膜分离技术应用及展望

膜分离技术应用及展望

摘要：膜分离技术经过半个多世纪的发展,在能源、电子、化工、医药、食品、汽车、家电、环保等领城发挥着其独特的重要作用。据市场分析指出, 我国今后10 年内膜法水处理工程将以4 0 ％的年增长率高速发展, 水作为一种战略资源正在得到前所未有的重视, 国家发改委组织实施的《城市和海水利用高新技术产业化专项》, 国家发改委、科技部、商务部联合发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》, 均把膜技术产业放到重要的位置。

关键字：膜分离技术应用展望

1　膜分离原理

膜可以是固相、液相或气相, 膜的结构可是均质或非均质的, 膜可以是中性的或带电的, 但必须具有选择性通过物质的特性。它的工作原理为: 一是根据混合物物质的质量、体积、大小和几何形态的不同,用过筛的方法将其分离; 二是根据混合物的不同化学性质分离开物质, 物质通过分离膜的速度( 溶解速度) 取决于进入膜内的速度和进入膜的表面扩散到膜的另一表面的速度( 扩散速度) 。而溶解速度完全取决于被分离物与膜材料之间化学性质的差异, 扩散速度除化学性质外还与物质的分子量有关, 速度愈大, 透过膜所需的时间愈短, 混合物透过膜的速度相差愈大, 则分离效率愈高。

2　膜分离的应用

自20 世纪50 年代膜分离进入工业应用以后,每10 年就有一种新的膜分离过程得到新应用。膜分离技术的优势不断强化, 在各工业得到广泛的应用。

2. 1　水处理

饮用水的净化与纯化是从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等。微滤可去除悬浮物和细菌; 超滤可分离大分子和病毒; 纳滤可去除部分硬度、重金属和农药等有毒化合物, 反渗透几乎可除去各种杂质, 电渗析可除氟, 膜接触器可去除水中挥发性有害物

质, 因此, 欧、美、日等国家和地区将膜分离技术作为21 世纪饮用水净化的优选技术。现在反渗透已成为海水淡化制取饮用水最经济的手段, t 水耗电在5 kW·h 以下, 最大的装置处理能力达2. 0×105 m3·d- 1。同样,

反渗透也是苦咸水淡化最经济的方法, t 水电耗在0. 5～3 kW·h, 最大的反渗透装置处理能力达1. 3×105 m3·d- 1。目前膜法日产约3×106 m3 海水淡化水和约6×106 m3 苦咸水淡化水, 为广大干旱地区提供饮用水和过程用水。

工业废水是工业生产过程中产生的废水、污水和废液, 必须进行处理, 回收有用资源, 同时保护环境。早在20 世纪70 年代反渗透法使电镀废水得以循环再用; 美国PPG 公司公开用超滤处理阳极电涂电漆废水技术, 荷电型超滤膜使汽车等行业广为采用的电泳漆工艺实现了清洁生产。用超滤和反渗透组合系统处理电泳漆废水后, 废水中的树脂涂料几乎全部除去, 总溶解固形物的去除率可达97% ～98 %, 水中总溶解固形物的浓度可以降到13～33mg ·L- 1 , 完全符合清洁水的水质要求。无机膜和渗析结合是钛白废水回收再用的好途径; 电渗析-离子交换树脂耦合的EDI 技术可部分代替离子交换而无需酸、碱再生, 双极膜技术可实现各种废酸、废碱、废盐水的回收再用; 超滤法使纺织上浆的聚乙烯醇废液浓缩回用, 膜法处理技术在印染工业上应用也使印染废水中的染料和水同时回用 ; 反渗透法成功地将尼龙的单体己内酰胺浓缩回收; 超滤将成为每年数亿t 含油废水回注的关键技术, 还可对洗毛废水、脱毛废水、脱脂液废水、摄影废水和放射性废水等进行处理; 用超滤和反渗透处理水溶性切削油废水完全能达到要求。MPW 公司已开发出了特殊的纳滤膜来处理含有烃类、醇类、醛类、酮类、烷基酮类、烷基腈类、醚类等溶剂的废水。众多的应用使膜技术在环保废水处理中发挥着重大的作用。

2. 2　医疗医药

人工肾主要为中空丝型, 分为透析型和过滤型,主要是通过由透析膜相隔的血液和透析液中各成分之间的浓度差所造成的扩散, 达到清除血液中废物和有害杂质的目的。

膜分离在制药领域中的应用非常广泛, 根据不同的应用范围, 采用膜电解、电渗析、透析、微滤、超滤或反渗透技术, 将药的有效成分分离、纯化。

膜分离在生化制药方面的应用最早, 曾用于酶、激素、核酸、病毒、多肽、疫苗、血清制剂以及蛋白质制剂的浓缩、脱盐精制等。超滤法去除右旋糖苷注射液热原; 微孔精密过滤器用于丝裂霉素、妥布霉素、阿霉素、柔红霉素等大生产的分离过滤, 用于葡萄糖与活性炭混合液的分离。电渗析已用在血浆的处理、免疫球蛋白和其他蛋白质的分离。

膜分离提取中药有效成分具有不加热, 一般不需要相的转换, 能在低温低压下操作, 基本上不需要化学药品处理, 不易破坏热敏物质等优点。有人用中空纤维膜分别从益母草、甘草、白芍等水溶液中分离出盐酸水苏碱、甘草酸和白芍甙; 采用超滤膜分离法提取香菇多糖, 采用螺旋卷式超滤器, 截留分子量为150 000 和60 000 的PS 超滤膜提取香菇糖; 用超滤法提取黄芪甙及天然麻黄等, 取代了传统的苯提和减压蒸馏, 节省能耗和溶剂, 收率高,质量好, 安全可靠。膜蒸馏法还可用于人参加工中产生的洗参水和人参露的分离浓缩, 从而提取其有效成分人参甙、微量元素和氨基酸。

2. 3　食品工业

膜分离技术用于食品工业始于20 世纪60 年代末。膜分离与传统的食品加工技术相比有节能, 能最大限度保留原有营养成分, 可以简化工艺流程和操作步骤的特点。

超滤和反渗透主要用于牛奶的浓缩和乳清蛋白的回收, 可大量节省能量, 提高产品质量, 获得多种乳制品。用无机微滤膜可去除啤酒中的浑浊漂浮物( 酒花树脂、单宁、蛋白质等) , 除去酵母、乳酸菌等微生物, 改善啤酒的风味和提高透明度; 用反渗透制造低度啤酒或浓缩啤酒, 也可用反渗透复合膜浓缩啤酒; 微滤技术用于回收啤酒釜底的发酵残液, 使啤酒产量增加。用超滤进行葡萄酒提纯, 在无化学试剂下制得透明的葡萄酒,

还可降低葡萄酒中的酒精含量;用聚丙烯腈中空纤维超滤膜组件将黄酒中的细菌和浑浊物除去; 用超滤对低度白酒除浊, 酒久置后仍保持清澈透明。膜分离在果汁加工中主要用于浓缩、澄清和除菌, 国外膜公司已有用于各种果汁加工的专用膜设备出售。微滤用于各种果汁的澄清过滤和除菌; 用反渗透浓缩苹果汁可获得40～45 Brix 的高浓度苹果汁; 我国用反渗透和超滤对山楂进行加工,可从新果中获得占鲜果质量3 % 的果胶干粉和占鲜果质量40 % 的20 Brix 山楂浓缩汁; 美国Du Pont公司出售的中空纤维反渗透组件可将橘子汁浓缩到55 Brix; 用膜分离浓缩葡萄汁、佛手酣汁、澄清柠檬汁等的生产线先后在20 世纪80 年后期建成。20 世纪70 年代中期DDS 等公司实现了超滤用于酶制剂生产的工业化, 20 世纪80 年代中期我国开始将超滤用于酶制剂生产; 用超滤和反渗透浓缩茶叶抽提汁生产速溶茶; 超滤还用于甜菊糖、大豆蛋白、酱油、醋等的生产;电渗析用于柠檬酸的生产, 使柠檬酸钙的平均得率为92. 71 % 。用膜法气体分离技术生产富氮空气用于包装食品袋充气和食品贮存。

2. 4　石油、化工

美国Bend Research 公司采用中空丝支撑液膜组件, 以铀矿的硫酸浸出液为原料进行了铀的分离浓缩; 用Pr ism 中空纤维复合膜制成的氮氢分离器用于从合成氨施放气中回收氢气; 日本开发的板式复合膜可以回收许多有机合成、石油化工、油漆涂料、溶剂喷涂和半导体等工业生产中大量排出的有机蒸气; 美国GE 公司开发的P-11 型有机膜富氧体系和日本开发的聚硅氧烷改性膜的富氧装置以及中国科学院化学物理研究所研制的LT V-PS 富氧膜可以制取富氧空气; 采用将酶固定在水相中的乳化液膜所作的酶反应器, 可以进行氨基酸的生成和分离; 用中空纤维膜分离器回收油田三次采油中的CO2 ; 1988 年法国的Bazanco ur t 糖业采用渗透蒸发法由乙醇脱水生产无水乙醇; 用中空纤维超滤处理油田注水, 超滤水质达到特低渗透油层注入水水质的要求, 该技术已在各油田使用和推广。气体分离组件广泛用于膜法提氢、膜法富氧、富氮、工业气体脱湿、有机蒸气回收和天然气脱湿、提氮、脱CO2 和H2S 等。控制释放膜