膜分离技术目前的研究进展汇编

生物分离工程期末论文
题目：膜分离技术目前的研究进展学院：化学工程学院
姓名：熊慧欣
班级：生物201301
学号：120133302064
指导老师：何璐
年月日：2015/12/7
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
1膜分离技术概述 (4)
1.1膜分离技术 (5)
1.2特点 (6)
1.3膜的分类 (5)
1.4膜材料、分类及膜分离装置 (6)
2膜分离技术的分离原理和特点 (1)
2.1纳滤（NF） (2)
2.2超滤(UF) (3)
2.3微滤(MF) (2)
2.4反渗透(RO) (3)
2.5电渗析（ED） (2)
3膜分离技术的发展及研究进展 (4)
3.1国外分离技术的发展及研究进展 (5)
3.2国内分离技术的发展及研究进展 (6)
4膜分离技术的应用 (4)
4.1膜分离技术在医药医疗中的应用 (5)
4.1.1膜分离技术在中药生产中的研究和应用 (6)
4.1.2分离技术在西药及生物制剂中的研究和应用 (5)
4.1.3膜分离技术在人工肾上的应用 (6)
4.2膜技术在工业废水处理中的应用 (5)
4.2.1含油废水的处理 (6)
4.2.2造纸废水的处理 (5)
5展望 (4)
参考文献 (1)
膜分离技术目前的研究进展
熊慧欣
（辽宁科技大学化学工程学院生物工程201301 120133302064）
摘要：介绍了膜分离技术原理、膜技术设备组成、膜分离技术的发展，阐述了膜分离技术在工业中的应用，展望了膜分离技术的发展趋势。

关键词：膜分离技术；研究进展；应用
The development of membrane separation technology and its
present status of research progress
XIONG Hui-xin
(School of Chemical Engineering,University of Science and Technology
Liaoning ,Bioengineering201301,120133302064)
Abstract：The principles of membrane separation technology，equipment components of membrane technology，the development of membrane separation technology，and its application in industry were summarized in the review，the development trend of membrane separation technology in the future was prospected．
Key words：barrier separation technology；research progress；application
膜是具有选择性分离功能的材料。

膜分离包括最简单的滤纸过滤到高选择性的生物膜分离。

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! ,膜分离技术具有分离、浓缩、纯化和精制的功能。

膜分离技术已广泛应用超纯水、资源回收、食品工业、植物深加工、苦咸水淡化、饮料工业、医药工业、农产品深加工、生物医药、中药制剂、食品工业废水处理、临床医学、印染废水、饮料工业、生物发酵等,已成为当今分离科学中最重要的手段之一［１－５］。

本文介绍了膜分离技术的研究进展。

1膜分离技术概述
1.1膜分离技术
膜分离是指借助膜的选择渗透作用在外界能量或化学位差的推动下对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级提纯和富集。

该技术作为新的分离净化和浓缩技术与其他传统的分离方法相比常温下操作有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小并且膜分离具有过程简单、经济适用、分离系数较大、没有污染能适合常温下连续操作、可直接放大、可专一配膜等优点人类对于膜的研究源于18世纪, 但是膜分离技术的工业应用是在上个世纪年代以后从六十年代的反渗透到九十年代的渗透汽化,膜分离技术发展迅速, 膜分离技术的应用领域不断扩大常用的膜分离技术有超滤（UF）、微滤（MF）、反渗透（RO）、纳滤（NF）、电渗析（ED）等现已涉及人们生产和生活的各个方面对水处理工业、化工生产、医药、食品生产和生物工程等领域的发展产生了巨大的作用［６］。

1.2特点
膜分离技术具有如下特点：1)膜分离过程不发生相变化，因此膜分离技术是一种节能技术；2)膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等。

3)膜分离技术适用分离的范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型；4)膜分离技术以压力差作为驱动力，因此采用装置简单，操作方便［７］。

1.3膜的分类
分离膜分为高分子膜、液体膜、生物膜。

高分子膜分为带电膜( 阳离子膜和阴离子膜) 和非带电膜( 过滤膜、精密过滤膜、超滤膜、纳米滤膜、反渗透膜)。

比较常用的有微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、电渗析等。

1.4 膜材料、分类及膜分离装置［８］
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。

膜是分离过程的核心。

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。

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膜分离技术的分离原理和特点
2.1纳滤（NF）
纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为200—1000，能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。

纳滤膜的分离机理模型目前的看法主要是空间位阻－孔道模型。

与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量；与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的。

纳滤［９－１２］（NF）是介于反渗透和超滤之间的一种膜分离技术，是国内外研究的热点。

余跃等⋯对纳滤技术处理印染废水进行了去除COD和脱色的研究。

结果表明，纳滤技术可有效地去除印染废水中的色度和COD。

Salzgitter Flachstahl电镀厂采用膜技术处理镀锌废水，回收其中的zn2+和H2SO4，其结果达到了设计要求。

常江等在完成用新型纳滤膜处理模拟含Ni2+废水实验室研究的基础上，进行了电镀镍漂洗废水的纳滤膜处理及镍和水回收利用的工业试验，为大规模工业应用提供了参考数据。

杨青等研究报道将DK型与NF90型纳滤膜组合可适用于治理高浓度、高盐分的吡啉农药废水污染。

2.2超滤（UF）
超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为（0.001-0.02）微米的微孔过滤膜。

在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿(原子质量单位）、粒径大于10纳米的颗粒。

超滤膜是最早开发的高分子分离膜之一，在60年代超滤装置就实现了工业化。

超滤 （UF）和微滤一样，也是利用筛分原理以压力差为推动力的膜分离过程。

同微滤过程相比超滤过程受膜表面孔的化学性质的影响较大。

在一定的压力［（100 ～1 000）看kPa］条件下溶剂或小分子量的物质透过孔径为（1 ～20）μm的对称微孔膜，而直径在（5 ～100）nm 之间的大分子物质或微细颗粒被截留，从而达到了净化的目的。

超滤主要用于浓缩、分级、大分子溶液的净化等。

在超滤方面今后应重点开发抗污染膜；比较廉价的，长寿命的膜组件；低能耗的膜组件；抗溶剂的膜及组件；适用于高温、高pH 值和抗氧化的膜。

2.3微滤（MF）
微滤（MF）是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一，孔径在0．05—101zm之间，可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去，滤液纯净，国际上通称为绝对过滤。

微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的。

即：比膜孔大的颗粒的机械截留、颗粒间相互作用及颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥架作用这三种方式来实现的。

微滤主要是根据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。

在给定压力下［（50 ～100）kPa］，溶剂、盐类及大分子物质均能透过孔径为（0.1～20）μm 的对称微孔膜，只有直径大于50nm 的微细颗粒和超大分子物质被截留，从而使溶液或水得到净化。

微滤技术是目前所有膜技术中应用最广、经济价值最大的技术。

主要用于悬浮物分离、制药行业的无菌过滤等。

在微滤方面今后应着重研究开发廉价膜组件；耐高温抗溶剂的膜及组件；不污染，易清洗的长寿命膜。

2.4反渗透（RO）
反渗透（RO）过程主要是根据溶液的吸附扩散原理，以压力差为主要推动力的膜过程。

在浓溶液一侧施加一外加压力［（1 000 ～10 000）kPa］，当此压力大于溶液的渗透压时，就会迫使浓溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1 ～1 nm 的非对称膜流向稀溶液一侧，这一过程叫反渗透。

反渗透过程主要用于低分子量组分的浓缩、水溶液中溶解的盐类的脱除等。

在这方面今后应优先发展抗氧化膜；耐细菌侵蚀的膜；透水性好的易清洗、消毒的膜。

反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。

因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。

学界对于反渗透分离机理的解释主要流行以下理论：溶解一扩散模型、优先吸附一毛细孔流理论、氢键理论。

2.5电渗析（ED）
电渗析〔ED〕是在外加直流电场的作用下,利用离子透过选择性离子交换膜而迁移使带电离子从水溶液和其他不带电组分中部分分离出来的一种电化学分离过程其原理如图所示在外加直流电场的作用下,以电位差为驱动力原水中的阳离子向阴极迁移淡化室中的阳离子透过阳膜进入浓缩室，但浓缩室中的阳离子受阻于阴膜而留下同时原水中阴离子向阳极迁移淡化室中的阴离子透过阴膜进入浓缩室但浓缩室中的阴离子受阻于阳膜而留下。

电渗析技术具有以下特点电渗析技术由于具有能耗低、药剂耗量少、环境污染小、操作简便、使用寿命长、无污染等特点广泛地应用于海水、苦咸水脱盐。

３膜分离技术的发展及研究进展[14]
人类从对膜的认识到应用经历了200 多年，而对膜进行科学研究则是近几十年来的事情。

3.1国外分离技术的发展及研究进展
[15]
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。

3.2国内分离技术的发展及研究进展
[16-17]
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发( 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.膜分离技术的应用
4.1.膜分离技术在医药医疗中的应用
[18]
4.1.1膜分离技术在中药生产中的研究和
应用
中药是我国的民族瑰宝，它的化学成分非常复杂，通常含有无机盐、生物碱、氨基酸、糖类、有机酸、苷类、甾族和萜类化合物以及蛋白质、淀粉、纤维素等。

中药生产的传统方法存在着诸多问题，例如工艺复杂、产品成本高、污染环境以及生产周期长等。

膜分离技术具有许多独特的优点，在中药生产与中成药的加工中显示出了巨大的
潜力。

中药有效成分的相对分子量较小，主要是由具有多靶作用的天然化学药物复方组成，而非药用性或药用性比较差的成分主要是由相对分子量比较大胶体和纤维素等组
成H1。

中药有效成分提取的方法主要有离子交换、溶剂萃取以及重结晶等。

在提取过程中，这些传统的方法存在着有机溶剂可能破坏有效成分、杂质去除率和有效成分的提取率不高以及高温易引起热敏性有效成分失
效等问题。

膜分离技术在分离过程中表现出了除杂效果好、操作过程简单、室温操作、无需外加其他物质、无污染等优点。

黄酮是中药的主要有效成分之一，黄酮类化合物具有降低胆固醇、改善心血管血液循环的作用，含黄酮类的药物已越来越受到人们的青睐。

徐志红等利用磺化聚醚砜平板超滤膜对黄酮进一步提取，从银杏黄酮质量分数为21．3％的原料中得到质量分数为39．2％的精制产品，使有效药物成分的浓度得到进一步的提高[19-20]。

4.1.2分离技术在西药及生物制剂中的研
究和应用
营爱玲[21]等淄3利用NTR7450纳滤膜对三．苯丙氨酸和L-天冬氨酸就行分离，试验表明，在pH=5。

8时，NTR7450膜对L-苯丙氨酸和．L-天冬氨酸的截留率分别为0和90％，并根据试验结果进行模拟计算，结果说明调节pH值可以有效地分离L-苯丙氨酸和L-天冬氨酸。

4.1.3膜分离技术在人工肾上的应用
人工肾又叫血液透析机，指具有血液透析、过滤功能的膜。

对肾功能衰竭或尿毒症患者的血液经3—6 h透析后，可使患者的血液净化基本上达到正常人的标准。

在血液透析治疗过程中，主要依据弥散和超滤物理传输原理，把尿毒症患者体内的水分排除。

超滤主要是通过膜两侧的静水压来完成的，它的主要作用是不但可以清除部分有毒物质，还可以清除潴留的水分。

人工肾膜要求血液适应性好，不会发生溶血现象，有害物质透过率高，而血小板和血球等不能透过，能用γ射线或高压蒸汽消毒等。

其几何形状有中空纤维和平板膜两种。

组成透析器后，膜的总体性能用清除率或透析率来衡量。

4.2膜技术在工业废水处理中的应用
[22]
4.2.1含油废水的处理
含油废水面广量大，钢铁工业的压延、金属切削、研磨以及石油炼制及管道运输等都产生含油废水。

处理含油废水的目的主要是除油同时去除COD及BOD。

膜分离技术在含油废水处理中的研究与应用相当广泛，主要是采用不同材质的超滤膜和微滤膜来处理。

张裕嫒[23]用相转化法制备聚砜-AI2O3复合膜,将AI2O3微粒填充到聚砜中,并用该复合膜对华北油田北大站外排水砂滤后水样进行了超滤处理, 原水的油质量浓度为640 mg / L,处理后的油质量浓度小于0.5 mg / L, 完全符合回注水的要求。

4.2.2造纸废水处理
造纸废水一般含悬浮物（包括无机和有机的）较多，为避免废水污物堵塞薄膜, 减少清洗难度和频率,不宜直接用一段膜分离法,最好在膜分离前进行絮凝和常规过滤等预处理。

目前对造纸废水的膜分离法的研究已取得实质性进展, 并已开始进入工业化
阶段。

除抄纸废水（白水）用气浮法即可处理外,膜分离法几乎适用于处理所有的制浆造纸废水（如机械浆废水、硫酸盐浆漂白碱
性废水、涂布废水、亚硫酸盐废液等）,特别对漂白废水的毒性、色度和悬浮物的去除有明显效果。

5展望
膜技术在环保领域的应用将成为国内外重点发展的前沿课题。

因此对膜材料提出了更高的要求。

尤其是要制造出适应于环保行业高强度、长寿命、抗污染、高通量的膜材料。

膜分离术的研究也可谓与日俱进，可以预料在新世纪，随着法规标准的日益提高和膜技术的不断成熟、成本不断降低，膜技术将会出现一个技术上的进一步提高，应用上更加普及的高潮。

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