膜分離技術(shù)概述

王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

膜分離技術(shù)概述

王小強 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 新疆 庫爾勒 841000)

介紹了膜分離技術(shù)的發(fā)展概況、應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了它的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

膜分離；發(fā)展趨勢；應(yīng)用現(xiàn)狀

一、膜分離的概念及特點

用天然或人工合成的高分子薄膜,以界能量或化學(xué)位差為推動力,對雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的方法統(tǒng)稱為膜分離方法[1]。遍觀各種膜分離過程,現(xiàn)代膜分離技術(shù)具有如下特點[2]:①膜分離過程是在常溫下進行,特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級、提純和濃縮,并可保持產(chǎn)品的色、香、味及營養(yǎng)成分。②膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)的過程中不發(fā)生相變,無二次污染,能耗低,并具有冷殺菌潛勢,且分離效率高。③膜分離范圍廣,適用于許多特殊溶液體系的分離。④膜分離多以壓力作為推動力,故分離裝置簡單,操作容易,易自控,維修方便,且在閉合回路中運轉(zhuǎn),減少了空氣中氧的影響。

二、膜分離技術(shù)概述

(一)微濾

微濾主要是根據(jù)篩分原理以壓力差作為推動力的膜分離過程。在給定壓力下[(50～100)kPa],溶劑、鹽類及大分子物質(zhì)均能透過孔徑為(0.1～20)μm的對稱微孔膜,只有直徑大于50nm的微細顆粒和超大分子物質(zhì)被截留,從而使溶液或水得到凈化。微濾技術(shù)是目前所有膜技術(shù)中應(yīng)用最廣、經(jīng)濟價值最大的技術(shù)。主要用于懸浮物分離、制藥行業(yè)的無菌過濾等。在微濾方面今后應(yīng)著重研究開發(fā)廉價膜組件;耐高溫抗溶劑的膜及組件;不污染,易清洗的長壽命膜

(二)超濾

超濾和微濾一樣,也是利用篩分原理以壓力差為推動力的膜分離過程。同微濾過程相比超濾過程受膜表面孔的化學(xué)性質(zhì)的影響較大。在一定的壓力[(100～1 000)kPa]條件下溶劑或小分子量的物質(zhì)透過孔徑為(1～20)μm的對稱微孔膜,而直徑在(5～100)nm之間的大分子物質(zhì)或微細顆粒被截留,從而達到了凈化的目的。超濾主要用于濃縮、分級、大分子溶液的凈化等。在超濾方面今后應(yīng)重點開發(fā)抗污染膜;比較廉價的,長壽命的膜組件;低能耗的膜組件;抗溶劑的膜及組件;適用于高溫、高pH值和抗氧化的膜。

(三)反滲透

反滲透過程主要是根據(jù)溶液的吸附擴散原理,以壓力差為主要推動力的膜過程。在濃溶液一側(cè)施加一外加壓力[(1 000～10 000)kPa],當(dāng)此壓力大于溶液的滲透壓時,就會迫使?jié)馊芤褐械娜軇┓聪蛲高^孔徑為0.1～1 nm的非對稱膜流向稀溶液一側(cè),這一過程叫反滲透。反滲透過程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。在這方面今后應(yīng)優(yōu)先發(fā)展抗氧化膜;耐細菌侵蝕的膜;透水性好的易清洗、消毒的膜。

(四)納濾

納濾是膜分離技術(shù)的一個新興領(lǐng)域,納濾膜(Nanofiltration Membranes)是20世紀80年代末期問世的一種新型分離膜,其截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間,約為200～2 000,由此推測納濾膜可能擁有1 nm左右的微孔結(jié)構(gòu),故稱之為“納濾”。納濾膜大多是復(fù)合膜,其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成,因而對無機鹽具有一定的截留率。目前國外已經(jīng)商品化的納濾膜大多是通過界面縮聚及縮合法在微孔基膜上復(fù)合一層具有納米級孔徑的超薄分離層。納濾也是根據(jù)吸附擴散原理以壓力差作為推動力的膜分離過程。它兼有反滲透和超濾的工作原理。在此過程中,水溶液中低分子量的有機溶質(zhì)被截留,而鹽類組分則部分透過非對稱膜。納濾能使有機溶質(zhì)得到同步濃縮和脫鹽,而在滲透過程中溶質(zhì)損失極少。納濾膜能截留易透過超濾膜的那部分溶質(zhì),同時又可使被反滲透膜所截留的鹽透過,堪稱為當(dāng)代最先進的工業(yè)分離膜。由于它具有熱穩(wěn)定性、耐酸、堿和耐溶劑等優(yōu)良性能,所以在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的用途,隨著納濾分離技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生化行業(yè)的各種分離、精制和濃縮過程,納濾膜分離機理的研究也成為當(dāng)今膜科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。

(五)滲析

滲析也稱透析是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的膜現(xiàn)象。它是根據(jù)篩分和吸附擴散原理,主要利用膜兩側(cè)的濃度差使小分子溶質(zhì)通過對稱微孔膜進行交換,而大分子被截留的過程。滲析主要用于從大分子溶液中分離低分子組分。由于超濾技術(shù)的發(fā)展,滲析技術(shù)正逐漸被取代。但是近年來,血液滲析技術(shù)的發(fā)展使?jié)B析技術(shù)得到重視,血液滲析和血液超濾技術(shù)互有補充,各有側(cè)重。

(六)電滲析

電滲析是膜分離技術(shù)中較為成熟的一項技術(shù),它的原理是利用離子交換和直流電場的作用,從水溶液和其他一些不帶電離子組分中分離出小離子的一種電化學(xué)分離過程。電滲析用的是離子交換膜,這一膜分離過程主要用于含有中性組分的溶液的脫鹽及脫酸。

(七)氣體分離

氣體分離技術(shù)在20世紀90年代得到巨大的發(fā)展,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于空氣中富氧、濃氮、天然氣分離等領(lǐng)域。它的基本原理是利用溶液的溶解和吸附擴散原理,以靜壓差[(1 000～15 000)kPa]作為推動力,根據(jù)混合氣體中各組分透過膜的傳遞速率的不同而進行分離的過程。氣體分離過程用的是一種均聚物制成的非對稱膜,這一過程主要用于氣體及蒸汽的分離。隨著膜材料的進一步發(fā)展,氣體分離這種高效經(jīng)濟的技術(shù)將得到改進,將會有更大的發(fā)展。今后在這方面開發(fā)的重點是:研制皮層厚度小于5 000 nm的膜;開發(fā)高選擇性的膜材料;對膜的超薄皮層進行活化處理等。

[1]高福成等.現(xiàn)代食品工程高新技術(shù)[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,1997.346～37

[2]高以火亙.高速發(fā)展的膜分離技術(shù)[J].食品工業(yè)科技,1997,(5):781991,3.

王小強(1987—)，男，漢族，安徽渦陽人，助理工程師，新疆巴音郭楞蒙古自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，研究方向：化學(xué)分析。