膜分离技术及其应用

朱鋆珊，马 平，郭 丽



膜分离技术及其应用

朱鋆珊，马 平，郭 丽

（银川能源学院，宁夏，银川，750105）

膜分离属于传质分离中的速率分离，与精馏、吸收等传统分离技术不同，属于一种新型的分离技术，由于其优异的性能近年来在人们生产和生活中应用非常广泛。主要介绍了膜分离技术在水处理、食品、医药和保健、化工和石油化工等方面的应用。并对其发展前景进行了展望。

膜分离；水处理；食品；医药；化工

1 前言

膜分离技术由于具有可常温下进行、不发生相变化、能耗低，适应对象广泛，操作容易、装置简单、易于自动控制和不污染环境等优点[1]，现已被广泛应用于水处理、食品、医药和保健、化工和石油化工等行业。膜技术的发展使膜工艺成本不断降低，随着能源短缺、环境污染、水资源短缺等问题的不断突出，使得该技术应用越来越广泛。同时，也将会对节能减排，环境保护等方面做出重大贡献。

2 膜分离技术的应用

2.1 在水处理方面的应用

2.1.1 饮用水处理

水体污染随着工业的发展日益严重，沉淀式滤水法、煮沸、臭氧杀菌等传统的水处理技术，已不能满足人们对饮用水质量的需求[2]。膜分离技术处理饮用水主要是去除水中的有害物质（如细菌、病菌等），并过滤悬浮物。将微滤、超滤、纳滤、反渗透等膜分离技术用于饮用水处理工作中，不仅过滤作用强大，还能除去水中纳米级颗粒，对提升饮用水水质效果良好，近年来在净水器领域应用较为广泛。

裴亮等[3,4]采用聚合氯化铝混凝与超滤膜联用技术净化微污染水，考察该工艺净化COD、氯离子、浊度和铁离子的效果。结果表明，混凝与超滤联用技术不仅对有机物、氯离子、浊度以及铁离子净化效果良好，且该工艺运行稳定，出水水质满足饮用水卫生标准。

2.1.2 海水淡化方面

淡水资源短缺已经成为世界性的难题，各个国家和地区致力于海水淡化的研究，通过不断提高海水有效利用率，来缓解水资源短缺的现状。在海水淡化方面膜分离技术主要有节能和高脱盐两个方面。正渗透膜分离技术具有低能耗、低污染、高回收的特点，目前已在海水淡化、污水净化和能源等领域得到了迅速发展[5]。反渗透海水淡化技术是一种高效、节能、先进的液体分离技术，在脱盐领域成为重要的主流技术，其突出的特点是成本低[6]。

2.1.3 工业废水方面

水是人类赖以生存的基础，水资源更是社会可持续发展的重要保障[7]。水污染严重，水质型缺水更加剧了水资源的短缺。

洪磊等[8]针对煤气化高浓污水含量高有机难降解物质、油含量高、固体悬浮颗粒多，处理难度大的问题，以复合酸为破乳剂除油协同膜过滤工艺对煤气化高含量污水进行除油除尘前处理实验。结果表明，该方法对水中的油和固体悬浮颗粒的去除率达到85%，99%以上，有效解决酚氨回收热交换器堵塞问题，提高酚回收率15%左右，为后续处理奠定基础。

刘华云[9]利用反渗透膜和超滤相组合的分离工艺来处理丙烯睛废水，重点研究了反渗透膜不同型号、不同工艺参数等对处理效果的影响，并对其处理稳定性进行了评价。结果表明：在一级和二级反渗透膜为陶氏反渗透膜，进水温度控制在30 ℃以下，pH值在调节为9.6~10.6时，废水的化学需氧量(COD)下降率达到83.4%，氰根去除率达到51.1%，经过6个月的稳定性试验，氰根平均去除率在71%以上，出水油质量浓度小于5 mg/L，COD平均下降率在81%以上。通过对反渗透膜进出水中的无机离子成分进行分析，发现丙烯睛废水中无机铁离子和300~400 nm的有机物组分是造成膜污染的重要原因。膜技术处理丙烯睛废水装置运行稳定，自动化程度高，初步分析每吨废水可减少运行成本7.5元，跟目前传统方法相比，经济效益显著。

随着膜技术的不断发展，膜分离技术在含油废水的处理中也取得了良好的应用效果[10]。Chen等[11]利用改性聚丙烯微滤膜对含油废水进行处理，通量在2 000 L/(m2·h)时，截留率保持在99%以上，处理效果较佳。Zhang等[12]利用改性后的聚偏氟乙烯超滤膜对含油废水进行处理，通量在3 415 L/(m2·h)时，截留率达到99.95 %，应用效果良好。

2.2 在食品方面的应用

张晓辉等[13]以小麦粉酶解液为对象，采用超滤纯化手段分离制备高纯度谷朊粉。通过正交实验，确定了最优组合条件，压力为0.25 MPa，pH为6.0，固液比为3%，温度为25 ℃下，谷阮粉纯度为83.23%。

菊粉酶解制备低聚果糖（FOS）过程中，酶解液中通常含有一定量的单糖、蔗糖和未酶解完全的菊粉；刘彬等[14]为了制备高纯度低聚果糖，酶解液先后经超滤（除去未完全酶解的菊粉）和大孔吸附树脂纯化（分离FOS、单糖和蔗糖）处理。因此，探讨超滤技术最佳工艺参数，比较4种树脂（CSR-1Na、CSR-2Na,CSR-3Na,CSR-1Ca）对FOS的纯化效果，选择最佳树脂并对其纯化工艺参数进行优化。结果表明，超滤技术的最佳操作工艺参数为:操作压差1.0 MPa·循环流量2 L/min，pH 6.0；该条件下，超滤的渗透通量为10.8 L/(m2·h)，FOS透过率为93.7%，纯度为63.84%。CSR-1Na型树脂对FOS的纯化效果较好；大孔树脂最佳纯化工艺参数为：操作温度60 ℃，体积流速1.5 mL/min，操作pH =6.0～6.5；该条件下FOS（纯度大于95%）的回收率为83.26% 。

熊福军等[15]采用膜集成技术从桅子果实中提取桅子黄色素。结果发现：采用50 nm陶瓷膜对桅子果实提取液进行过滤除杂，通量比较稳定，达到253 L/(m2·h)。陶瓷膜清液澄清透明后。采用3 000 Da分子量超滤膜进行色素和栀子苷的分离纯化，在浓缩倍数14，添加4倍洗水条件下，可使溶液中OD值降到0.24。最后采用纳滤膜对纯化后的桅子黄色素进行浓缩10倍，可使冷冻干燥后的桅子黄色素色价可达到402，OD值小于0.24，达到出口国际水平标准。

许学书等[16]以干酪素酶解产物为介质对膜分离进行了研究。讨论了碱性和中性条件下膜分离过程中膜两侧浓度、流通量和总氮截留率的变化。发现pH值低污染度高，截留分子量大的膜污染度大。用0.1mol/L的氢氧化钠和5 mL/L的84消毒液浸泡洗涤可使膜的水通量恢复94%。在干酪素水解液的超滤中，阻力主要来自于凝胶层。凝胶层的阻力比膜阻力大1至2个数量级。

2.3 在医药和保健方面的应用

彭艳梅等[17]采用不同截留分子的膜单元，对不同工艺环节中的药液进行膜分离，以齐墩果酸量、药液澄明度、成品得率为指标，考察不同膜单元对不同工艺环节中的药液膜分离效果的影响。通过中试放人，选择型号为24 126号膜单元和22 557号膜单元组合，具有较好的膜分离效果；控制药液温度10~40 ℃,压力0.1~0.35 MPa、一级膜滤出料体积流量1.4 L/min，二级膜滤出料体积流量13.6 L/min操作参数，得到澄清透亮红棕色液体，主要有效成分齐墩果酸损失约14%，成品得率提高了12.6%；经抗炎、抑菌主要药效学试验比较，两者疗效无显著性差异(> 0.05)。膜分离技术应用于喉咽清口服液纯化工艺基本可行。

汪陈平等[18]以理化分析、保健成分含量、感官、稳定性、保健作用作为考察指标，比较分析研究了膜分离技术在保健酒生产中的应用效果。结果表明，膜分离技术的应用降低了保健酒干浸出物含量与货架期沉淀风险，提高了保健成分含量，改善了酒体风格，不仅起着缓解体力疲劳作用，而且还显著降低了血清尿素氮水平。

翟小玲等[19]将膜分离技术应用于痔炎消颗粒的分离纯化，改善水提醇沉工艺耗用乙醇多、生产成本高、安全风险大的缺陷。采用以膜通量、干膏收率和芦丁含有量转移率为指标，优化无机陶瓷膜和超滤膜的膜滤工艺。结果表明，选择孔径为0.2 μm的无机陶瓷膜，温度40~50 ℃，操作压力0.10~0.12 MPa的条件以及截留相对分子质量为100 000的管式超滤膜。在温度30~35 ℃，操作压力0.30~0.40 MPa的条件下，能够有效减少痔炎消颗粒中的杂质，同时较好地保留有效成分。采用膜分离技术替代痔炎消颗粒的水提醇沉工艺时，既能避免醇沉工艺的缺陷，又能有效地保证产品的质量。

应用膜分离技术分离浓缩土瞥虫、全蝎匀浆提取液中的蛋白质和多肤类成分。陈卉等[20]采用高压平板膜，考察不同孔径超滤膜及操作压力对膜分离指标的影响，比较纳滤膜与反渗透膜对多肽蛋白膜分离液的浓缩效果，优选最佳膜浓缩操作压力。确定最佳膜分离浓缩工艺条件为：土鳖虫、全蝎匀浆提取液在2 MPa的操作压力下采用截留相对分子量（Mr）5.0×104超滤膜进行分离，收集膜分离液，在4 MPa操作压力下通过截留Mr 200的纳滤膜进行浓缩，得到膜浓缩液。膜分离浓缩前后蛋白多肽类成分的总转移率为（85.540.30）%。膜浓缩液经冷冻干燥，得冻干品纯度为（55.720.86）%。

2.4 膜分离技术在化工和石油化工中的应用

唐津莲等[21]采用以硅橡胶-聚砜中空纤维复合膜制成膜组件的小型烟气膜分离装置，考察了烟气温度、气体流速和压力等工艺条件对S Zorb模拟烟气膜分离的影响。结果表明，膜两侧压差是N2来源尾气的收率和N2纯度的主要影响因素，受温度影响不大，而入膜气适宜流速也主要受压力制约。在膜厚为0.012 cm的S Zorb 烟气膜分离的适宜的工艺条件：烟气温度为(3015)℃、膜两侧压差为(0.400.02)MPa下，SO2/N2的分离系数为2.7，渗透气中SO2质量分数达10.5%左右，可送入Claus装置进行硫磺同收，而尾气的体积收率约为60%。尾气中SO2质量分数不高于0.5%，可以作为N2回用于S Zorb装置。

扬子石化乙二醇装置通过增设膜分离回收乙烯单元，对含有23%左右的循环气排放气进行了回收。通过分析乙二醇装置膜分离回收乙烯单元的原理、优点和影响因素，并通过测算表明，扬子石化乙二醇装置膜分离回收乙烯单元乙烯的回收率在80%以上，侮年可减少乙烯损失287.8 t，具有较高的经济效益[22]。

为提浓回收利用低分气中的氢气，中国石油长庆石化公司在加氢裂化装置上设置了Prism膜分离单元。标定结果表明，自2010年建成投产以来，Prism膜分离单元已连续稳定运行了4年多；膜系统的实际处理能力为4 600～5 500 m3/h，比设计指标低1 500～2 400 m3/h；虽然产品氢(渗透气)中H2的体积分数只有约92%（比设计指标低约6个百分点），但完全能满足加氢裂化装置的用氢要求；氢回收率大于设计指标要求的88%[23]。

3 结语

综上所述，随着科学技术的发展，各种材料和用途的膜不断出现，膜分离技术的经济效益、社会效益、环境效益愈来愈大，发展前景也越来越广阔。同时，膜分离技术也不断与其他生产工艺结合起来（如精馏与膜分离耦合技术），成为许多生产工艺中必不可少的一部分。

由于技术和成本所限，膜分离技术的应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着研究的不断深入，新型膜材料的不断开发，膜分离技术将在各个领域得到广泛的应用。

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The Membrane Separation Technology and Its Application

（Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750105, China）

Membrane separation belongs to the rate separation in the mass transfer separation, and is different with traditional separation technologies, such as distillation, absorption. The membrane separation as a kind of new separation technology is widely applied in the production and life in recent years because of its excellent performance. In this paper, application of the membrane separation in water treatment, food, medicine and health care, chemical and petrochemical and other fields was mainly introduced. And its development prospect was also discussed.

Membrane separation; Water treatment; Food; Medicine; Chemical

TQ 028.8

A

1671-0460（2017）06-1193-03

银川能源学院教改项目（2016-JG-X-05）。

2016-11-29

朱鋆珊（1988-），女，吉林桦甸人，助教，2012年毕业于东北石油大学化学工程与工艺专业，研究方向：从事化学工程方面研究。E-mail：502952421@qq.com。