膜分離技術應用于環(huán)境工程中的分析

楊志輝

摘要：膜分離技術具有工藝精簡、低能高效、生產(chǎn)過程無化學污染及變化等顯著特點，它相比于傳統(tǒng)分離工藝更加靈活和實用。本文就圍繞該技術與環(huán)境保護工程展開話題，探討它在環(huán)境工程中的各方面具體應用，證明它之于傳統(tǒng)分離技術的優(yōu)越性。

關鍵詞：膜分離技術；環(huán)境工程；微濾；反滲透；超濾；適用性

環(huán)境問題是目前各國都會關注的主要課題，它在工業(yè)化生產(chǎn)中表現(xiàn)尤其突出，人類逐漸學會處理生產(chǎn)過程排出物質(zhì)回收利用來維持自然生態(tài)系統(tǒng)平衡，免遭破壞。就目前來看，膜分離技術已經(jīng)在全球迅速崛起，它的分離凈化與濃縮方法相比于傳統(tǒng)分離技法更加先進，分離效率高且沒有二次污染，所以在諸如飲用水處理、食品醫(yī)藥工業(yè)、石油化工、生物工程乃至核工業(yè)都有被廣泛應用。

一、膜分離技術與環(huán)境保護

1.膜分離技術的基本內(nèi)涵

膜分離技術采用的是天然或人工合成膜，它主要以化學位差與外界能量作為主要推動力，實現(xiàn)了對雙組分與多組分溶劑與溶質(zhì)的相互分離、分級，最后提純富集。如果按照分離過程來看，膜分離技術主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、液膜、集成膜等等分支技術。這些技術都秉承了一點原則，那就是通過對固液態(tài)廢物實施處理而降低處理過程向環(huán)境的排放量，同時達到物質(zhì)分離回收效果，做到工業(yè)的減量化、無害化和資源化目的，最終祈禱環(huán)境保護作用。具體來說，圍繞目前常見的3種典型環(huán)境污染物來分析膜分離技術的適用性特征，如表1。

由上表1可以看出，由于膜分離技術所針對的對象以流體為主，所以它只適用于對廢水、廢液、廢氣的相關技術處理。

2.膜分離技術與傳統(tǒng)過濾技術的簡要對比

相比于傳統(tǒng)過濾，膜分離技術在技術應用過程中完全不需要任何助劑來進行物理分離，它所運用到的是混合物中不同的物理特性，甚至還考慮到了分離膜不同的分離速度。作為目前最流行的新技術，膜分離可以基于不同環(huán)境、不同機理來實現(xiàn)膜分離過程，無需在傳統(tǒng)技術所要求的苛刻溫度環(huán)境下操作，只在常溫環(huán)境下就能實現(xiàn)低能高效過程，且分離絕對不產(chǎn)生任何污染。另外，與傳統(tǒng)過濾不同的是它非常適用于某些熱敏性物質(zhì)的分離過程，就這一點特征讓它可以更加靈活的應用于各個工業(yè)生產(chǎn)領域，突破傳統(tǒng)技術規(guī)制，實現(xiàn)新技術創(chuàng)新思路。

3.膜分離技術與環(huán)境保護工程的關系

膜分離技術由于擁有雙組分與多組分溶質(zhì)溶劑分離功能，所以該技術可以對物質(zhì)實施等級區(qū)分和物質(zhì)提純收集，針對固液態(tài)物質(zhì)與氣體中的廢物來實現(xiàn)處理功能，達到企業(yè)及社會所要求的安全排放標準。如此一來膜分離技術就輔助生產(chǎn)工程實現(xiàn)了對物質(zhì)的二次回收目的，對環(huán)境保護作用也相當明顯。

二、膜分離技術在環(huán)境工程中的實際應用分析

如上文所述，膜分離技術主要分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、液膜（LM）。下文將對這5種分離技術在環(huán)境工程中的應用作出針對性分析。

1.微濾技術的應用

微濾（microfiltmtion，MF）又被稱為微孔過濾，它屬于精密過濾技術，MF也是目前所有膜分離技術中最為常見且廣泛的應用技術之一，它所能過濾的對象很多，包括從0.1-10μm的細菌、膠體、顆粒等等。它的過濾原理和普通過濾非常類似，都采用篩網(wǎng)過濾。但是MF過濾的操作壓力相對偏低，不大于0.2MPa。而且MF對水質(zhì)的適應性極強，且占地面積小，總體來看MF的經(jīng)濟適用性很高，目前在飲用水處理方面起到了很大作用，逐漸取代了傳統(tǒng)中的常規(guī)澄清過濾與二沉池技術。當水質(zhì)處于大波動狀態(tài)時，MF依然可以實施對各類廢水廢液的預處理工作，進而降低水質(zhì)濁度和懸浮物，滿足水質(zhì)處理轉換需求。MF過濾一般包括錯流過濾和死端過濾兩種，其中死端過濾采用的是低能高產(chǎn)過濾模式，它的濾餅層能夠根據(jù)過濾時間增加而厚度逐漸增加，降低溶液的透過量，所以它能夠及時清洗濾餅，恢復水通量，這也是死端過濾方法的關鍵；另外就是錯流過濾，在水質(zhì)過濾過程中，錯流過濾會讓一部分濃縮液體從濾膜另一端排除。隨著原液在過濾過程中被截留物質(zhì)濃度越來越高，膜本身的過濾阻力增長也會越來越快，所以錯流過濾具有較高的微濾過濾效率，在目前環(huán)境工程應用中也很常見。

2.超濾技術的應用

超濾（Ultrafiltration，UF）技術中所涉及的超濾膜是典型的壓力驅動膜，它的分離原理主要為篩分，UF的孔徑范圍也從0.05-1nm不等，它的主要任務就是清除各種固態(tài)懸浮物、顆粒物，實現(xiàn)對溶液中大分子物質(zhì)及膠體的有效分離。在我國的汽車及電器工業(yè)中，UF的超濾膜多用來實現(xiàn)電泳涂漆廢水的環(huán)保處理，它充分采用超濾膜分離特性來分離金屬離子雜質(zhì)電泳漆，并將它們從廢水中回收再加以二次利用。通常情況下，超濾膜運行對羊毛脂的截留率能達到95%甚至以上，而對懸浮物的截留率則超過99%，精度非常高。這就使得廢水中的COD大幅度下降，對廢水的可生化性改進相當有效，這對廢水處理的經(jīng)濟效益提升與環(huán)境效益保護都非常有好處。UF技術的關鍵就在于其膜通量隨運行時間延長會不斷降低，所以在技術改進方面應該以改進膜通量為主，主要開發(fā)高強度達通量UF過濾膜，使其能夠適應當前的高溫高污染生產(chǎn)環(huán)境，具備一定的抗氧化能力，并同時延長UF過濾膜的生命周期。上述也是未來UF技術進化的主要方向。

3.納濾技術的應用

納濾（Nanofiltration，NF）技術中的納濾膜也被稱為超低壓反滲透膜，該技術是介于超濾與反滲透之間的新型分子級膜分離技術。NF技術屬于壓力驅動型技術，它的操作壓力要求范圍為0.5-1MPa，納濾膜的最大優(yōu)勢就在于它擁有例子選擇性，可以有效去除水質(zhì)中的二價離子，去除率達到95%以上，而對一價離子也有50-80%的去除率。在城鎮(zhèn)農(nóng)村，NF技術可以有效去除河水及地下水中的三鹵甲烷THM中間體、農(nóng)藥、硝酸鹽等有機有害物質(zhì)，尤其能夠對廢水進行脫色和有機物分級濃縮。納濾膜可以在低壓操作下實現(xiàn)高通量需求，所在許多環(huán)境工程中，它的反滲透操作成本較低。但納濾膜非常容易受污染，所以它對水質(zhì)要求也照比其它膜分離技術更高，必須經(jīng)過復雜的預處理才能實現(xiàn)技術應用，這也限制了納濾膜的推廣使用范圍。在未來，只有提高水質(zhì)預處理技術才能凸顯NF技術特點，但總體來看它在環(huán)境工程中的發(fā)展?jié)撡|(zhì)依然很值得期待。

4.反滲透技術的應用

反滲透（Reverse Osmosis，RO）技術的基本機理就是自然界中的滲透現(xiàn)象，它是指水從濃度低溶液透過半透膜轉向濃度高溶液，并形成膜兩邊的高度差，這就是滲透壓，而這一半透膜也被叫做反滲透膜。反滲透膜對所有溶質(zhì)都具有相當高的脫除率，且它的出水水質(zhì)很高，目前在水處理的除鹽處理環(huán)節(jié)中非常常見。從環(huán)保領域的基本理念來看，反滲透對城市飲用水、城市污水、垃圾滲透液以及工業(yè)廢水的處理相當有效，它不僅能夠解決廢水中的高濃度氨氮、重金屬有機物，也能夠解決由膜污染所導致的濃差極化問題。總體來看，RO技術在開發(fā)方面成本較低，且低壓耐污染耐高溫，并且擁有極強的抗氧化能力，是環(huán)境工程中必不可少的技術之一。

5.液膜技術的應用

液膜（Liquid Membrane，LM）技術所采用的是液體材料膜，它還分為乳狀液膜和支撐液膜，其中最為常見的是乳狀液膜。乳狀液膜是懸浮于液體中極薄的乳液顆粒，它主要是基于選擇性滲透作為其膜分離機理的。相比于固膜，液膜的傳質(zhì)速度更快、分離效率和選擇性也更高，因此在環(huán)境工程中常常會應用到LM技術，尤其是溶液中有機離子和有機物的分離相當有效。就目前實用層面來看，LM技術常常會在醫(yī)藥化工、廢水處理、濕法冶金等環(huán)保工程中出現(xiàn)。例如在廢水處理工程中，LM技術所采用的表面活性劑液膜處理模式就能去除約99%以上的含酚廢水酚率。另外它廢水中的氨、苯胺類物質(zhì)去除率也能超過97%，而且對廢水中有機物質(zhì)的回收利用率也相當可觀，實現(xiàn)了對廢水的資源化再利用處理過程。總結：除本文所描述的5種膜分離技術以外，還有滲透氣化（PVAP）和集成膜（IMT）技術，它們也在環(huán)保環(huán)境工程領域中發(fā)揮了極大的作用，有效控制了水污染及大氣污染，對城市水質(zhì)提高起到很大作用。就目前發(fā)展形勢來看，我國在膜技術應用于環(huán)境工程領域已經(jīng)逐漸達到世界領先水平，真正實現(xiàn)了針對不同污染源采用相對應的膜分離技術及配套工藝，為技術投資與運營成本帶來了良性循環(huán)，創(chuàng)造了更好的企業(yè)發(fā)展前景。