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(shù)的應(yīng)用現(xiàn)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(shù)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(shù)在生活用水、海水淡化、工業(yè)廢水等水處理領(lǐng)域、生物技術(shù)領(lǐng)域、石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用，同時，指出了膜分離技術(shù)當(dāng)前存在的問題，展望了膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢。

膜分離技術(shù) 應(yīng)用 發(fā)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(xiàn)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(shù)的差異以及靜電場作用力等要素，強化了分離與傳質(zhì)的過程，同時不受熱力學(xué)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(shù)是一種新型高效、精密的分離技術(shù)，屬于材料科學(xué)與介質(zhì)分離科學(xué)的交叉結(jié)合領(lǐng)域。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又具有高效、節(jié)能、環(huán)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(huán)保、醫(yī)藥、生物等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，帶來了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，已發(fā)展成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。

1 膜分離技術(shù)簡介

1.1 膜分離技術(shù)的原理

膜分離技術(shù)是一種使用膜材料實現(xiàn)不同介質(zhì)分離的技術(shù)，分離的過程多由壓力、濃度、電勢差異等因素驅(qū)動，用以實現(xiàn)溶質(zhì)和溶劑的分離、濃縮、純化和精制的目的。

膜分離技術(shù)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(zhì)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(zhì)分子透過膜，形成透析液。通常，膜分離系統(tǒng)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(tǒng)的正常連續(xù)穩(wěn)定運行。在食品、環(huán)保、醫(yī)藥、生物等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，根據(jù)不同的有機物種類，可依據(jù)有機物分子量的不同，選擇不同的分離膜及相對應(yīng)的分離工藝，最終達到最佳的膜通量和截留率，提高生產(chǎn)收率，降低投資規(guī)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(zhì)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(fā)膜、離子交換膜等。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。

根據(jù)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(jié)構(gòu)膜[3]。

2 膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在水處理領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)備具有簡單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)范圍廣、自動化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)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(zhì)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(yīng)用

近年來，膜分離工藝技術(shù)的運行不斷成熟，水處理環(huán)節(jié)主要采用膜分離工藝，結(jié)合活性炭處理技術(shù)，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(yīng)用

現(xiàn)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(yīng)用以來，反滲透用于海水淡化的研究得到了極大發(fā)展[6]。反滲透膜海水淡化法設(shè)備簡單、易于維護和設(shè)備模塊化等優(yōu)點使其迅速占領(lǐng)市場，且其產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大[7]。因此，有專家甚至認為反滲透海水淡化技術(shù)基本可代表一個國家膜技術(shù)的應(yīng)用水平。目前，該技術(shù)也將朝著高水通量、高脫鹽、脫硼率和低能耗的方向發(fā)展。

2.1.3 在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

重金屬廢水主要來自礦山、冶煉、電解、電鍍、醫(yī)藥、油漆、顏料等企業(yè)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(shù)在工業(yè)廢水深度處理過程中能實現(xiàn)閉路循環(huán)，在降低污染的同時變廢為寶，實現(xiàn)水資源的綜合回用，經(jīng)濟效益與社會效益十分可觀。目前，膜分離技術(shù)在廢水處理等水處理領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成熟。

2.2 在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物技術(shù)是21世紀三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，而膜技術(shù)幾乎可以用于生物產(chǎn)品加工過程的各個階段和所有步驟。膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物發(fā)酵制藥、中成藥生產(chǎn)等現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域，在抗生素生產(chǎn)、維生素以及氨基酸的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中也較為常見[9]。

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

2.3 在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，無機膜在化工、石油化工中的應(yīng)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(nèi)傳質(zhì)理論的發(fā)展以及新型材料制備技術(shù)的進步，利用膜分離工藝簡化石油化工流程，實現(xiàn)節(jié)能降耗與清潔生產(chǎn)改造，對于節(jié)能減排起著決定性的作用[1]。

3 膜分離技術(shù)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(zhì)分子由于和膜存在物理以及化學(xué)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(nèi)的吸附、沉積，容易造成膜孔徑變小或堵塞，使分離膜產(chǎn)生透過流量與分離特征的不可逆的變化現(xiàn)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(zhì)均可能導(dǎo)致分離膜污染，降低膜的分離性能[3]。

4 膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢

膜分離技術(shù)目前已在食品、環(huán)保、醫(yī)藥、生物等眾多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，帶來了顯著的經(jīng)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(fā)展，膜分離工藝將不斷趨于成熟，相關(guān)技術(shù)成本也會不斷降低。但與發(fā)達國家相比，在分離膜制備技術(shù)、設(shè)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(fā)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(shù)。分離膜的材料是分離技術(shù)的核心。如何加快研發(fā)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(dāng)前分離膜材料制備工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(2)膜分離技術(shù)+高新技術(shù)。如何利用膜分離技術(shù)與其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，形成高附加值的新型產(chǎn)品，并實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。例如納米科技、生物技術(shù)、自動化控制等技術(shù)領(lǐng)域，通過兩者的有機結(jié)合，可以衍生出許多新興行業(yè)，重點突破膜分離工藝及其集成關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備在新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，推動膜分離技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

未來，我國的膜分離技術(shù)必將向著新型化、多樣化、低成本、高效率相結(jié)合的發(fā)展模式，與其他分離技術(shù)進行優(yōu)化組合，使我國的分離技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域步入一個新的階段[11]。

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

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[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(yīng)用研究[J]．中國調(diào)味品，2010，35(4)：65-68.

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

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[11] 俞青芬．新型侍質(zhì)膜分離技術(shù)的進展[J]．青海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)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(qū)長堽路40號。