常規膜分離技術特點淺析

摘 要：膜分離技術以其高效、經濟、污染小等優勢，在化工、醫藥、環境治理等領域發揮越來越重要的作用。本文論述了膜分離技術的機理和分類，并分析了常規分離技術中的微濾、超濾、納濾和反滲透的特點。

關鍵詞：膜分離；技術；特點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.047

0 引言

自上世紀60年代以來，隨著醋酸纖維素膜第一次被制備出來并應用于工業化生產中，膜分離技術逐漸被人們所關注和掌握。同時，隨著膜分離技術的不斷創新發展，其技術優勢越來越凸顯，并逐漸取代了傳統的分離技術[1]。當前，膜分離技術在化工生產、釀酒、生物醫藥和污水處理等領域均發揮著重要的作用。

我國對于膜分離技術的研究比歐美等發達國家開展的晚，始于上世紀50、60年代。主要是通過開展對離子交換膜的研究和海水淡化的實驗研究。直到上世紀70年代以后，超濾、微濾、反滲透等不同類型的膜在我國逐漸被開發出來并應用到各個領域。隨著環境污染日益嚴重，人們發現膜分離技術在污染防治方面也可發揮重要的作用。當前，在純水制備和污水處理等領域也常用到膜分離技術。膜分離技術已脫離實驗室，逐漸在工業生產、水處理等方面發揮了越來越多的作用。

1 膜分離技術及其分類

膜分離通常是指利用選擇性透過膜作為分離介質，通過在膜兩側施加某種推動力，使得不同組分物質在膜間遷移從而達到分離、提純的過程。推動力主要來源于外界能量（如壓力差、電位差）或濃度差等[2]。膜分離技術在水處理領域也得到了廣泛的應用。通常，膜分離過程主要是膜將污水中一種或多種污染物進行攔截，而允許水通過，從而使污染物被濃縮截留，便于去除。膜分離技術在水處理領域應用最多的是純水制備。歐美等發達國家甚至要求水處理中優先考慮膜分離技術。

2 常規膜分離技術及其特點

在工業生產和水處理中常規的膜分離過程通常包含微濾、超濾、納濾和反滲透等。這幾種分離過程均是以壓力差作為組分分離的推動力。但是，不同分離過程其作用機理卻各不相同，如下表2所示：

2.1 微濾

也稱為微孔過濾，主要是以篩孔機理對物質進行分離凈化。采用微孔濾膜作為過濾介質，以靜壓差為推動力進行分離。微孔濾膜的孔徑固定，氣、液相中的懸浮粒子、細菌、病毒等微生物以及膠體等物質由于粒徑大于濾膜孔徑而被截留。而無機物和大分子有機物等物質在壓力差的作用下可以遷移到微孔濾膜的另一側，從而達到分離、凈化的目的。

微濾的特點：膜孔分布均勻，過濾精度高。微濾可以通過采用制定固定孔徑的微孔濾膜來進行精密過濾。濾膜的孔徑分布均勻，可將大于孔徑的懸浮粒子、微生物、膠體等污染物質全部攔截在濾膜表面，過濾精度很高。孔隙大，流速快。微孔濾膜的孔徑大，通常孔密度為107孔/cm2，且微孔體積占膜總體積的70%～80%左右。因此，微粒和微生物等在通過微孔膜時受到的阻力較小，其過濾速度較常規介質快幾十倍。厚度小，吸附少。微孔膜的厚度較小，一般在90-150m之間。其對于粒子的吸附量非常少，可忽略不計。濾膜材料穩定，不易脫落，濾液質量高。制備微濾膜的材料需具備熱穩定性、化學穩定性和機械強度等特點，通常采用纖維素、聚氯乙烯 （PVC）等高分子材料制作濾膜。過濾時不易發生纖維或碎屑脫落，使用壽命長，獲得的濾液質量較高。

但是，微孔濾膜對于顆粒的容量較小，分離過程中易發生堵塞現象。因此，在對物質進行分離前，需進行前道過濾，以避免因發生堵塞而影響微濾膜的正常使用。

2.2 超濾

超濾也是以壓力差作為推動力，以超濾膜絲作為過濾介質。超濾膜的粒徑介于微濾和反滲透之間。主要是利用不同孔徑的超濾膜對液體中各類可溶性大分子和膠體等進行分離、凈化。

超濾的過濾粒徑較微濾膜小，約為5-10nm。可用于對溶液中的溶質進行分離、增濃等操作。超濾膜可允許小分子和溶解性無機物通過，對于蛋白質、核算聚合物、淀粉等大分子物質則會進行截留。通常超濾膜對于分子量在500-500000的微粒溶液中的多糖、蛋白質、酶等可溶性大分子或膠體物質均具有較好的分離、提純效果。

超濾技術的應用范圍廣泛。常被應用于工業生產中的純水制備、藥品、色素提純以及水污染治理等諸多領域，對于各類大分子和膠體的分離、凈化、提純具有良好效率。

2.3 納濾

納濾膜的孔徑為納米級，約為1-2nm。被分離物質的尺寸介于反滲透膜和超濾膜之間，但又有所交叉。

納濾可截留物質粒徑小。納濾對于粒徑大于1nm的微粒均可進行截留，可以使一價鹽和小分子物質透過。處理效率高，對于病毒、細菌等微生物可完全進行截留分離。操作壓較小，通常在0.5-1MPa。對不同價態離子的截留效果不同。納濾膜對單價離子的截留率較低，通常在截留率在10%-80%之間。但對二價及多價離子的截留率顯著提升，可達90%以上。納濾對離子的透過具有選擇性，其過濾孔徑接近于反滲透。但是運行壓力較反滲透低。

納濾可用于分離、提純和濃縮。在我國，利用超濾膜制作純水具有良好的效果，此外還應用于藥物提純等諸多領域。納濾膜可在常規溫度下進行分離、提純，有效避免高溫對熱敏性物質的破壞。

2.4 反滲透

反滲透技術作為當前最先進、節能、高效的膜分離技術，其反滲透膜的孔徑非常小，小于1nm。可分離物質的分子量通常小于500，可用于去除單價鹽和非游離酸等無機物質。在高于溶液滲透壓的作用下，將某些不能透過半透膜的物質與水進行分離。對其分離機理至今仍多有爭論。當前主要有氫鍵理論、選擇吸附-毛細管流動理論、溶解擴散理論等。

反滲透膜通常是不對稱膜，對于溶質分子具有良好的截留效果。所需操作壓力較大，在2-100MPa。反滲透技術具有很高的除鹽效率，一般可達98-99%。因此，常用于電子工業、超高壓鍋爐補水等對純水要求高的領域。制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、以及各類聚合物。

3 結論

隨著經濟的發展和科技的進步，人們對于膜分離技術和膜材料的研究日益深入。由新材料制備出來的膜具有更強的使用壽命，同時分離效率、穩定性也越來越高。同時，不斷革新的分離技術也將有力推動膜分離法在各領域的應用。但膜分離技術也存在一些亟待解決的問題，如膜污染問題和膜的制作和運行成本常制約著膜技術的推廣和應用。

參考文獻：

[1]張蕓，王曉靜，代文臣等.以組合膜分離技術資源化處理印染廢水工藝的研究[J].水資源與水工程學報，2015（04）：29-34.

[2]薛勇剛，官嵩，戴曉虎等.膜分離技術用于印染廢水處理及回用的研究進展[J].染整技術，2014，36（05）：26-31.

作者簡介：史宇濤（1981-），男，本科，工程師，從事水處理設計工作。