膜分离

膜分离技术及应用摘要：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。

本文介绍了膜分离的概念，原理，分类及应用等内容。

关键词：膜分离技术，超滤，微滤1 引言膜分离是在20世纪初出现，上世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。

膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，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]。

膜可以是固相、液相、甚至是气相的。

用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。

大多数人会认为，膜离我们的生活非常遥远。

其实不然，膜分离技术非常贴近我们的日常生活。

如水、果汁、牛奶、保健品、中药、茶食品、饮料、调味品等我们随时可能接触到的，都会用到膜分离技术。

随着国民经济的迅速发展，膜分离技术的应用领域不但会越来越广泛，而且其会被越来越多的人认识和接受。

据初步统计，2001年全世界膜和膜组件的销售额已接近80亿美圆，成套设备和膜工程的市场则已达到数百亿美圆，而且每年还在以10%~20%的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景。

2 膜分离技术的简介2.1膜分离的概念利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

2.2膜的性质特点在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。

膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体。

被膜分开的流体相物质是液体或气体。

膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。

对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力[2]，一般模操作的压力范围在0.1~0.5Mpa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa；（2）耐高温：高通量带来的温度升高和清洗的需要；（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低。

2.3膜分离技术特点膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，由于其多学科性特点，膜技术可应用于大量的分离过程。

各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。

但有其共同的优点。

膜分离过程没有相变，节能，高效，无二次污染。

操作过程一般比较简单，经济性好，可以直接放大，可专一配膜。

可在常温下连续操作，特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。

当利用常规分离方法不能经济、合理地进行分离时，膜分离过程作为一种分离技术就特别适用。

另外，它也可以和常规的分离单元结合起来作为单元操作来运用。

当然，膜分离过程也有自身的缺点，如易浓差极化和膜污染、膜寿命有限等，而这些也正是需要克服或者需要解决的问题所在。

2.4膜分离技术种类膜分离技术主要包括透析、超滤、微滤、电渗析、反渗透等。

各种膜分离过程的类型及特征如表1所示：图中分别给出了按分离原理和按被分离物质的大小区分的分离膜种类，从中可以看出，除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的分离膜技术均可应用于任何分离、提纯和浓缩领域。

反渗透和纳滤作为主要的水及其它液体分离膜之一[3]，在分离膜领域内占重要地位。

表1膜分离的种类及特点种类膜的功能分离驱动力透过物质被截流物质微滤多孔膜、溶液的微滤、脱微粒子压力差水、溶剂和溶解物悬浮物、细菌类、微粒子、大分子有机物超滤脱除溶液中的胶体、各类大分子压力差溶剂、离子和小分子蛋白质、各类酶、细菌、病毒、胶体、微粒子反渗透和纳滤脱除溶液中的盐类及低分子物质压力差水和溶剂无机盐、糖类、氨基酸、有机物等透析脱除溶液中的盐类及低分子物质浓度差离子、低分子物、酸、碱无机盐、糖类、氨基酸、有机物等电渗析脱除溶液中的离子电位差离子无机、有机离子渗透气化溶液中的低分子及溶剂间的分离压力差、浓度差蒸汽液体、无机盐、乙醇溶液气体分离气体、气体与蒸汽分离浓度差易透过气体不易透过液体常用的膜分离过程简介：1.微滤鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。

具体涉及领域主要有：医药工业、食品工业（明胶、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高纯水、城市污水、工业废水、饮用水、生物技术、生物发酵等。

2.超滤早期的工业超滤应用于废水和污水处理。

三十多年来，随着超滤技术的发展，如今超滤技术已经涉及食品加工、饮料工业、医药工业、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收、环境工程等众多领域。

3.纳滤纳滤的主要应用领域涉及：食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品深加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保净水和污水处理及其资源化工业。

4.反渗透由于反渗透分离技术的先进、高效和节能的特点，在国民经济各个部门都得到了广泛的应用，主要应用于水处理和热敏感性物质的浓缩，主要应用领域包括以下：食品工业、牛奶工业、饮料工业、植物（农产品）深加工、生物医药、生物发酵、制备饮用水、纯水、超纯水、海水、苦咸水淡化、电力、电子、半导体工业用水、医药行业工艺用水、制剂用水、注射用水、无菌无热源纯水、食品饮料工业、化工及其它工业的工艺用水、锅炉用水、洗涤用水及冷却用水。

4常用膜分离技术的原理4.1膜过滤的基础理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。

4.1.1浓度极化模型反渗透、超滤和微滤操作各具特点，影响透过通量的因素很多。

但这三种膜分离操作的透过通量基本上均可用浓度极化或凝胶极化模型描述。

浓度(凝胶)极化模型的要点是：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。

这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化[4](concentration polarization)。

膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。

当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。

当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。

这种现象称为凝胶极化(gelpo1arization)。

凝胶层的形成对透过产生附加的传质阻力，因此透过通量一般表示为：)(g m L V R R P J +-=μπ∆∆式中：J V —溶质的质量通量；Δp —膜两侧的压差，Pa ；Δπ—膜两侧溶液的渗透压差，Pa ；μL —料液的黏度Pa ·s ；R m —膜的阻力m -1；R g —凝胶的阻力m -1。

(1) 生物分子透过通量的浓度极化模型方程⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=p b p m V c c c c k J ln δD k = 式中：J V ——透过通量D ——溶质的扩散系数，m 2/s ；δ——虚拟滞流底层厚度，m ；c m ——膜表面浓度，mol/L ；c b ——主体料液浓度，mol/L ；c p ——透过液浓度，mol/L ；k ——传质系数，m/s 。

(2) 菌体悬浮液在高压条件下生物大分子溶液透过通量的凝胶极化模型方程b g Vc c k J ln=式中：J V ——透过通量c g ——凝胶层浓度c b ——透过液浓度k ——传质系数 当压力很高时，溶质在膜表面形成凝胶极化层，溶质的透过阻力极大，透过液浓度即很小，可忽略不计。

4.1.2超滤膜的分子截留作用截留率(rejection coefficient)表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。

m p c c R -=10R 0—截留率；c m —膜表面的极化浓度；c p —透过液中溶质浓度。

由于膜表面的极化浓度c m 不易测定，通常只能测定料液的体积浓度(bulk concentration)，因此常用表观截留率R ，其定义为b pc c R -=1R —表观截留率；c b —料液中溶质浓度；c p —透过液中溶质浓度。

通过测定超滤前后保留液浓度和体积可计算截留率为：)/ln()/ln(00V V c c R其中：c 0—溶质初始浓度；c —溶质超滤后的浓度；V 0—料液初始体积；V —料液超滤后的体积。

通过测定相对分子质量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与溶质相对分子质量之间关系的曲线，即截留曲线[5]。

一般将在截留曲线上截留率为0.90(90％)的溶质相对分子质量定义为膜的截留相对分子质量(relative molecular mass cut-off ，MMCO)。

MMCO 只是表征膜特性的一个参数，不能作为选择膜的唯一标准。

膜的优劣应从多方面(如孔径分布、透过通量、耐污染能力等)加以分析和判断。

实际膜分离过程中影响截留率(表观截留率)的因素：(1)相对分子质量(2)分子特性：相对分子质量相同时，呈线状的分子截留率较低，有支链的分子截留率较高，球形分子的截留率最大。

对于荷电膜，具有与膜相反电荷的分子截留率较低，反之则较高。

若膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截留率增大。

(3)其他高分子溶质的影响：当两种以上的高分子溶质共存时．其中某一溶质的截留率要高于其单独存在的情况。

这主要是由于浓度极化现象使膜表面的浓度高于主体浓度。

(4)操作条件：温度升高，粘度下降，则截留率降低。

膜面流速增大，则浓度极化现象减轻，截留率减小。

此外，当料液的PH 值等于某蛋白质的等电点时，由于蛋白质的净电荷数为零，蛋白质间的静电斥力最小，使该蛋白质在膜表面形成的凝胶极化层浓度最大，即透过阻力最大。

此时，溶质的截留率高于其他pH 下的截留率。

4.2 超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。

分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。

反渗透膜的操作压力高达10MPa 。

（1）超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。

渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。

（2）实现超滤和反渗透的条件超滤：需要增加流体的静压力[6]，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；atmp p p p >>0p p ——操作压；p 0——渗透压；p atm ——大气压； 反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。