膜分离技术及其应用发展

李旭珂

摘 要：作为一种能耗低、设备简单、操作方便和效率高的分离技术，膜分离技术受到广泛的关注。本文综述了膜分离技术在生产实际上的应用发展，着重介绍了微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜分离技术的特点及其应用展望。

关键词：膜分离技术；微滤；超滤；纳滤；反渗透

中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733042

引言

膜分离技术是利用具有一定选择透过性的过滤介质对物质进行分离纯化的技术。它被国际上公认为20世纪末—21世纪中期最有发展前途的重大生产技术。随着物理化学、生物学等学科的深入发展，各种新型膜材料及制膜技术得到不断开拓。现代工业对节能、资源再生、环境污染消除的需求日益加强，各种膜分离技术在水处理、石油化工、食品、医药、环境保护等领域得到应用。

1 膜分离技术的实质和特点

膜分离技术的实质是根据混合物的物理、化学性质的不同，使其被具有不同选择透过性的膜分离开。

膜分离技术的优点：其分离效率高，且大多数可在较温和的条件进行，操作的温度和压强较低，适合生物活性物质的分离，可最大限度地保存产品的生物活性；其分离过程能耗小，一般不涉及相变。此外，膜分离过程还有污染小、操作灵活、易实现自动化等优点。

当然，膜分离技术也有一定的缺陷和不足。膜易受到污染，从而使膜性能降低甚至丧失滤过能力。膜的耐药性、耐热性有限使其使用范围受到限制，单独采用膜分离技术效果有限。

2 膜分离技术的种类及其特点

微滤：膜孔径约0.1μm，利用膜的“筛分”作用进行分离的压力驱动型膜过程，主要用来从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、污染物等达到净化、分离和浓缩的目的。在膜两侧静压差的作用下，小于膜孔的粒子能透过膜，大于膜孔的粒子被截留在膜的表面上。

超滤：膜孔径为1nm～0.05μm，可分离相对分子质量大于500的大分子和胶体。以压力差为推动力，含有大、小分子溶质的溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物质（如无机盐类）透过膜，作为透过液被收集起来；而大分子溶质（如有机胶体）则被膜截留作为浓缩液被回收。

纳滤：可截留相对分子质量为200～2000、膜孔径为1nm的溶解组分，以压力差为推动力，大部分为荷电膜，即纳滤膜的行为与其电荷性能，以及溶质荷电状态相互作用都有关系。

反渗透：膜孔径为1nm，与其他压力驱动的膜过程相比，反渗透是最精细的过程，又称“高滤”。可截留0.1～1nm的小分子物质。依靠膜两侧静压力为推动力，使溶剂通过反渗透膜而实现对混合物的分离。

3 膜分离技术的应用

3.1 在海水淡化预处理中的应用

海水中含有大量的悬浮物及胶体，其中的铁盐和锰盐易被氧化生成氢氧化物沉淀。将传统水技术与膜分离处理方法结合，去除大部分的悬浮颗粒、胶体和大分子物质，再经膜分离进一步处理后，使出水水质优于海水淡化处理的进水水质要求。

磁强化混凝技术是在普通的混凝工艺中同步加入磁种，使之与海水中的污染物结合为一体，以加强混凝效果。磁絮凝对氮、磷的去除效果明显好于常规絮凝工艺。投加磁种不仅降低混凝剂投加量，还因磁种经简单处理即可重复使用，可降低工程运输成本，且对于浊度的去除也明显提高。

3.2 在纯生啤酒生产中的应用

纯生啤酒是指不经过高温杀菌而保质期同样能达到熟啤酒的标准的啤酒，与普通啤酒的区别是风味稳定性好、营养丰富。纯生啤酒的酿造上突出的特点就是无菌过滤——利用硅藻土与不同孔径的微滤膜相结合过滤的方式生产纯生啤酒，用微滤膜去除酵母和杂菌，因不加热而使营养和风味成分得以保持，口味更鲜美。

与一般的硅藻土过滤相比，微滤膜过程不会引入过渡态金属离子，且截留了啤酒中的抗老化物质多酚，使膜过滤后的迟滞时间延长。这使得啤酒中自由基生成速率升高，在老化后期抗老化水平下降。

3.3 在水产品、畜禽产品加工的应用

膜过滤技术主要用于蛋白质酶解物、藻类醇、多糖等的分离纯化，提炼和精制生物活性物质对水产品、畜禽产品进行深加工。

使用截留分子质量更小的过滤膜可以有效截留无用或不理想的成分，使产品口味更佳，保藏更节省成本。有学者采用截留分子质量为30ku的中空纤维UF装置对水产品调味液进行处理，得到的透过液较传统技术分离出的液体更澄清透明，且由于有效截留了腥苦味成分，其风味比酶解原液风味更加纯正，提高了产品的整体品质。

3.4 在饮用水除杂的应用

饮用水中药品和个护品（PPCPs）等痕量有机物污染物正在引起越来越多的关注，但传统工艺很难去除此类污染物。

膜工艺去除PPCPs的主要机理包括体積排斥作用、静电斥力作用和憎水吸附作用。膜过滤可有效去除饮用水中PPCPs，NF、RO和FO对大部分PPCPs的去除率在90%以上，但对部分PPCPs，如亲水性非离子态药品的去除效果较差，除了磺胺类药品，UF对大部分PPCPs的去除率一般低于40%。根据实际情况选择合适类型的膜，UF组合工艺是目前最为可行的PPCPs去除工艺。未来，NF和RO可能是去除PPCPs的主要膜工艺。

3.5 在中药生产的应用进展

目前主要应用在中药提取液的除杂、分离提纯浓缩、中药口服液、注射剂等液体改良上，仍需更多的研究来完善中药的分离生产。

在提取中药有效成分过程中，膜分离技术除去大多数的大分子杂质，提高有效物质的纯度。采用无须外加其他物质、无污染的膜分离技术可避免传统方法中分离效率低、有机溶剂破坏药效成分，以及高温易引起热敏性药物成分失效等缺点。将膜过滤技术（微滤）用于中药口服液的制备，可显著改善药液澄清度、减少主成分损失率，提高口服液药效。

4 膜分离技术的应用展望

膜分离技术是一门新兴的多学科交叉的高新技术，涉及高分子化学、无机化学、生物化学等学科。生产需求的增多和高新技术的发展推动了膜技术发展，各种新型膜材料的研发能降低生产成本，提高产品品质。还要继续提高膜材料及装置的耐热、耐酸、耐碱、易清洗等性能。尝试与不同的传统技术结合，可能会有更佳的方法，如膜蒸馏、膜萃取等。

对于实验室已研发并使用的膜材料，要积极推广到工业生产上，但要注意减少污染与浪费、降低成本等问题。随着膜技术的发展，其潜在应用领域将会不断扩大，这门新兴的技术将会在今后的科学技术发展中大显身手。

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