膜分离技术的应用现状及发展前景

膜分离技术的应用现状及发展前景摘要：膜分离技术(MembraneSeparationTechnologies)是近十几年发展起来的一种高新技术，随着膜设备和技术的不断发展和成熟，其在各行业中有着广泛的应用。本文介绍了膜分离技术的特性，阐述了膜分离技术在食品工业、水处理、生物技术、医药工业和医疗设备方面的应用，并展望膜分离技术应用领域的发展前景，分析膜分离技术在膜材料、新的膜过程和膜通量等方面的发展趋势，同时指出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；膜生物反应器；选择透过性膜；膜材料；前言：膜分离技术是指用天然或人工合成的具有选择透过性膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的边缘学科高新技术[1]。由于膜分离技术具有节能、高效、简单、造价低、无相变、可在常温下连续操作等优点，而且特别适合热敏性物质的处理的特点，其应用已渗透到人们生活和生产的各个方面，现已被广泛应用于化工、环保、生物工程、医药和保健、食品和生化工程等行业[2]。虽然膜分离技术的应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入,膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。现本文对膜技术的特点、类型及其在各方面的应用现状进行综述，并且提出了膜分离技术的发展前景。1膜分离技术的特点膜分离技术作为一种新型的分离技术,具有以下特点[3]：1.1在常温下进行，特别适用于热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩，且可以同步进行能较好地保持产品原有的色、香、味和营养成分；1.2分离过程中不发生相变，挥发性物质损失少，节约能源；1.3具有冷杀菌作用，保存期长，无二次污染；1.4选择性好，应用范围广，但要选择相应的膜类型；1.5设备简单，易于操作，可连续进行，效率高。2膜分离技术的类型目前己经研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发和气体分离等。正在开发研究中的新的膜技术有真空膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、膜控制释放、仿生膜以及生物膜等过程[4]。膜分离技术的特性及应用见表1。表1膜分离技术的特性及应用膜分离法分离原理传质推动力应用举例微滤（MF）筛分压差（0.05～0.5Mpa）储菌、回收菌、分离病毒超滤（UF）筛分压差（0.1～1.0Mpa）蛋白质和多糖的回收与浓缩反渗透（RO）筛分压差（1.0～10Mpa）盐、氨基酸浓缩，淡水制造透析（DS）筛分浓差脱盐，除变性剂电渗透（ED）荷电、筛分电位差脱盐、氨基酸的分解纳滤（NF）筛分压力差(0.5～1.5MPa)果汁浓缩，渗透3膜分离技术的应用现状3.1膜分离技术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[5：6]。3.1.1在啤酒无菌过滤中的应用啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节，它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。褚良银等[7]采用无机陶瓷膜对啤酒进行除菌过滤，对膜孔径的选择、膜器结构优化、膜滤运行过程强化等方面进行了系统的试验研究，提出了一套新型高效的膜器结构与工艺设计的依据；翁佩芳等[8]还采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的生产工艺进行设计，使整个生产工艺系统高效、优化运行，同时加强生产操作及卫生的管理，生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。3.2膜分离技术在水处理中的应用3.2.1在饮用水制取中的应用近年来，膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。仅应用超滤工艺的水厂中净化规模每天在20×104m3以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过每天800×104m3[9]。还有许多厂家利用微滤工艺进行处理，可见，膜处理法已经成为饮用水制取最常见的方法。微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏[10]等人用两个PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到167L/m2·h，实验证明不同粒径的PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。韩国的Jeong-ikOh[10]等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1mg/L时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。3.2.2在废水处理中的应用随着工业化的发展，大量的工业废水和生活废水排入水体中，严重影响了水质。为了保护环境不受污染，并能回收一些有用物质，需对工业和生活污水进行处理，以达到排放标准要求。废水处理中常采用超滤和纳滤技术。据研究采用纳滤技术处理城市污水，可有限地降低水的浊度、色度及有机物；经超滤处理后的出水可用于循环冷却水、造纸用水等对水质要求不高的工业用水水源，这大大地提高了水的利用率。3.3膜分离技术在生物技术中的应用[11]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。但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。3.4在医药工业和医疗设备中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[12]。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,通过在膜上固载特定的功能配位键。在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外，膜式人工肺、人工肾也都应用了膜分离技术。随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低，膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用。3.4.1膜分离技术在中草药中的应用分离纯化中的应用中草药所含化学成分极其复杂，通常含有苷类、黄酮、生物碱等有效成分，同时还含有蛋白质、胶体、淀粉、无机盐等无效成分，这些无效成分的存在，会降低有效分的浓度,影响其中药的品质和功效，同时也给中药的分离带来复杂性，因此有必要对中草药的有效部位和有效成分进行分离纯化。研究表明，不同组分间的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多数在200-1000，无效成分的分子量在50000以上,一些无机盐类的分子量则不足100[13]。膜分离技术是利用膜孔径大小特征在常温下对溶质和溶剂进行分离达到纯化目的,研究表明膜分离技术在中草药分离纯化中的应用主要有三大功能，即截留大分子杂质、滤除小分子物质和脱水浓缩。4膜分离技术的发展前景目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取代传统的低效分离技术。但我们也应该清醒的认识到，膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深入的研究，笔者认为主要面临三个方面的主要问题，即选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。选择性问题应集中于膜材料的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料。对仿生膜、高效电解质膜、分子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标。膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上。无论采用那种类型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附层等膜污染问题，这极大的影响了通量的稳定性和产值比。因此应研究一种适用面广的强化膜过程分离技术，以减少膜污染、增大过滤通量、延长膜寿命。这需要将许多因素结合起来综合考虑，如选择合适的膜材，合理的膜组件设计、具有针对性的清洗和防污染方法、以及周密的工艺流程设计等方面。虽然膜分离技术的广泛成熟应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入，膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。因此，目前膜分离技术已成为分离混合物的重要方法，越来越受到人们的重视，其应用前景必将更加广阔。5结论膜分离技术经过近十几年的发展，已具有较高的水平，并且不断有新的膜分离技术被开发,进入应用领域。膜分离技术的应用对提高生产效率,降低能耗,减少或消除环境污染具有重要意义，随着我国膜分离技术的发展，其在化学工业中的应用必将有一个飞跃，人们将逐步认识到，要发展化工必须大力研究开发膜技术。参考文献[1]时钧,袁权,高从凯.膜过程手册[M].北京:化工出版社,1999.[2]张文英,施南华,杨昌红等.膜分离技术在中药制备中的应用进展[J].云南化工,2003,23(5):27-31.[3]郑领英,王学松.膜技术[M].北京:化学工业出版社,2001.[4]岳志新,马东祝,赵丽娜等.膜分离技术的应用及发展趋势[J].[5]郑领英.国外膜分离技术在食品工业的应用概况[J].膜科学与技术,1998,18(3):1-4.[6]石秉荣,洪桂秋.膜分离技术在食品工业中应用的动向[J].软饮料工业,1996,3:3-6.[7]裉良银,陈文梅,刘培坤等.生啤酒膜滤除菌技术试验研究[J].食品与机械,1999,5(1):18-19.[8]翁佩芳,吴祖芳.18-19.微膜过滤法无菌鲜啤酒生产工艺设计研究[J].广州食品工业科技,2002,18(1):11-13.[9]韩宏大，吕晓龙，陈杰.超滤膜技术在水厂中的应用[J].供水技术，2007,(5):14-16.[10]赵鹏，张世钰.HDPE双壁波纹管在市政排水工程中的应用[J],山西建筑，2007,5(08):13-15.[11]CarvalhoLMJ，CabralLM.ClarifieationofpineapplejuieebyUFIJ].Alimentaria，2000，316:129一132.[12]戎志梅.生物化工新产品与新技术开发指南[M].北京:化学工业出版社,2002:123[13]陆宇照,傅悦,杨祖荣.膜分离技术在中药提取分离中的应用[J].云南中医中药杂志,2004,25(1):46-47.文献综述标题：膜分离技术的应用现状及发展前景科目：生化分离技术班级：生物化学与分子生物学第21班姓名：高国丽学号：2011021586任课教师：郁老师