膜分离设备的特点、选用原则与展望

邹东恢，梁 敏

（1.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

环保与三废利用

膜分离设备的特点、选用原则与展望

邹东恢1，梁 敏2

（1.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

摘 要：随着膜工业的发展，膜分离设备也获得了显著的提高，膜分离设备向着大型化发展，新型膜分离设备得以涌现和发展，出现了一些新的变化。本文论述了膜分离设备的特点及选用原则，并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：膜设备；特点；选用；展望

膜技术（Membrane Technology）是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量位差（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集。随着新材料的不断发明、发现，在使用膜技术方面,选择范围也越来越大，在制药行业的抗生素生产、生物工程、食品工程、化学工程等［1-2］领域，膜分离技术应用已非常普及。

膜技术是一种分子水平上的分离技术。在这些膜技术中，超滤（UF）、反渗透（RO）、微滤（MF）和纳滤（NF）等过程应用最为广泛。按照膜的功能可分为分离膜、识别膜、反应膜、能量转化膜、电子功能膜等。其中，分离膜的应用最为广泛，分离膜的根本原理在于膜具有选择透过性。目前国际膜市场的75%分布在美国、欧洲和日本，20世纪80年代后膜分离技术的工业化应用迅速发展，新发展了膜蒸馏和渗透汽化等膜分离过程，年增长率为14%～30%［3］。

1 膜分离设备特点

工业上将膜以某种形式组装在一个封闭器件内，这种器件称为膜分离器或膜组件。膜的材料种类很多，膜分离设备则有平面膜、管式膜、中空纤维膜和卷式膜等，表1列出了几种膜的特点比较。一件良好的膜分离设备应具备以下条件：1）单位体积中所含膜面积较大。2）膜面切向速度快，以减少浓差极化。3）膜的清洗更换方便，造价低，截留率高。4）具有可靠的膜支撑装置，膜滤液保留体积小。

2 膜分离设备选用原则

目前国内膜设备生产厂家很多，总体技术水平上与国外相比有差距，高质量核心部件仍依赖进口，但在常规生产领域，国产膜设备发挥了主要作用，在选择时应主要从以下方面考虑。

1）经济因素。膜的制造水平决定了膜的价格。从制造技术上来讲，高质量膜往往伴随着较高的价格，要根据不同分离目的选择合适的经济型膜设备［4］。

表1 各种膜组件的比较

2）物料的特性。要了解被分离料液的性质，选择不同的膜设备，平面膜、管式膜、中空纤维膜还是其他类型的膜件。

3）膜设备的特性。①是否具备较高的热稳定性及机械强度；② 膜的截留范围，主要技术指标截留率大小，特定组分的截留率主要受料液共存组分、膜材和操作条件的影响；③ 膜的通透性，浓差极化趋势，结构，使用周期长短等。

4）膜设备的使用维护情况。

5）日常管理是否方便及容易清净，动力消耗，辅助设备多少等。

3 膜分离设备的选用

膜分离现象在200多年前即出现，但作为一种工业化应用技术是近几十年才得以实现，成为一种新兴的、高效的分离、浓缩提纯及净化技术，获得了极为迅速的发展，形成独特的新兴高科技产业，在医药、化工、水加工业、环境保护、食品工业、生物工程等诸多领域得到广泛应用［5-6］。下面选择几种常用的膜分离设备介绍。

3.1 平板式膜分离器

平板式膜分离器结构上类似于板框式过滤机，滤膜复合在刚性多孔支撑板上，支撑材料为不锈钢多孔筛板，或微孔玻璃纤维压板。待滤液进入系统后，沿隔板表面上的沟槽流动，一部分从膜的一面渗透到膜的另一面，并经支撑板上的小孔流向其边缘上的导流管后排出。

板式膜在超滤、微滤、反渗透、电渗析、渗透汽化中都有应用。

3.2 管式膜分离器

管式膜过滤器是最早使用的一种膜设备，分为单管式和管束式，适用于超滤、微滤等膜分离技术［7］。其优点：1）流道宽，料液在管内湍流流动，对料液的预处理精度要求低；2）易于清洗，除可用化学试剂清洗外，还可以用机械方法进行清洗；3）组件的压力损失小，因此其流道长，过滤效率相对可以提高。

管式膜液流的流动方式有管内流和管外流，因单管和管外流式的湍动性能较差，目前趋向采用管束式内流膜过滤设备，其外形类似于列管式换热器。

管式膜现已广泛地应用在电泳漆涂装生产线、果汁澄清、大豆蛋白浓缩及污水处理等，目前国内生产和使用的管式膜多为聚偏氟乙烯（PVDF）膜和聚砜（PS）膜。

3.3 中空纤维膜分离器

为进一步增大膜分离器单位体积膜面积，中空纤维膜分离器采用空心纤维管状膜，纤维外径多为40～250μm，大的可达1mm以上，外径与内径比为2∶1～4∶1左右，用环氧树脂将许多中空纤维的两端胶合在一起，结构上类似管壳式换热器［8］。料液的流向有两种形式，一种是内压式，即料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维管膜流出管外。另一种为外压式，料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维管内流出。

中空纤维膜分离定型产品国内有多家生产厂，表2、表3列出部分中空纤维膜的规格供参考。

3.4 螺旋卷式膜分离器

螺旋卷式装置主要是螺旋卷膜，由美国GGA公司1964年开发研制出来。

螺旋卷式装置的主要元件是螺旋卷膜，它是将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组，若干膜组顺次连接装入外壳内。操作时，料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，而透过液则沿螺旋形流向中心管。中心管可用铜、不锈钢或聚氯乙烯管制成，管上钻小孔，透过液侧的支撑材料采用玻璃微粒层，两面衬以微孔涤纶布，间隔材料应考虑减少浓差极化及降低压力降［9］。表4、5列出了SanRO-HS卷式膜产品规格与性能参数，可供参考。

表2 中空纤维超滤膜的规格

表3 中空纤维超滤膜的性能

表4 SanRO-HS卷式膜产品规格

表5 SanRO-HS卷式膜产品性能参数

4 膜分离设备的发展与展望

膜技术是当今国际上公认的最具有经济效益和社会效益的高新技术之一，虽然分离膜存在一些缺点，但其优势非常明显。膜分离技术的发展与膜材质的选择、制膜技术、组件结构及设备研制的发展分不开。当前膜的材质和制造技术都得到很大的发展，新型耐高温陶瓷膜的产生，拓宽了膜分离技术的应用范围。近几年的应用实践证明，我国膜技术已步入大规模工业应用阶段，市场潜力很大,应用前景广阔。但仍有一些需注意的问题，表现在以下几个方面。

4.1 膜材料和膜性能有待开发

先进技术发展的重要条件之一是新材料、新性能的开发。新型膜材料的开发决定着膜技术的应用前景，将推动着膜科学技术向纵深发展。因此，对各种新型膜材料的研究已成为目前国内外膜技术的最新发展动向［10］。另外，随着膜分离技术的发展，单一膜材料已不能满足实际应用中综合性能的需要。为拓宽膜的品种，提高膜的性能，应发展复合膜等新品种。

4.2 膜分离技术的产业化应用有待完善

虽然近几年国内在膜分离技术的研究和应用方面取得了长足的进展，但膜材料、膜品种、膜组件还比较单一，超滤膜组件绝大多数为中空纤维形式，因此，膜和膜组件的研究单位、生产单位应相互增加合作，共同解决膜技术领域存在的问题，以适应各行业的发展和需求。

4.3 膜的清洗和保护技术有待改进

由于膜的浓差极化现象和膜表面污染问题，膜通量和截留率都降低，会大大降低膜分离技术的功效。因而，膜的再生功能应加强。对此,应根据不同的污染情况，开发用简单的清洗方法即可清除污染的膜和膜装置以及具有全自动反冲洗装置的膜分离系统，以迅速清除膜污染，恢复膜通量，提高效率。

参考文献：

［1]A.M.Ghost,et al.Ultrafiltration of sugarcane juice with spiral wound modules：on-site pilot trials［J］. Journal of Membrane Science, 2000（l74）：205-216.

［2]Levitsky I, Duek A, Naim R, et al. Cleaning UF membranes with simple and formulated solutions［J］.Chemical Engineering Science, 2012,69（1）： 679-683.

［3]Porcelli N, Judd S. Chemical cleaning of potable water：A review［J］.Seperation and Purification Technology, 2010,71（1）： 137-143.

［4]邹东恢.生物加工设备选型与应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［5]王薇，杜启云.纳滤膜分离技术及其进展［J］.工业水处理，2004（3）：5-8.

［6]CaiB X. Study of membrane separation processes of a betainelikemedicinalsolution［J］.Desalination, 2006,191（1/3）： 432.

［7]张显球，张林生，吕锡武.纳滤对水中有机微污染的去除效果与应用［J］.水处理技术，2005（2）：62-65.

［8]Levitsky I, Duek A, Naim R, et al. Cleaning UF membranes with simple and formulated solutions［J］.Chemical Engineering Science, 2012,69（1）： 679-683.

［9]邓立，朱明.食品工业高新技术设备和工艺［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［10]王从厚，陈勇，吴鸣. 新世纪膜分离技术市场展望［J］.膜科学与技术，2013，23（4）：54-60.

中图分类号：TQ 028.8

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）01-0019-04

作者简介：邹东恢（1967-），男，副教授，硕士。从事生物工程教学与科研工作，发表科技论文30余篇,其中SCI检索2篇、EI检索1篇，撰写著作3部，主持、参与省市级科研项目10余项。Tel：13803616008，E-mail： zoudongh99@163.com

收稿日期：2015-11-19

Characteristics and Type Selection of Membrane Separation Equipment and its Development

ZOU Dong-hui1， LIANG Min2
（1.College of Food and bio- Engineering， Qiqihaer University， Qiqihaer 161006， China； 2. College of Chemistry and Chemical Engineering， Qiqihar University， Qiqihar 161006， China）

Abstract：In the last few years，with the development of membrane industry， membrane separation equipment had significantly increased and membrane separation equipment trended large-scal development， new type membrane separation equipment had emergence and development， some new changes was taken place. The membrane separation equipment type selection principle and characteristics were discussed， and a useful guidance for future studies of membrane equipment development was provided.

Key words：membrane equipment； characteristics； selection； prospect