膜分離技術(shù)及其應(yīng)用概述

摘 要：膜分離技術(shù)是一項(xiàng)高效、快速、節(jié)能的分離技術(shù)，這種新興的技術(shù)在多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章闡述了膜分離技術(shù)的概況，介紹了膜分離技術(shù)在食品工業(yè)、生物工程、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用和前景。

關(guān)鍵字：膜分離技術(shù)，應(yīng)用

中圖分類號(hào)：N04；TQ028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0106-03

Application of Membrane Separation Technology

ZHOU Shi

Abstract： Membrane separation technology is an efficient， fast and energysaving separation technology. This new technology has been widely applied in many fields. This article introduces its general development of membrane separation technology， and its application and prospect in the fields of food industry， biological engineering， environmental protection and health care， etc.

Keywords： membrane separation technology，application

收稿日期：2014-06-15

作者簡(jiǎn)介：周適（1985—），女，浙江寧波人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心實(shí)審審查員，主審領(lǐng)域?yàn)榧徔?。通信方式：zhoushi@sipo.gov.cn。

引 言

膜分離技術(shù)是通過(guò)特定的膜的滲透作用，借助外界能量（如電能、化學(xué)位差能等）的推動(dòng)，對(duì)兩組分或多組分混合的分子水平上不同粒徑的氣體或液體分子進(jìn)行選擇，從而使兩種或兩種以上的單位分離開來(lái)，或達(dá)到分級(jí)、濃縮以及富集的效果[1-2]。膜分離技術(shù)作為一種新興的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，在食品[3]、藥品[4]和生物工程[5]等領(lǐng)域顯示出極大的優(yōu)越性。由于與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，不僅避免了熱組分受熱變形而混入，也同時(shí)有高效、低耗等優(yōu)勢(shì)，因此被譽(yù)為21世紀(jì)中葉最有發(fā)展前途的一項(xiàng)重大發(fā)展技術(shù)的膜分離技術(shù)，自誕生之日起已顯示出強(qiáng)大的生命力，早已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[6]。

一 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)

膜分離技術(shù)較其他一般傳統(tǒng)的分離方法相比，具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)[7-8]：

1.因?yàn)椴恍枰訜幔虼诉m用于一些熱敏性物料的分離與濃縮；

2.由于在閉合的系統(tǒng)中進(jìn)行，可以減少染菌、染雜的機(jī)會(huì)，這為它在生物化工、食品化工中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；

3.由于在分離過(guò)程中無(wú)相變化，因此能耗低；

4.可以回收濃縮稀溶液中的一些有用物質(zhì)；

5.膜分離過(guò)程一般不會(huì)改變被處理物料的性質(zhì)，因而適用于一些生理活性物質(zhì)的分離與濃縮。

二 膜分離技術(shù)分類與應(yīng)用

膜分離技術(shù)發(fā)展迅猛，膜按材料可分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜；按結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱膜和不對(duì)稱膜；按驅(qū)動(dòng)力分類可分為有孔膜、無(wú)孔膜及有反應(yīng)性官能團(tuán)作用的膜。依據(jù)膜分離技術(shù)及其分離物質(zhì)范圍，膜種類和驅(qū)動(dòng)力的差別，本文將對(duì)各種基層膜分離技術(shù)做應(yīng)用與分類的闡述。

1.微孔過(guò)濾

微孔過(guò)濾技術(shù)是指在約7kPa的壓力作用下，使純凈氣體或溶液穿過(guò)微孔膜進(jìn)入另一側(cè)，因而分離去除如二氧化硅、細(xì)菌等懸浮物。微孔過(guò)濾一般應(yīng)用于一級(jí)純凈水的制備及空氣凈化方面，是現(xiàn)行工業(yè)中膜技術(shù)應(yīng)用最廣且最成熟的技術(shù)。

2.超過(guò)濾

超過(guò)濾是指在約700kPa的壓差下，主要依靠物理的篩分作用，使要分離的物料穿過(guò)半透膜進(jìn)入另一側(cè)。它介于微濾和納濾之間，膜孔徑范圍是1nm～0.05μm，可除去小直徑生物質(zhì)、膠體以及大分子量的分子[9-10]。超過(guò)濾技術(shù)主要應(yīng)用于無(wú)菌液體的制備、生物制劑的分離、超純水的制備以及空氣的過(guò)濾、生物及微生物的檢測(cè)等方面。超過(guò)濾技術(shù)研究的發(fā)展方向在廉價(jià)、長(zhǎng)壽命的膜的制備上，尤其在石油工業(yè)方面，制備抗溶劑的膜，具有很大的研究空間。

3.反滲透

用半透膜將兩種不同物質(zhì)濃度的溶液隔開時(shí)，容積自濃度低的一側(cè)，穿過(guò)半透膜遷移到濃度較高的一側(cè)，本身就具有滲透壓，這種現(xiàn)象為滲透。如外加反向壓力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滲透壓，會(huì)使溶劑自濃溶液側(cè)向稀溶液側(cè)遷移，這是反滲透。其壓差大約在1～10MPa，可分離出無(wú)機(jī)鹽之類的小分子類物質(zhì)，滲透壓隨著濃度增加而迅速上升。反滲透與超過(guò)濾的差別在于壓差和膜孔尺寸不同，所以所分離物質(zhì)的種類和大小不同，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，在現(xiàn)代工業(yè)中，反滲透技術(shù)主要應(yīng)用于超純水預(yù)處理、城市污水（含重金屬、油污）等方面。

反滲透、超濾與微濾都是以壓力差為驅(qū)動(dòng)力，所用的膜的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)，以及分離規(guī)律的數(shù)學(xué)模型卻大不相同。

4.滲析

滲析主要利用濃度差為驅(qū)動(dòng)力，利用篩分和吸附原理，通過(guò)膜進(jìn)行選擇性擴(kuò)散，應(yīng)用于從大分子溶液中分離低分子組分。主要用于大分子量膠體物質(zhì)的分離與提純。常用于將能夠擴(kuò)散通過(guò)膜的低分子量溶質(zhì)與不能通過(guò)膜的高分子量或膠態(tài)溶劑分離開來(lái)。為了提高驅(qū)動(dòng)力，增強(qiáng)滲析效率，常常應(yīng)用電滲析技術(shù)作為替代，此技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、輕工、冶金、造紙、海水淡化、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。近年在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，氨基酸、蛋白質(zhì)與血清的提純過(guò)程中，滲析技術(shù)得到了很高的重視[11]。

5.納濾

作為在近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型的膜分離技術(shù)，與反滲透相比，其操作壓力更低，故又被稱作“低壓反滲透”。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來(lái)，如CA膜、CTA膜和芳族聚酰胺復(fù)合膜等，其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，因而對(duì)無(wú)機(jī)鹽具有一定的截留率。納濾膜擁有1nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，截留分子量約為200～2000。由于納濾能使有機(jī)溶質(zhì)得到同步濃縮和脫鹽，在滲透過(guò)程中溶質(zhì)損失極少。納濾膜能截留易透過(guò)超濾膜的那部分溶質(zhì)，又可使被反滲透膜所截留的鹽透過(guò)，同時(shí)又具有很好的熱穩(wěn)定性、耐酸、堿和耐溶劑等優(yōu)良性能，尤其應(yīng)用于超純的化學(xué)試劑的制備方面，是當(dāng)代最先進(jìn)的工業(yè)分離膜技術(shù)。

6.氣體膜分離

氣體膜分離技術(shù)以靜壓差為驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)混合氣體中各組分透過(guò)膜的傳遞速率不同，依靠孔隙尺寸選擇性地分離出不滲透的氣體。廣泛應(yīng)用于空氣中富氧、濃氮、天然氣分離等領(lǐng)域。在近年來(lái)，氣體分離技術(shù)的研究重點(diǎn)在研制較薄皮層厚度（5μm下）的膜、開發(fā)多重選擇性的膜材料、對(duì)膜的超薄皮層進(jìn)行活化處理等技術(shù)方面。在化工方面，氣體膜分離技術(shù)也有很好的應(yīng)用前景。目前，氣體分離膜的研究主要集中在富氧膜，要求分離膜具備高透過(guò)性以及高選擇性。

7.滲透蒸發(fā)

滲透蒸發(fā)作為一種有相變化的膜分離過(guò)程，利用溶液的吸附擴(kuò)散原理，以膜兩側(cè)的蒸汽壓差（0～100kPa）作為推動(dòng)力，使一些組分首先選擇性溶解在膜料液的側(cè)表面，再擴(kuò)散透過(guò)膜，最后在膜透過(guò)側(cè)表面汽化，而一些不易溶解組分或較大較難揮發(fā)的組分被截留從而達(dá)到分離的目的。近年來(lái)，滲透蒸發(fā)技術(shù)的研究重點(diǎn)在具有較好抗溶解性能的膜組件及用于有機(jī)物之間分離的膜技術(shù)方面。

三 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，膜分離技術(shù)作為一種新型的分離不同相、分子量的物質(zhì)操作技術(shù)，在技術(shù)進(jìn)步、污染治理及節(jié)能減耗方面日趨顯示出強(qiáng)大的生命力。盡管膜分離技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，但也有其技術(shù)瓶頸所在：膜產(chǎn)品的價(jià)格、膜污染、更高效提升膜分離性能都亟須改善。隨著膜分離技術(shù)日趨成熟的發(fā)展，上述問(wèn)題將會(huì)找到更好的解決方法。

近年來(lái)發(fā)展的膜蒸餾、膜萃取、親和膜分離、膜反應(yīng)等綜合膜分離技術(shù)體現(xiàn)了膜技術(shù)發(fā)展的主要方向。作為一門在其他各學(xué)科交叉結(jié)合的基礎(chǔ)上形成的較為完整的學(xué)科，膜分離技術(shù)將會(huì)在人類社會(huì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上大放異彩。

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