膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

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(jìn)展

王 檑 蒙義舒

(廣西冶金研究院有限公司)

針對(duì)膜分離技術(shù)的分離機(jī)理、基本特性和分離膜的種類(lèi)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)，指出了膜分離技術(shù)當(dāng)前存在的問(wèn)題，展望了膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

膜分離技術(shù) 應(yīng)用 發(fā)展趨勢(shì)

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(shí)現(xiàn)料液不同組分之間的分離、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分離。膜分離工藝過(guò)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(kuò)散系數(shù)的差異以及靜電場(chǎng)作用力等要素，強(qiáng)化了分離與傳質(zhì)的過(guò)程，同時(shí)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(jí)過(guò)濾等特征，以及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制的特點(diǎn)。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(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)不同介質(zhì)分離的技術(shù)，分離的過(guò)程多由壓力、濃度、電勢(shì)差異等因素驅(qū)動(dòng)，用以實(shí)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(jiǎn)單的。在濃縮過(guò)濾過(guò)程中料液通過(guò)加壓，以一定的流速沿著分離膜的表面流過(guò)，大于分離膜截留分子量的物質(zhì)分子不能透過(guò)膜而流回料罐，小于分離膜截留分子量的物質(zhì)分子透過(guò)膜，形成透析液。通常，膜分離系統(tǒng)都有兩個(gè)出口，一個(gè)是透析液出口，另一個(gè)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(guò)程是一個(gè)單純的物理分離過(guò)程，具有無(wú)相變化、低能耗、可拆分、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，對(duì)膠體、懸浮顆粒、色度、濁度、細(xì)菌、大分子有機(jī)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(yùn)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(jī)物種類(lèi)，可依據(jù)有機(jī)物分子量的不同，選擇不同的分離膜及相對(duì)應(yīng)的分離工藝，最終達(dá)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(yùn)行成本。

1.3 分離膜的種類(lèi)

分離膜是一種具有選擇性透過(guò)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(jī)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(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。無(wú)機(jī)膜主要有陶瓷膜和金屬膜，具有過(guò)濾精度低，選擇性小的特點(diǎn)；有機(jī)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(jìn)行水處理已有報(bào)道。反滲透和納濾膜設(shè)備具有簡(jiǎn)單、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、適應(yīng)范圍廣、自動(dòng)化程度高和出水質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)脫除，同時(shí)截留水中的污染物以及無(wú)機(jī)鹽、糖類(lèi)、氨基酸等[4]。

2.1.1 在生活用水處理中的應(yīng)用

近年來(lái)，膜分離工藝技術(shù)的運(yùn)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(jì)90年代非加壓吸附滲透海水淡化法推廣應(yīng)用以來(lái)，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(jiǎn)單、易于維護(hù)和設(shè)備模塊化等優(yōu)點(diǎn)使其迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，且其產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大[7]。因此，有專(zhuān)家甚至認(rèn)為反滲透海水淡化技術(shù)基本可代表一個(gè)國(guó)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?gòu)U水主要來(lái)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?gòu)U水[8]。膜分離技術(shù)在工業(yè)廢水深度處理過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，在降低污染的同時(shí)變廢為寶，實(shí)現(xiàn)水資源的綜合回用，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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(jì)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(guò)程的各個(gè)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(jiàn)[9]。

膜分離工藝與傳統(tǒng)的分離方法相比，在減化了分離過(guò)程，降低了成本的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了提高。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯锓磻?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(wú)機(jī)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(jìn)步，利用膜分離工藝簡(jiǎn)化石油化工流程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與清潔生產(chǎn)改造，對(duì)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(wèn)題

膜分離過(guò)程的典型操作特征是間歇性的，其滲透性會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降，且其在使用過(guò)程中都會(huì)遇到污染問(wèn)題。膜污染是指在膜過(guò)濾過(guò)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(jī)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(guò)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(lèi)，廢水中的有機(jī)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(shì)

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(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著人們意識(shí)的提高以及科技的進(jìn)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(huì)不斷降低。但與發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)化等方面還存在較大的差距。目前、我國(guó)膜分離發(fā)展急需解決的問(wèn)題有以下幾個(gè)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。例如納米科技、生物技術(shù)、自動(dòng)化控制等技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)兩者的有機(jī)結(jié)合，可以衍生出許多新興行業(yè)，重點(diǎn)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(dòng)膜分離技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

未來(lái)，我國(guó)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(jìn)行優(yōu)化組合，使我國(guó)的分離技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域步入一個(gè)新的階段[11]。

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

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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(zhǎng)堽路40號(hào)。