膜分离技术及其应用的研究进展

第29卷第10期（上）

2013年10月赤峰学院学报（自然科学版）JournalofChifengUniversity（NaturalScienceEdition）Vol.29No.10

Oct.2013

膜分离技术及其应用的研究进展

徐兴雨

（中国石油大学

摘

理学院，北京

102249）

要：简要介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等几种膜分离技术的分离机理、制备方法和特

点；并介绍了膜分离技术在食品、医药、石油化工、水处理等方面的应用及其膜分离技术的发展趋势.

关键词：膜分离；应用；发展趋势

中图分类号：ＴＱ０２８．８文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－２６０Ｘ（２０１３）１０－０041-

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为１￣１０万的大分子．超滤膜的筛分孔径小，它可截

油脂、蛋白质、有机大分子、悬浮物等留病毒病菌、

［４］

．高亚宁等［５］使用０．８％￣１％的硼酸作为交联剂对纤维强度进行改进，原液中硼酸的目的是使挤入碱性凝固浴中的纺丝原液与硼酸发生交联反应减少大分子的缠结，形成网络状凝胶．肖凯军等［６］采用戊二醛交联法，通过用聚乙二醇（ＰＥＧ－１０００）和戊二醛交联剂对基膜进行亲水化预处理，制备了一种新型聚乙烯醇（ＰＶＡＬ）超滤膜．该ＰＶＡＬ超滤膜具有耐污

耐酸性和耐高温，可获得广泛的应用．超滤膜具染、

有以下特点：（１）超滤可在常温下进行，那些对热敏

浓缩、精制都可在不影响质量的情况物质的分离、

下进行．（２）超滤过程不会发生相变，因此与一般相变分离法相比，它的能耗较低．（３）超滤过程以压力作为驱动力，装置结构简单，操作简便，容易维修［７］．１．３纳滤

纳滤膜分离的基本技术原理［８］较为简单（见图１），在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液．因此膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口，影响膜通量的因素有温度、压力、固含量、离子浓度、黏度等．赵理等［９］以聚砜为膜原料，添加一定量的新型二胺，以ＤＭＡＣ溶剂，得到中空纤维ＰＳＦ

膜分离是指借助膜的选择渗透作用，在外界能

量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进

分级、提纯和富集．该技术作为新的分离净行分离、

化和浓缩技术，与其他传统的分离方法相比，常温

节能、工艺简便、投资少、污染小，下操作，有高效、

并且膜分离具有过程简单、经济适用、分离系数较

没有污染、能适合常温下连续操作、可直接放大、大、可专一配膜等优点［１］．人类对于膜的研究源于１８世纪，但是膜分离技术的工业应用是在上个世纪６０年代以后．从六十年代的反渗透到九十年代的渗透汽化，膜分离技术发展迅速．膜分离技术的应用

、微领域不断扩大，常用的膜分离技术有超滤（ＵＦ）

滤（ＭＦ）、反渗透（ＲＯ）、纳滤（ＮＦ）、电渗析（ＥＤ）、等．现已涉及人们生产和生活的各个方面，对水处理工

化工生产、医药、食品生产和生物工程等领域的业、

发展产生了巨大的作用．

1膜分离技术的分离原理及其特点１．１微滤

微滤（ＭｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓＦｉｌｔｒａｔｉｏｎ）膜分离技术起始于十九世纪中期，是以静压差为动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程．张庆勇等［２］简单阐述了利用固态粒子烧结法制备技术和方法．并应用于水处理和油水分离等领域．微滤膜的特点（１）孔隙大，流速快．由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍．（２）孔径均匀，过滤精度高．能够将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留．（３）无吸附或少吸附．微孔膜厚度一般在９０￣１５０Ｌｍ之间，因而吸附量很少，可忽略不计．（４）无介质脱落．微滤膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液［３］．１．２超滤

超滤是一种以机械筛分原理为基础，以膜两侧压（１００￣１０００ｋＰａ）差为驱动力的膜分离技术．它可分离液相中直径在０．０５￣０．２μｍ的分子和分子量

图１膜分离操作基本工艺流程

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基膜．再以ＴＭＣ和ＰＩＰ为缩聚单体，正己烷和水为两相溶剂，并在水相中添加一定量的二氧化硅纳米颗粒．制备了所需的纳滤膜．

纳滤膜的特点：（１）离子选择性，纳滤膜对单价盐的截留率仅为１０％～８０％，具有相当大的渗透性，而二价及多价盐的截留率均在９０％以上．（２）截留相对分子质量，截留相对分子质量（ＭＷＣＯ）在２００￣１０００之间，适宜于分离相对分子质量在２００

以上，大小约为１ｎｍ的溶解组分［１０］．（

３）操作压力低，操作压力低，纳滤膜组件的操作压力，一般为０．７ＭＰａ，最低为０．３Ｍｐａ［１１］．１．４反渗透

反渗透（ＲｅｖｅｒｓｅＯｓｍｏｓｉｓ）是利用膜的选择性，以反渗透膜两侧静压差为驱动力，允许溶剂通过而截留离子物质，对液体混合物进行分离的过程．进行反渗透分离过程有２个必要条件［１２］：一是外加压力必须大于溶液的渗透压力（操作压力一般为１．５￣１０．５ＭＰａ）；二是必须有一种高透水性、高选择性的半透膜．反渗透膜微孔孔径一般小于１ｎｍ，对绝大部分无机盐、溶解性有机物和胶体有很高的去除率．周勇等［１３］采用间苯二胺分别与均苯三甲酞氯、５一异氰酸醋异酞酞胺（ＩＣＩＣ）、５一氯甲酸异酞酞氯（ＣＦＩＣ）通过界面聚合工艺制备反渗透复合膜．反渗透的特点：（１）在常温不发生相变的情况下，可以对水和溶质进行分离．（２）具有较高的水回用率和脱盐率．（３）反渗透膜分离技术杂质去除的范围广．（４）利用较低压力作为膜分离动力，分离装置简单，操作、维护和自控简便，现场安全卫生［１４］（．５）膜分离技

术有冷杀菌的作用，且能耗低、

费用省、速度快、不污染环境［１５］．１．５电渗析

电渗析（ＥＤ）是在外加直流电场的作用下，利用离子透过选择性离子交换膜而迁移，使带电离子从水溶液和其他不带电组分中部分分离出来的一

种电化学分离过程［１６］．其原理

（如图２）所示，在外加直流电场的作用下，以电位差为驱动力，原水中的阳离子向阴极迁移，淡化室中的阳离子透过阳膜进

图２

电渗析技术原理

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入浓缩室，但浓缩室中的阳离子受阻于阴膜而留

下；同时原水中阴离子向阳极迁移，淡化室中的阴离子透过阴膜进入浓缩室，但浓缩室中的阴离子受阻于阳膜而留下．电渗析技术具有以下特点：电渗

析技术由于具有能耗低、

药剂耗量少、环境污染小、操作简便、使用寿命长、无污染等特点，广泛地应用于海水、苦咸水脱盐［１７］．2膜分离技术的应用

膜分离技术，作为一种新型的分离技术，既能对废水进行有效的净，高效地去除污染物，又能回收一些有用物质，同时具有节能、无相变、安全性高、生物稳定性好、设备简单、操作方便等特点，因此在生产生活中得到了广泛的应用并显示了广阔的发展前景．

２．１在化工生产中的应用

在合成氨方面，可用于高压机后新鲜气油分离采用超滤，技术除去新鲜气中的油水尘等杂质，大大改善了冷交换器的油污和积炭堵塞现象，进一步优化了操作条件，降低了能耗，有效保护了合成塔触媒．联碱生产过程中经常会产生重碱、食盐、纯碱等有用物质的母液泄漏及生产设备冲洗水外排，既造成了浪费，又对环境造成了污染［１８］．徐昌松等［１９］采用电渗析技术处理联碱含盐废水，可将含盐质量分数为１％的联碱废水浓缩到１０％，而淡液含盐的质量分数０．０５％．结果表明采用电渗析技术处理联碱废水是可行的，可实现联碱生产废水零排放．大多数有机溶剂（如醇类、酮类、酯类等）常含有少量水会形成共沸物，用恒沸精馏、萃取精馏等特殊精制工

艺脱水，存在工艺复杂、

能耗高等问题．使用膜选择分离技术进行脱水就不再受恒沸点制约，容易从有机溶剂混合物中脱除微量水，可大幅度降低分离过程能耗［２０］．

２．２在环境中的应用

随着我国经济社会的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对水质量的要求也不断提．柴克鹏［６］在对星级宾馆的扩建改造中，将宾馆所排放的污水进行收集后处理后，将其用于绿化和厕所用水．所选用的超滤膜为聚丙烯中空纤维膜，利用该膜组件和采用反洗工艺来处理污水，处理后的水质完全符合预期要求．王立国等［２１］采用核桃壳过滤器—超滤装置组合工艺处理油田含油污水，油的质量浓度由１０．９８ｍｇ／Ｌ降到０．３３ｍｇ／Ｌ，出水达到Ａ１类标准的要求．

填埋式处理垃圾的方法，是我国处理垃圾的主要方式，因此将会产生大量的垃圾渗透液．王薇等［２２］采用ＭＢＲ和纳滤集成处理工艺对垃圾渗透液进行处理可有效截留ＭＢＲ产生中的ＣＯＤ、色度等，经过纳滤处理过的垃圾渗透液符合污染物的特别排放标准．李黎等［２３］

在峨眉山市垃圾渗滤液处理工程

中，纳滤系统采用纳滤卷式膜，运行压力０．５￣１．７Ｍｐａ．运营至今运行情况稳定，纳滤出水完全达标排放．

２．３在医药生产中的应用

超滤技术是一种用以分离、

提纯和浓缩物质的新方法．以膜两侧压差为推动力，利用膜孔径大小来进行筛分．邱礼新等［２４］采用中空纤维超滤膜法制备精制双秦滴眼液，采用中空纤维超滤设备，所用原液采用经鉴定的生药加水煎煮而成．经研究证明，经过超滤技术所制备的双秦滴眼液的ＰＨ为７．５接近中性，并且具有良好的稳定性；其中所含的药物成分有所提高．刘洪谦等［２５］运用超滤法精制生脉饮口服液，利用外压式中空纤维超滤膜来进行筛分证明超滤法能有效去除杂质、提高产品澄清度，并且能保留原配方的成分．２．４在食品中的应用

乳清是干酪生产中排出的质量约为加工原料奶９０％比例的副产物．孔凡丕等［２６］运用ＧＦＬＢ－７５Ｎ型管式分离机纳滤膜选用ＯｓｍｏｎｉｃｓＤＫ２５４０Ｆ纳滤膜，以及小型喷雾干燥设备等仪器对干酪进行乳清脱盐处理．所得的乳清酚灰为４．７６％比原料降低了４５．２８％，乳清蛋白几乎完全截留．在对脱脂牛奶的处理中．食盐的截留率约为６０％．结果表明，采用纳滤处理可有效地去除杂味和盐味，并不破坏牛奶的口味和营养价值．3发展趋势

随着我国经济的快速发展，膜分离技术作为一种新型的单元操作过程，在许多行业已经得到广泛的应用，并且在某些行业应用的比较成熟．在对于

生产成本要求不断降低、

产品质量要求不断提高的今天，膜技术的优势会越来越明显．

由于膜分离技术的大量应用是近些年开始的，因此膜技术的发展也受到一些因素的制约：如膜污

染、

膜产品的价格和膜分离要求的提高．如果我国的科研人员能将这几个方面的问题更好的解决，膜分离技术将在我国的经济发展中发挥更重要的作用．———————————————————

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