膜分离技术及其研究.

摘要

膜分离技术是指在某种驱动力的作用下利用膜对混合物中各组分的选择透过性的差异实现物质分离的技术。膜分离技术的驱动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。膜分离现象中的物质迁移现象是一种不可逆的传质过程。膜分离现象早在250多年以前就被发现但是膜分离技术的工业应用是在20世纪60

年代以后。

中国的膜分离技术的发展是从1958年对离子交换膜的研究开始的数十年来取得了长足的进步。目前中国研究所涉及的领域遍及膜科学与技术从材料的应用到产品的开发等方面。经过20年的努力中国在膜分离技术的研究开发方面已涌现出一批具有实用价值接近或达到国际先进水平的成果。但从总体上讲中国的膜分离技术和世界先进水平相比还有不小的差距还有待于进一步研究开发。

1 膜分离技术概述

1.1 膜分离技术

目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离、膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。表 1 列出了工业应用膜过程的分类及其基本特性。

微滤是最早使用的膜分离技术是在压力差作用下进行的筛孔分离、使不溶物浓缩的过程主要用于滤除0.05~10um的悬浊物质颗粒。主要应用于截留颗粒物、液体澄清以及除菌。

超滤是在压力差作用下进行的筛孔分离过程。

纳滤是从水溶液中分离除去中小分子物质的过程( 分子量为300~500）其原理是在超滤和反渗透间提供了一种选择性媒介在浓缩有机溶质的同时也可脱盐。

反渗透是以压力差为推动力的膜分离过程渗透与反渗透都是通过半透膜来完成。

电渗析是在直流电作用下以电位差为推动力实现溶液的精制、纯化或淡化。

液膜是依据溶解、扩散等原理通过液相薄膜将两个组成不同而又互溶的溶液

分开并通过渗透起到分离与提纯的效果它很好地克服了固体膜存在的选择性低、通量小等特点。

1.2 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。

一般来说采用能透过气体或液体的膜分离技术对下述体系进行分离具有特殊的优越性：化学性质及物理性质相似的化合物的混合物；结构的或取代基位置的异构物混合物；含有受热不稳定组分的混合物。

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我们克服或者需要解决的问题所在。

1.3 膜材料、分类及膜分离装置

膜材料分为有机和无机两大类。有机材料主要包括纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃类、硅橡胶类、含氟高分子类等；无机材料主要以金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃等为主。膜使分离过程的核心。由于膜的种类和功能繁多分类方法有多种,比较通用的有4种方法即按膜的性质分类、按膜的结构分类、按膜的用途分类以及按膜的作用机理分类。膜按来源形态和结构分类见图1。

根据膜的形状, 膜分离装置基本上可分为如下5 类：板式结构；管式结构；卷式结构；中空纤维结构；旋叶式动态膜装置。

2 膜分离技术的应用

2.1 在化工及石油工业中的应用

在化工领域已开发应用的主要四大膜分离技术为反渗透、超滤、微滤、电渗这些膜过程的装置设计都较为成熟已有大规模的工业应用和市场。由于各国普遍重视环境保护和治理因而微滤和超滤分离在化工生产中的应用非常常见广泛应用于水中细小微粒包括细菌、病毒及各种金属沉淀物的去除等。例如：目前国内一些磷肥生产企业采用微滤膜分离去除磷石膏废水中含氟的化合物。

气体分离在化工和石油化工方面的应用也颇具意义。例如：在合成氨工艺中回收2H ；在3次石油回采中从甲烷中分离2CO ；由膜分离氧和氮等。

电渗析在化工中的应用也较广泛例如: 自然水的纯化海水脱盐等。在石油化工中膜技术广泛用于有机废气的处理脱除天然气中的水蒸气和酸性气体；

天然气中的氦的提取；合成氨池放气中回收氢气；制取富氧空气；催化裂化干气的氢烃分离等。膜分离技术在化工、石油天然气工业中具有十分广阔的前景它对于生产设备的优化及提高经济效益也都有着十分重要的作用。尽管此项技术有待于进一步的探索研究但作为一门新兴科学在不远的将来终究会在化工及石油天然气中发挥巨大的作用。

2.2 在食品工业中的应用

膜分离技术用于食品工业开始于20世纪60年代末, 首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。进入

21世纪我国食品工业迅速发展伴随着经济的发展!国家提出可持续发展的战略建立与环境友好型的社会。膜分离技术由于它环保型、节约型等特点广泛应用于食品工业中为我国创造更多的经济效益和环境效益。至今膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用。主要用于以下几个方面:

(1)利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离；

(2)利用膜分离技术加工乳制品；

(3)利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩；

(4)利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩；

(5)利用膜分离技术对明胶进行提纯；

(6)在含酒精及非酒精饮料加工中的应用；

(7)膜分离技术在处理淀粉废水中的应用；

(8)膜分离技术在制糖工业中的应用；

(9)膜分离技术在食用油加工中的应用；

(10)膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。

膜分离技术用于食品加工有很多优点：与传统方法相比不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、设备占地面积小；更重要的是由于分离膜性能的提高能在很高精度水平下分离各种成分。

2.4 在生物技术中的应用

在生物技术方面膜技术也有各种应用其中应用最广泛的是微滤和超滤技术。例如：从植物或动物组织萃取液中进行酶的精制；从发酵液或反应液中进行产物的分离、浓缩等。膜技术应用于蛋白质加水分解或糖液生产有助于稳定产品质量提高产品的收率和降低成本。由于应用分离膜可以在室温下进行物理化学分离所以它特别适合于热敏性生物物质的分离。可以想象膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用。

膜技术用于生物技术也有一些问题其中最主要的是：与色谱法比较分离精度不高。同时多组分分离做不到；膜上容易形成附着层使膜的通量显著下降；操作结束后膜清洗困难；膜的耐用性差。这几点是影响膜技术在生物工程领域应用的最主要的原因。因此如何改进和解决上述问题就成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。

2.5 在水处理中的应用

随着工业的进一步发展水源和大气被污染更加严重这就要求人们提高对它们进行处理净化的能力因此膜分离技术在环境工程中的地位越来越突出。应用膜分离技术来处理工业废水、废气已经被证明是卓有成效的在不少废水处理中膜分离技术能实现闭路循环在消除污染的同时变废为宝取得了较大的经济效益和社会效益。除了微滤、超滤、反渗透、电渗析的过程外渗透汽化的其他膜技术也将