膜分离技术及其应用领域分析

膜分离技术及其应用领域分析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，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。一、膜分离技术原理及特点膜分离技术以选择性透过膜为分离介质，如图1所示，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、提纯的目的。膜分离技术以其低能耗、高效率被认为是理想的分离技术之一。图1膜分离技术原理利用膜分离技术进行分离所具有的特点包括：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。基于膜分离技术所具有上述特点，是现代生物化工分离技术中一种效率较高的分离手段，完全可以取代传统的过滤、吸附、蒸发、冷凝等分离技术，所以膜分离技术在生物化工分离工程中起着很大的作用。二、膜分离技术种类分析按照膜孔径和成膜材料分类，常用的膜分离技术主要有微滤、超滤、纳滤、反渗透以及气体分离等。各种膜过程具有不同的分离机理，可适用于不同的对象和要求。按分离原理和按被分离物质的大小区分的分离膜种类，从下表可以看出，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，在分离膜领域内占重要地位。表1膜分离种类分析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三、膜分离技术的用领域分析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。由于其兼有分离、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、在化工行业中的应用近年来膜分离技术在化工各个分支行业中的迅速发展，使得该技术日趋成熟，同时也促进了化工行业的发展。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。膜分离技术使得石油化工中的污染、资源利用及产品质和能耗等各方面都有了较大的改进。例在合成氨的生产中，每天将有大量氢气被混在施放气中白白地掉。20年前国外开发的一种叫(Prism)的氢反应器解决了这个问题。它进料气的氢浓度大约是60%，经聚型中空纤维复合膜的分离，回收氢的平均浓度接近90%，氢的回收率通常都在95%以上，有的已达98.5%。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、在食品工业中的应用膜分离技术最突出的特点是高效节能，它可在常温下实现对各组分的分离、提纯、浓缩，因此它尤其适合在食品加工业中应用。随着水资源的日益厦乏以及环境的不断恶化，可持续发展战略已提上议事日程，人们迫切地需要高效节能和废料回收的技术，膜分离技术恰恰能扮演这一角色。随着应用的不断扩展和膜分离本身的进展，用于食品工业中一些新的分离膜和膜过程正受到越来越多的重视。1）无机膜在食品工业的应用已开始从实验室走向生产，例如在啤酒生产和果汁加工中无机膜已开始应用。2）纳滤膜主要用于在某些生产流程中代替反渗透，降低成本，同时提高质量。用反渗透浓缩葡萄汁，把汁中所有成分都浓缩了，高酸度影响葡萄酒质量(特别是苹果酸)，用纳滤就可调节各种组分的含量，提高浓缩汁质量。3）抗热、抗化学试剂、死空间少的反渗透膜及卷式组件。4）渗透汽化用于从食品加工的水溶液中回收芳香化合物、酒或啤酒的去酒精、果汁浓缩、酒精生产等。5）膜法气体分离用于蔬菜保鲜、发酵等过程。6）超滤酶膜反应器用于环糊精加工；7）憎水超滤膜脂肪酶反应器用于油及脂肪酸加工。膜分离技术在食品工业中的应用不仅改革了传统加工工艺，简化操作，降低成本,而且提高了产品的质量，增加了产品的品种。目前，膜分离技术已广泛应用于乳制品、豆制品的加工、酶制剂的提纯浓缩、果蔬汁的澄清及浓缩、卵蛋白的浓缩以及食糖工业、淀粉加工业、动物屠宰加工业等多方面。据美国统计，膜分离技术在食品工业中的应用占各工业应用总数的68%，其中乳品业占37%，果汁加工业占18%，盐水淡化占8%。在中国，膜分离技术在许多生产厂、食品公工艺的研究单位、食品工程的设计单位产业化应用远远不够，有的甚至不了解膜分离技术，因此，膜分离技术的产业化应用有待完善。对于膜分离技术这种新型科技来说，要缩短和赶上发达国家，和使中国的科技进一步发展，就需要政府对其大量的资金投入和更多的科研人员投身到膜技术的研发中，共同努力，尽快形成自己的优势。膜分离技术一旦实现大规模的工业应用，将会引起工业生产的重大革新，推动经济的发展和社会的进步。3、在水质处理中的应用在欧、美、日等国家和地区，已经将膜分离技术作为21世纪饮用水净化的优选技术。饮用水的净化与纯化是从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等。微滤可去除悬浮物和细菌，超滤可分离大分子和病毒，纳滤可去除部分硬度、重金属和农药等有毒化合物，反渗透几乎可除去各种杂质，电渗析可除氟，膜接触器可去除水中挥发性有害物质。众多的应用使膜技术在环保废水处理中发挥着重大的作用。例如：1）无机膜和渗析结合是钛白废水回收再用的好途径；2）电渗析-离子交换树脂耦合的EDI技术可部分代替离子交换而无需酸、碱再生,双极膜技术可实现各种废酸、废碱、废盐水的回收再用；3）超滤法使纺织上浆的聚乙烯醇废液浓缩回用，膜分离处理技术在印染工业上应用也使印染废水中的染料和水同时回用；4）反渗透法成功地将尼龙的单体己内酰胺浓缩回收5）超滤将成为每年数亿t含油废水回注的关键技术，还可对洗毛废水、脱毛废水、脱脂液废水、摄影废水和放射性废水等进行处理；5）用超滤和反渗透处理水溶性切削油废水完全能达到要求。现在反渗透已成为海水淡化制取饮用水最经济的手段，每吨水耗电在5kW·h以下，最大的装置处理能力达2.0×105m3·d-1。同样，反渗透也是苦咸水淡化最经济的方法，每吨水电耗在0.5～3kW·h，最大的反渗透装置处理能力达1.3×105m3·d-1。目前膜法日产约3×106m3海水淡化水和约6×106m3苦咸水淡化水，为广大干旱地区提供饮用水和过程用水。工业废水是工业生产过程中产生的废水、污水和废液，必须进行处理，回收有用资源，同时保护环境。早在20世纪70年代反渗透法使电镀废水得以循环再用。膜分离技术在水处理中应用很广泛，但是廉价、性能完备的膜的制备和膜污染问题影响着膜分离技术在水处理过程中的应用。为此，研究新材料与开发制膜新工艺、开发性能完备的集成膜分离技术以及开发膜分离与传统的分离技术相结合的新型膜分离过程将是未来一段时期内的主要研究方向。四、膜分离技术展望随着膜分离技术的不断发展，如新型膜材质的开发、膜分离不同操作工艺的优化和组合等，膜分离技术将会在化学工业、食品加工、废水处理、医药技术等方面的重要分离过程行业得到更成功的工业化应用。膜分离技术作为21世纪最有发展潜力的高新技术之一，尚处于上升发展阶段，还有许多工作要我们去做。我们需要进一步改进、完善已有的膜过程，不断探索和开拓新的过程与材料，将膜分离技术用于更广泛的应用领域，使膜技术发挥发挥更大的作用。