渗透于膜分离技术

渗透与膜分离技术

摘要：解释溶液的渗透现象及渗透压力，综述了膜分离技术的发展历史、技术

特点、工艺原理与流程、应用领域、行业应用。膜分离技术作为一种能耗低、设备简单、操作方便和分离性能好的分离技术，正日益受到广泛的关注。

关键词：渗透压力膜分离技术行业应用工艺流程问题与措施引言

目前膜分离技术被公认为20 世纪末至21 世纪中期最有发展前途的高科技之一[1]。扩散定理、膜的渗析现象、渗透压原理、膜电势等一系列研究为膜技术的发展打下了坚实的理论基础。

膜分离技术是一种新型高效的分离技术，是对非均相体系中不同组分进行分离、纯化与浓缩的一门新兴的边缘交叉学科。它具有过程不发生相变及副反应、无二次污染、分离效率高、过滤过程简单、易于控制、操作条件温和、能耗低、节能等优点,且有分离、浓缩、纯化和精制的功能，是缓解资源短缺、能源危机和治理环境污染的重要措施,因而得到世界各国普遍重视,并在海水淡化、印染、环保、食品、医药、生物、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

1 渗透

1.1渗透现象

若用一种只允许溶剂（如水）分子透过而溶质（如蔗糖）分子不能透过的半透膜把溶液和纯溶剂隔开，由于膜两侧单位体积内溶剂分子数不等，因此在单位时间内由纯溶剂进入溶液中的溶剂分子数要比由溶液进入纯溶剂的多，其结果溶液一侧的液面升高—这称为渗透现象。溶液液面升高后，静水压增大，驱使溶液中的溶剂分子加速通过半透膜，当静水压增大到一定值后，单位时间内从膜两侧透过的溶剂分子数相等，溶液液面停止升高，达到动态渗透平衡。

半透膜的存在和膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等是产生渗透现象的两个必要条件。

净渗透的方向总是溶剂分子从纯溶剂一方往溶液一方；若半透膜隔开的是浓度不等的两个非电解质溶液，净渗透方向则是溶剂分子从稀溶液一方往浓溶液一方进行，从而缩小膜两边的浓度差。

1.2渗透压力

为了使渗透现象不发生，必须在溶液面上施加一超额的压力。国家标准规定：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力等于溶液的渗透压力。其单位为Pa或kPa。

若半透膜隔开的是浓度不等的两个非电解质溶液，为了防止渗透现象发生，在浓溶液液面上施加的超额压力，并不等于任一溶液的渗透压力，它仅仅是两溶液渗透压力之差。

若选用一种高强度且耐高压的半透膜把纯溶剂和溶液隔开，此时如在溶液上施加的外压大于渗透压力，则溶液中将有更多的溶剂分子通过半透膜进入溶剂一侧。这种使渗透现象逆向进行的过程称为反向渗透。

2 膜分离技术

2.1膜分离过程与膜分离技术

2.1.1膜分离技术

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术。

半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜--无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小；有

机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。2.1.2膜分离过程的特点及分离原理

膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时,原料侧组分选择性地透过膜,以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜,推动力也不同。

目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO) 、渗析(D) 、电渗析( ED) 、气体分离( GS) 、渗透汽化( PV) 、乳化液膜( ELM)、膜生物反应器(MBR)等。

典型膜分离过程的特点及分离原理[2]

2.1.3工艺优点

（1）在常温下进行有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩

（2）无相态变化保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8 （3）无化学变化典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染

（4）选择性好可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能

（5）适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化

（6）能耗低只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

2.2膜技术应用

2.2.1膜分离技术在各行业中的应用制药行业

生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化精制树脂解析液的浓缩及解析剂回收农药水剂、粉剂的生产应用中药浸提液过滤除杂及浓缩中药浸膏生产应用

合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩结晶母液回收食品行业乳清废水处理

乳制品生产加工应用果汁澄清脱色

品添加剂纯化浓缩

茶饮料澄清浓缩

啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工天然色素提取液的除杂及浓缩氨基酸发酵液过滤澄清及精制染料化工和助剂

水溶性染料反应液的脱盐浓缩染料盐析母液废水回收淀粉糖品糖液分离纯化及浓缩果葡糖浆色普分离纯化糖醇色普分离纯化

单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩

环保及水处理领域纺织、染整、印染废水处理及回用电镀工业废水零排放及资源回收矿山及冶金废水处理回收淀粉废水处理

造纸废水木质素回收及废水处理电泳漆废水涂料回收酸、碱废水处理回收

市政污水的处理及回用

洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等循环处理工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备

生物技术

生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制

2.2.2工艺流程操作：

①接通电源，确保泵在运行过程中是正转；

②参数设定，根据实验要求的温度和压力，设置最高的工作压力和温度；③膜的准备