现代分离技术论文

《现代分离技术》课程论文

膜分离技术的研究与应用

摘要：近几年来，随着科技的发展，膜分离技术以其装置简单，操作方便的优点在各行各业得到广泛应用。本文主要阐述了膜分离技术的原理、特点、发展历史及其在工业生产、食品工业、制药行业和海水淡化等领域的应用，并简述了膜分离技术的未来发展方向。

关键词：膜分离技术；膜分离技术的应用；微滤；纳滤；超滤；反渗透

1 膜分离技术的国内外研究历史[1]

膜分离现象早在250多年以前就被发现, 但是膜分离技术的工业应用是在20世纪60年代以后。其大致的发展史为: 20世纪30年代微孔过滤；40年代渗析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤; 80 年代气体分离；90年代渗透汽化。数十年来, 膜分离技术发展迅速, 特别90年代以后,随着膜 (TFC 膜) 的研制成功, 膜分离技术的应用领域已经渗透到人们生活和生产的各个方面。膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术, 已经被广泛应用于化工、环保、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。

我国膜技术始于上世纪 50 年代末，1966年聚乙烯异相离子交换膜在上海化工厂正式投产。1967年用膜技术进行海水淡化工作。我国在70年代对其它膜技术相继进行研究开发( 电渗析、反渗透、超滤、微滤膜) ，80年代进入应用推广阶段。中国科学院大连化物所在 1985年首次研制成功中空纤维氮气氢气分离器，现已投入批量生产。我国在1984年进行渗透汽化研究，1998年我国在燕山化工建立第一个千吨级苯脱水示范工程。中国科技部把渗透汽化透水膜、低压复合膜、无机陶瓷膜及天然气脱湿膜等列入”九五”重点科技攻关计划，分别由清华大学、南京化工大学及中科院大连化物所、杭州水处理中心承担，进行重点开发公关。1998年10月国家发改委在大连投资兴建国家膜工程中心，技术上以中国科学院大连化物所为依托。

经过20年的努力, 中国在膜分离技术的研究开发方面已涌现出一批具有实用价值, 接近或达到国际先进水平的成果。但从总体上讲, 中国的膜分离技术和世界先进水平相比还有不小的差距, 需进一步研究开发。

2 膜分离技术概述

2.1膜分离技术原理

膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法，在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术。

2.2膜分离技术分类

微滤: 膜孔径大约 0.1 μm，主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等，以达到净化和浓缩的目的。它属于压力驱动型的膜分离过程，工作时，在膜两侧静压差的作用下，小于膜孔的粒子透过膜，大于膜孔的粒子则被截留在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分离。微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的。“筛分”作用的普遍看法是：比膜孔大的颗粒的机械截留、颗粒间相互作用及颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥架作用这三种方式来实现的。

超滤: 膜孔径在 10-100 nm，主要用于分离液相物质中诸如蛋白质、核酸聚合物、淀粉等大分子化合物、胶体分散液和乳液等。超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，但膜表面的化学物质也是影响分离的一个重要因素。超滤过程与微滤类似，也是膜表面上的机械截留( 筛分) 、在膜孔中的停留( 阻塞) 、在膜表面及膜孔内的吸附三种形式。不过其膜孔更小、过滤精度更高, 实际操作压力比微滤略高。

纳滤: 膜孔径在 1-10 nm, 是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，主要用于二价或多价离子及分子量介于200-500之间的有机物的脱除。纳滤膜的分离机理模型目前的看法有: 空间位阻—孔道模型，溶解扩散模型、空间扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型。与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量；与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差异。

反渗透: 膜孔径小为 1 nm，它仍是一种压力驱动的膜过程, 与其他压力驱动的膜过程相比，反渗透是最精细的过程，因此又称“高滤”。它过滤的实质是利用反渗透膜具有选择性透过溶剂而截留离子物质的性质。分离的过程是依靠膜两侧的静压力差为推动力，用以克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离。它主要用于水的脱盐、软化、除菌等。它的分离机理与其它压力驱动膜过程有所不同，分离过程除与孔的大小有关外，还取决于对透过组分在膜中的溶解、吸附和扩散，因此与膜的化学、物理性质以及透过组分与膜之间的相互作用有很大关系。此外，还有其他几种膜，如表一所示：

表一其他膜分离技术

膜分离技术原理推动力（压力

差）/kpa

透过组分截留组分膜类型处理物质形态

电渗透离子交换电化学势-渗

透小离子组分大离子和水离子交

换膜

液体

膜蒸馏传质分离蒸汽压差挥发性组分离子、胶体、

大分子等不会

挥发组分和无

法扩散组分多孔疏

水膜

液体或者气体

液膜溶解扩散浓度差可透过组分无法透过组分液膜液体

渗透汽化溶解扩散浓度差膜内易溶解

或易挥发组

分不易溶解或不

易挥发组分

均质膜、

复合膜

或非对

称膜

进料为液态，渗

透为气态

3 膜分离技术在各行业的应用及研究进展

3.1膜分离技术在化工生产的应用

含氟化合物去除中的应用。目前很多磷肥生产企业会利用膜微滤技术将磷石膏废水中的一些含氟化合物去除，膜分离技术可以有效截留大分子溶质，微粒在0.05-10um左右也可以去除。以往在废水中加入石灰乳，废水中的氟化合物中和以及沉淀的效果并不理想，很难符合标准的排放要求（10mg/L）。而且传统的石灰乳处理废水的过程相当繁琐，时间也比较长。但是通过将膜微滤技术处理废水中的含氟化合物，只需要在膜分离器中放置石灰乳，还有废水进行中和反应后的微粒即可。通过膜微滤技术处理的废水含氟量大概只有6mg/L左右，远远小CaF

2

于10mg/L，符合废水排放标准，这样废水也可以循环应用。

在废气粉尘回收中的应用。在工业生产过程中很容易产生大量的粉尘，对周围环境会造成严重的污染。比如，若采用旋风分离器或者普通袋滤器来处理水泥窑尾气，尾气的粉尘含量经处理后大概是90-115mg/m3，这样形成的系统阻力介于1.5-2.0kPa左右，并不满足国家排放标准，同时由于尾气含水量较大，若短时间内温度急剧下降，极易导致生产设备堵塞，对生产造成严重影响。但是若采用膜微滤分离技术处理，废气粉尘含量可降低至 4.3mg/m3，而系统阻力只是在1.00kPa左右，完全满足国家排放标准要求，同时可减少生产设备堵塞现象，大大提高生产效率。其次，膜微滤分离器至少会有3年以上使用寿命，比较经济、节能。在磷肥生产、磷酸氢钙干燥窑尾气、石灰窑、钛白粉生产、磷铵生产等诸多方面粉尘处理中都有所应用。

此外，在工业废水如含油废水、染料废水、造纸废水、重金属废水、高浓度的有机废水处理过程中，膜分离技术都有广泛应用。

3.2膜分离技术在食品工业的应用[2]

反渗透、超滤技术在乳制工业中的应用的最主要是：乳清蛋白的回收、脱盐和牛乳的浓缩。此外，膜分离技术在饮料工业中的应用也十分广泛：以普通蒸发法浓缩的果汁，在蒸发过程中，原果汁所含的水溶性方向物质及维生素等几乎全部被破坏、损失。当采用反渗透设备在10MPa的操作压力下处理柑橘和苹果等果汁，得到固形物损失率小于1%的浓缩果汁，其芳香物及维生素等得到很好的保存。而超滤主要用于果汁的澄清:如靠压榨生产的苹果汁，含有12%的固体包括糖、苹果酸、淀粉、果胶和酚类化合物。超滤后果汁的得率可达到96%以上，且超滤加工时间很短，操作简单，节省人力和储罐设备。同时，通过超滤也除去了果汁中的细菌、霉菌、酵母和果胶等，故超滤后的果汁可有2年的货架寿命，保存时间远远超过通过传统工艺制作的产品。

此外，膜分离技术在油脂加工、豆制品加工、淀粉加工、制糖工业、酿酒工业等方面，膜分离技术都有应用。

3.3膜分离技术在制药行业中的应用

近几年，国内应用膜分离纯化微生物药物主要有以下几种方式：一是用溶剂萃取抗生素后,萃取液用疏水性纳滤膜处理,浓缩抗生素,可改善操作环境;二用亲水性纳滤膜对未经萃取的抗生素发酵滤液进行浓缩,除去水和无机盐,再用萃取剂萃取,可大幅度提高萃取过程的生产能力,减少萃取剂的用量。还有多层液膜分离技术的应用，同时还有组合分离: 超滤和纳滤膜组合分离、超滤、纳滤和转相组合分离、超滤和反渗透膜组合分离等。[3]

但是目前膜分离技术在该行业中应用仍十分受限。原因有:一是作为一种迅速发展起来的新型分离技术，膜分离过程本身仍存在许多技术问题，诸如高分离因子及高渗透通量膜的制备，高稳定性,耐污染清洗膜组件的研制；二是发酵液

是一种复杂的介质

，黏度、浓度和颗粒大小都不一样，甚至会有多种与主产品高度相似的副产品，对膜分离的选择性有很高要求；三是医药行业对卫生要求极严，膜容易被污染；最后试验采用的膜组件应由自制转向标准化,这将有利于试验结果的可靠性的提高。

另外，膜分离技术还应用于中药生产,它具有许多传统方法无法比拟的优点:分离过程简便,且不需加热,适用于热敏性物质的分离；分离效率高；不消耗有机溶剂，可以缩短生产周期，降低成本,降低环境污染；分离选择性高；可实现连续化和自动化操作，满足中药现代化生产的要求。膜分离技术在中药领域中的应用将推动中药现代化发展进程，同时还能提高我国中药的附加值，有利于中药出口。

3.4膜分离技术在海水淡化中的应用[4]

渗透膜分离技术主要包括正渗透技术（Forward osmosis,FO）和反渗透技术(Reverse osmosis,RO)。目前的海水淡化处理主要是RO 技术，但是RO技术需要高压操作，能耗较高，且对预处理要求严格，运行成本高，还伴有二次污染，而FO技术只依靠渗透压，无需外界压力，能耗低，无二次污染，有望共同解决淡水资源问题。目前，RO技术每生产 1000加仑纯水是2-4美元，能耗10-60 kJ,能耗很高；FO技术能耗为0.84 k Wh· m-3，比RO低72.1%。我国浙江舟山六横岛和河北曹妃甸日产10万吨 RO技术相继投产，1990年美国RO技术水处理量每天逾300万吨。但是，由于正渗透膜过程存在的内浓差极化，膜污染和溶质逆向扩散等问题，使得该技术的工业化尚有一定距离。

4 膜分离技术特点及发展方向

从膜分离技术的工作原理和实际应用可以归结出膜分离技术的特点。

优点:(1)膜分离技术是一种节能技术，膜分离过程不发生相变化；(2)膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离过程，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品分离、浓缩、精制等；(3)膜分离技术适用分离范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级等都有其用武之地，其关键在于选择不同的膜类型；(4)膜分离技术由于只是以压力差作为驱动力。因此，该项技术所采用装置简单，操作方便。

缺点:膜容易污染和劣化。处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学相互作用或因浓度极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度及机械作用而引起膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。

所以，今后的研究趋势将是分离技术的高效集成化。从影响膜分离在实际操作中迅速应用发展的主要障碍出发，解决膜的污染、堵塞问题。由于原料液的粘度很高，使膜通量衰减严重，无法继续分离，更不用说投入工业化大生产。要实现生物制品提纯的规模性应用，还要取决于相关方面的发展，如膜污染机制研究，性能优良、抗污染膜材料的研究。多种类型的膜分离技术在生化产品应用中协同发展，超滤、纳滤、微滤技术联用，取长补短，实行多级分离是发展的趋势。

5 结语

经过近半个世纪的发展，膜分离技术已完成了从实验室到大规模工业应用的转变，开始在工业生产中发挥举足轻重的作用。但它毕竟是一门涉及多学科的高新技术边缘学科，在理论和实际应用方面还需要进一步研究。

膜分离技术作为一种新型和高效的水处理技术受到各国水处理研究者的普遍重视，并取得了许多成功经验。今后随着膜制备技术的不断提高膜分离在环境化工、食品医药等领域必将得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1] 岳志新，马东祝，赵丽娜,等.膜分离技术的应用及发展趋势[M].云南地理环境研究: 2006.9(5):52-57.

[2]陈海军.膜分离技术及其在食品工业中的应用[J]. 恩施职业技术学院学报:综合版:2008(2):53-55.

[3]顾觉奋.膜分离技术在微生物制药中的应用[M].中国抗生素杂志：2005.1(1):26-31.

[4]陶宇，李亚冰.正渗透膜分离技术在海水淡化中的应用[M]. 广州化工:2015.1(1):22-25.

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