膜分離技術的發展狀況及工業應用

呂璟慧，溫 哲

中國礦業大學，江蘇徐州 221116

1 膜分離技術的起源

1748年，Abbe Nollet觀察到水可以通過覆蓋在盛有酒精溶液瓶口的豬膀胱進入瓶中，發現了滲透現象。但是，直到19世紀中葉Graham發現了透析現象，人們才開始對膜分離現象重視起來，并開始研究。1867年Moritz Taube制成了人類歷史上第一張合成膜—亞鐵氰化鈉膜，并以近代的觀點予以論述。1911 年Donnan研究了荷電體傳遞中的平衡現象。1920年，Gibbs從熱力學角度提供了認識滲透壓現象和它與其他熱力學性能關系的理論。

1925年世界上第一個濾膜公司(Sartorius)在德國Gottingen公司成立。1930年的時候TreorellM eyer，Sievers等對膜電動勢的研究，為電滲析和膜電極的發明打下了一定的基礎。1950年W.Juda等試制成功第一張具有實用價值的離子交換膜，電滲析過程得到迅速發展[1]。

2 膜分離技術的發展狀況

目前，膜分離技術的發展是從5O年代離子交換膜的開發和60年代反滲透膜的出現開始的[2]。1950年WJuda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。l960年洛布和索里拉簡首次研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術發展中是一個重要的突破，使膜分離技術進入了大規模工業化應用的時代。其發展的歷史大致為：30年代微孔過濾，40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體膜分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程也日益得到重視和發展[3]。

3 膜分離技術的應用

3.1 電滲析法(ED)

電滲析(簡稱ED)是以直流電為推動力，用陰陽離子交換水溶液中陰陽離子選擇透過性，水體中的離子通過膜遷移到另一水體中的物質分離過程。利用單陽膜的選擇透過性使有機廢液陽離子作定向遷徙，使有機物在陽極析出。

3.2 反滲透（RO）技術

反滲透裝置就是利用高壓泵將待處理水經過增壓以后，借助半透膜的選擇截留作用來除去水中的無機離子的，由于反滲透膜在高壓情況下只允許水分子的通過，而不允許鉀、鈉、鈣、鋅等離子及病菌、細菌通過，從而獲得高質量的純水。其主要應用領域有海水和苦成水的淡化，純水和超純水制備，工業用水處理，飲用水凈化，醫藥、化工和食品等工業料液處理和濃縮以及廢水處理等。

3.3 正滲透技術

盡管目前依靠滲透壓驅動的正滲透膜分離技術的應用范圍，還未達到各種依靠外加壓力驅動的膜分離技術那么廣泛，但是它已在許多領域得到了應用。

3.3.1 水純化的應用

在水純化中，正滲透濾水器是目前正滲透膜分離技術少有的幾種商業化應用之一。正滲透濾水器的基本原理是，在其膜組件里面填裝可食用的驅動液(如糖或飲料粉)，當把濾水器浸沒到任何水體(如清潔水、泥漿、鹽水、污水等)中時，由于這些水體中的滲透壓低于驅動液中的滲透壓，這些水體中的水將透過正滲透膜進入驅動液中，而水體中的污染物(如懸浮固體、有機物、病毒、細菌等)將被截留下來，水體進入驅動液后，驅動液漸漸被稀釋，被稀釋的驅動液可被人體直接安全飲用，并且里面富含營養物質與礦物元素，它將能長時間維持人類生存。

3.3.2 海水淡化

在海水淡化方面，正滲透的方法一直不夠成熟。不過近幾年來，耶魯大學Menachem Elimelech教授課題組發明了一種新型的利用正滲透膜分離方法進行海水脫鹽的技術，并且進行了中試研究。這種正滲透脫鹽過程的關鍵在于其選擇的驅動液，它的驅動液是將碳酸氫銨與氨水按照一定比例混合，然后溶解于水中配置成一定濃度的銨鹽作為驅動液，這種驅動液既具有較高的滲透壓，又能方便的將溶質和水分離。驅動液吸收海水中的水分后得到稀釋，對于稀釋后的驅動液，只需將其加熱到60℃，驅動液中的銨鹽就被分解為氨氣和二氧化碳，采用合適的方法(如蒸餾)就能將其與水分離，得到純凈的產品水，分離出的氨氣和二氧化碳再次濃縮溶解于水中，便能得到銨鹽驅動液，使得驅動液能夠得以循環使用。

3.4 超濾（UF）與微濾(MF)技術

超濾主要適用于大分子溶液的分離與濃縮，廣泛應用在食品、醫藥、工業廢水處理、超純水制備及生物技術工業，包括牛奶的濃縮、果汁的澄清、醫藥產品的除菌、電泳涂漆廢水的處理、各種酶的提取等。微濾是所有膜過程中應用最普遍的一項技術，主要用于細菌、微粒的去除，廣泛應用在食品和制藥行業中飲料和制藥產品的除菌和凈化，半導體工業超純水制備過程中顆粒的去除，生物技術領域發酵液中生物制品的濃縮與分離等。

3.5 氣體膜分離(GS)

氣體膜分離的主要應用有：1）H2的分離回收：膜分離H2主要應用于從合成氨排放氣中回收H2；從甲醇馳放氣中回收H2；從煉廠氣中回收H2；合成氣生產中H2/CO比例調節等，是當前氣體分離應用最廣的領域；2）空氣分離：利用膜分離技術可以得到富氧空氣和富氮空氣，富氧空氣可用于高溫燃燒節能、家用醫療保健等方面；富氮空氣可用于食品保鮮、惰性氣氛保護等方面；3）氣體脫濕：如天然氣脫濕、工業氣體脫濕等，這樣可防止氣體在天冷時結冰。

3.6 滲透汽化(PV)技術

滲透汽化（PV）技術是近年來發展起來的一種新型膜分離技術，特別適合于分離蒸餾法難以分離或不能分離的近沸點、恒沸點有機混合物，對有機溶劑及混合溶劑中微量水的脫除、廢水中少量有機物的脫除及水溶液中高價值有機組分的回收具有明顯的技術和經濟優勢。

4 結論

目前，生產生活的各個方面都已經離不開膜分離技術，隨著新材料、新技術的不斷出現，膜技術在化學和生物工程中的應用愈加顯示出令人矚目的前景。

[1]朱智清.膜分離技術的發展及其工業應用[J].化工技術與開發，2003，32(1).

[2]木村尚史，紀永亮.膜分離技術的發展和現狀[J].水處理信息報導，2000，4.

[3]繆暉.膜分離技術的發展及應用.天然氣與石油[J]，2004，22(3).

[4]孫國超.淺析膜分離技術及在化工生產中的應用[J].硫磷設計與粉體工程，2010，1.