膜分离技术的应用及发展趋势

1、膜分离技术的应用及发展趋势 摘要：综述世界和中国膜分离技术的发展并对膜分离技术的基本特性、技术特点、膜材料、分类及膜分离装置进行了简单介绍；并介绍了膜分离法在化工及石油工业、食品工业、医药工业和医疗设备、生物技术和环境工程中的应用，并分析了膜分离技术将会在膜材料、新的膜过程和集成膜过程3个方面的发展趋势。同时指出如果能解决膜产品的价格、膜污染和膜分离性能的提高这3个膜的制约因素，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；发展趋势；膜材料；膜过程 中国的膜分离技术的发展是从 1 9 5 8年对离子交换膜的研究开始的，数十年来 ，取得了长足的进步目前中国研究所涉及的

2、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 2 0 年的努力，中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，中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。 1膜分离技术概述 11 膜分离技术 目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。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、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。表l列出了工业应用膜过程的分类及其基本特性。12膜分离技术特点 膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩 、提纯及净

3、化技术，由于其多学科性特点，膜技术可应用于大量的分离过程。各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求 。但有其共同的优点。膜分离过程没有相变，节能，高效，无二次污染，操作过程一般比较简单，经济性好，可以直接放大，可专一配膜。可在常温下连续操作 ，特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。一般来说，采用能透过气体或液体的膜分离技术对下述体系进行分离具有特殊的优越性：化学性质及物理性质相似的化合物的混合物；结构的或取代基位置的异构物混合物；含有受热不稳定组分的混合物。当利用常规分离方法不能经济、合理地进行分离时，膜分离过程作 为一种分离技术就特别适用。另外，

4、它也可以和常规的分离单元结合起来作为单元操作来运用。当然，膜分离过 程也有自身的缺点，如易浓差极化和膜污染、膜寿命有限等，而这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在。 13 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。根据膜的形状，膜分离装置基本上可分为如下5类：板式结构；管式结构；

5、卷式结构；中空纤维结构；旋叶式动态膜装置。 2 膜分离技术的应用 21 在化工及石油工业中的应用 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，这些膜过程的装置设计都较为成熟，已有大规模的工业应用和市场。由于各国普遍重视环境保护和治理，因而微滤和超滤分离在化工生产中的应用非常常见，广泛应用于水中细小微粒，包括细菌、病毒及各种金属沉淀物的去除等。例如：目前国内一些磷肥生产企业采用微滤膜分离去除磷石膏废水中含氟的化合物。气体分离 在化工和石油化工方面 的应用 也颇具意义，例如：在合成氨工艺中回收H；在 3次石油回采中从甲烷中分离C O；由膜分离氧和氮等 2 , 1 4 - 1

6、q。电渗析在化工中的应用也较广泛，例如：自然水的纯化，海水脱盐等。在石油化工中，膜技术广泛用于有机废气的处理；脱除天然气中的水蒸气和酸性气体；天然气中的氦的提取；合成氨池放气 中回收氢气；制取富氧空气；催化裂化干气的氢烃分离等。膜分离技术在化工、石油天然气工业中具有十分广阔的前景，它对于生产设备的优化及提高经济效益也都有着十分重要的作用。尽管此项技术有待于进一步的探索研究，但作为 一门新兴科学在不远的将来终究会在化工及石油天然气中发挥巨大的作用 。 22 在生物技术中的应用在生物技术方面，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

7、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。23 在环境工程中的应用 随着工业的进一步

8、发展，水源和大气被污染更加严重，这就要求人们提高对它们进行处理净化的能力，因此膜分离技术在环境工程中的地位越来越突出应用膜分离技术来处理工业废水、废气已经被证明是卓有成效的，在不少废水处理中膜分离技术能实现闭路循环，在消除污染的同时变废为宝，取得了较大的经济效益和社会效益。除了微滤、超滤、反渗透、电渗析的过程外，渗透汽化的其他膜技术也将在 2 1世纪的环境工程 中发挥极其重要的作用。除了上述几方面的应用外，当前膜分离技术的应用几乎涉及到国民经济的各个生产研究部门甚至是国防建设领域中。 3 膜分离技术的发展趋势 31 膜材料众所周知 ，生物膜 具有惊人 的分离效率 。例如 ，海带从海水 中富集碘

9、 ，其 浓度 比海水 中碘 大l 0 0 0多倍 ；石毛 ( 藻类)浓缩铀的浓缩率达 7 5 0 倍。因此，仿生是分离膜的发展方向。生物膜是建立在分子有规则排列的基础上，而目前使用的分离膜多是功能高分子膜 ，是不规则链排列的聚合物 。 仿生膜要克服这一根本差别，达到生物膜的分离水平，还是一个比较遥远的目标。当前，分离膜材料 发展的趋向是： ( 1 )继续开发功能高分子膜材料。一是根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系。这类工作主要结合气体分离膜过程进行二是在膜的表面进行改性。根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，使其“

10、活化”。一般的表面改性方法有：先将膜材料改性，然后成膜；过化学反应进行表面改性。三是发展高分子合金膜。两种高分子混合一般情况下要比通过化学反应合成新材料容易些。它还可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范围内调节其性能技术上的难点是许多热力学性质不一致的高分子不容易达到真正互溶，需要选择合适的高分子对(polymer pair)和寻找能互溶的工艺条件。这一方面的工作主要结合水溶液分离膜进行。 ( 2 )开发无机膜材料。无机膜的制备始于2 0世纪4 0年代，由于存在着不可塑、受冲击易破损、成型性差以及价格较昂贵等弱点，长期以来发展不快。但是，随着膜分离技术及其应用的发展，在膜使用条件上提

11、 出愈来愈高的要求，不少膜催化反应要求在几百度高温下进行；膜用于食品及生物产品分离，要求具有耐高温蒸汽多次清洗仍能保持分离性 能不变有些显然是高分子膜材料所无法满足的 。 32 新的膜过程 膜分离技术与传统的分离技术或反应过程相结合，发展出一些崭新的膜过程。这些新的膜过程在不同程度上吸取了二者的优点而避免了某些原有的弱点 。 ( 1 )膜蒸馏 。将膜法与蒸馏法有机地结合起来的膜蒸馏，是最近几年发展起来的一种新型膜分离技术。在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸汽传质冷凝过程，又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程。它避免了蒸馏法易结垢、怕腐蚀和反渗透法需要高压操作的缺点。用作膜蒸馏的高分子都是疏水性的，

12、如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、卤化聚乙烯、含氟高分子等。普遍认为聚四氟乙烯最好，膜蒸馏目前尚处于起步阶段。用于海水脱盐已建成中型试验装置，以期由现场试验作出评价。提高通量是膜蒸馏技术目前主攻方向。当技术进一步成熟后，在制药、生物工程等方面的应用将会显其特色。 ( 2 )膜萃取。2 0世纪8 0年代初一个将膜分离与液一 液萃取过程相结合的新过程膜萃取开始出现。膜萃取的传质过程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面进行的，因此它不存在通常萃取过程中液滴的分散与聚合现象。膜萃取的优点还在于：没有相的分散和聚结过程，可减少萃取剂在料液相中夹带损失。不形成直接接触的液液二相流动，使选择萃取剂范围可大大放

13、宽。两相在膜两侧分别流动 ，使过程免受 “ 返混”的影响和 “ 液泛”条件的限制。可较好地发挥化工单元操作中的某些优势，提高传质效率。料液相与萃取相在膜两侧的同时存在可避免膜内溶剂的流失。膜萃取过程目前还处在实验室研究阶段。常用的是中空纤维装置。近年来正开展膜萃取的工艺过程研究，膜萃取器材料的浸润性及过程传质机理研究，流体在膜器中流型分布研究以及膜器设计方法初探性研究等。 3 - 3 集成膜过程 在解决某一具体分离目标时，综合利用几个膜过程，使之各尽所长，往往能达到最大限度的分离效果，取得最佳的经济效益。这是近年来膜分离技术发展中出现的又一个趋向。例如，微电子工业用超纯水要综合反渗透、离子交换

14、和超滤；造纸工业黑液回收木质素磺酸钠要用聚凝、超滤加反渗透；从生物发酵制无水乙醇要用膜反应器、膜蒸馏、反渗透及渗透汽化；从蛋白质混合物中分离单个高纯蛋白质要用截留分子量不同的超滤加渗析；废水中去除有毒物质用膜萃取及反萃将毒物浓缩再进入膜生物反应器净化等等。集成膜过程的不断发展和完善将使膜分离技术在工业生产领域中发挥更大的作用。 4 结论与讨论 膜分离作为一种新型的分离单元操作过程，在技术进步、产品结构调整、节省能源及污染防治方面日益显示出其强大的生命力和竞争能力。但目前，膜的发展受到了几个方面的制约：一是膜产品的价格；二是膜污染；三是膜分离性能的提高。如果这几方面的问题能更好地解决，膜分离技术将会在国民经济中发挥更为重要的作用。可以预见，2l世纪的膜技术将 在同其他各学科交叉结合的基础上，形成一门比较完整、系统的学科。它将在人类社会的发展史上起