探秘“膜”界

編者按

說到膜，大家可能會(huì)立刻想到手機(jī)貼膜、保鮮膜、塑料薄膜等，總之就是薄薄的、透明的那種。不過，今天我們要說的可不是這些膜，而是一種充滿著神秘感的科技之膜。從外觀看，它長(zhǎng)得跟普通的薄膜差不多，但它內(nèi)在有著無(wú)可限量的強(qiáng)大本領(lǐng)，是科學(xué)家競(jìng)相研究的對(duì)象。那么，它究竟神奇在哪里？請(qǐng)隨我們進(jìn)入“膜”界一探究竟。

這里所說的“膜”界可沒有什么妖魔鬼怪，而是指有著無(wú)數(shù)個(gè)小孔的膜——一種有選擇性分離功能的材料。如果把膜放在高倍電子顯微鏡下，我們便可以直觀地看到不同的膜上存在著大大小小的“孔”，有的孔徑甚至不到頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一。各種膜正是根據(jù)不同的孔徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)料液不同組分的分離、純化和濃縮，這就是近年來(lái)在我國(guó)快速發(fā)展起來(lái)的膜分離技術(shù)。膜分離技術(shù)的原理是：在外力的作用下，比孔小的分子物質(zhì)通過薄膜，比孔大的分子物質(zhì)則被截留在膜的另一側(cè)，從而達(dá)到物質(zhì)分離的效果。不過，納濾除了可以截留篩分外，因其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，與離子可產(chǎn)生靜電相互作用，因此具有更佳的選擇分離性。

“膜”界歷史

其實(shí)，“膜”界早在270多年前就已發(fā)端萌芽。1748年，耐克特發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，由此發(fā)現(xiàn)了滲透現(xiàn)象。1861年，施密特首先提出了超濾的概念。1961年，米切利斯等人用高分子電介質(zhì)混合物制成了可截留不同分子的超濾膜，隨后得到了商業(yè)化應(yīng)用。1967年，中空纖維反滲透膜組件和平板式反滲透膜組件研制成功，并開始工業(yè)化。

我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始探索膜技術(shù)，70年代逐漸對(duì)電滲析、超濾、反滲透等進(jìn)行研究開發(fā)，80年代進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。隨著我國(guó)膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的學(xué)術(shù)、技術(shù)團(tuán)體也相繼成立。經(jīng)過多年的努力，目前我國(guó)在膜分離技術(shù)的研究方面涌現(xiàn)出了一批具有實(shí)用價(jià)值、接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，我國(guó)自主研發(fā)的膜分離技術(shù)已逐漸在各個(gè)行業(yè)開花結(jié)果。

“膜”界成員

膜從形態(tài)上來(lái)說可以是固態(tài)的、液態(tài)的甚至是氣態(tài)的，也可以是帶電的或中性的，目前使用的絕大多數(shù)是固相膜。按膜的結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱膜、非對(duì)稱膜，非對(duì)稱膜是最廣泛的一種分離膜，分為相轉(zhuǎn)化膜、復(fù)合膜兩類。膜分離技術(shù)根據(jù)膜孔徑的大小，一般可分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）等。微濾可以將直徑為0.05～10μm的粒子與其他溶液分離，超濾分離的是大分子或直徑大于0.10μm的微粒，反滲透膜用于截留溶液中的鹽及其他小分子物質(zhì)，納濾則介于超濾和反滲透之間，可以分離分子量為幾百到幾千的溶質(zhì)。隨著膜孔徑減小，膜阻力越來(lái)越大，篩分作用越來(lái)越小，操作壓力越來(lái)越高，膜通量越來(lái)越小。

常見的膜材料有纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類、芳香雜環(huán)類、離子性聚合物、乙烯基聚合物等，其中聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）等因其優(yōu)越的機(jī)械、化學(xué)性能越來(lái)越受到行業(yè)的關(guān)注。除了膜材料外，其制備工藝對(duì)分離膜的性能也十分重要。即便是同樣的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別也很大。目前國(guó)內(nèi)外制膜方法中最常用的是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合法。工業(yè)上常用的膜組件形式主要有板框式、螺旋卷式、圓管式、毛細(xì)管式和中空纖維式5種，前兩種使用平板膜，后三者均使用管式膜。

“膜”界魔法

別看它們只是薄薄的一層膜，本領(lǐng)可是堪比各路神仙，儲(chǔ)電、凈水、制作美食、醫(yī)療、石油化工、生物工程、環(huán)保行業(yè)都有它在大顯身手。與傳統(tǒng)的精餾、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶等分離工藝相比，膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、工藝過程簡(jiǎn)單、投資少、綠色安全、污染小等優(yōu)點(diǎn)，可以說是對(duì)傳統(tǒng)分離方法的一次革命，被公認(rèn)為是20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，也是國(guó)際上公認(rèn)的最具效益技術(shù)之一。

不過膜分離技術(shù)也有自身的缺點(diǎn)，如膜面易受污染而形成附著層，使透水率降低，從而形成濃差極化現(xiàn)象。另外，具有優(yōu)越性能的膜材料種類還比較少，膜產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高。雖然我國(guó)的膜分離技術(shù)在許多方面的應(yīng)用離產(chǎn)業(yè)化要求還有一定距離，但是隨著新型膜材料的不斷開發(fā)，以及高效膜分離技術(shù)研究的不斷深入，膜分離技術(shù)必將在產(chǎn)業(yè)化道路上獲得長(zhǎng)足發(fā)展。