膜分離技術概述

王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產品質量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

膜分離技術概述

王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產品質量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

介紹了膜分離技術的發展概況、應用現狀，展望了它的發展趨勢和應用前景。

膜分離；發展趨勢；應用現狀

一、膜分離的概念及特點

用天然或人工合成的高分子薄膜,以界能量或化學位差為推動力,對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的方法統稱為膜分離方法[1]。遍觀各種膜分離過程,現代膜分離技術具有如下特點[2]:①膜分離過程是在常溫下進行,特別適用于熱敏性物質的分離、分級、提純和濃縮,并可保持產品的色、香、味及營養成分。②膜分離技術在分離物質的過程中不發生相變,無二次污染,能耗低,并具有冷殺菌潛勢,且分離效率高。③膜分離范圍廣,適用于許多特殊溶液體系的分離。④膜分離多以壓力作為推動力,故分離裝置簡單,操作容易,易自控,維修方便,且在閉合回路中運轉,減少了空氣中氧的影響。

二、膜分離技術概述

(一)微濾

微濾主要是根據篩分原理以壓力差作為推動力的膜分離過程。在給定壓力下[(50～100)kPa],溶劑、鹽類及大分子物質均能透過孔徑為(0.1～20)μm的對稱微孔膜,只有直徑大于50nm的微細顆粒和超大分子物質被截留,從而使溶液或水得到凈化。微濾技術是目前所有膜技術中應用最廣、經濟價值最大的技術。主要用于懸浮物分離、制藥行業的無菌過濾等。在微濾方面今后應著重研究開發廉價膜組件;耐高溫抗溶劑的膜及組件;不污染,易清洗的長壽命膜

(二)超濾

超濾和微濾一樣,也是利用篩分原理以壓力差為推動力的膜分離過程。同微濾過程相比超濾過程受膜表面孔的化學性質的影響較大。在一定的壓力[(100～1 000)kPa]條件下溶劑或小分子量的物質透過孔徑為(1～20)μm的對稱微孔膜,而直徑在(5～100)nm之間的大分子物質或微細顆粒被截留,從而達到了凈化的目的。超濾主要用于濃縮、分級、大分子溶液的凈化等。在超濾方面今后應重點開發抗污染膜;比較廉價的,長壽命的膜組件;低能耗的膜組件;抗溶劑的膜及組件;適用于高溫、高pH值和抗氧化的膜。

(三)反滲透

反滲透過程主要是根據溶液的吸附擴散原理,以壓力差為主要推動力的膜過程。在濃溶液一側施加一外加壓力[(1 000～10 000)kPa],當此壓力大于溶液的滲透壓時,就會迫使濃溶液中的溶劑反向透過孔徑為0.1～1 nm的非對稱膜流向稀溶液一側,這一過程叫反滲透。反滲透過程主要用于低分子量組分的濃縮、水溶液中溶解的鹽類的脫除等。在這方面今后應優先發展抗氧化膜;耐細菌侵蝕的膜;透水性好的易清洗、消毒的膜。

(四)納濾

納濾是膜分離技術的一個新興領域,納濾膜(Nanofiltration Membranes)是20世紀80年代末期問世的一種新型分離膜,其截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間,約為200～2 000,由此推測納濾膜可能擁有1 nm左右的微孔結構,故稱之為“納濾”。納濾膜大多是復合膜,其表面分離層由聚電解質構成,因而對無機鹽具有一定的截留率。目前國外已經商品化的納濾膜大多是通過界面縮聚及縮合法在微孔基膜上復合一層具有納米級孔徑的超薄分離層。納濾也是根據吸附擴散原理以壓力差作為推動力的膜分離過程。它兼有反滲透和超濾的工作原理。在此過程中,水溶液中低分子量的有機溶質被截留,而鹽類組分則部分透過非對稱膜。納濾能使有機溶質得到同步濃縮和脫鹽,而在滲透過程中溶質損失極少。納濾膜能截留易透過超濾膜的那部分溶質,同時又可使被反滲透膜所截留的鹽透過,堪稱為當代最先進的工業分離膜。由于它具有熱穩定性、耐酸、堿和耐溶劑等優良性能,所以在工業領域有著廣泛的用途,隨著納濾分離技術越來越廣泛地應用于食品、醫藥、生化行業的各種分離、精制和濃縮過程,納濾膜分離機理的研究也成為當今膜科學領域的研究熱點之一。

(五)滲析

滲析也稱透析是最早被發現和研究的膜現象。它是根據篩分和吸附擴散原理,主要利用膜兩側的濃度差使小分子溶質通過對稱微孔膜進行交換,而大分子被截留的過程。滲析主要用于從大分子溶液中分離低分子組分。由于超濾技術的發展,滲析技術正逐漸被取代。但是近年來,血液滲析技術的發展使滲析技術得到重視,血液滲析和血液超濾技術互有補充,各有側重。

(六)電滲析

電滲析是膜分離技術中較為成熟的一項技術,它的原理是利用離子交換和直流電場的作用,從水溶液和其他一些不帶電離子組分中分離出小離子的一種電化學分離過程。電滲析用的是離子交換膜,這一膜分離過程主要用于含有中性組分的溶液的脫鹽及脫酸。

(七)氣體分離

氣體分離技術在20世紀90年代得到巨大的發展,現已廣泛應用于空氣中富氧、濃氮、天然氣分離等領域。它的基本原理是利用溶液的溶解和吸附擴散原理,以靜壓差[(1 000～15 000)kPa]作為推動力,根據混合氣體中各組分透過膜的傳遞速率的不同而進行分離的過程。氣體分離過程用的是一種均聚物制成的非對稱膜,這一過程主要用于氣體及蒸汽的分離。隨著膜材料的進一步發展,氣體分離這種高效經濟的技術將得到改進,將會有更大的發展。今后在這方面開發的重點是:研制皮層厚度小于5 000 nm的膜;開發高選擇性的膜材料;對膜的超薄皮層進行活化處理等。

[1]高福成等.現代食品工程高新技術[M].北京:中國輕工業出版社,1997.346～37

[2]高以火亙.高速發展的膜分離技術[J].食品工業科技,1997,(5):781991,3.

王小強(1987—)，男，漢族，安徽渦陽人，助理工程師，新疆巴音郭楞蒙古自治州產品質量檢驗所，研究方向：化學分析。