全 文 ：陶瓷膜澄清糖渴清水提液的膜清洗研究
樊文玲, 林　瑛, 郭立玮Ξ
(南京中医药大学 植物药深加工工程中心, 江苏 南京　210029)
摘　要: 目的　研究孔径为 012 Λm 的AL 2O 3 陶瓷膜微滤澄清糖渴清复方水提液过程中的过滤阻力分布, 在其指导
下得到行之有效的膜清洗方法, 从而丰富中药领域陶瓷膜清洗技术理论。方法　以D arcy2Po iseu ille 定律为过滤模
型, 确定过滤阻力分布, 同时采用高分辨扫描电镜 (SEM )对污染膜表面和断面进行微观分析。结果　糖渴清复方的
膜阻力主要集中在沉积层和浓差极化层, 分别占总阻力的 5215% 和 3414% , 膜本身的阻力和堵孔阻力在总阻力所
占的份额很小, 分别为818% 和413%。该结论与SEM 图结果一致。污染膜依次经自来水低压清洗和超声清洗, 膜通
量恢复率为95%。方法重现性好。结论　根据过程中过滤阻力分布的不同, 从而选用合适的清洗和再生方法, 得到
的结论对今后的工业化生产有一定的指导意义。
关键词: 陶瓷膜; 水提液; 膜污染; 膜清洗; 扫描电镜
中图分类号: R 28412　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 0253- 2670 (2008) 03- 0369- 03
Clean ing process of ceram ic m em brane in clar if ica tion of Tangkeq ing wa ter extract
FAN W en2ling, L IN Y ing, GUO L i2w ei
(R esearch Center of Bo tan ical R efinem ent Engineering, N an jing U niversity of T radit ional Ch inese M edicine,
N an jing 210029, Ch ina)
Abstract: Objective　To study the dist ribu t ion of filt ra t ion resistance in AL 2O 3 (0. 2 Λm ) ceram ic
m em b rane m icrofilt ra t ion of T angkeqing w ater ex tract, ob ta in the effect ive m em b rane clean ing m ethods,
and en rich the theo ry of ceram ic m em b rane clean ing techno logy1M ethods　T he filt ra t ion resistance and its
d ist ribu t ion w ere go t w ith the filt ra t ion model of the D arcy2Po iseu ille p rincip le w h ich w as modif ied by
M 1M D a2C in, etc1 M eanw h ile, T he m icro structu re of fou led m em b rane su rface and cro ss2sect ion w as
analyzed by SEM 1 Results　T he m ain parts of f ilt ra t ion resistance lay in depo sit layer and concen tra t ion
po lariza t ion layer w ith the ra t io of 5215% and 3414% , respect ively1 How ever, the m em b rane itself and
the po re b lock ing w ere in the few er ra t io s of 818% and 413% , respect ively1 T he resu lt w as in acco rdance
w ith that of SEM 1 T he fou led AL 2O 3 m em b rane w as cleaned w ith low 2p ressu re tap w ater and u lt rason ic
w ave successirely1 Conclusion　T he app rop ria te clean ing m ean s are cho sen based on the filt ra t ion resis2
tance, w h ich can p rovide good in struct ion s fo r the indu stria lized p roduct ion1
Key words: ceram ic m em b rane; w ater ex tract; m em b rane fou ling; m em b rane clean ing; SEM
　　采用陶瓷膜进行中药水提液的澄清处理有其突
出的优势[1 ] , 近十年来, 这方面的研究日益增多, 这
大大有利于推进陶瓷膜澄清中药水提液的工业化程
度。中药提取液成分非常复杂, 含有大量的固体颗
粒、鞣质、胶质、蛋白、淀粉及树脂等无药效的大分子
物质, 这些物质的存在使得膜极易被污染, 通量锐
减。由于不同中药水提液中含有不同的物质成分, 且
成分复杂, 目前在国内还没有成熟的清洗方案适用
于各种中药膜精制过程。沈敏等[2 ]在对陶瓷膜澄清
生地黄提取液过程中发现膜管表面污染物主要是大
分子多糖类物质, 在此基础上采用热水冲洗膜表面
和2%N aC lO 溶液清洗, 膜通量基本完全恢复。赵宜
江等[3 ]发现多种清洗剂的交替清洗对复方提取液污
染后的A l2O 3 膜通量的恢复极为有利。熊胜泉等[4 ]
发现不同中药药液造成的膜污染清洗工艺明显不
同。李卫星等[5 ]对陶瓷膜精制糖渴清复方提取液的
小试和中试工艺已做了研究。通过对膜过程中过滤
阻力的研究, 可采取有效减缓膜通量减少的措施, 并
制定最佳的膜清洗方案[6 ]。糖渴清复方由生地黄、鬼
箭羽、泽兰等11 味中药组成, 具有滋阴补气、清热化
·963·中草药　Ch inese Traditiona l and Herbal D rugs　第 39 卷第 3 期 2008 年 3 月
Ξ 收稿日期: 2007207227
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (30171161, 30572374) ; 国家中医药管理局基金资助项目 (02203ZP33)
作者简介: 樊文玲 (1976—) , 女, 山东聊城人, 助理研究员, 理学硕士, 主要从事中药开发领域膜技术的应用研究。
E2m ail: fw l76@ sohu1com3 通讯作者　郭立玮
瘀之功效。本实验以糖渴清复方水提液为实验体系,
采用孔径为012 Λm A l2O 3 陶瓷膜管, 从过滤过程中
阻力和阻力分布角度出发, 得到适应该体系切实可
行的膜清洗方法, 从而丰富了中药领域陶瓷膜清洗
技术理论。
1　实验材料
　　陶瓷膜管为内压管式陶瓷微滤膜, 膜材质为Α2
A l2O 3, 平均孔径为 012、018 Λm; 膜材质为ZrO 2, 平
均孔径为012 Λm。外形尺寸均为外径12 mm , 内径8
mm , 长220 mm , 南京工业大学膜科学技术研究所研
制。膜组件为不锈钢材质, 无毒无味的硅橡胶密封
圈, 由南京化工大学膜科学技术研究所研制。KQ -
100B 型超声波清洗器 (昆山市超声仪器有限公司) ,
JSM —5900 型SEM 高分辨扫描电镜 (日本JEOL )。
　　糖渴清复方组方药材购于南京药材公司, 经笔
者鉴定, 符合《中国药典》2005 年版要求。
2　方法与结果
211　水提液的制备: 取适量药材, 加10 倍二次蒸馏
水煎煮, 微沸 1 h 后用 4 层纱布滤过得一煎滤液; 药
渣中加入5 倍量二次蒸馏水, 微沸1 h 后用4 层纱布
滤过得二煎滤液, 合并滤液, 加二次蒸馏水稀释 5
倍, 即得复方水提液。所得水提液以生药计质量浓度
为617% , pH 值为511, 密度为11004 gömL , 50 ℃黏
度为0125 m Pa·s, 固形物的量为11702 gömL。
212　微滤操作: 在平均操作压力为 011 M Pa, 膜表
面速度为2 m ös, 温度为325115 K (在操作条件优化
实验中已确定) 的条件下, 将膜在实验装置上微滤,
通量稳定后, 测定相应的膜通量。
213　新膜、污染后和清洗后的膜表面和截面SEM 图
的比较: 取一块适当大小的新膜和污染膜的新鲜膜表
面和膜截面, 将其放置在洁净的环境下晾干后, 使用
高分辨扫描电镜对其表面和断面进行观测, 见图1 和
2。可以看出, 新鲜A l2O 3 无机陶瓷膜表面光滑, 均
匀, 膜表面上的颗粒和缝隙的轮廓以及膜的不对称
结构清晰可见。污染膜的新鲜膜中, 污染物主要堆积
在膜表面的凹陷处, 膜孔内并未见有明显的污染物堆
积, 说明膜孔中污染物量与表面污染物相比要小得
多。与本实验中计算出的阻力分布的结果相吻合。但
仅根据SEM 图像无法判断污染物的状态。
　　以D arcy2Po iseu ille 定律过滤模型[7 ]为依据, 将
滤膜在滤过过程中引起膜通量减小的过滤阻力分成
膜本身、膜与溶质的相互吸附、溶质的堵孔、膜面形
成的浓差极化。即在滤过过程中膜的总阻力D T 由膜
阻力D m、吸附阻力 D e、堵孔阻力 D i 和浓差极化
图 1　新膜表面 (A)和新膜断面 (B)的SEM 图
F ig11　SEM P ictures of surface (A ) and cross- section
(B) of or ig ina l membrane
图 2　污染膜表面 (A)和污染膜断面 (B)的SEM 图
F ig12　SEM P ictures of surface (A) and cross-
section (B) of fouled membrane
阻力D p 组成。　　
D m = R m 　D e= R e R 总R m + R e　D i= R i
R mR 总
(R m + R e) (R m + R e+ R i)
　D p = R p R mR m + R e+ R p
R m、R e、R i 和R p 分别为D arcy2Po iseu ille 定律过滤模型J v
=
∃PΛ×R 中相应的膜阻力、沉积阻力、堵孔阻力和浓差极化
(凝胶层)阻力[8 ]。
糖渴清水提液在 012 Λm A l2O 3 陶瓷膜微滤过
程中膜阻力D m、浓差极化阻力D p、膜孔阻力D i 和沉
积层阻力D e 以及各部分在总阻力D T 所占的比例,
分别为818%、3414%、413%、5215%。可见糖渴清复
方的膜阻力主要集中在沉积层和浓差极化层, 膜本
身的阻力和堵孔阻力在总阻力所占的份额很小。表
明在微滤过程中, 污染物主要吸附在膜表面, 吸附和
堵塞在孔内的很少, 膜再生容易。
　　浓差极化 (凝胶层)阻力的消除可以采用清水低
压清洗等。沉积层的消除可以采用海绵球清洗、毛刷
刷洗、超声清洗、反冲、酸碱清洗、氧化剂清洗、络合
和酶制剂等。膜孔内污染的消除可以采用反冲、酸碱
清洗、氧化剂清洗和络合等。
214　膜清洗研究: 清洗效果以膜通量恢复程度来表
·073· 中草药　Ch inese Traditiona l and Herbal D rugs　第 39 卷第 3 期 2008 年 3 月
示, 为消除膜性能差异带来的误差, 定义膜通量恢复
率 (J r)。
　　J r= (J öJ w )×100%
J 为清洗后的膜通量 (L ·m - 2·h - 1) , J w 为清洁膜初始
水通量 ( (L ·m - 2·h - 1)
基于过滤过程中阻力分布情况, 可采用有效的
物理方法 (如海绵球清洗、超声清洗)和化学方法 (如
酸、碱、氧化剂、络合剂和酶等)清洗, 以再生膜。
21411　化学清洗: (1)碱+ 氧化剂+ 酸清洗: 污染后
的膜管依次采用60 ℃热水低压清洗10 m in, 测定膜
管纯水通量; 采用60 ℃ 4%N aOH + 015% N aC lO 溶
液清洗 4 h, 洗至中性, 测定膜管纯水通量; 采用 2%
HNO 3 溶液清洗40 m in, 洗至中性, 测定膜管纯水通
量, 重复两次。清洗效果见图3 (该图中水通量值乘以
2319 可换算为以L ö(m 2·h) 为单位的水通量值)。
可见膜管的初始通量为 41 mL öm in, 清洗后为 27
mL öm in。 酸 清 洗 步 骤 后 膜 通 量 平 均 恢 复
88%。　　　　　　
图 3　清洗后的膜再生情况
F ig13　Regeneration of membrane af ter the clean ing
　　 (2) 酶清洗: 污染后的膜管在沸水浴中加热 15
m in, 冷却, 置于0105% 的Β2淀粉酶溶液中, 于55～ 60
℃中, 分别酶解 1、2、3 h 后, 测定酶解后的纯水通
量, 重复两次, 清洗效果见图4 (该图中水通量值乘以
2319 可换算为以L ö(m 2·h) 为单位的水通量值)。
可见分别采用Β2淀粉酶清洗膜管1、2、3 h, 膜通量均
未见明显的恢复, 结果表明Β2淀粉酶清洗不适宜经
糖渴清污染后012 Λm A l2O 3 膜管通量恢复。
图 4　淀粉酶清洗后的膜再生情况
F ig14　Regeneration of membrane
af ter Β-amylase clean ing
21412　物理清洗: 污染后的膜管依次经以自来水室
温低压 (0103 M Pa)清洗10 m in, 测定纯水通量; 膜管
室温超声 (功率125 W , 频率20 KH z) 10 m in, 测定纯
水通量。重复两次, 清洗效果见图5。膜管的初始通量
为41 mL öm in, 药液的通量为9 mL öm in, 自来水低压
冲洗后膜通量为16 mL öm in, 通量恢复率为39% , 超
声水洗后的膜通量为 39 mL öm in, 通量恢复率为
95%。方法重现性好。因此采用物理方法, 简单易行,
经济有效, 膜的渗透通量基本可以完全恢复。
图 5　物理方法清洗后的膜再生情况
F ig15　Regeneration of membrane af ter Physica l clean ing
　　采用“碱+ 氧化剂+ 酸”的清洗方案与采用超声
的方案的膜再生效果差别不大, 但物理清洗的再生
周期短, 且各清洗阶段无需加热, 是较佳的选择, 故
推荐的清洗流程为依次用自来水低压清洗 10 m in;
膜管超声10 m in。
3　讨论
　　膜污染与再生问题是推进膜技术在中药精制领
域工业化应用的所面临的关键问题之一, 但由于中
药水提液所含物质复杂, 且不易定性定量, 造成经不
同的复方水提液污染后的膜清洗方法均不尽相同,
提示可能需要做大量的实验才能从中摸索出规律和
总结普适中药污染膜清洗的方法。本研究中发现超
声技术对中药水提液污染后陶瓷膜的通量恢复具有
显著的有效性, 这为其物理清洗开辟了一个新的途
径。因此推荐陶瓷膜清洗方法为: 将污染后的膜管自
来水在0103M Pa 的跨膜压力下清洗10 m in, 在功率
125 W , 频率20 KH z 下超声清洗10 m in。
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