反渗透浓缩技术的研究进展

2013-08-15吕建国张克磊贺全红

山东工业技术 2013年9期

吕建国张克磊贺全红张鹏

(1.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州 730020；2.甘肃省膜分离工程技术研究中心，甘肃兰州 730020)

随着反渗透技术的发展，反渗透的应用领域也在不断扩展，从海水淡化、苦咸水淡化、纯水制备领域不断延伸，现正逐步进入果蔬汁浓缩、生物制剂生产过程的浓缩以及废水处理过程中的浓缩应用的过程中。由于反渗透与传统浓综缩处理技术相比有浓缩过程不加热，料液不产生相变，能耗低等优点，采用反渗透浓缩技术的研究工作也在不断发展。

1 反渗透在果汁浓缩中的应用研究

反渗透法(Reverse osmosis，RO)浓缩果汁一直是近30年来果汁加工业的关注热点。与传统蒸发法相比，反渗透浓缩果汁在低温下进行，无相变，具有较好保存果汁风味和营养成分、降低能耗和操作简单等优点。利用反渗透膜浓缩技术，人们分别对橙汁、苹果汁、梨汁、葡萄汁、菠萝汁、番茄汁等进行了研究，重点探究膜种类、操作条件对膜通量及果汁中风味物质截留率的影响[1]。

1.1 卷式反渗透在果汁浓缩中的应用研究

孙平[2]利用卷式反渗透技术对几种果蔬汁(黄瓜、芹菜、胡萝卜、枸杞子、红杏)的浓缩处理进行实验与分析。结果表明在一定条件下，通过反渗透方法可对果胶含量低的果蔬汁直接进行浓缩处理，并且浓宿倍数超过10倍以上。而果胶含量较高的果汁则需要预先进行酶解脱胶后再进行浓缩。实验中发现果胶的含量直接影响浓缩的程度与效果。

钟海雁[3]等采用超滤对柑桔汁进行分离，分离后的料液进行反渗透浓缩，并对反渗透浓缩柑桔汁研究，找出了适合浓缩柑桔汁的反渗透用膜。并进行了运行参数的实验。实验找到了适合柑桔汁浓缩的反渗透膜RO-1，同时确定反渗透浓缩的适宜工作条件为：P=4.5MPa，T=40，S=1m／s，柑桔汁可浓缩到230Brix。分别用0.1%NaOH和0.5%r的U10溶液清洗反渗透膜，其膜通量能完全恢复。

胡建农[4]等运用反渗透膜分离技术生产浓缩乌龙茶饮料,极大地提高了产品的质量。设备的操作与维护保养简便易行，节能效果显著。膜的再生性能良好，使膜法生产变得经济实用。推广这项新技术、新工艺将会取得良好的经济效益与社会效益。

吕建国[5]等采用卷式反渗透膜浓缩番茄汁的工艺，研究了工艺中的温度、压力、流速、浓度与膜通量的关系。同时也研究了卷式反渗透膜在浓缩过程中对有效成分的截留率，实验证明膜对有效成分的截留率大于98%，清洗方便。

1.2 管式反渗透在果汁浓缩中的应用研究

膜技术在乳品工业中的应用已有多年，传统膜技术只用于乳清处理，现已逐步进入乳品工业的其它领域。近几年在乳品工业中，膜分离技术作为一种高新技术而得到应用，主要用于牛奶的浓缩、分离乳清、牛奶微滤除菌等工艺中，而采用膜法进行牛奶浓缩的工艺研究一般都集中在超滤工艺过程，而吕建国[6]等人直接采用反渗透或管式反渗透进行牛奶浓缩，并研究了工艺中的压力、温度、浓度和浓缩过程与牛奶中有效成分的截留率之间的关系，同时也研究了压力、温度、浓度在浓缩过程中与膜通量之间的关系。实验结果证明，管式反渗透膜对有效成分的截留率接近100%。

吕建国还采用管式反渗透技术对籽瓜汁进行浓缩，分别研究了膜通量、压力、料液温度、籽瓜汁浓度等参数之间的关系，结果夫明：反渗透膜对籽瓜汁有效成分的截留率接近100，对无机盆截留率大于98%，籽瓜汁的最终浓缩浓度为20Brix；其它条件不变的情况下，膜通量与压力、料液温度成正比关系，与料液浓度成反比关系[7]。

2 反渗透浓缩在其它方面的研究现状

2.1 反渗透在多糖浓缩中的应用研究

香菇多糖（Lentinus）是香菇的活性成分之一，具有抗肿瘤、提高免疫、抗感染[8-10]等作用。传统的香菇多糖一般采取水提醇沉的方法。多糖物质在提取液中的浓度较低，一般在5%以下[11]，需要经过减压浓缩的过程，该过程能耗高，且在浓缩过程中易造成多糖的活性下降。孙静[12]等采用反渗透膜浓缩工艺对香菇多糖提取液进行浓缩，分析进膜压力、料液浓度和进膜温度对浓缩工艺的影响，并比较了反渗透浓缩和真空浓缩两种方法的差异。结果表明，在进膜压力20MPa、多糖浓度6.48mg/mL、进膜温度30℃时能取得较好的浓缩效果。反渗透膜浓缩粗多糖得率较真空浓缩高，且DPPH自由基清除能力优于真空浓缩的产品。

施立钦[13]进行了反渗透浓缩法提取乳糖的工艺参数研究。通过反渗透浓缩实验表明，乳糖的截留基本上与浓缩倍数无关，单级截流率达在95%左右。随着浓缩倍数的增大,渗透通量急剧衰减，当浓缩倍数大于3后，通量趋于稳定，浓缩倍数可达到10倍以上。浓缩乳清透过液的适宜操作条件是：采用芳香聚酰胺卷式反渗透膜、压力为0.5Mpa、温度为40e，产品的质量经红外光谱测试完全符合食品级乳糖的质量标准。而且膜分离过程是一个高效的分离过程、过程的能耗较低、分离效率高、工作温度接近室温，设备简单、投资少。而原料乳清粉易得，产品乳清蛋白与乳糖是基础食品，广泛应用于制药、食品、保健等方面，有着广阔的市场前景。

2.2 反渗透在废水浓缩中的研究现状

电镀废水来源于镀件漂洗水、废槽液、设备冷却水和冲洗地面水等，废水中含有大量的锌、镍和铬等重金属离子及有机光亮剂等，毒性较大，有些还含致癌、致畸、致突变的剧毒物质，对人类危害极大。因此，对电镀废水必须进行回收处理，做到消除或减少其对环境的污染。传统的处理方法主要有中和沉淀法、离子交换法、氧化还原法[14]等，这些方法存在能耗高、操作复杂及处理效果不稳定等缺点，而电镀废水膜法处理则是一个完善的闭路循环系统，实现了资源的充分利用，基本达到零排放处理。

王乐译[15]等采用多介质过滤和超滤做预处理，去除废水中悬浮物；两级反渗透分离浓缩，淡水进入纯水制备系统处理回用，重金属浓缩液进一步浓缩处理；纳滤将反渗透浓缩液重金属浓度循环浓缩至3g/L，返回镀槽重新使用，实现了电镀废水的零排放。

采用反渗透方法处理电镀废水，利用膜的特殊功能分离和回收电镀漂洗水中的贵重金属，并循环使用系统中的漂洗水，实现电镀废水的零排放。镀镍漂洗水具有较高的回收价值。反渗透技术将镀镍漂洗水浓缩分离，浓缩液中Ni2+可达到20g/L左右，浓缩液补加到镀镍槽中，透过液在镀镍漂洗槽中循环使用，实现了镀镍废水的零排放。向镀镍槽中加入硫酸钾，提高镀液的导电性能，同时降低镀液中氯化镍的质量浓度，使镀镍过程中阳极溶解速度和阴极沉积速度相接近。镀件在镀镍前和镀镍后都经过回收槽漂洗，使回收槽中镍离子的质量浓度保持不变，大约是镀镍槽中镍离子质量浓度的一半。采用这些措施后，可实现反渗透浓缩液的完全回收利用[16]。

胡亚芹[17]等采用膜集成技术浓缩稀土废水中的氯化铵，在进水氯化铵含量1500mg/l(约1.5%，w/w)的条件下,经反渗透浓缩处理,浓缩液氯化铵浓度可浓缩到5.5%-6%(w/w)，脱盐率为90%左右，水的回收率约为60%，按西安某稀土厂10m3/h规模来计算，反渗透功率为51.0k·w/h，每处理10m，氯化铵废水RO耗电≤5.0k·w/h。采用电渗析进一步将稀土废水中氯化铵自6%(w/w)浓缩到12%(w/w),每浓缩lm3废水溶液，电耗为40k·w/h，比传统的蒸发法降低75%。

黄秀娟[18]等进行了马铃薯渣水解液的反渗透浓缩研究。结果表明：使用截流分子量为50～100Da的反渗透膜，去离子水通量为12.89L/(m2·h)，对葡萄糖的截留率大于98%，适用于马铃薯渣水解液的浓缩。以5.0Brix的马铃薯渣水解液为对象，渗透通量和截留率为指标，试验得出适宜的反渗透工艺条件为温度30℃、操作压力0.6～0.7MPa，膜面流速30ml/min。该条件下经过微滤处理的马铃薯渣水解液可浓缩到19.5Brix，总质量只有原来的25.03%，质量分数提高了3.9倍，水分减少了78.62%，DE值变化不大。浓缩过程无相变，低能耗，操作简便，自动化程度高，容易实现工业化。0.2%NaOH和0.2%十二烷基苯磺酸钠的混合溶液可作为马铃薯渣水解液浓缩后膜的清洗剂，在40℃下清洗，恢复系数高达96%。