膜分離技術及其應用發展

李旭珂

摘 要：作為一種能耗低、設備簡單、操作方便和效率高的分離技術，膜分離技術受到廣泛的關注。本文綜述了膜分離技術在生產實際上的應用發展，著重介紹了微濾、超濾、納濾和反滲透等膜分離技術的特點及其應用展望。

關鍵詞：膜分離技術；微濾；超濾；納濾；反滲透

中圖分類號：TQ028.8 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733042

引言

膜分離技術是利用具有一定選擇透過性的過濾介質對物質進行分離純化的技術。它被國際上公認為20世紀末—21世紀中期最有發展前途的重大生產技術。隨著物理化學、生物學等學科的深入發展，各種新型膜材料及制膜技術得到不斷開拓。現代工業對節能、資源再生、環境污染消除的需求日益加強，各種膜分離技術在水處理、石油化工、食品、醫藥、環境保護等領域得到應用。

1 膜分離技術的實質和特點

膜分離技術的實質是根據混合物的物理、化學性質的不同，使其被具有不同選擇透過性的膜分離開。

膜分離技術的優點：其分離效率高，且大多數可在較溫和的條件進行，操作的溫度和壓強較低，適合生物活性物質的分離，可最大限度地保存產品的生物活性；其分離過程能耗小，一般不涉及相變。此外，膜分離過程還有污染小、操作靈活、易實現自動化等優點。

當然，膜分離技術也有一定的缺陷和不足。膜易受到污染，從而使膜性能降低甚至喪失濾過能力。膜的耐藥性、耐熱性有限使其使用范圍受到限制，單獨采用膜分離技術效果有限。

2 膜分離技術的種類及其特點

微濾：膜孔徑約0.1μm，利用膜的“篩分”作用進行分離的壓力驅動型膜過程，主要用來從氣相和液相物質中截留微米及亞微米級的細小懸浮物、微生物、污染物等達到凈化、分離和濃縮的目的。在膜兩側靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子能透過膜，大于膜孔的粒子被截留在膜的表面上。

超濾：膜孔徑為1nm～0.05μm，可分離相對分子質量大于500的大分子和膠體。以壓力差為推動力，含有大、小分子溶質的溶液流過超濾膜表面時，溶劑和小分子物質（如無機鹽類）透過膜，作為透過液被收集起來；而大分子溶質（如有機膠體）則被膜截留作為濃縮液被回收。

納濾：可截留相對分子質量為200～2000、膜孔徑為1nm的溶解組分，以壓力差為推動力，大部分為荷電膜，即納濾膜的行為與其電荷性能，以及溶質荷電狀態相互作用都有關系。

反滲透：膜孔徑為1nm，與其他壓力驅動的膜過程相比，反滲透是最精細的過程，又稱“高濾”。可截留0.1～1nm的小分子物質。依靠膜兩側靜壓力為推動力，使溶劑通過反滲透膜而實現對混合物的分離。

3 膜分離技術的應用

3.1 在海水淡化預處理中的應用

海水中含有大量的懸浮物及膠體，其中的鐵鹽和錳鹽易被氧化生成氫氧化物沉淀。將傳統水技術與膜分離處理方法結合，去除大部分的懸浮顆粒、膠體和大分子物質，再經膜分離進一步處理后，使出水水質優于海水淡化處理的進水水質要求。

磁強化混凝技術是在普通的混凝工藝中同步加入磁種，使之與海水中的污染物結合為一體，以加強混凝效果。磁絮凝對氮、磷的去除效果明顯好于常規絮凝工藝。投加磁種不僅降低混凝劑投加量，還因磁種經簡單處理即可重復使用，可降低工程運輸成本，且對于濁度的去除也明顯提高。

3.2 在純生啤酒生產中的應用

純生啤酒是指不經過高溫殺菌而保質期同樣能達到熟啤酒的標準的啤酒，與普通啤酒的區別是風味穩定性好、營養豐富。純生啤酒的釀造上突出的特點就是無菌過濾——利用硅藻土與不同孔徑的微濾膜相結合過濾的方式生產純生啤酒，用微濾膜去除酵母和雜菌，因不加熱而使營養和風味成分得以保持，口味更鮮美。

與一般的硅藻土過濾相比，微濾膜過程不會引入過渡態金屬離子，且截留了啤酒中的抗老化物質多酚，使膜過濾后的遲滯時間延長。這使得啤酒中自由基生成速率升高，在老化后期抗老化水平下降。

3.3 在水產品、畜禽產品加工的應用

膜過濾技術主要用于蛋白質酶解物、藻類醇、多糖等的分離純化，提煉和精制生物活性物質對水產品、畜禽產品進行深加工。

使用截留分子質量更小的過濾膜可以有效截留無用或不理想的成分，使產品口味更佳，保藏更節省成本。有學者采用截留分子質量為30ku的中空纖維UF裝置對水產品調味液進行處理，得到的透過液較傳統技術分離出的液體更澄清透明，且由于有效截留了腥苦味成分，其風味比酶解原液風味更加純正，提高了產品的整體品質。

3.4 在飲用水除雜的應用

飲用水中藥品和個護品（PPCPs）等痕量有機物污染物正在引起越來越多的關注，但傳統工藝很難去除此類污染物。

膜工藝去除PPCPs的主要機理包括體積排斥作用、靜電斥力作用和憎水吸附作用。膜過濾可有效去除飲用水中PPCPs，NF、RO和FO對大部分PPCPs的去除率在90%以上，但對部分PPCPs，如親水性非離子態藥品的去除效果較差，除了磺胺類藥品，UF對大部分PPCPs的去除率一般低于40%。根據實際情況選擇合適類型的膜，UF組合工藝是目前最為可行的PPCPs去除工藝。未來，NF和RO可能是去除PPCPs的主要膜工藝。

3.5 在中藥生產的應用進展

目前主要應用在中藥提取液的除雜、分離提純濃縮、中藥口服液、注射劑等液體改良上，仍需更多的研究來完善中藥的分離生產。

在提取中藥有效成分過程中，膜分離技術除去大多數的大分子雜質，提高有效物質的純度。采用無須外加其他物質、無污染的膜分離技術可避免傳統方法中分離效率低、有機溶劑破壞藥效成分，以及高溫易引起熱敏性藥物成分失效等缺點。將膜過濾技術（微濾）用于中藥口服液的制備，可顯著改善藥液澄清度、減少主成分損失率，提高口服液藥效。

4 膜分離技術的應用展望

膜分離技術是一門新興的多學科交叉的高新技術，涉及高分子化學、無機化學、生物化學等學科。生產需求的增多和高新技術的發展推動了膜技術發展，各種新型膜材料的研發能降低生產成本，提高產品品質。還要繼續提高膜材料及裝置的耐熱、耐酸、耐堿、易清洗等性能。嘗試與不同的傳統技術結合，可能會有更佳的方法，如膜蒸餾、膜萃取等。

對于實驗室已研發并使用的膜材料，要積極推廣到工業生產上，但要注意減少污染與浪費、降低成本等問題。隨著膜技術的發展，其潛在應用領域將會不斷擴大，這門新興的技術將會在今后的科學技術發展中大顯身手。

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