出了一种新的试验方法。这种新方法就是不在被测样品上进行任何处理,将原来对样品表面的处理转移到两片基材上,通过两片基材把被测样品夹持在中心位置来达到样品表面处理的相同效果。新方法的原理如图4-1所示。[align=center][img=4-1 新型瞬态法测试模型原理示意图,690,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901151926256162_9109_3384_3.png!w690x396.jpg[/img][/align][align=center][color=#cc0000]图4-1 瞬态法新型模型原理示意图[/color][/align]  针对不同的瞬态测试方法,这种改进后的瞬态法模型可以有不同结构形式,并具有以下几方面的功能和特点:  (1)对于温度波法而言,基体就相当于图3-4中的背板,可以将加热器、探测器和电极引线直接溅射在背板上,然后将被测薄膜样品加持在两块背板之间。这样避免了对被测样品的表面处理,通过已经制作成型的背板对各种样品进行测试。  (2)不对样品进行表面处理,可以避免直接在样品表面进行沉积涂层过程中涂层材料进入多孔薄膜对测量结果的影响,这对于气体扩散层这种多孔材料的导热系数测试尤为重要。  (3)对于激光闪光法而言,基体材料为刚性透明材料,激励层和探测层为沉积在基体材料表面的金属材料,然后表面在喷涂石墨层。这相当于将以往对透明样品的表面处理形式挪用到对基体材料的表面惊醒处理。作为激励源的激光脉冲经过透明的基体材料照射到激励层使得激励层温度快速升高,同时热量穿过被测样品到达探测层。探测层的温度变化透过透明基体被探测器检测,这个测试过程与普通激光闪光法完全相同,不同的是要考虑热量在多层结构中的传递,而不是以往那样仅有被测样品一层。在实际薄膜激光闪光法测试过程中,经过表面处理后的样品,也应该按照多层结构进行数据处理才能真正得到薄膜样品的测量结果。  (4)采用新型结构形式的激光脉冲法,同样规避了每次测试薄膜样品都需要进行表面处理的繁琐程序,做多每次需要再在基体表面喷涂石墨以增加发射率。  (5)从理论上来说,激光闪光法也可以看作是温度波法的一种特殊形式,普通温度波法是周期性热激励和周期信号检测,而激光闪光法则是单脉冲式的热激励和单个温升信号检测。因此,如果将激光单脉冲激励源更换为连续激光加周期性调制,使得经过激光束按照一定周期对激励层进行加热,这就相当于温度波法,但可以实现非接触测量。  总之,采用瞬态温度波法可以很好的进行压缩环境下薄膜材料的热物性测试。如果能解决多层模型的单层热性能参数的提取问题,解决接触热阻的影响,温度波法将更为准确和实用,同时也为激光闪光法开辟了更广泛的应用领域。[b][color=#cc0000]5. 参考文献[/color][/b]  (1) Zamel N, Litovsky E, Shakhshir S, et al. 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