21世纪高新技术展望

膜分离技术的现状及发展前

摘要:综述世界和中国膜分离技术的发展, 并对膜分离技术的基本特性、技术特点、膜材料、分类及膜分离装置进行了简单介绍; 并介绍了膜分离法在化工及石油工业、食品工业、医药工业和医疗设备、生物技术和环境工程中的应用, 并分析了膜分离技术将会在膜材料、新的膜过程和集成膜过程3 个方面的发展趋势。同时指出如果能解决膜产品的价格、膜污染和膜分离性能的提高这3 个膜的制约因素, 膜分离技术将在人类社会的发展史上起到不可替代的作用。

关键词:膜分离技术; 发展趋势; 膜材料; 膜过程

引言

膜分离技术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作

用下对混合物中溶质和溶剂进行分离, 分级, 提纯和富集。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[1]以后。其大致的发展史为: 20 世纪30 年代微孔过(Micro- filtration); 40年代渗析(Dialysis); 50 年代电渗析(Electro- dialysis);60 年代反渗透(Reverse- osmosis); 70 年代超滤(Ultra- filtration); 80 年代气体分离(Gas separation);90 年代渗透汽化(Per- vaporization)。数十年来, 膜分离技术发展迅速, 特别是90 年代以后,随着膜(TFC 膜) 的研制成功, 膜分离技术的应用领域已经渗透到人们生活和生产的各个方面。膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术, 已经被广泛应用于化工、环保、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。国外有关专家甚至把膜分离技术的发展称为“第三次工业革命”。膜分离技术被认为是20 世纪末至21 世纪中期最有发展前途的高新技术之一[2～6]。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等。正在开发研究中新的膜过程有: 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。

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。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

在此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H2; 在3 次石油回采中从甲烷中分离CO2; 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。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)在含酒精饮料加工中的应用。(7) 在非酒精饮料加工中的应用。(8) 膜分离技术在处理淀粉废水中的应用。(9) 膜分离技术在制糖工业中的应用。(10)膜分离技术在食用油加工中的应用。(11) 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。在医药工业和医疗设备方面的应用膜分离技术在这方面的应用已经有30 多年的历史, 现在微滤、超滤、反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到了广泛的应用。在制药工业中膜技术主要用于: (1) 利用微滤技术进行药物澄清; (2) 利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩; (3) 利用分渗透技术制备灭菌水, 除热原水和注射水等; (4) 渗析技术在医药科学中的典

型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离; (5) 利用亲合膜技术, 通过在膜