膜分離技術(shù)及其應(yīng)用

朱鋆珊，馬 平，郭 麗

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膜分離技術(shù)及其應(yīng)用

朱鋆珊，馬 平，郭 麗

（銀川能源學(xué)院，寧夏，銀川，750105）

膜分離屬于傳質(zhì)分離中的速率分離，與精餾、吸收等傳統(tǒng)分離技術(shù)不同，屬于一種新型的分離技術(shù)，由于其優(yōu)異的性能近年來在人們生產(chǎn)和生活中應(yīng)用非常廣泛。主要介紹了膜分離技術(shù)在水處理、食品、醫(yī)藥和保健、化工和石油化工等方面的應(yīng)用。并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

膜分離；水處理；食品；醫(yī)藥；化工

1 前言

膜分離技術(shù)由于具有可常溫下進(jìn)行、不發(fā)生相變化、能耗低，適應(yīng)對(duì)象廣泛，操作容易、裝置簡單、易于自動(dòng)控制和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水處理、食品、醫(yī)藥和保健、化工和石油化工等行業(yè)。膜技術(shù)的發(fā)展使膜工藝成本不斷降低，隨著能源短缺、環(huán)境污染、水資源短缺等問題的不斷突出，使得該技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。同時(shí)，也將會(huì)對(duì)節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)等方面做出重大貢獻(xiàn)。

2 膜分離技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在水處理方面的應(yīng)用

2.1.1 飲用水處理

水體污染隨著工業(yè)的發(fā)展日益嚴(yán)重，沉淀式濾水法、煮沸、臭氧殺菌等傳統(tǒng)的水處理技術(shù)，已不能滿足人們對(duì)飲用水質(zhì)量的需求[2]。膜分離技術(shù)處理飲用水主要是去除水中的有害物質(zhì)（如細(xì)菌、病菌等），并過濾懸浮物。將微濾、超濾、納濾、反滲透等膜分離技術(shù)用于飲用水處理工作中，不僅過濾作用強(qiáng)大，還能除去水中納米級(jí)顆粒，對(duì)提升飲用水水質(zhì)效果良好，近年來在凈水器領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

裴亮等[3,4]采用聚合氯化鋁混凝與超濾膜聯(lián)用技術(shù)凈化微污染水，考察該工藝凈化COD、氯離子、濁度和鐵離子的效果。結(jié)果表明，混凝與超濾聯(lián)用技術(shù)不僅對(duì)有機(jī)物、氯離子、濁度以及鐵離子凈化效果良好，且該工藝運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 海水淡化方面

淡水資源短缺已經(jīng)成為世界性的難題，各個(gè)國家和地區(qū)致力于海水淡化的研究，通過不斷提高海水有效利用率，來緩解水資源短缺的現(xiàn)狀。在海水淡化方面膜分離技術(shù)主要有節(jié)能和高脫鹽兩個(gè)方面。正滲透膜分離技術(shù)具有低能耗、低污染、高回收的特點(diǎn)，目前已在海水淡化、污水凈化和能源等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展[5]。反滲透海水淡化技術(shù)是一種高效、節(jié)能、先進(jìn)的液體分離技術(shù)，在脫鹽領(lǐng)域成為重要的主流技術(shù)，其突出的特點(diǎn)是成本低[6]。

2.1.3 工業(yè)廢水方面

水是人類賴以生存的基礎(chǔ)，水資源更是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[7]。水污染嚴(yán)重，水質(zhì)型缺水更加劇了水資源的短缺。

洪磊等[8]針對(duì)煤氣化高濃污水含量高有機(jī)難降解物質(zhì)、油含量高、固體懸浮顆粒多，處理難度大的問題，以復(fù)合酸為破乳劑除油協(xié)同膜過濾工藝對(duì)煤氣化高含量污水進(jìn)行除油除塵前處理實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法對(duì)水中的油和固體懸浮顆粒的去除率達(dá)到85%，99%以上，有效解決酚氨回收熱交換器堵塞問題，提高酚回收率15%左右，為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)。

劉華云[9]利用反滲透膜和超濾相組合的分離工藝來處理丙烯睛廢水，重點(diǎn)研究了反滲透膜不同型號(hào)、不同工藝參數(shù)等對(duì)處理效果的影響，并對(duì)其處理穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在一級(jí)和二級(jí)反滲透膜為陶氏反滲透膜，進(jìn)水溫度控制在30 ℃以下，pH值在調(diào)節(jié)為9.6~10.6時(shí)，廢水的化學(xué)需氧量(COD)下降率達(dá)到83.4%，氰根去除率達(dá)到51.1%，經(jīng)過6個(gè)月的穩(wěn)定性試驗(yàn)，氰根平均去除率在71%以上，出水油質(zhì)量濃度小于5 mg/L，COD平均下降率在81%以上。通過對(duì)反滲透膜進(jìn)出水中的無機(jī)離子成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)丙烯睛廢水中無機(jī)鐵離子和300~400 nm的有機(jī)物組分是造成膜污染的重要原因。膜技術(shù)處理丙烯睛廢水裝置運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，初步分析每噸廢水可減少運(yùn)行成本7.5元，跟目前傳統(tǒng)方法相比，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，膜分離技術(shù)在含油廢水的處理中也取得了良好的應(yīng)用效果[10]。Chen等[11]利用改性聚丙烯微濾膜對(duì)含油廢水進(jìn)行處理，通量在2 000 L/(m2·h)時(shí)，截留率保持在99%以上，處理效果較佳。Zhang等[12]利用改性后的聚偏氟乙烯超濾膜對(duì)含油廢水進(jìn)行處理，通量在3 415 L/(m2·h)時(shí)，截留率達(dá)到99.95 %，應(yīng)用效果良好。

2.2 在食品方面的應(yīng)用

張曉輝等[13]以小麥粉酶解液為對(duì)象，采用超濾純化手段分離制備高純度谷朊粉。通過正交實(shí)驗(yàn)，確定了最優(yōu)組合條件，壓力為0.25 MPa，pH為6.0，固液比為3%，溫度為25 ℃下，谷阮粉純度為83.23%。

菊粉酶解制備低聚果糖（FOS）過程中，酶解液中通常含有一定量的單糖、蔗糖和未酶解完全的菊粉；劉彬等[14]為了制備高純度低聚果糖，酶解液先后經(jīng)超濾（除去未完全酶解的菊粉）和大孔吸附樹脂純化（分離FOS、單糖和蔗糖）處理。因此，探討超濾技術(shù)最佳工藝參數(shù)，比較4種樹脂（CSR-1Na、CSR-2Na,CSR-3Na,CSR-1Ca）對(duì)FOS的純化效果，選擇最佳樹脂并對(duì)其純化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，超濾技術(shù)的最佳操作工藝參數(shù)為:操作壓差1.0 MPa·循環(huán)流量2 L/min，pH 6.0；該條件下，超濾的滲透通量為10.8 L/(m2·h)，F(xiàn)OS透過率為93.7%，純度為63.84%。CSR-1Na型樹脂對(duì)FOS的純化效果較好；大孔樹脂最佳純化工藝參數(shù)為：操作溫度60 ℃，體積流速1.5 mL/min，操作pH =6.0～6.5；該條件下FOS（純度大于95%）的回收率為83.26% 。

熊福軍等[15]采用膜集成技術(shù)從桅子果實(shí)中提取桅子黃色素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用50 nm陶瓷膜對(duì)桅子果實(shí)提取液進(jìn)行過濾除雜，通量比較穩(wěn)定，達(dá)到253 L/(m2·h)。陶瓷膜清液澄清透明后。采用3 000 Da分子量超濾膜進(jìn)行色素和梔子苷的分離純化，在濃縮倍數(shù)14，添加4倍洗水條件下，可使溶液中OD值降到0.24。最后采用納濾膜對(duì)純化后的桅子黃色素進(jìn)行濃縮10倍，可使冷凍干燥后的桅子黃色素色價(jià)可達(dá)到402，OD值小于0.24，達(dá)到出口國際水平標(biāo)準(zhǔn)。

許學(xué)書等[16]以干酪素酶解產(chǎn)物為介質(zhì)對(duì)膜分離進(jìn)行了研究。討論了堿性和中性條件下膜分離過程中膜兩側(cè)濃度、流通量和總氮截留率的變化。發(fā)現(xiàn)pH值低污染度高，截留分子量大的膜污染度大。用0.1mol/L的氫氧化鈉和5 mL/L的84消毒液浸泡洗滌可使膜的水通量恢復(fù)94%。在干酪素水解液的超濾中，阻力主要來自于凝膠層。凝膠層的阻力比膜阻力大1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.3 在醫(yī)藥和保健方面的應(yīng)用

彭艷梅等[17]采用不同截留分子的膜單元，對(duì)不同工藝環(huán)節(jié)中的藥液進(jìn)行膜分離，以齊墩果酸量、藥液澄明度、成品得率為指標(biāo)，考察不同膜單元對(duì)不同工藝環(huán)節(jié)中的藥液膜分離效果的影響。通過中試放人，選擇型號(hào)為24 126號(hào)膜單元和22 557號(hào)膜單元組合，具有較好的膜分離效果；控制藥液溫度10~40 ℃,壓力0.1~0.35 MPa、一級(jí)膜濾出料體積流量1.4 L/min，二級(jí)膜濾出料體積流量13.6 L/min操作參數(shù)，得到澄清透亮紅棕色液體，主要有效成分齊墩果酸損失約14%，成品得率提高了12.6%；經(jīng)抗炎、抑菌主要藥效學(xué)試驗(yàn)比較，兩者療效無顯著性差異(> 0.05)。膜分離技術(shù)應(yīng)用于喉咽清口服液純化工藝基本可行。

汪陳平等[18]以理化分析、保健成分含量、感官、穩(wěn)定性、保健作用作為考察指標(biāo)，比較分析研究了膜分離技術(shù)在保健酒生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，膜分離技術(shù)的應(yīng)用降低了保健酒干浸出物含量與貨架期沉淀風(fēng)險(xiǎn)，提高了保健成分含量，改善了酒體風(fēng)格，不僅起著緩解體力疲勞作用，而且還顯著降低了血清尿素氮水平。

翟小玲等[19]將膜分離技術(shù)應(yīng)用于痔炎消顆粒的分離純化，改善水提醇沉工藝耗用乙醇多、生產(chǎn)成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大的缺陷。采用以膜通量、干膏收率和蘆丁含有量轉(zhuǎn)移率為指標(biāo)，優(yōu)化無機(jī)陶瓷膜和超濾膜的膜濾工藝。結(jié)果表明，選擇孔徑為0.2 μm的無機(jī)陶瓷膜，溫度40~50 ℃，操作壓力0.10~0.12 MPa的條件以及截留相對(duì)分子質(zhì)量為100 000的管式超濾膜。在溫度30~35 ℃，操作壓力0.30~0.40 MPa的條件下，能夠有效減少痔炎消顆粒中的雜質(zhì)，同時(shí)較好地保留有效成分。采用膜分離技術(shù)替代痔炎消顆粒的水提醇沉工藝時(shí)，既能避免醇沉工藝的缺陷，又能有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

應(yīng)用膜分離技術(shù)分離濃縮土瞥蟲、全蝎勻漿提取液中的蛋白質(zhì)和多膚類成分。陳卉等[20]采用高壓平板膜，考察不同孔徑超濾膜及操作壓力對(duì)膜分離指標(biāo)的影響，比較納濾膜與反滲透膜對(duì)多肽蛋白膜分離液的濃縮效果，優(yōu)選最佳膜濃縮操作壓力。確定最佳膜分離濃縮工藝條件為：土鱉蟲、全蝎勻漿提取液在2 MPa的操作壓力下采用截留相對(duì)分子量（Mr）5.0×104超濾膜進(jìn)行分離，收集膜分離液，在4 MPa操作壓力下通過截留Mr 200的納濾膜進(jìn)行濃縮，得到膜濃縮液。膜分離濃縮前后蛋白多肽類成分的總轉(zhuǎn)移率為（85.540.30）%。膜濃縮液經(jīng)冷凍干燥，得凍干品純度為（55.720.86）%。

2.4 膜分離技術(shù)在化工和石油化工中的應(yīng)用

唐津蓮等[21]采用以硅橡膠-聚砜中空纖維復(fù)合膜制成膜組件的小型煙氣膜分離裝置，考察了煙氣溫度、氣體流速和壓力等工藝條件對(duì)S Zorb模擬煙氣膜分離的影響。結(jié)果表明，膜兩側(cè)壓差是N2來源尾氣的收率和N2純度的主要影響因素，受溫度影響不大，而入膜氣適宜流速也主要受壓力制約。在膜厚為0.012 cm的S Zorb 煙氣膜分離的適宜的工藝條件：煙氣溫度為(3015)℃、膜兩側(cè)壓差為(0.400.02)MPa下，SO2/N2的分離系數(shù)為2.7，滲透氣中SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10.5%左右，可送入Claus裝置進(jìn)行硫磺同收，而尾氣的體積收率約為60%。尾氣中SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.5%，可以作為N2回用于S Zorb裝置。

揚(yáng)子石化乙二醇裝置通過增設(shè)膜分離回收乙烯單元，對(duì)含有23%左右的循環(huán)氣排放氣進(jìn)行了回收。通過分析乙二醇裝置膜分離回收乙烯單元的原理、優(yōu)點(diǎn)和影響因素，并通過測(cè)算表明，揚(yáng)子石化乙二醇裝置膜分離回收乙烯單元乙烯的回收率在80%以上，侮年可減少乙烯損失287.8 t，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益[22]。

為提濃回收利用低分氣中的氫氣，中國石油長慶石化公司在加氫裂化裝置上設(shè)置了Prism膜分離單元。標(biāo)定結(jié)果表明，自2010年建成投產(chǎn)以來，Prism膜分離單元已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了4年多；膜系統(tǒng)的實(shí)際處理能力為4 600～5 500 m3/h，比設(shè)計(jì)指標(biāo)低1 500～2 400 m3/h；雖然產(chǎn)品氫(滲透氣)中H2的體積分?jǐn)?shù)只有約92%（比設(shè)計(jì)指標(biāo)低約6個(gè)百分點(diǎn)），但完全能滿足加氫裂化裝置的用氫要求；氫回收率大于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的88%[23]。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種材料和用途的膜不斷出現(xiàn)，膜分離技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益愈來愈大，發(fā)展前景也越來越廣闊。同時(shí)，膜分離技術(shù)也不斷與其他生產(chǎn)工藝結(jié)合起來（如精餾與膜分離耦合技術(shù)），成為許多生產(chǎn)工藝中必不可少的一部分。

由于技術(shù)和成本所限，膜分離技術(shù)的應(yīng)用在許多方面離產(chǎn)業(yè)化要求還有很長的距離，但是隨著研究的不斷深入，新型膜材料的不斷開發(fā)，膜分離技術(shù)將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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The Membrane Separation Technology and Its Application

（Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750105, China）

Membrane separation belongs to the rate separation in the mass transfer separation, and is different with traditional separation technologies, such as distillation, absorption. The membrane separation as a kind of new separation technology is widely applied in the production and life in recent years because of its excellent performance. In this paper, application of the membrane separation in water treatment, food, medicine and health care, chemical and petrochemical and other fields was mainly introduced. And its development prospect was also discussed.

Membrane separation; Water treatment; Food; Medicine; Chemical

TQ 028.8

A

1671-0460（2017）06-1193-03

銀川能源學(xué)院教改項(xiàng)目（2016-JG-X-05）。

2016-11-29

朱鋆珊（1988-），女，吉林樺甸人，助教，2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：從事化學(xué)工程方面研究。E-mail：502952421@qq.com。