膜分離技術的應用現狀及研究進展

王 檑 蒙義舒

(廣西冶金研究院有限公司)

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膜分離技術的應用現狀及研究進展

王 檑 蒙義舒

(廣西冶金研究院有限公司)

針對膜分離技術的分離機理、基本特性和分離膜的種類進行了簡單介紹。闡述了膜分離技術在生活用水、海水淡化、工業廢水等水處理領域、生物技術領域、石油化工領域的應用，同時，指出了膜分離技術當前存在的問題，展望了膜分離技術的發展趨勢。

膜分離技術 應用 發展趨勢

膜是具有選擇性分離性能的材料。利用膜的選擇性分離以期實現料液不同組分之間的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。膜分離工藝過程中，集成膜孔徑等幾何因素、膜材料和待分離成分之間溶解度、擴散系數的差異以及靜電場作用力等要素，強化了分離與傳質的過程，同時不受熱力學平衡的限制[1-2]，因此，膜分離工藝具有高度的選擇性。膜分離技術是一種新型高效、精密的分離技術，屬于材料科學與介質分離科學的交叉結合領域。膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又具有高效、節能、環保、分子級過濾等特征，以及過濾過程簡單、易于控制的特點。目前，已在食品、環保、醫藥、生物等眾多領域取得了廣泛的應用，帶來了顯著的經濟效益和社會效益，已發展成為當今分離科學中最重要的手段之一。

1 膜分離技術簡介

1.1 膜分離技術的原理

膜分離技術是一種使用膜材料實現不同介質分離的技術，分離的過程多由壓力、濃度、電勢差異等因素驅動，用以實現溶質和溶劑的分離、濃縮、純化和精制的目的。

膜分離技術的工藝原理是較為簡單的。在濃縮過濾過程中料液通過加壓，以一定的流速沿著分離膜的表面流過，大于分離膜截留分子量的物質分子不能透過膜而流回料罐，小于分離膜截留分子量的物質分子透過膜，形成透析液。通常，膜分離系統都有兩個出口，一個是透析液出口，另一個是回流液出口。影響膜分離速度的因素有溫度差、壓力差、固含量(TDS)、離子濃度、溶液黏度等。

1.2 膜分離的基本特性

由于膜分離過程是一個單純的物理分離過程，具有無相變化、低能耗、可拆分、自動化程度高等特點，對膠體、懸浮顆粒、色度、濁度、細菌、大分子有機物具有良好的分離能力，保證了分離系統的正常連續穩定運行。在食品、環保、醫藥、生物等眾多領域取得了廣泛的應用，根據不同的有機物種類，可依據有機物分子量的不同，選擇不同的分離膜及相對應的分離工藝，最終達到最佳的膜通量和截留率，提高生產收率，降低投資規模，減少運行成本。

1.3 分離膜的種類

分離膜是一種具有選擇性透過能力的膜型材料，能以特定形式限制和傳遞流體物質的分隔兩相或兩部分的界面。通常按分離機理和適用范圍可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜、滲透蒸發膜、離子交換膜等。膜的形式可以是固態的，也可以是液態的。被膜分割的流體物質可以是液態的，也可以是氣態的。

根據制備材料的不同，可分為無機膜和有機膜。無機膜主要有陶瓷膜和金屬膜，具有過濾精度低，選擇性小的特點；有機膜通常由高分子材料制成，比如醋酸纖維素、聚醚砜、聚氟聚合物等。

按照成膜方法不同，可分為微孔膜、控制拉伸膜和海綿狀結構膜[3]。

2 膜分離技術的應用現狀

2.1 在水處理領域的應用

采用反滲透膜和納濾膜進行水處理已有報道。反滲透和納濾膜設備具有簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應范圍廣、自動化程度高和出水質量好等優點，是目前較為成熟的廢水深度處理工藝。兩者都可在外加壓力下使溶液中的大分子物質和鹽類脫除，同時截留水中的污染物以及無機鹽、糖類、氨基酸等[4]。

2.1.1 在生活用水處理中的應用

近年來，膜分離工藝技術的運行不斷成熟，水處理環節主要采用膜分離工藝，結合活性炭處理技術，使用微濾膜、納濾膜、超濾膜、反滲透等處理手段，生活用水處理取得了很好的效果[5]。

2.1.2 在海水淡化處理中的應用

現在所用的海水淡化方法通常有電滲析法、蒸餾法、反滲透法。自上世紀90年代非加壓吸附滲透海水淡化法推廣應用以來，反滲透用于海水淡化的研究得到了極大發展[6]。反滲透膜海水淡化法設備簡單、易于維護和設備模塊化等優點使其迅速占領市場，且其產業關聯度大[7]。因此，有專家甚至認為反滲透海水淡化技術基本可代表一個國家膜技術的應用水平。目前，該技術也將朝著高水通量、高脫鹽、脫硼率和低能耗的方向發展。

2.1.3 在工業廢水處理中的應用

重金屬廢水主要來自礦山、冶煉、電解、電鍍、醫藥、油漆、顏料等企業排出的廢水，具有很大的毒性。液膜分離法可以很好的處理含酚廢水、含氰廢水及有毒金屬廢水[8]。膜分離技術在工業廢水深度處理過程中能實現閉路循環，在降低污染的同時變廢為寶，實現水資源的綜合回用，經濟效益與社會效益十分可觀。目前，膜分離技術在廢水處理等水處理領域的應用已日趨成熟。

2.2 在生物技術領域的應用

生物技術是21世紀三大支柱產業之一，而膜技術幾乎可以用于生物產品加工過程的各個階段和所有步驟。膜分離技術廣泛應用于生物發酵制藥、中成藥生產等現代生物技術領域，在抗生素生產、維生素以及氨基酸的生產環節中也較為常見[9]。

膜分離工藝與傳統的分離方法相比，在減化了分離過程，降低了成本的同時，產品質量也得到了提高。其主要應用領域為生物反應容器、下游產品處理以及吸附介質[10]。

2.3 在石油化工領域的應用

目前，無機膜在化工、石油化工中的應用廣泛，主要涉及粉體洗滌、催化劑回收、氣體分離等方面。隨著膜內傳質理論的發展以及新型材料制備技術的進步，利用膜分離工藝簡化石油化工流程，實現節能降耗與清潔生產改造，對于節能減排起著決定性的作用[1]。

3 膜分離技術存在的問題

膜分離過程的典型操作特征是間歇性的，其滲透性會隨著時間的延長而不斷下降，且其在使用過程中都會遇到污染問題。膜污染是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子、溶質分子由于和膜存在物理以及化學的相互作用或機械力作用而引起的在分離膜表面或膜孔內的吸附、沉積，容易造成膜孔徑變小或堵塞，使分離膜產生透過流量與分離特征的不可逆的變化現象。海水苦咸水中的鈣鹽、硫酸鹽以及硅酸鹽等鹽類，廢水中的有機大分子等物質均可能導致分離膜污染，降低膜的分離性能[3]。

4 膜分離技術的發展趨勢

膜分離技術目前已在食品、環保、醫藥、生物等眾多領域取得了廣泛的應用，帶來了顯著的經濟效益和社會效益。隨著人們意識的提高以及科技的進步與發展，膜分離工藝將不斷趨于成熟，相關技術成本也會不斷降低。但與發達國家相比，在分離膜制備技術、設備制造、組件裝備以及智能化、自動化等方面還存在較大的差距。目前、我國膜分離發展急需解決的問題有以下幾個方面：

(1)分離膜的材料及制備技術。分離膜的材料是分離技術的核心。如何加快研發新型的功能高分子分離膜材料，使其具有更好的抗氧化、抗污染性能，并能在耐高壓、耐高溫、耐酸堿腐蝕性等方面取得突破，是當前分離膜材料制備工藝中的關鍵環節。

(2)膜分離技術+高新技術。如何利用膜分離技術與其他高新技術產業相結合，形成高附加值的新型產品，并實現工業化應用。例如納米科技、生物技術、自動化控制等技術領域，通過兩者的有機結合，可以衍生出許多新興行業，重點突破膜分離工藝及其集成關鍵技術和設備在新興產業中的應用和成果轉化，推動膜分離技術產業的發展。

未來，我國的膜分離技術必將向著新型化、多樣化、低成本、高效率相結合的發展模式，與其他分離技術進行優化組合，使我國的分離技術在工業應用領域步入一個新的階段[11]。

[1] 王保國.膜分離材料分子設計及其在石化工業的應用進展[J].石油化工，2010，39(9):953-960.

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[3] 王 華，劉艷飛，彭東明，等.膜分離技術的研究進展及應用展望[J].應用化工，2013(3):532-534.

[4] 康為清，時歷杰，趙有璟，等.水處理中膜分離技術的應用[J].無機鹽工業，2014(5):6-9.

[5] 李 淵.淺談膜分離技術的研究進展[J].工業工程與技術，2013(12):33-34.

[6] 黃 丹，方春玉，周 健，等．超聲波輔助法在紅曲色素提取中的應用研究[J]．中國調味品，2010，35(4)：65-68.

[7] 廖琦琛，毛 加，孫歡挺．反滲透海水淡化膜分離技術研究[J]．中國新技術新產品，2015(2)：11-12.

[8] 王 東，韓 洋.液膜分離技術及其在工業廢水處理中的應用[J].化學工程師，2014(5)：56-57.

[9] 孟 濤.膜在生物技術中的應用[J].化工縱橫，2002(6)：14-16.

[10] 王中海，羅小茍，劉 亮，等.新型分離技術的應用及研究現狀[J]．礦業快報，2007(9):27-29.

[11] 俞青芬．新型侍質膜分離技術的進展[J]．青海大學學報：自然科學版，1998(10)：60-61.

2016-09-13)

王 檑(1983—)，男，工程師，碩士研究生，530023 廣西省南寧市興寧區長堽路40號。