膜分离技术及其应用概述

2014-04-29周适

中国科技术语 2014年7期

关键词：膜技术膜分离反渗透

摘要：膜分离技术是一项高效、快速、节能的分离技术，这种新兴的技术在多领域得到了广泛的应用。文章阐述了膜分离技术的概况，介绍了膜分离技术在食品工业、生物工程、环保、医疗卫生等领域的应用和前景。

关键字：膜分离技术，应用

中图分类号：N04；TQ028 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0106-03

Application of Membrane Separation Technology

ZHOU Shi

Abstract： Membrane separation technology is an efficient， fast and energysaving separation technology. This new technology has been widely applied in many fields. This article introduces its general development of membrane separation technology， and its application and prospect in the fields of food industry， biological engineering， environmental protection and health care， etc.

Keywords： membrane separation technology，application

收稿日期：2014-06-15

作者简介：周适（1985—），女，浙江宁波人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心实审审查员，主审领域为纺织。通信方式：zhoushi@sipo.gov.cn。

引言

膜分离技术是通过特定的膜的渗透作用，借助外界能量（如电能、化学位差能等）的推动，对两组分或多组分混合的分子水平上不同粒径的气体或液体分子进行选择，从而使两种或两种以上的单位分离开来，或达到分级、浓缩以及富集的效果[1-2]。膜分离技术作为一种新兴的产业技术，在食品[3]、药品[4]和生物工程[5]等领域显示出极大的优越性。由于与传统分离技术相比，不仅避免了热组分受热变形而混入，也同时有高效、低耗等优势，因此被誉为21世纪中叶最有发展前途的一项重大发展技术的膜分离技术，自诞生之日起已显示出强大的生命力，早已成为各国研究的热点[6]。

一膜分离技术的特点

膜分离技术较其他一般传统的分离方法相比，具有一些突出的优点[7-8]：

1.因为不需要加热，因此适用于一些热敏性物料的分离与浓缩；

2.由于在闭合的系统中进行，可以减少染菌、染杂的机会，这为它在生物化工、食品化工中的应用奠定了基础；

3.由于在分离过程中无相变化，因此能耗低；

4.可以回收浓缩稀溶液中的一些有用物质；

5.膜分离过程一般不会改变被处理物料的性质，因而适用于一些生理活性物质的分离与浓缩。

二膜分离技术分类与应用

膜分离技术发展迅猛，膜按材料可分为有机膜和无机膜；按结构可分为对称膜和不对称膜；按驱动力分类可分为有孔膜、无孔膜及有反应性官能团作用的膜。依据膜分离技术及其分离物质范围，膜种类和驱动力的差别，本文将对各种基层膜分离技术做应用与分类的阐述。

1.微孔过滤

微孔过滤技术是指在约7kPa的压力作用下，使纯净气体或溶液穿过微孔膜进入另一侧，因而分离去除如二氧化硅、细菌等悬浮物。微孔过滤一般应用于一级纯净水的制备及空气净化方面，是现行工业中膜技术应用最广且最成熟的技术。

2.超过滤

超过滤是指在约700kPa的压差下，主要依靠物理的筛分作用，使要分离的物料穿过半透膜进入另一侧。它介于微滤和纳滤之间，膜孔径范围是1nm～0.05μm，可除去小直径生物质、胶体以及大分子量的分子[9-10]。超过滤技术主要应用于无菌液体的制备、生物制剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的检测等方面。超过滤技术研究的发展方向在廉价、长寿命的膜的制备上，尤其在石油工业方面，制备抗溶剂的膜，具有很大的研究空间。

3.反渗透

用半透膜将两种不同物质浓度的溶液隔开时，容积自浓度低的一侧，穿过半透膜迁移到浓度较高的一侧，本身就具有渗透压，这种现象为渗透。如外加反向压力，远远大于渗透压，会使溶剂自浓溶液侧向稀溶液侧迁移，这是反渗透。其压差大约在1～10MPa，可分离出无机盐之类的小分子类物质，渗透压随着浓度增加而迅速上升。反渗透与超过滤的差别在于压差和膜孔尺寸不同，所以所分离物质的种类和大小不同，主要用于低分子量组分的浓缩、水溶液中溶解的盐类的脱除等，在现代工业中，反渗透技术主要应用于超纯水预处理、城市污水（含重金属、油污）等方面。

反渗透、超滤与微滤都是以压力差为驱动力，所用的膜的宏观与微观结构，以及分离规律的数学模型却大不相同。

4.渗析

渗析主要利用浓度差为驱动力，利用筛分和吸附原理，通过膜进行选择性扩散，应用于从大分子溶液中分离低分子组分。主要用于大分子量胶体物质的分离与提纯。常用于将能够扩散通过膜的低分子量溶质与不能通过膜的高分子量或胶态溶剂分离开来。为了提高驱动力，增强渗析效率，常常应用电渗析技术作为替代，此技术广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、海水淡化、环境保护等领域。近年在医学研究领域，氨基酸、蛋白质与血清的提纯过程中，渗析技术得到了很高的重视[11]。

5.纳滤

作为在近20年来发展起来的新型的膜分离技术，与反渗透相比，其操作压力更低，故又被称作“低压反渗透”。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来，如CA膜、CTA膜和芳族聚酰胺复合膜等，其表面分离层由聚电解质构成，因而对无机盐具有一定的截留率。纳滤膜拥有1nm左右的微孔结构，截留分子量约为200～2000。由于纳滤能使有机溶质得到同步浓缩和脱盐，在渗透过程中溶质损失极少。纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质，又可使被反渗透膜所截留的盐透过，同时又具有很好的热稳定性、耐酸、碱和耐溶剂等优良性能，尤其应用于超纯的化学试剂的制备方面，是当代最先进的工业分离膜技术。

6.气体膜分离

气体膜分离技术以静压差为驱动力，根据混合气体中各组分透过膜的传递速率不同，依靠孔隙尺寸选择性地分离出不渗透的气体。广泛应用于空气中富氧、浓氮、天然气分离等领域。在近年来，气体分离技术的研究重点在研制较薄皮层厚度（5μm下）的膜、开发多重选择性的膜材料、对膜的超薄皮层进行活化处理等技术方面。在化工方面，气体膜分离技术也有很好的应用前景。目前，气体分离膜的研究主要集中在富氧膜，要求分离膜具备高透过性以及高选择性。

7.渗透蒸发

渗透蒸发作为一种有相变化的膜分离过程，利用溶液的吸附扩散原理，以膜两侧的蒸汽压差（0～100kPa）作为推动力，使一些组分首先选择性溶解在膜料液的侧表面，再扩散透过膜，最后在膜透过侧表面汽化，而一些不易溶解组分或较大较难挥发的组分被截留从而达到分离的目的。近年来，渗透蒸发技术的研究重点在具有较好抗溶解性能的膜组件及用于有机物之间分离的膜技术方面。

三结语

综上所述，膜分离技术作为一种新型的分离不同相、分子量的物质操作技术，在技术进步、污染治理及节能减耗方面日趋显示出强大的生命力。尽管膜分离技术的发展日趋成熟，但也有其技术瓶颈所在：膜产品的价格、膜污染、更高效提升膜分离性能都亟须改善。随着膜分离技术日趋成熟的发展，上述问题将会找到更好的解决方法。

近年来发展的膜蒸馏、膜萃取、亲和膜分离、膜反应等综合膜分离技术体现了膜技术发展的主要方向。作为一门在其他各学科交叉结合的基础上形成的较为完整的学科，膜分离技术将会在人类社会的科学技术发展史上大放异彩。

参考文献

[1] 许振良.膜法水处理技术[M].北京：化学工业出版社， 2001： 12.

[2] 大有前途的膜分离技术[J] .化工文摘，2000（4）： 44.

[3] 周家春.食品工业新技术[M].北京：化学工业出版社， 2005： 317-318.

[4] 薛冠，胡小玲，陈晓佩，等.膜分离技术在医药医疗中的研究和应用[J].化学工业与工程，2009 （02）：183-188.

[5] 毛建卫，崔艳丽，万长春.生物工程中的膜技术新进展[J].浙江科技学院学报， 2003，15（03）： 162-166.

[6] Johnson S J. Chem Engineer[J]. Chem Engineer ，1986，93（16）：121.

[7] 高以恒，叶凌碧.膜分离技术基础[M].北京：科学出版社，1989.

[8] 高以恒.食品与发酵工业[M].北京：科学出版社，1989：68.