膜分離技術及其應用的研究進展

徐興雨

（中國石油大學 理學院，北京 102249）

膜分離技術及其應用的研究進展

徐興雨

（中國石油大學 理學院，北京 102249）

簡要介紹了微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析等幾種膜分離技術的分離機理、制備方法和特點；并介紹了膜分離技術在食品、醫藥、石油化工、水處理等方面的應用及其膜分離技術的發展趨勢.

膜分離；應用；發展趨勢

膜分離是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學位差的推動下對混合物中溶質和溶劑進行分離、分級、提純和富集.該技術作為新的分離凈化和濃縮技術，與其他傳統的分離方法相比，常溫下操作，有高效、節能、工藝簡便、投資少、污染小，并且膜分離具有過程簡單、經濟適用、分離系數較大、沒有污染、能適合常溫下連續操作、可直接放大、可專一配膜等優點[1].人類對于膜的研究源于18世紀，但是膜分離技術的工業應用是在上個世紀60年代以后.從六十年代的反滲透到九十年代的滲透汽化，膜分離技術發展迅速.膜分離技術的應用領域不斷擴大，常用的膜分離技術有超濾（UF）、微濾（MF）、反滲透（RO）、納濾（NF）、電滲析（ED）、等.現已涉及人們生產和生活的各個方面，對水處理工業、化工生產、醫藥、食品生產和生物工程等領域的發展產生了巨大的作用.

1 膜分離技術的分離原理及其特點

1.1 微濾

微濾（MiCroporousFiltration）膜分離技術起始于十九世紀中期，是以靜壓差為動力，利用篩網狀過濾介質膜的“篩分”作用進行分離的膜過程.張慶勇等[2]簡單闡述了利用固態粒子燒結法制備技術和方法.并應用于水處理和油水分離等領域.微濾膜的特點（1）孔隙大，流速快.由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規過濾介質快幾十倍.（2）孔徑均勻，過濾精度高.能夠將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留.（3）無吸附或少吸附.微孔膜厚度一般在90-150Lm之間，因而吸附量很少，可忽略不計.（4）無介質脫落.微濾膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液[3].

1.2 超濾

超濾是一種以機械篩分原理為基礎，以膜兩側壓(100-1000kPa)差為驅動力的膜分離技術.它可分離液相中直徑在0.05-0.2μm的分子和分子量為1-10萬的大分子.超濾膜的篩分孔徑小，它可截留病毒病菌、油脂、蛋白質、有機大分子、懸浮物等[4].高亞寧等[5]使用0.8%-1%的硼酸作為交聯劑對纖維強度進行改進，原液中硼酸的目的是使擠入堿性凝固浴中的紡絲原液與硼酸發生交聯反應減少大分子的纏結，形成網絡狀凝膠.肖凱軍等[6]采用戊二醛交聯法，通過用聚乙二醇(PEG-1000)和戊二醛交聯劑對基膜進行親水化預處理，制備了一種新型聚乙烯醇(PVAL)超濾膜.該PVAL超濾膜具有耐污染、耐酸性和耐高溫，可獲得廣泛的應用.超濾膜具有以下特點：（1）超濾可在常溫下進行，那些對熱敏物質的分離、濃縮、精制都可在不影響質量的情況下進行.（2）超濾過程不會發生相變，因此與一般相變分離法相比，它的能耗較低.（3）超濾過程以壓力作為驅動力，裝置結構簡單，操作簡便，容易維修[7].

1.3 納濾

納濾膜分離的基本技術原理[8]較為簡單(見圖1)，在過濾過程中料液通過泵的加壓，料液以一定流速沿著濾膜的表面流過，大于膜截留分子量的物質分子不透過膜流回料罐，小于膜截留分子量的物質或分子透過膜，形成透析液.因此膜系統都有兩個出口，一是回流液(濃縮液)出口，另一是透析液出口，影響膜通量的因素有溫度、壓力、固含量、離子濃度、黏度等.趙理等[9]以聚砜為膜原料，添加一定量的新型二胺，以DMAC溶劑，得到中空纖維PSF基膜.再以TMC和PIP為縮聚單體，正己烷和水為兩相溶劑，并在水相中添加一定量的二氧化硅納米顆粒.制備了所需的納濾膜.

圖1 膜分離操作基本工藝流程

納濾膜的特點：（1）離子選擇性，納濾膜對單價鹽的截留率僅為10%～80%，具有相當大的滲透性，而二價及多價鹽的截留率均在90%以上.（2）截留相對分子質量，截留相對分子質量(MWCO)在200-1000之間，適宜于分離相對分子質量在200以上，大小約為1nm的溶解組分[10].（3）操作壓力低，操作壓力低，納濾膜組件的操作壓力，一般為0.7MPa，最低為0.3Mpa[11].

1.4 反滲透

反滲透（ReverseOsmosis）是利用膜的選擇性，以反滲透膜兩側靜壓差為驅動力，允許溶劑通過而截留離子物質，對液體混合物進行分離的過程.進行反滲透分離過程有2個必要條件[12]：一是外加壓力必須大于溶液的滲透壓力（操作壓力一般為1.5-10.5MPa）；二是必須有一種高透水性、高選擇性的半透膜.反滲透膜微孔孔徑一般小于1nm，對絕大部分無機鹽、溶解性有機物和膠體有很高的去除率.周勇等[13]采用間苯二胺分別與均苯三甲酞氯、5一異氰酸醋異酞酞胺(ICIC)、5一氯甲酸異酞酞氯(CFIC)通過界面聚合工藝制備反滲透復合膜.反滲透的特點：（1）在常溫不發生相變的情況下，可以對水和溶質進行分離.（2）具有較高的水回用率和脫鹽率.（3）反滲透膜分離技術雜質去除的范圍廣.（4）利用較低壓力作為膜分離動力，分離裝置簡單，操作、維護和自控簡便，現場安全衛生[14].（5）膜分離技術有冷殺菌的作用，且能耗低、費用省、速度快、不污染環境[15].

1.5 電滲析

圖2 電滲析技術原理

電滲析（ED）是在外加直流電場的作用下，利用離子透過選擇性離子交換膜而遷移，使帶電離子從水溶液和其他不帶電組分中部分分離出來的一種電化學分離過程[16].其原理（如圖2）所示，在外加直流電場的作用下，以電位差為驅動力，原水中的陽離子向陰極遷移，淡化室中的陽離子透過陽膜進入濃縮室，但濃縮室中的陽離子受阻于陰膜而留下；同時原水中陰離子向陽極遷移，淡化室中的陰離子透過陰膜進入濃縮室，但濃縮室中的陰離子受阻于陽膜而留下.電滲析技術具有以下特點：電滲析技術由于具有能耗低、藥劑耗量少、環境污染小、操作簡便、使用壽命長、無污染等特點，廣泛地應用于海水、苦咸水脫鹽[17].

2 膜分離技術的應用

膜分離技術，作為一種新型的分離技術,既能對廢水進行有效的凈，高效地去除污染物，又能回收一些有用物質,同時具有節能、無相變、安全性高、生物穩定性好、設備簡單、操作方便等特點，因此在生產生活中得到了廣泛的應用并顯示了廣闊的發展前景.

2.1 在化工生產中的應用

在合成氨方面，可用于高壓機后新鮮氣油分離采用超濾，技術除去新鮮氣中的油水塵等雜質，大大改善了冷交換器的油污和積炭堵塞現象，進一步優化了操作條件，降低了能耗，有效保護了合成塔觸媒.聯堿生產過程中經常會產生重堿、食鹽、純堿等有用物質的母液泄漏及生產設備沖洗水外排，既造成了浪費，又對環境造成了污染[18].徐昌松等[19]采用電滲析技術處理聯堿含鹽廢水，可將含鹽質量分數為1%的聯堿廢水濃縮到10%，而淡液含鹽的質量分數0.05%.結果表明采用電滲析技術處理聯堿廢水是可行的，可實現聯堿生產廢水零排放.大多數有機溶劑(如醇類、酮類、酯類等)常含有少量水會形成共沸物,用恒沸精餾、萃取精餾等特殊精制工藝脫水，存在工藝復雜、能耗高等問題.使用膜選擇分離技術進行脫水就不再受恒沸點制約，容易從有機溶劑混合物中脫除微量水，可大幅度降低分離過程能耗[20].

2.2 在環境中的應用

隨著我國經濟社會的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對水質量的要求也不斷提.柴克鵬[6]在對星級賓館的擴建改造中，將賓館所排放的污水進行收集后處理后，將其用于綠化和廁所用水.所選用的超濾膜為聚丙烯中空纖維膜，利用該膜組件和采用反洗工藝來處理污水，處理后的水質完全符合預期要求.王立國等[21]采用核桃殼過濾器—超濾裝置組合工藝處理油田含油污水，油的質量濃度由10.98mg/L降到0.33mg/L，出水達到A1類標準的要求.

填埋式處理垃圾的方法，是我國處理垃圾的主要方式，因此將會產生大量的垃圾滲透液.王薇等[22]采用MBR和納濾集成處理工藝對垃圾滲透液進行處理可有效截留MBR產生中的CO、色度等，經過納濾處理過的垃圾滲透液符合污染物的特別排放標準.李黎等[23]在峨眉山市垃圾滲濾液處理工程中，納濾系統采用納濾卷式膜，運行壓力0.5-1.7Mpa.運營至今運行情況穩定，納濾出水完全達標排放.

2.3 在醫藥生產中的應用

超濾技術是一種用以分離、提純和濃縮物質的新方法.以膜兩側壓差為推動力，利用膜孔徑大小來進行篩分.邱禮新等[24]采用中空纖維超濾膜法制備精制雙秦滴眼液，采用中空纖維超濾設備，所用原液采用經鑒定的生藥加水煎煮而成.經研究證明，經過超濾技術所制備的雙秦滴眼液的PH為7.5接近中性，并且具有良好的穩定性；其中所含的藥物成分有所提高.劉洪謙等[25]運用超濾法精制生脈飲口服液，利用外壓式中空纖維超濾膜來進行篩分證明超濾法能有效去除雜質、提高產品澄清度，并且能保留原配方的成分.

2.4 在食品中的應用

乳清是干酪生產中排出的質量約為加工原料奶90%比例的副產物.孔凡丕等[26]運用GFLB-75N型管式分離機納濾膜選用OsmonicsDK2540F納濾膜，以及小型噴霧干燥設備等儀器對干酪進行乳清脫鹽處理.所得的乳清酚灰為4.76%比原料降低了45.28%，乳清蛋白幾乎完全截留.在對脫脂牛奶的處理中.食鹽的截留率約為60%.結果表明，采用納濾處理可有效地去除雜味和鹽味，并不破壞牛奶的口味和營養價值.

3 發展趨勢

隨著我國經濟的快速發展，膜分離技術作為一種新型的單元操作過程，在許多行業已經得到廣泛的應用，并且在某些行業應用的比較成熟.在對于生產成本要求不斷降低、產品質量要求不斷提高的今天，膜技術的優勢會越來越明顯.

由于膜分離技術的大量應用是近些年開始的，因此膜技術的發展也受到一些因素的制約：如膜污染、膜產品的價格和膜分離要求的提高.如果我國的科研人員能將這幾個方面的問題更好的解決，膜分離技術將在我國的經濟發展中發揮更重要的作用.

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TQ028.8

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1673-260 X（2013）10-0041-03