新型膜分离技术的研究与发展(1)

膜分离技术的研究与发展

化学专业学生：刘洋

摘要：从现代化工和新技术发展的需求出发 ,论述了化工分离技术的重要性, 各新型分离技术的原理应用及发展现状, 并对当代化工新型分离技术的发展特点进行了探讨。

关键词: 新型分离技术 ; 膜分离 ; 集成过程; 应用

化工分离工程是高等学校化学工程及工艺专业的专业基础课和必修课，主要研究各种分离过程的原理与分离物系质量、热量、动量传递过程即设备内同时进行的物理变化和化学变化的基本规律，该门课程的开设不仅要求学生具备化工原理、物理化学、化工热力学等学科基础知识，同时，还要求学生掌握一定的数值计算方法，具有一定计算机能力[1-3]。文章就近年来在化工分离工程课程教学实践，结合对化工分离工程课程的相关认识，探索了课程教学改革。

世界万物都是由有序自发地走向无序，所有的纯物质都逐渐变成混合物。分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提纯或纯化的一门新型学科，正是这种需求，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。新型分离技术目前受到材料开发、生产成本及其他学科发展的限制，工业化应用程度还不高，但它们已经在某些高新领域显示出良好的分离性能和强劲的发展势头。

1 膜分离技术的概念与原理

借助于具有分离性能的膜而实现分离的过程称为膜分离过程。由于膜分离过程一般没有相变，既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，因而在生物、食品、医药、化工、水处理过程中备受欢迎。膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对液相或者气相混合物内的不同成分进行分离、提纯、浓缩的先进加工技术。根据膜分离过程的不同特征可分为微滤( MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、渗透蒸发(PV)、渗析(D)、电渗析(ED)、电去离子技术(EDI)和气体分离(Gs)等过程。

膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法，在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术，其中在食品、药学工业中常用的有微滤、超滤和反渗透3种。膜分离技术以其节能效果显著、设备简单、操作方便、容易控制而受到广大用户的普遍欢迎。选择适当的膜分离过程，可替代鼓式真空过滤、板框压滤、离子交换、离心分离、溶媒抽提、静电除尘、袋式过滤、吸附/再生、絮凝/共聚、倾析/沉淀、蒸发、结晶等多种传统的分离与过滤方法。

2 国外分离技术的发展及研究进展[4］

早在上世纪 30 年代，硝酸纤维素微滤膜已商品化，近年来开发出聚四氟乙烯为材料的微滤膜新品种，它使用范围非常广，销售额居于各类膜的首位.

从上世纪 70 年代，超滤应用于工业领域，现在应用领域非常广泛.上世纪 80 年代，新型含氟离子膜在氯碱工业应用成功.第三代低压反渗透复合膜，性能大幅提高，已在药液浓缩、化工废液、超纯水制造等领域得到广泛应用.1979 年 Monsanto 公司成功研制出

H2/N2分离系统.渗透汽化于 80 年代后期进入工业应用，主要用于醇类等恒沸物脱水，该过程节约能源，不使用挟带剂，使用起来比较经济.此外，用渗透汽化( PV) 分离有机混合物，近年也有中试规模研究的报道.

3 国内分离技术的发展及研究进展［5-6］

我国膜技术始于上世纪50年代末，1966 年聚乙烯异相离子交换膜在上海化工厂正式投产.1967年用膜技术进行海水淡化工作.我国在 70 年代对其它膜技术相继进行研究开(电

渗析、反渗透、超滤、微滤膜)，80 年代进入应用推广阶段.中国科学院大连化物所在 1985 年首次研制成功中空纤维N2/H2分离器，现已投入批量生产.我国在 1984 年进行渗透汽化( PV) 研究，1998 年我国在燕山化工建立第一个千吨级苯脱水示范工程 .中国科技部把渗透汽化透水膜、低压复合膜、无机陶瓷膜及天然气脱湿膜等列入“九五”重点科技攻关计划，分别由清华大学、南京化工大学及中科院大连化物所、杭州水处理中心承担，进行重点开发公关.1998 年 10月国家发改委在大连投资兴建国家膜工程中心，技术上以中国科学院大连化物所为依托.

4膜分离过程的优点与不足

膜分离技术在生产中物料无相变过程，因而无需再沸器、冷凝器等设备，与蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等传统分离技术相比具有的优点是：（1）节约能源；（2）在常温下进行，特别适用于热敏性物质的处理，能够防止食品品质的恶化和营养成分及香味物质的损失；（3）食品的色泽变化小，能保持食品的自然状态；（4）设备体积小且构造简单，费用较低，效率较高；（5）适用范围广，有机物和无机物都可浓缩，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。

但是，膜分离技术也存在着一些不足；（1）产品被浓缩的程度有限；（2）有时其适用范围受到限制，因加工温度、食品成分、pH、膜的耐药性、膜的耐溶剂性等的不同，有时不能使用分离膜；（3）规模经济的优势较低，一般需与其他工艺相结合。这些问题严重影响分离效率，这就要求我们必须克服此类问题，才能将膜分离技术更好地为社会服务。

5膜分离技术的应用

超临界萃取是基于萃取机理的一种新型分离技术,具有节能省资源,可在温和条件下完成离操作等优点。近二十年来,被广泛应用于石油医药食品香料中许多特定组分的萃取及分离，如从绿茶中脱除咖啡因[7 ],从啤酒花中提取有效成分[8],从油沙中提取油气[ 9 ] ,从植物中提取有价值的生物活性物质[10一 l1],如药物胡萝卜素和香精香料调味品及化妆品等;植物和动物油脂的分级和有价值物质的提取，热敏物质的分离[12 ] ;含有机物的废水处理等，双水相萃取技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域,并取得了许多成功的范例,主要是分离蛋白质，病毒,青霉素毒和线病毒的纯化[ 13 ],核酸,DNA酶的分离汇等[14]此外双水相还可用于稀有金属/贵金属分离[15],传统的稀有金属贵金属溶剂萃取

方法存在着溶剂污染环境,对人体有害,运行成本高,工艺复杂等缺点。双水相技术萃取技术引人到该领域, 无疑是金属分离的一种新技术。

6 分离技术的地位与角色

分离技术广泛应用于石油、化工、医药、食品、冶金、原子能等许多工业领域，其所需的