摘 要：膜分離技術(shù)以其高效、經(jīng)濟(jì)、污染小等優(yōu)勢(shì)，在化工、醫(yī)藥、環(huán)境治理等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。本文論述了膜分離技術(shù)的機(jī)理和分類，并分析了常規(guī)分離技術(shù)中的微濾、超濾、納濾和反滲透的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：膜分離；技術(shù)；特點(diǎn)

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

0 引言

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著醋酸纖維素膜第一次被制備出來(lái)并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中，膜分離技術(shù)逐漸被人們所關(guān)注和掌握。同時(shí)，隨著膜分離技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)越來(lái)越凸顯，并逐漸取代了傳統(tǒng)的分離技術(shù)[1]。當(dāng)前，膜分離技術(shù)在化工生產(chǎn)、釀酒、生物醫(yī)藥和污水處理等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。

我國(guó)對(duì)于膜分離技術(shù)的研究比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展的晚，始于上世紀(jì)50、60年代。主要是通過(guò)開(kāi)展對(duì)離子交換膜的研究和海水淡化的實(shí)驗(yàn)研究。直到上世紀(jì)70年代以后，超濾、微濾、反滲透等不同類型的膜在我國(guó)逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們發(fā)現(xiàn)膜分離技術(shù)在污染防治方面也可發(fā)揮重要的作用。當(dāng)前，在純水制備和污水處理等領(lǐng)域也常用到膜分離技術(shù)。膜分離技術(shù)已脫離實(shí)驗(yàn)室，逐漸在工業(yè)生產(chǎn)、水處理等方面發(fā)揮了越來(lái)越多的作用。

1 膜分離技術(shù)及其分類

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

2 常規(guī)膜分離技術(shù)及其特點(diǎn)

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

2.1 微濾

也稱為微孔過(guò)濾，主要是以篩孔機(jī)理對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離凈化。采用微孔濾膜作為過(guò)濾介質(zhì)，以靜壓差為推動(dòng)力進(jìn)行分離。微孔濾膜的孔徑固定，氣、液相中的懸浮粒子、細(xì)菌、病毒等微生物以及膠體等物質(zhì)由于粒徑大于濾膜孔徑而被截留。而無(wú)機(jī)物和大分子有機(jī)物等物質(zhì)在壓力差的作用下可以遷移到微孔濾膜的另一側(cè)，從而達(dá)到分離、凈化的目的。

微濾的特點(diǎn)：膜孔分布均勻，過(guò)濾精度高。微濾可以通過(guò)采用制定固定孔徑的微孔濾膜來(lái)進(jìn)行精密過(guò)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(zhì)全部攔截在濾膜表面，過(guò)濾精度很高?？紫洞?，流速快。微孔濾膜的孔徑大，通?？酌芏葹?07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(guò)微孔膜時(shí)受到的阻力較小，其過(guò)濾速度較常規(guī)介質(zhì)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(duì)于粒子的吸附量非常少，可忽略不計(jì)。濾膜材料穩(wěn)定，不易脫落，濾液質(zhì)量高。制備微濾膜的材料需具備熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)，通常采用纖維素、聚氯乙烯 （PVC）等高分子材料制作濾膜。過(guò)濾時(shí)不易發(fā)生纖維或碎屑脫落，使用壽命長(zhǎng)，獲得的濾液質(zhì)量較高。

但是，微孔濾膜對(duì)于顆粒的容量較小，分離過(guò)程中易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離前，需進(jìn)行前道過(guò)濾，以避免因發(fā)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(dòng)力，以超濾膜絲作為過(guò)濾介質(zhì)。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(duì)液體中各類可溶性大分子和膠體等進(jìn)行分離、凈化。

超濾的過(guò)濾粒徑較微濾膜小，約為5-10nm?？捎糜趯?duì)溶液中的溶質(zhì)進(jìn)行分離、增濃等操作。超濾膜可允許小分子和溶解性無(wú)機(jī)物通過(guò)，對(duì)于蛋白質(zhì)、核算聚合物、淀粉等大分子物質(zhì)則會(huì)進(jìn)行截留。通常超濾膜對(duì)于分子量在500-500000的微粒溶液中的多糖、蛋白質(zhì)、酶等可溶性大分子或膠體物質(zhì)均具有較好的分離、提純效果。

超濾技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛。常被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的純水制備、藥品、色素提純以及水污染治理等諸多領(lǐng)域，對(duì)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(jí)，約為1-2nm。被分離物質(zhì)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(zhì)粒徑小。納濾對(duì)于粒徑大于1nm的微粒均可進(jìn)行截留，可以使一價(jià)鹽和小分子物質(zhì)透過(guò)。處理效率高，對(duì)于病毒、細(xì)菌等微生物可完全進(jìn)行截留分離。操作壓較小，通常在0.5-1MPa。對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同。納濾膜對(duì)單價(jià)離子的截留率較低，通常在截留率在10%-80%之間。但對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率顯著提升，可達(dá)90%以上。納濾對(duì)離子的透過(guò)具有選擇性，其過(guò)濾孔徑接近于反滲透。但是運(yùn)行壓力較反滲透低。

納濾可用于分離、提純和濃縮。在我國(guó)，利用超濾膜制作純水具有良好的效果，此外還應(yīng)用于藥物提純等諸多領(lǐng)域。納濾膜可在常規(guī)溫度下進(jìn)行分離、提純，有效避免高溫對(duì)熱敏性物質(zhì)的破壞。

2.4 反滲透

反滲透技術(shù)作為當(dāng)前最先進(jìn)、節(jié)能、高效的膜分離技術(shù)，其反滲透膜的孔徑非常小，小于1nm?？煞蛛x物質(zhì)的分子量通常小于500，可用于去除單價(jià)鹽和非游離酸等無(wú)機(jī)物質(zhì)。在高于溶液滲透壓的作用下，將某些不能透過(guò)半透膜的物質(zhì)與水進(jìn)行分離。對(duì)其分離機(jī)理至今仍多有爭(zhēng)論。當(dāng)前主要有氫鍵理論、選擇吸附-毛細(xì)管流動(dòng)理論、溶解擴(kuò)散理論等。

反滲透膜通常是不對(duì)稱膜，對(duì)于溶質(zhì)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(shù)具有很高的除鹽效率，一般可達(dá)98-99%。因此，常用于電子工業(yè)、超高壓鍋爐補(bǔ)水等對(duì)純水要求高的領(lǐng)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(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)于膜分離技術(shù)和膜材料的研究日益深入。由新材料制備出來(lái)的膜具有更強(qiáng)的使用壽命，同時(shí)分離效率、穩(wěn)定性也越來(lái)越高。同時(shí)，不斷革新的分離技術(shù)也將有力推動(dòng)膜分離法在各領(lǐng)域的應(yīng)用。但膜分離技術(shù)也存在一些亟待解決的問(wèn)題，如膜污染問(wèn)題和膜的制作和運(yùn)行成本常制約著膜技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

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

作者簡(jiǎn)介：史宇濤（1981-），男，本科，工程師，從事水處理設(shè)計(jì)工作。