膜分離技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及工業(yè)應(yīng)用

呂璟慧，溫 哲

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116

1 膜分離技術(shù)的起源

1748年，Abbe Nollet觀察到水可以通過(guò)覆蓋在盛有酒精溶液瓶口的豬膀胱進(jìn)入瓶中，發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。但是，直到19世紀(jì)中葉Graham發(fā)現(xiàn)了透析現(xiàn)象，人們才開(kāi)始對(duì)膜分離現(xiàn)象重視起來(lái)，并開(kāi)始研究。1867年Moritz Taube制成了人類(lèi)歷史上第一張合成膜—亞鐵氰化鈉膜，并以近代的觀點(diǎn)予以論述。1911 年Donnan研究了荷電體傳遞中的平衡現(xiàn)象。1920年，Gibbs從熱力學(xué)角度提供了認(rèn)識(shí)滲透壓現(xiàn)象和它與其他熱力學(xué)性能關(guān)系的理論。

1925年世界上第一個(gè)濾膜公司(Sartorius)在德國(guó)Gottingen公司成立。1930年的時(shí)候TreorellM eyer，Sievers等對(duì)膜電動(dòng)勢(shì)的研究，為電滲析和膜電極的發(fā)明打下了一定的基礎(chǔ)。1950年W.Juda等試制成功第一張具有實(shí)用價(jià)值的離子交換膜，電滲析過(guò)程得到迅速發(fā)展[1]。

2 膜分離技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

目前，膜分離技術(shù)的發(fā)展是從5O年代離子交換膜的開(kāi)發(fā)和60年代反滲透膜的出現(xiàn)開(kāi)始的[2]。1950年WJuda試制出選擇透過(guò)性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實(shí)用化基礎(chǔ)。l960年洛布和索里拉簡(jiǎn)首次研制成世界上具有歷史意義的非對(duì)稱(chēng)反滲透膜，這在膜分離技術(shù)發(fā)展中是一個(gè)重要的突破，使膜分離技術(shù)進(jìn)入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的時(shí)代。其發(fā)展的歷史大致為：30年代微孔過(guò)濾，40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體膜分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過(guò)程，以及膜分離與其它分離過(guò)程結(jié)合的集成過(guò)程也日益得到重視和發(fā)展[3]。

3 膜分離技術(shù)的應(yīng)用

3.1 電滲析法(ED)

電滲析(簡(jiǎn)稱(chēng)ED)是以直流電為推動(dòng)力，用陰陽(yáng)離子交換水溶液中陰陽(yáng)離子選擇透過(guò)性，水體中的離子通過(guò)膜遷移到另一水體中的物質(zhì)分離過(guò)程。利用單陽(yáng)膜的選擇透過(guò)性使有機(jī)廢液陽(yáng)離子作定向遷徙，使有機(jī)物在陽(yáng)極析出。

3.2 反滲透（RO）技術(shù)

反滲透裝置就是利用高壓泵將待處理水經(jīng)過(guò)增壓以后，借助半透膜的選擇截留作用來(lái)除去水中的無(wú)機(jī)離子的，由于反滲透膜在高壓情況下只允許水分子的通過(guò)，而不允許鉀、鈉、鈣、鋅等離子及病菌、細(xì)菌通過(guò)，從而獲得高質(zhì)量的純水。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有海水和苦成水的淡化，純水和超純水制備，工業(yè)用水處理，飲用水凈化，醫(yī)藥、化工和食品等工業(yè)料液處理和濃縮以及廢水處理等。

3.3 正滲透技術(shù)

盡管目前依靠滲透壓驅(qū)動(dòng)的正滲透膜分離技術(shù)的應(yīng)用范圍，還未達(dá)到各種依靠外加壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)那么廣泛，但是它已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

3.3.1 水純化的應(yīng)用

在水純化中，正滲透濾水器是目前正滲透膜分離技術(shù)少有的幾種商業(yè)化應(yīng)用之一。正滲透濾水器的基本原理是，在其膜組件里面填裝可食用的驅(qū)動(dòng)液(如糖或飲料粉)，當(dāng)把濾水器浸沒(méi)到任何水體(如清潔水、泥漿、鹽水、污水等)中時(shí)，由于這些水體中的滲透壓低于驅(qū)動(dòng)液中的滲透壓，這些水體中的水將透過(guò)正滲透膜進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液中，而水體中的污染物(如懸浮固體、有機(jī)物、病毒、細(xì)菌等)將被截留下來(lái)，水體進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液后，驅(qū)動(dòng)液漸漸被稀釋?zhuān)幌♂尩尿?qū)動(dòng)液可被人體直接安全飲用，并且里面富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與礦物元素，它將能長(zhǎng)時(shí)間維持人類(lèi)生存。

3.3.2 海水淡化

在海水淡化方面，正滲透的方法一直不夠成熟。不過(guò)近幾年來(lái)，耶魯大學(xué)Menachem Elimelech教授課題組發(fā)明了一種新型的利用正滲透膜分離方法進(jìn)行海水脫鹽的技術(shù)，并且進(jìn)行了中試研究。這種正滲透脫鹽過(guò)程的關(guān)鍵在于其選擇的驅(qū)動(dòng)液，它的驅(qū)動(dòng)液是將碳酸氫銨與氨水按照一定比例混合，然后溶解于水中配置成一定濃度的銨鹽作為驅(qū)動(dòng)液，這種驅(qū)動(dòng)液既具有較高的滲透壓，又能方便的將溶質(zhì)和水分離。驅(qū)動(dòng)液吸收海水中的水分后得到稀釋?zhuān)瑢?duì)于稀釋后的驅(qū)動(dòng)液，只需將其加熱到60℃，驅(qū)動(dòng)液中的銨鹽就被分解為氨氣和二氧化碳，采用合適的方法(如蒸餾)就能將其與水分離，得到純凈的產(chǎn)品水，分離出的氨氣和二氧化碳再次濃縮溶解于水中，便能得到銨鹽驅(qū)動(dòng)液，使得驅(qū)動(dòng)液能夠得以循環(huán)使用。

3.4 超濾（UF）與微濾(MF)技術(shù)

超濾主要適用于大分子溶液的分離與濃縮，廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢水處理、超純水制備及生物技術(shù)工業(yè)，包括牛奶的濃縮、果汁的澄清、醫(yī)藥產(chǎn)品的除菌、電泳涂漆廢水的處理、各種酶的提取等。微濾是所有膜過(guò)程中應(yīng)用最普遍的一項(xiàng)技術(shù)，主要用于細(xì)菌、微粒的去除，廣泛應(yīng)用在食品和制藥行業(yè)中飲料和制藥產(chǎn)品的除菌和凈化，半導(dǎo)體工業(yè)超純水制備過(guò)程中顆粒的去除，生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)酵液中生物制品的濃縮與分離等。

3.5 氣體膜分離(GS)

氣體膜分離的主要應(yīng)用有：1）H2的分離回收：膜分離H2主要應(yīng)用于從合成氨排放氣中回收H2；從甲醇馳放氣中回收H2；從煉廠氣中回收H2；合成氣生產(chǎn)中H2/CO比例調(diào)節(jié)等，是當(dāng)前氣體分離應(yīng)用最廣的領(lǐng)域；2）空氣分離：利用膜分離技術(shù)可以得到富氧空氣和富氮空氣，富氧空氣可用于高溫燃燒節(jié)能、家用醫(yī)療保健等方面；富氮空氣可用于食品保鮮、惰性氣氛保護(hù)等方面；3）氣體脫濕：如天然氣脫濕、工業(yè)氣體脫濕等，這樣可防止氣體在天冷時(shí)結(jié)冰。

3.6 滲透汽化(PV)技術(shù)

滲透汽化（PV）技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型膜分離技術(shù)，特別適合于分離蒸餾法難以分離或不能分離的近沸點(diǎn)、恒沸點(diǎn)有機(jī)混合物，對(duì)有機(jī)溶劑及混合溶劑中微量水的脫除、廢水中少量有機(jī)物的脫除及水溶液中高價(jià)值有機(jī)組分的回收具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

目前，生產(chǎn)生活的各個(gè)方面都已經(jīng)離不開(kāi)膜分離技術(shù)，隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，膜技術(shù)在化學(xué)和生物工程中的應(yīng)用愈加顯示出令人矚目的前景。

[1]朱智清.膜分離技術(shù)的發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2003，32(1).

[2]木村尚史，紀(jì)永亮.膜分離技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].水處理信息報(bào)導(dǎo)，2000，4.

[3]繆暉.膜分離技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.天然氣與石油[J]，2004，22(3).

[4]孫國(guó)超.淺析膜分離技術(shù)及在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2010，1.