常规膜分离技术特点浅析

摘 要：膜分离技术以其高效、经济、污染小等优势，在化工、医药、环境治理等领域发挥越来越重要的作用。本文论述了膜分离技术的机理和分类，并分析了常规分离技术中的微滤、超滤、纳滤和反渗透的特点。

关键词：膜分离；技术；特点

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.047

0 引言

自上世纪60年代以来，随着醋酸纤维素膜第一次被制备出来并应用于工业化生产中，膜分离技术逐渐被人们所关注和掌握。同时，随着膜分离技术的不断创新发展，其技术优势越来越凸显，并逐渐取代了传统的分离技术[1]。当前，膜分离技术在化工生产、酿酒、生物医药和污水处理等领域均发挥着重要的作用。

我国对于膜分离技术的研究比欧美等发达国家开展的晚，始于上世纪50、60年代。主要是通过开展对离子交换膜的研究和海水淡化的实验研究。直到上世纪70年代以后，超滤、微滤、反渗透等不同类型的膜在我国逐渐被开发出来并应用到各个领域。随着环境污染日益严重，人们发现膜分离技术在污染防治方面也可发挥重要的作用。当前，在纯水制备和污水处理等领域也常用到膜分离技术。膜分离技术已脱离实验室，逐渐在工业生产、水处理等方面发挥了越来越多的作用。

1 膜分离技术及其分类

膜分离通常是指利用选择性透过膜作为分离介质，通过在膜两侧施加某种推动力，使得不同组分物质在膜间迁移从而达到分离、提纯的过程。推动力主要来源于外界能量（如压力差、电位差）或浓度差等[2]。膜分离技术在水处理領域也得到了广泛的应用。通常，膜分离过程主要是膜将污水中一种或多种污染物进行拦截，而允许水通过，从而使污染物被浓缩截留，便于去除。膜分离技术在水处理领域应用最多的是纯水制备。欧美等发达国家甚至要求水处理中优先考虑膜分离技术。

2 常规膜分离技术及其特点

在工业生产和水处理中常规的膜分离过程通常包含微滤、超滤、纳滤和反渗透等。这几种分离过程均是以压力差作为组分分离的推动力。但是，不同分离过程其作用机理却各不相同，如下表2所示：

2.1 微滤

也称为微孔过滤，主要是以筛孔机理对物质进行分离净化。采用微孔滤膜作为过滤介质，以静压差为推动力进行分离。微孔滤膜的孔径固定，气、液相中的悬浮粒子、细菌、病毒等微生物以及胶体等物质由于粒径大于滤膜孔径而被截留。而无机物和大分子有机物等物质在压力差的作用下可以迁移到微孔滤膜的另一侧，从而达到分离、净化的目的。

微滤的特点：膜孔分布均匀，过滤精度高。微滤可以通过采用制定固定孔径的微孔滤膜来进行精密过滤。滤膜的孔径分布均匀，可将大于孔径的悬浮粒子、微生物、胶体等污染物质全部拦截在滤膜表面，过滤精度很高。孔隙大，流速快。微孔滤膜的孔径大，通常孔密度为107孔/cm2，且微孔体积占膜总体积的70%～80%左右。因此，微粒和微生物等在通过微孔膜时受到的阻力较小，其过滤速度较常规介质快几十倍。厚度小，吸附少。微孔膜的厚度较小，一般在90-150m之间。其对于粒子的吸附量非常少，可忽略不计。滤膜材料稳定，不易脱落，滤液质量高。制备微滤膜的材料需具备热稳定性、化学稳定性和机械强度等特点，通常采用纤维素、聚氯乙烯 （PVC）等高分子材料制作滤膜。过滤时不易发生纤维或碎屑脱落，使用寿命长，获得的滤液质量较高。

但是，微孔滤膜对于颗粒的容量较小，分离过程中易发生堵塞现象。因此，在对物质进行分离前，需进行前道过滤，以避免因发生堵塞而影响微滤膜的正常使用。

2.2 超滤

超滤也是以压力差作为推动力，以超滤膜丝作为过滤介质。超滤膜的粒径介于微滤和反渗透之间。主要是利用不同孔径的超滤膜对液体中各类可溶性大分子和胶体等进行分离、净化。

超滤的过滤粒径较微滤膜小，约为5-10nm。可用于对溶液中的溶质进行分离、增浓等操作。超滤膜可允许小分子和溶解性无机物通过，对于蛋白质、核算聚合物、淀粉等大分子物质则会进行截留。通常超滤膜对于分子量在500-500000的微粒溶液中的多糖、蛋白质、酶等可溶性大分子或胶体物质均具有较好的分离、提纯效果。

超滤技术的应用范围广泛。常被应用于工业生产中的纯水制备、药品、色素提纯以及水污染治理等诸多领域，对于各类大分子和胶体的分离、净化、提纯具有良好效率。

2.3 纳滤

纳滤膜的孔径为纳米级，约为1-2nm。被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但又有所交叉。

纳滤可截留物质粒径小。纳滤对于粒径大于1nm的微粒均可进行截留，可以使一价盐和小分子物质透过。处理效率高，对于病毒、细菌等微生物可完全进行截留分离。操作压较小，通常在0.5-1MPa。对不同价态离子的截留效果不同。纳滤膜对单价离子的截留率较低，通常在截留率在10%-80%之间。但对二价及多价离子的截留率显著提升，可达90%以上。纳滤对离子的透过具有选择性，其过滤孔径接近于反渗透。但是运行压力较反渗透低。

纳滤可用于分离、提纯和浓缩。在我国，利用超滤膜制作纯水具有良好的效果，此外还应用于药物提纯等诸多领域。纳滤膜可在常规温度下进行分离、提纯，有效避免高温对热敏性物质的破坏。

2.4 反渗透

反渗透技术作为当前最先进、节能、高效的膜分离技术，其反渗透膜的孔径非常小，小于1nm。可分离物质的分子量通常小于500，可用于去除单价盐和非游离酸等无机物质。在高于溶液渗透压的作用下，将某些不能透过半透膜的物质与水进行分离。对其分离机理至今仍多有争论。当前主要有氢键理论、选择吸附-毛细管流动理论、溶解扩散理论等。

反渗透膜通常是不对称膜，对于溶质分子具有良好的截留效果。所需操作压力较大，在2-100MPa。反渗透技术具有很高的除盐效率，一般可达98-99%。因此，常用于电子工业、超高压锅炉补水等对纯水要求高的领域。制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、以及各类聚合物。

3 结论

随着经济的发展和科技的进步，人们对于膜分离技术和膜材料的研究日益深入。由新材料制备出来的膜具有更强的使用寿命，同时分离效率、稳定性也越来越高。同时，不断革新的分离技术也将有力推动膜分离法在各领域的应用。但膜分离技术也存在一些亟待解决的问题，如膜污染问题和膜的制作和运行成本常制约着膜技术的推广和应用。

参考文献：

[1]张芸，王晓静，代文臣等.以组合膜分离技术资源化处理印染废水工艺的研究[J].水资源与水工程学报，2015（04）：29-34.

[2]薛勇刚，官嵩，戴晓虎等.膜分离技术用于印染废水处理及回用的研究进展[J].染整技术，2014，36（05）：26-31.

作者简介：史宇涛（1981-），男，本科，工程师，从事水处理设计工作。