反滲透濃縮技術的研究進展

呂建國 張克磊 賀全紅 張 鵬

(1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省膜分離工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730020)

隨著反滲透技術的發(fā)展，反滲透的應用領域也在不斷擴展，從海水淡化、苦咸水淡化、純水制備領域不斷延伸，現(xiàn)正逐步進入果蔬汁濃縮、生物制劑生產(chǎn)過程的濃縮以及廢水處理過程中的濃縮應用的過程中。由于反滲透與傳統(tǒng)濃綜縮處理技術相比有濃縮過程不加熱，料液不產(chǎn)生相變，能耗低等優(yōu)點，采用反滲透濃縮技術的研究工作也在不斷發(fā)展。

1 反滲透在果汁濃縮中的應用研究

反滲透法(Reverse osmosis，RO)濃縮果汁一直是近30年來果汁加工業(yè)的關注熱點。與傳統(tǒng)蒸發(fā)法相比，反滲透濃縮果汁在低溫下進行，無相變，具有較好保存果汁風味和營養(yǎng)成分、降低能耗和操作簡單等優(yōu)點。利用反滲透膜濃縮技術，人們分別對橙汁、蘋果汁、梨汁、葡萄汁、菠蘿汁、番茄汁等進行了研究，重點探究膜種類、操作條件對膜通量及果汁中風味物質(zhì)截留率的影響[1]。

1.1 卷式反滲透在果汁濃縮中的應用研究

孫平[2]利用卷式反滲透技術對幾種果蔬汁(黃瓜、芹菜、胡蘿卜、枸杞子、紅杏)的濃縮處理進行實驗與分析。結(jié)果表明在一定條件下，通過反滲透方法可對果膠含量低的果蔬汁直接進行濃縮處理，并且濃宿倍數(shù)超過10倍以上。而果膠含量較高的果汁則需要預先進行酶解脫膠后再進行濃縮。實驗中發(fā)現(xiàn)果膠的含量直接影響濃縮的程度與效果。

鐘海雁[3]等采用超濾對柑桔汁進行分離，分離后的料液進行反滲透濃縮，并對反滲透濃縮柑桔汁研究，找出了適合濃縮柑桔汁的反滲透用膜。并進行了運行參數(shù)的實驗。實驗找到了適合柑桔汁濃縮的反滲透膜RO-1，同時確定反滲透濃縮的適宜工作條件為：P=4.5MPa，T=40，S=1m／s， 柑桔汁可濃縮到230Brix。分別用0.1%NaOH和0.5%r的U10溶液清洗反滲透膜，其膜通量能完全恢復。

胡建農(nóng)[4]等運用反滲透膜分離技術生產(chǎn)濃縮烏龍茶飲料,極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。設備的操作與維護保養(yǎng)簡便易行，節(jié)能效果顯著。膜的再生性能良好，使膜法生產(chǎn)變得經(jīng)濟實用。推廣這項新技術、新工藝將會取得良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

呂建國[5]等采用卷式反滲透膜濃縮番茄汁的工藝，研究了工藝中的溫度、壓力、流速、濃度與膜通量的關系。同時也研究了卷式反滲透膜在濃縮過程中對有效成分的截留率，實驗證明膜對有效成分的截留率大于98%，清洗方便。

1.2 管式反滲透在果汁濃縮中的應用研究

膜技術在乳品工業(yè)中的應用已有多年，傳統(tǒng)膜技術只用于乳清處理，現(xiàn)已逐步進入乳品工業(yè)的其它領域。近幾年在乳品工業(yè)中，膜分離技術作為一種高新技術而得到應用，主要用于牛奶的濃縮、分離乳清、牛奶微濾除菌等工藝中，而采用膜法進行牛奶濃縮的工藝研究一般都集中在超濾工藝過程，而呂建國[6]等人直接采用反滲透或管式反滲透進行牛奶濃縮，并研究了工藝中的壓力、溫度、濃度和濃縮過程與牛奶中有效成分的截留率之間的關系，同時也研究了壓力、溫度、濃度在濃縮過程中與膜通量之間的關系。實驗結(jié)果證明，管式反滲透膜對有效成分的截留率接近100%。

呂建國還采用管式反滲透技術對籽瓜汁進行濃縮，分別研究了膜通量、壓力、料液溫度、籽瓜汁濃度等參數(shù)之間的關系，結(jié)果夫明：反滲透膜對籽瓜汁有效成分的截留率接近100，對無機盆截留率大于98%，籽瓜汁的最終濃縮濃度為20Brix；其它條件不變的情況下，膜通量與壓力、料液溫度成正比關系，與料液濃度成反比關系[7]。

2 反滲透濃縮在其它方面的研究現(xiàn)狀

2.1 反滲透在多糖濃縮中的應用研究

香菇多糖（Lentinus）是香菇的活性成分之一，具有抗腫瘤、提高免疫、抗感染[8-10]等作用。傳統(tǒng)的香菇多糖一般采取水提醇沉的方法。多糖物質(zhì)在提取液中的濃度較低，一般在5%以下[11]，需要經(jīng)過減壓濃縮的過程，該過程能耗高，且在濃縮過程中易造成多糖的活性下降。孫靜[12]等采用反滲透膜濃縮工藝對香菇多糖提取液進行濃縮，分析進膜壓力、料液濃度和進膜溫度對濃縮工藝的影響，并比較了反滲透濃縮和真空濃縮兩種方法的差異。結(jié)果表明，在進膜壓力20MPa、多糖濃度6.48mg/mL、進膜溫度30℃時能取得較好的濃縮效果。反滲透膜濃縮粗多糖得率較真空濃縮高，且DPPH自由基清除能力優(yōu)于真空濃縮的產(chǎn)品。

施立欽[13]進行了反滲透濃縮法提取乳糖的工藝參數(shù)研究。通過反滲透濃縮實驗表明，乳糖的截留基本上與濃縮倍數(shù)無關，單級截流率達在95%左右。隨著濃縮倍數(shù)的增大,滲透通量急劇衰減，當濃縮倍數(shù)大于3后，通量趨于穩(wěn)定，濃縮倍數(shù)可達到10倍以上。濃縮乳清透過液的適宜操作條件是：采用芳香聚酰胺卷式反滲透膜、壓力為0.5Mpa、溫度為40e，產(chǎn)品的質(zhì)量經(jīng)紅外光譜測試完全符合食品級乳糖的質(zhì)量標準。而且膜分離過程是一個高效的分離過程、過程的能耗較低、分離效率高、工作溫度接近室溫，設備簡單、投資少。而原料乳清粉易得，產(chǎn)品乳清蛋白與乳糖是基礎食品，廣泛應用于制藥、食品、保健等方面，有著廣闊的市場前景。

2.2 反滲透在廢水濃縮中的研究現(xiàn)狀

電鍍廢水來源于鍍件漂洗水、廢槽液、設備冷卻水和沖洗地面水等，廢水中含有大量的鋅、鎳和鉻等重金屬離子及有機光亮劑等，毒性較大，有些還含致癌、致畸、致突變的劇毒物質(zhì)，對人類危害極大。因此，對電鍍廢水必須進行回收處理，做到消除或減少其對環(huán)境的污染。傳統(tǒng)的處理方法主要有中和沉淀法、離子交換法、氧化還原法[14]等，這些方法存在能耗高、操作復雜及處理效果不穩(wěn)定等缺點，而電鍍廢水膜法處理則是一個完善的閉路循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了資源的充分利用，基本達到零排放處理。

王樂譯[15]等采用多介質(zhì)過濾和超濾做預處理，去除廢水中懸浮物；兩級反滲透分離濃縮，淡水進入純水制備系統(tǒng)處理回用，重金屬濃縮液進一步濃縮處理；納濾將反滲透濃縮液重金屬濃度循環(huán)濃縮至3g/L，返回鍍槽重新使用，實現(xiàn)了電鍍廢水的零排放。

采用反滲透方法處理電鍍廢水，利用膜的特殊功能分離和回收電鍍漂洗水中的貴重金屬，并循環(huán)使用系統(tǒng)中的漂洗水，實現(xiàn)電鍍廢水的零排放。鍍鎳漂洗水具有較高的回收價值。反滲透技術將鍍鎳漂洗水濃縮分離，濃縮液中Ni2+可達到20g/L左右，濃縮液補加到鍍鎳槽中，透過液在鍍鎳漂洗槽中循環(huán)使用，實現(xiàn)了鍍鎳廢水的零排放。向鍍鎳槽中加入硫酸鉀，提高鍍液的導電性能，同時降低鍍液中氯化鎳的質(zhì)量濃度，使鍍鎳過程中陽極溶解速度和陰極沉積速度相接近。鍍件在鍍鎳前和鍍鎳后都經(jīng)過回收槽漂洗，使回收槽中鎳離子的質(zhì)量濃度保持不變，大約是鍍鎳槽中鎳離子質(zhì)量濃度的一半。采用這些措施后，可實現(xiàn)反滲透濃縮液的完全回收利用[16]。

胡亞芹[17]等采用膜集成技術濃縮稀土廢水中的氯化銨，在進水氯化銨含量1500mg/l(約1.5%，w/w)的條件下,經(jīng)反滲透濃縮處理,濃縮液氯化銨濃度可濃縮到5.5%-6%(w/w)，脫鹽率為90%左右，水的回收率約為60%，按西安某稀土廠10m3/h規(guī)模來計算，反滲透功率為51.0k·w/h，每處理10m，氯化銨廢水RO耗電≤5.0k·w/h。采用電滲析進一步將稀土廢水中氯化銨自6%(w/w)濃縮到12%(w/w),每濃縮lm3廢水溶液，電耗為40k·w/h，比傳統(tǒng)的蒸發(fā)法降低75%。

黃秀娟[18]等進行了馬鈴薯渣水解液的反滲透濃縮研究。結(jié)果表明：使用截流分子量為50～100Da的反滲透膜，去離子水通量為12.89L/(m2·h)，對葡萄糖的截留率大于98%，適用于馬鈴薯渣水解液的濃縮。以5.0Brix的馬鈴薯渣水解液為對象，滲透通量和截留率為指標，試驗得出適宜的反滲透工藝條件為溫度30℃、操作壓力0.6～0.7MPa，膜面流速30ml/min。該條件下經(jīng)過微濾處理的馬鈴薯渣水解液可濃縮到19.5Brix，總質(zhì)量只有原來的25.03%，質(zhì)量分數(shù)提高了3.9倍，水分減少了78.62%，DE值變化不大。濃縮過程無相變，低能耗，操作簡便，自動化程度高，容易實現(xiàn)工業(yè)化。0.2%NaOH和0.2%十二烷基苯磺酸鈉的混合溶液可作為馬鈴薯渣水解液濃縮后膜的清洗劑，在40℃下清洗，恢復系數(shù)高達96%。

3 反滲透濃縮技術的展望

3.1 近年來，由于反滲透技術的不斷發(fā)展，利用反滲透技術取代蒸發(fā)濃縮技術的研究也在不斷深入，有望在不久的將來徹底取代蒸發(fā)濃縮技術

3.2 由于反滲透濃縮技術不能在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)產(chǎn)品化，大多采用反滲透濃縮技術只能是整個產(chǎn)品生產(chǎn)的一個工序，因此實現(xiàn)反滲透濃縮技術的產(chǎn)業(yè)化今后的路還很漫長

3.3 相信隨著社會的進步以及膜材料和膜裝置以及工藝過程等方面的發(fā)展,更多的學者及科研工作都會不斷促進行反滲透膜濃縮技術的商業(yè)化進程，應用反滲透濃縮技術將逐漸擴大，這必將會給濃縮工業(yè)技術開啟一項新的發(fā)展領域

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