膜分离技术的发展状况及工业应用

吕璟慧，温 哲

中国矿业大学，江苏徐州 221116

1 膜分离技术的起源

1748年，Abbe Nollet观察到水可以通过覆盖在盛有酒精溶液瓶口的猪膀胱进入瓶中，发现了渗透现象。但是，直到19世纪中叶Graham发现了透析现象，人们才开始对膜分离现象重视起来，并开始研究。1867年Moritz Taube制成了人类历史上第一张合成膜—亚铁氰化钠膜，并以近代的观点予以论述。1911 年Donnan研究了荷电体传递中的平衡现象。1920年，Gibbs从热力学角度提供了认识渗透压现象和它与其他热力学性能关系的理论。

1925年世界上第一个滤膜公司(Sartorius)在德国Gottingen公司成立。1930年的时候TreorellM eyer，Sievers等对膜电动势的研究，为电渗析和膜电极的发明打下了一定的基础。1950年W.Juda等试制成功第一张具有实用价值的离子交换膜，电渗析过程得到迅速发展[1]。

2 膜分离技术的发展状况

目前，膜分离技术的发展是从5O年代离子交换膜的开发和60年代反渗透膜的出现开始的[2]。1950年WJuda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。l960年洛布和索里拉简首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体膜分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程也日益得到重视和发展[3]。

3 膜分离技术的应用

3.1 电渗析法(ED)

电渗析(简称ED)是以直流电为推动力，用阴阳离子交换水溶液中阴阳离子选择透过性，水体中的离子通过膜迁移到另一水体中的物质分离过程。利用单阳膜的选择透过性使有机废液阳离子作定向迁徙，使有机物在阳极析出。

3.2 反渗透（RO）技术

反渗透装置就是利用高压泵将待处理水经过增压以后，借助半透膜的选择截留作用来除去水中的无机离子的，由于反渗透膜在高压情况下只允许水分子的通过，而不允许钾、钠、钙、锌等离子及病菌、细菌通过，从而获得高质量的纯水。其主要应用领域有海水和苦成水的淡化，纯水和超纯水制备，工业用水处理，饮用水净化，医药、化工和食品等工业料液处理和浓缩以及废水处理等。

3.3 正渗透技术

尽管目前依靠渗透压驱动的正渗透膜分离技术的应用范围，还未达到各种依靠外加压力驱动的膜分离技术那么广泛，但是它已在许多领域得到了应用。

3.3.1 水纯化的应用

在水纯化中，正渗透滤水器是目前正渗透膜分离技术少有的几种商业化应用之一。正渗透滤水器的基本原理是，在其膜组件里面填装可食用的驱动液(如糖或饮料粉)，当把滤水器浸没到任何水体(如清洁水、泥浆、盐水、污水等)中时，由于这些水体中的渗透压低于驱动液中的渗透压，这些水体中的水将透过正渗透膜进入驱动液中，而水体中的污染物(如悬浮固体、有机物、病毒、细菌等)将被截留下来，水体进入驱动液后，驱动液渐渐被稀释，被稀释的驱动液可被人体直接安全饮用，并且里面富含营养物质与矿物元素，它将能长时间维持人类生存。

3.3.2 海水淡化

在海水淡化方面，正渗透的方法一直不够成熟。不过近几年来，耶鲁大学Menachem Elimelech教授课题组发明了一种新型的利用正渗透膜分离方法进行海水脱盐的技术，并且进行了中试研究。这种正渗透脱盐过程的关键在于其选择的驱动液，它的驱动液是将碳酸氢铵与氨水按照一定比例混合，然后溶解于水中配置成一定浓度的铵盐作为驱动液，这种驱动液既具有较高的渗透压，又能方便的将溶质和水分离。驱动液吸收海水中的水分后得到稀释，对于稀释后的驱动液，只需将其加热到60℃，驱动液中的铵盐就被分解为氨气和二氧化碳，采用合适的方法(如蒸馏)就能将其与水分离，得到纯净的产品水，分离出的氨气和二氧化碳再次浓缩溶解于水中，便能得到铵盐驱动液，使得驱动液能够得以循环使用。

3.4 超滤（UF）与微滤(MF)技术

超滤主要适用于大分子溶液的分离与浓缩，广泛应用在食品、医药、工业废水处理、超纯水制备及生物技术工业，包括牛奶的浓缩、果汁的澄清、医药产品的除菌、电泳涂漆废水的处理、各种酶的提取等。微滤是所有膜过程中应用最普遍的一项技术，主要用于细菌、微粒的去除，广泛应用在食品和制药行业中饮料和制药产品的除菌和净化，半导体工业超纯水制备过程中颗粒的去除，生物技术领域发酵液中生物制品的浓缩与分离等。

3.5 气体膜分离(GS)

气体膜分离的主要应用有：1）H2的分离回收：膜分离H2主要应用于从合成氨排放气中回收H2；从甲醇驰放气中回收H2；从炼厂气中回收H2；合成气生产中H2/CO比例调节等，是当前气体分离应用最广的领域；2）空气分离：利用膜分离技术可以得到富氧空气和富氮空气，富氧空气可用于高温燃烧节能、家用医疗保健等方面；富氮空气可用于食品保鲜、惰性气氛保护等方面；3）气体脱湿：如天然气脱湿、工业气体脱湿等，这样可防止气体在天冷时结冰。

3.6 渗透汽化(PV)技术

渗透汽化（PV）技术是近年来发展起来的一种新型膜分离技术，特别适合于分离蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点有机混合物，对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除、废水中少量有机物的脱除及水溶液中高价值有机组分的回收具有明显的技术和经济优势。

4 结论

目前，生产生活的各个方面都已经离不开膜分离技术，随着新材料、新技术的不断出现，膜技术在化学和生物工程中的应用愈加显示出令人瞩目的前景。

[1]朱智清.膜分离技术的发展及其工业应用[J].化工技术与开发，2003，32(1).

[2]木村尚史，纪永亮.膜分离技术的发展和现状[J].水处理信息报导，2000，4.

[3]缪晖.膜分离技术的发展及应用.天然气与石油[J]，2004，22(3).

[4]孙国超.浅析膜分离技术及在化工生产中的应用[J].硫磷设计与粉体工程，2010，1.