膜分离技术的应用现状及发展前景

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膜分离技术的应用现状及发展前景

摘要：膜分离技术( Membrane Separation Technologies)是近十几年发展起来的一种高新技术，随着膜设备和技术的不断发展和成熟，其在各行业中有着广泛的应用。本文介绍了膜分离技术的特性，阐述了膜分离技术在食品工业、水处理、生物技术、医药工业和医疗设备方面的应用，并展望膜分离技术应用领域的发展前景，分析膜分离技术在膜材料、新的膜过程和膜通量等方面的发展趋势，同时指出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；膜生物反应器；选择透过性膜；膜材料；

前言：

膜分离技术是指用天然或人工合成的具有选择透过性膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的边缘学科高新技术[1]。由于膜分离技术具有节能、高效、简单、造价低、无相变、可在常温下连续操作等优点，而且特别适合热敏性物质的处理的特点，其应用已渗透到人们生活和生产的各个方面，现已被广泛应用于化工、环保、生物工程、医药和保健、食品和生化工程等行业[2]。虽然膜分离技术的应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入, 膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。

现本文对膜技术的特点、类型及其在各方面的应用现状进行综述，并且提出了膜分离技术的发展前景。

1 膜分离技术的特点

膜分离技术作为一种新型的分离技术, 具有以下特点[3]：

1.1 在常温下进行，特别适用于热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩，且

可以同步进行能较好地保持产品原有的色、香、味和营养成分；

1.2 分离过程中不发生相变，挥发性物质损失少，节约能源；

1.3 具有冷杀菌作用，保存期长，无二次污染；

1.4 选择性好，应用范围广，但要选择相应的膜类型；

1.5 设备简单，易于操作，可连续进行，效率高。

2 膜分离技术的类型

目前己经研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透蒸发和气体分离等。正在开发研究中的新的膜技术有真空膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、膜控制释放、仿生膜以及生物膜等过程[4]。膜分离技术的特性及应用见表 1。

表 1 膜分离技术的特性及应用

膜分离法分离原理传质推动力应用举例

微滤（MF）筛分压差（0.05～0.5Mpa）储菌、回收菌、分离病毒

超滤（UF）筛分压差（0.1～1.0Mpa）蛋白质和多糖的回收与浓缩

反渗透（RO）筛分压差（1.0～10Mpa）盐、氨基酸浓缩，淡水制造

透析（DS）筛分浓差脱盐，除变性剂

电渗透（ED）荷电、筛分电位差脱盐、氨基酸的分解

纳滤（NF）筛分压力差( 0.5～1.5MPa)果汁浓缩，渗透

3 膜分离技术的应用现状

3.1 膜分离技术在食品工业中的应用

膜分离技术用于食品工业开始于20世纪 60 年代末，首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的，随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。至今，膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用。主要用于以下几个方面： (1) 利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。 (2) 利用膜分离技术加工乳制品。 (3) 利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩。 (4) 利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩。 (5) 利用膜分离技术对明胶进行提纯。 (6)在含酒精饮料加工中的应用。 (7) 在非酒精饮料加工中的应用。 (8) 膜分离技术在处理淀粉废水中的应用。 (9) 膜分离技术在制糖工业中的应用。 (10)膜分离技术在食用油加工中的应用。 (11) 膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。膜分离技术用于食品加工有很多优点：与传统方法相比，不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、设备占地面积小；更重要的是由于分离膜性能的提高，能在很高精度水平下分离各种成分[5：6]。3.1.1 在啤酒无菌过滤中的应用

啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节，它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。褚良银等[7]采用无机陶瓷膜对啤酒进行除菌过滤，对膜孔径的选择、膜器结构优化、膜滤运行过程强化等方面进行了系统的试验研究，提出了一套新型高效的膜器结构与工艺设计的依据；翁佩芳等[8]还采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的

生产工艺进行设计，使整个生产工艺系统高效、优化运行，同时加强生产操作及卫生的管理，生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。

3.2 膜分离技术在水处理中的应用

3.2.1 在饮用水制取中的应用

近年来，膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。仅应用超滤工艺的水厂中净化规模每天在 20×104m3以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过每天 800×104m3 [9]。还有许多厂家利用微滤工艺进行处理，可见，膜处理法已经成为饮用水制取最常见的方法。微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏[10]等人用两个 PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到 167L/m2·h，实验证明不同粒径的 PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。韩国的 Jeong-ikOh[10]等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1 mg/L时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。

3.2.2 在废水处理中的应用

随着工业化的发展，大量的工业废水和生活废水排入水体中，严重影响了水质。为了保护环境不受污染，并能回收一些有用物质，需对工业和生活污水进行处理，以达到排放标准要求。废水处理中常采用超滤和纳滤技术。据研究采用纳滤技术处理城市污水，可有限地降低水的浊度、色度及有机物；经超滤处理后的出水可用于循环冷却水、造纸用水等对水质要求不高的工业用水水源，这大大地提高了水的利用率。

3.3 膜分离技术在生物技术中的应用[11]

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。