浅析膜分离技术的应用与发展

1浅析膜分离技术的应用与发展罗显坤2010级化学（师范）2班摘要本文简要地回顾了膜分离技术的发展历史，综述了膜分离过程的分离原理及分类，以及膜分离技术在食品、水处理、医疗事业、石油、化工领域内的应用，并展望了膜分离技术应用前景。关键词膜分离技术、应用、发展、分离正文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、能源工程等多种工业领域，在海水淡化、烧碱生产、乳品加工等多种传统的工业生产上，使其工业生产面貌发生了翻天覆地的变化。膜分离技术是现代分离技术中一种效率较高的分离手段，其被公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的高新技术之一，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”。［1］1膜分离技术1.1膜分离技术的发展历史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，提纯和富集的一种分离过程。［2］早在250多年以前，人们早就在大自然中发现膜分离现象的存在，但是膜分离技术的工业应用是在20世纪60年代以后。1748年，Nollet从水自发地扩散透过猪膀胱壁进入酒精中这一现象中发现了渗透现象。19世纪中叶，Graham发现了透析现象。20世纪30年代，德国建立了世界上首座生产微滤膜的工厂，用于过滤微生物等微小颗粒。20世纪50年代，原子能工业的发展促使离子交换膜应运而生，并在此基础上发展了电渗析工业。20世纪60年代初，L-S制膜法实现了第一张实用的反透析膜，淡化了海水。从此，膜分离技术得到全世界的关注。［3］在我国，膜技术的发展是从1958年离子交换膜研究开始的。1965年开始对反渗透膜进行探索，1966年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产，为电渗析工业应用奠定了基础。1967年海水淡化会战对我国膜科学技术的进步起了积极的推动作用。70年代相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及组件进行研究开发，80年代进入推广应用阶段。几十年来，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。经过多年的努力，我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，我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。膜分离技术的快速发展，推动了社会的进步，按照其开发的年代先后，目前己经深入开发的膜分离技术有微孔过滤（MF，1930）、透析（D，1940）、电渗析（ED，1950）、反渗透（RO，1960）、超滤（UF，1970）、气体分离（GP，1980）、纳滤（NF，1990）。［3］正在开发研究中新的膜过程有：膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器等等。21.2膜分离技术的优点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。2.膜分离的类型和分离原理2.1膜分离的类型根据分离物质的不同，膜分离过程可分为以下几种：(1)微滤：其膜孔径在0.05～2.0Lm之间，所需压力为20～100kPa左右，适用于细菌、微粒等的分离。(2)超滤：以压力差为推动力，膜孔径在0.0015～0.02Lm之间，所需压力为100～1000kPa左右，溶液脱大分子及大分子分级。(3)纳滤：以压力差为推动力，膜孔径平均为2nm，适用于从水溶液中分离除去小分子物质。(4)反渗透：以压力差为推动力，膜孔径小于0.002Lm，所需压力为0.1～10MPa左右，适用于低分子无机物和水溶液的分离。(5)渗析：以浓度差为推动力，适用于水溶液中无机盐和酸的脱出。(6)电渗析：以电位差为推动力，适用于从溶液中脱出或富集电解质的过程。各种膜分离的类型及其特征比较如下表。［4］膜分离技术原理推动力（压力差）/KPa通过组分截留组分膜类型处理物质形态微滤筛分20～100溶剂、盐类及大分子物质0.1～20μm多孔膜液体、气体超滤筛分100～1000高分子溶剂或含小分子物质5～100nm非对称膜液体反渗透溶液扩散1000～10000溶解性物质0.1～1nm非对称膜或复合膜液体纳滤溶液扩散Donna效应500～1500溶剂或含小分子物质1nm非对称膜或复合膜液体电渗析离子交换电化学势-渗透小离子组分大离子和水离子交换膜液体3膜蒸馏传质分离蒸汽压差挥发性组分离子、胶体、大分子等不挥发组分和无法扩散的组分多孔疏水膜液体、气体液膜溶液扩散浓度差可透性组分无法通过的组分液膜液体表12.2膜分离过程的原理膜可以是固相、液相或气相，膜的结构可是均质或非均质的，膜可以是中性的或带电的,但必须具有选择性通过物质的特性。它的工作原理为；一是根据混合物物质的质量、体积、大小和几何形态的不同,用过筛的方法将其分离；二是根据混合物的不同化学性质分离开物质，物质通过分离膜的速度(溶解速度)取决于进入膜内的速度和进入膜的表面扩散到膜的另一表面的速度(扩散速度)。而溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异，扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关，速度愈大，透过膜所需的时间愈短，混合物透过膜的速度相差愈大，则分离效率愈高。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。图1膜的分类4膜分离的应用4.1食品工业膜分离技术应用于食品工业始于60年代末,首先是应用于乳品加工和啤酒无菌过滤,随后应用于果汁生产、料质无菌超滤、酒类精制和酶制剂的提纯和浓缩方面。4目前正广泛地开发膜分离技术在食品加工中的应用，在牛乳、果汁、蔬菜汁、肉类副产品等的加工中采用RO、MP、UP、PV技术进行浓缩、提纯或回收有价值的成份。［8］由于人类即将面临健康、能源、资源、环境这4大问题，加上传统食品加工技术的急需改造。而作为绿色节能的高科技的膜分离技术，以其高效、洁净、节能的特点，将会在我国得到食品工业迅速的发展。4.2水处理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。［5］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。在工业用水方面，反渗透水处理技术广泛地用于电子、电力、医药、化工、饮料、冶金等领域，它是超纯水和纯水制备的优选方法。4.3医疗医药近年来，膜技术在生物制品工业中的应用开发方兴未艾，许多国家的政府不断强化支持力度，吸引了一大批膜科技专家致力于生物制品工业中的应用研究。其研究内容已涉及药厂微生物发酵液脱酸或浓缩利用；发酵液在有机溶剂萃取之前的浓缩纯化；有机物水溶剂和水分离及其循环利用；有机溶剂抽取后物质的浓缩和水溶液中活性物质的浓缩；医用纯水及注射用水制备；中药注射剂及口服液的制备等。［9］在制药工业的生产线装备新型的膜分离装置，开发制药新工艺，是当今制药工业技术创新的一大潮流。4.4在化工及石油化工中的应用石油化工生产中，会产生大量的含油、氨、盐和酚等物质的污水，排放量大，既浪费资源又污染环境，给水体造成极大的危害。采用膜分离技术对石油化工污水进行处理，可达标排放或回用，同时回收有用物质，节约资源。与传统的化学淤浆法、生化降解法等污水处理方法相比，具有显著的优势。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、电渗析，这些膜过程的装置设计都较成熟，已有大规模的工业应用和市场。气体分离膜组件广泛用于膜法提氢、膜法富氧、富氮、工业气体脱湿、有机蒸气回收和天然气脱湿、提氮、脱CO2和H2S等。5膜分离技术的现状和展望由于膜分离技术本身具有优越性能，在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界把膜过程视为工业技术改造中一项极为重要的新技术。目前这一潜力巨大的新兴行业正在兴起，并且带来了显著的经济效益、社会效益和环境效益。膜分离技术是目前世界上比较先进的技术之一，其运用前景和市场都十分广大。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分等，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。这就要求多种类型的膜分离技术在生化产品应用中协同发展，超滤、纳滤、微滤技术联用，取长补短，实行多级分离是发展的趋势。［11］国外的膜分离生产和研发技术已经远远走在我国前面，其商业运用和技术更新已经超前。而目前我国的天然气行业正欣欣向荣，天然气处理技术中更需要开5发和应用膜分离等先进的工艺方法，来满足日益壮大的中国能源工业，这就要求我国的科研和设计人员不断钻研，吸收和消化国外的先进技术和经验，将膜分离技术彻底掌握，使之更为广泛地服务于中国的现代化建设中。参考文献［1］陈麟凤.膜分离技术概述［J］.能源与环境.2011.02［2］汪洋,杨继远.膜分离技术的探讨［J］.商丘职业技术学院学报.2009.02［3］丁明玉.现代分离方法与技术［M］.北京.化学工业出版社.2012.3［4］岳志新，马东祝等.膜分离技术的应用及发展趋势［J］.云南地理环境研究.2006.9［5］陈红霞.膜分离及应用展望［J］.化工技术与开发.2005.10［6］许振良.膜法水处理技术[M].北京.化学工业出版社.2001.［7］陈翠萍，谌伟艳.膜分离技术及其在废水处理中的应用[J].污染防治技术.2007［8］李英杰.几种新型膜分离技术及其在食品工业中的应用[J].广州食品工业科技.1998［9］张翠萍.膜分离技术在医药和医院中的应用[J].中国医学物理学杂志.2000［10］林开建.膜分离技术及其在医药工业中的应用[J].化学工程与装备.2006［11］雷小佳.现代膜分离技术的研究进展[J].广州化工.2012.08