膜分离技术的应用现状及研究进展

王 檑 蒙义舒

(广西冶金研究院有限公司)



膜分离技术的应用现状及研究进展

王 檑 蒙义舒

(广西冶金研究院有限公司)

针对膜分离技术的分离机理、基本特性和分离膜的种类进行了简单介绍。阐述了膜分离技术在生活用水、海水淡化、工业废水等水处理领域、生物技术领域、石油化工领域的应用，同时，指出了膜分离技术当前存在的问题，展望了膜分离技术的发展趋势。

膜分离技术 应用 发展趋势

膜是具有选择性分离性能的材料。利用膜的选择性分离以期实现料液不同组分之间的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。膜分离工艺过程中，集成膜孔径等几何因素、膜材料和待分离成分之间溶解度、扩散系数的差异以及静电场作用力等要素，强化了分离与传质的过程，同时不受热力学平衡的限制[1-2]，因此，膜分离工艺具有高度的选择性。膜分离技术是一种新型高效、精密的分离技术，属于材料科学与介质分离科学的交叉结合领域。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又具有高效、节能、环保、分子级过滤等特征，以及过滤过程简单、易于控制的特点。目前，已在食品、环保、医药、生物等众多领域取得了广泛的应用，带来了显著的经济效益和社会效益，已发展成为当今分离科学中最重要的手段之一。

1 膜分离技术简介

1.1 膜分离技术的原理

膜分离技术是一种使用膜材料实现不同介质分离的技术，分离的过程多由压力、浓度、电势差异等因素驱动，用以实现溶质和溶剂的分离、浓缩、纯化和精制的目的。

膜分离技术的工艺原理是较为简单的。在浓缩过滤过程中料液通过加压，以一定的流速沿着分离膜的表面流过，大于分离膜截留分子量的物质分子不能透过膜而流回料罐，小于分离膜截留分子量的物质分子透过膜，形成透析液。通常，膜分离系统都有两个出口，一个是透析液出口，另一个是回流液出口。影响膜分离速度的因素有温度差、压力差、固含量(TDS)、离子浓度、溶液黏度等。

1.2 膜分离的基本特性

由于膜分离过程是一个单纯的物理分离过程，具有无相变化、低能耗、可拆分、自动化程度高等特点，对胶体、悬浮颗粒、色度、浊度、细菌、大分子有机物具有良好的分离能力，保证了分离系统的正常连续稳定运行。在食品、环保、医药、生物等众多领域取得了广泛的应用，根据不同的有机物种类，可依据有机物分子量的不同，选择不同的分离膜及相对应的分离工艺，最终达到最佳的膜通量和截留率，提高生产收率，降低投资规模，减少运行成本。

1.3 分离膜的种类

分离膜是一种具有选择性透过能力的膜型材料，能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。通常按分离机理和适用范围可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、渗透蒸发膜、离子交换膜等。膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。

根据制备材料的不同，可分为无机膜和有机膜。无机膜主要有陶瓷膜和金属膜，具有过滤精度低，选择性小的特点；有机膜通常由高分子材料制成，比如醋酸纤维素、聚醚砜、聚氟聚合物等。

按照成膜方法不同，可分为微孔膜、控制拉伸膜和海绵状结构膜[3]。

2 膜分离技术的应用现状

2.1 在水处理领域的应用

采用反渗透膜和纳滤膜进行水处理已有报道。反渗透和纳滤膜设备具有简单、效益高、占地少、操作方便、能量消耗少、适应范围广、自动化程度高和出水质量好等优点，是目前较为成熟的废水深度处理工艺。两者都可在外加压力下使溶液中的大分子物质和盐类脱除，同时截留水中的污染物以及无机盐、糖类、氨基酸等[4]。

2.1.1 在生活用水处理中的应用

近年来，膜分离工艺技术的运行不断成熟，水处理环节主要采用膜分离工艺，结合活性炭处理技术，使用微滤膜、纳滤膜、超滤膜、反渗透等处理手段，生活用水处理取得了很好的效果[5]。

2.1.2 在海水淡化处理中的应用

现在所用的海水淡化方法通常有电渗析法、蒸馏法、反渗透法。自上世纪90年代非加压吸附渗透海水淡化法推广应用以来，反渗透用于海水淡化的研究得到了极大发展[6]。反渗透膜海水淡化法设备简单、易于维护和设备模块化等优点使其迅速占领市场，且其产业关联度大[7]。因此，有专家甚至认为反渗透海水淡化技术基本可代表一个国家膜技术的应用水平。目前，该技术也将朝着高水通量、高脱盐、脱硼率和低能耗的方向发展。

2.1.3 在工业废水处理中的应用

重金属废水主要来自矿山、冶炼、电解、电镀、医药、油漆、颜料等企业排出的废水，具有很大的毒性。液膜分离法可以很好的处理含酚废水、含氰废水及有毒金属废水[8]。膜分离技术在工业废水深度处理过程中能实现闭路循环，在降低污染的同时变废为宝，实现水资源的综合回用，经济效益与社会效益十分可观。目前，膜分离技术在废水处理等水处理领域的应用已日趋成熟。

2.2 在生物技术领域的应用

生物技术是21世纪三大支柱产业之一，而膜技术几乎可以用于生物产品加工过程的各个阶段和所有步骤。膜分离技术广泛应用于生物发酵制药、中成药生产等现代生物技术领域，在抗生素生产、维生素以及氨基酸的生产环节中也较为常见[9]。

膜分离工艺与传统的分离方法相比，在减化了分离过程，降低了成本的同时，产品质量也得到了提高。其主要应用领域为生物反应容器、下游产品处理以及吸附介质[10]。

2.3 在石油化工领域的应用

目前，无机膜在化工、石油化工中的应用广泛，主要涉及粉体洗涤、催化剂回收、气体分离等方面。随着膜内传质理论的发展以及新型材料制备技术的进步，利用膜分离工艺简化石油化工流程，实现节能降耗与清洁生产改造，对于节能减排起着决定性的作用[1]。

3 膜分离技术存在的问题

膜分离过程的典型操作特征是间歇性的，其渗透性会随着时间的延长而不断下降，且其在使用过程中都会遇到污染问题。膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子、溶质分子由于和膜存在物理以及化学的相互作用或机械力作用而引起的在分离膜表面或膜孔内的吸附、沉积，容易造成膜孔径变小或堵塞，使分离膜产生透过流量与分离特征的不可逆的变化现象。海水苦咸水中的钙盐、硫酸盐以及硅酸盐等盐类，废水中的有机大分子等物质均可能导致分离膜污染，降低膜的分离性能[3]。

4 膜分离技术的发展趋势

膜分离技术目前已在食品、环保、医药、生物等众多领域取得了广泛的应用，带来了显著的经济效益和社会效益。随着人们意识的提高以及科技的进步与发展，膜分离工艺将不断趋于成熟，相关技术成本也会不断降低。但与发达国家相比，在分离膜制备技术、设备制造、组件装备以及智能化、自动化等方面还存在较大的差距。目前、我国膜分离发展急需解决的问题有以下几个方面：

(1)分离膜的材料及制备技术。分离膜的材料是分离技术的核心。如何加快研发新型的功能高分子分离膜材料，使其具有更好的抗氧化、抗污染性能，并能在耐高压、耐高温、耐酸碱腐蚀性等方面取得突破，是当前分离膜材料制备工艺中的关键环节。

(2)膜分离技术+高新技术。如何利用膜分离技术与其他高新技术产业相结合，形成高附加值的新型产品，并实现工业化应用。例如纳米科技、生物技术、自动化控制等技术领域，通过两者的有机结合，可以衍生出许多新兴行业，重点突破膜分离工艺及其集成关键技术和设备在新兴产业中的应用和成果转化，推动膜分离技术产业的发展。

未来，我国的膜分离技术必将向着新型化、多样化、低成本、高效率相结合的发展模式，与其他分离技术进行优化组合，使我国的分离技术在工业应用领域步入一个新的阶段[11]。

[1] 王保国.膜分离材料分子设计及其在石化工业的应用进展[J].石油化工，2010，39(9):953-960.

[2] 李林英，薛彩霞.膜分离技术的应用及研究进展[J].内蒙古石油化工，2013(2)：102-103.

[3] 王 华，刘艳飞，彭东明，等.膜分离技术的研究进展及应用展望[J].应用化工，2013(3):532-534.

[4] 康为清，时历杰，赵有璟，等.水处理中膜分离技术的应用[J].无机盐工业，2014(5):6-9.

[5] 李 渊.浅谈膜分离技术的研究进展[J].工业工程与技术，2013(12):33-34.

[6] 黄 丹，方春玉，周 健，等．超声波辅助法在红曲色素提取中的应用研究[J]．中国调味品，2010，35(4)：65-68.

[7] 廖琦琛，毛 加，孙欢挺．反渗透海水淡化膜分离技术研究[J]．中国新技术新产品，2015(2)：11-12.

[8] 王 东，韩 洋.液膜分离技术及其在工业废水处理中的应用[J].化学工程师，2014(5)：56-57.

[9] 孟 涛.膜在生物技术中的应用[J].化工纵横，2002(6)：14-16.

[10] 王中海，罗小苟，刘 亮，等.新型分离技术的应用及研究现状[J]．矿业快报，2007(9):27-29.

[11] 俞青芬．新型侍质膜分离技术的进展[J]．青海大学学报：自然科学版，1998(10)：60-61.

2016-09-13)

王 檑(1983—)，男，工程师，硕士研究生，530023 广西省南宁市兴宁区长堽路40号。