膜分离技术简述

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膜分离是借助一种特殊制造的、具有选择透过性的薄膜，通过在膜两侧施加一种或多种推动力，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差异而使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、浓缩、纯化等目的的单元操作。膜分离过程一般不发生相变，与有相变的平衡分离方法相比能耗低，属于速率分离过程。多数膜分离过程在常温下进行，特点适用于热敏性物质的分离。

1、概述

膜是指分隔两相界面的一个具有选择透过性的屏障，它的形态很多，有固态和液态、均相和非均相、对称和非对称、带电和不带电等之分。一般膜很薄，其厚度可以从几微米到几毫米。所有不同形式的膜均具有一个共同的特点，即渗透性或半渗透性。

（1）几种主要的膜分离过程

膜分离的过程有多种，不同的分离过程所采用的膜及施加的推动力不同。依据膜分离的推动力和传递机理，可将膜分离过程进行分类，具体结果如表1所示。

表1   几种主要的膜分离过程

用膜分离时，使原料中的溶质透过膜的现象一般叫渗析；使溶剂透过膜的现象叫渗透。水处理中膜分离法通常是指采用特殊固膜的电渗析法、超滤、微滤、纳滤和反渗透等技术，其共同优点是在常温下可分离污染物，且不耗热能，不发生相变化，设备简单，易于操作。

溶质或溶剂透过膜的推动力是电动势、浓度差或压力差。微滤、超滤、纳滤和反渗透都是以压力差为推动力的膜分离过程。当在膜两侧施加一定的压差时，混合液中的一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被截留下来，从而达到分离的目的。这四种膜分离过程的主要区别在于被分离物质的大小和所采用膜的结构和性能不同。微滤的分离范围为0.05～10μm，压力差为0.015～0.2MPa；超滤的分离范围为0.001～0.05μm，压力差为0.1～1MPa；反渗透常用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，压力差与溶液中的溶质浓度有关，一般在2～10MPa；纳滤介于反渗透和超滤之间，脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中分子量为几百至几千的物质。

电渗析是指在电场力的作用下，溶液中的反离子发生定向迁移并通过膜，以去除溶液中离子的一种膜分离过程，所采用的膜为荷电的离子交换膜。目前电渗析已经大规模用于苦咸水脱盐、纯净水制备等，也可用于有机酸的分离与纯化。膜电解与电渗析的传递机理相同，但膜电解存在电极反应，主要用于食盐电解生产氢氧化钠及氯气等。

渗透气化与蒸气渗透的基本原理是利用被分离混合物中某组分有优先选择性透过膜的特点，使进料侧的优先组分透过膜，并在膜下游介气化去除。渗透气化和蒸气渗透过程的区别仅在于进料的相态不同，前者为液相进料，后者为气相进料。这两种膜分离技术还在开发之中。

2、膜分离过程的特点

与传统的分离技术相比，膜分离技术具有以下特点：

（1）在膜分离过程中，不发生相关，能量转化效率高；

（2）一般不需要投加其他物质，不改变分离物质的性能，并节省原材料和化学药品；

（3）膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，可回收有价值的物质；

（4）可在一般温度下操作，不会破坏对热敏感和对热不稳定的物质，并且不消耗热能；

（5）膜分离法适应性强，操作及维护方便，易于实现自动化控制，运行稳定。

因此，膜分离技术除大规模用于海水淡化、苦咸水淡化、纯水生产外，在城市生活饮用水净化、城市污水处理与利用以及各种工业废水处理与回收利用等领域也逐渐得到了推广和应用。

3、膜分离的表征参数

膜分离的特征或效率通常用两个参数来表征：渗透性和选择性。

（1）渗透性

渗透性也称为通量或渗透速率，表示单位时间通过单位膜面积的渗透物的通量，可以用体积通量表示，单位为m³/(m²·s)。当渗透物为水时，称为水通量。根据密度和摩尔质量也可以把体积通量转换成质量通量和摩尔通量，单位分别为kg/(m²·s)和kmol/(m²·s)。渗透性反应膜的效率。

（2）选择性

膜分离的选择性是指在混合物的分离过程中膜将各组分分离开来的能力，对于不同的膜分离过程和分离对象，其选择性可用不同的方法表示。

对于溶液脱盐和脱除微粒、高分子物质等情况，可用截留率来表示。微料或溶质等被部分或全部截留下来，而水分子可以自由地通过膜。

4、膜的分类

膜是膜分离过程的核心，根据膜的分离机理、性质、形状、结构等的不同，膜有不同的分类方法。

a.  按分离机理：主要有反应膜、离子交换膜、渗透膜等；

b.  按膜的性质：主要有天然膜（生物腊）和合成膜（有机膜和无机膜）；

c.  按膜的形状：有平板膜、管式膜和中空纤维膜；

d.  按膜的结构：有对称膜、非对称膜和复合膜；

e.  按膜材料：有 聚合物膜和无机膜。

（1）聚合物膜

聚合物膜种类很多，按照聚合物物膜的结构与作用特点，可将其分为致密膜、微孔膜、非对称膜、复合膜和离子交换膜五类。

致密膜   致密膜又称均质膜，是一种均匀致密的薄膜，物质通过这类膜主要是靠分子扩散。

微孔膜  微孔膜内含有相互交联的孔道，这些孔道曲曲折折，膜孔大小分布范围。对于小分子物质，微孔膜的渗透性高，但选择性低。

非对称膜   非对称膜的特点是膜的断面不对称。它由同种材料制成的表面活性层与支撑层两层组成。膜的分离作用主要取决于表面活性层。由于表面活性层很薄，故对分离小分子物质而言，该膜层不但渗透性高，而且分离的选择性好。大孔支撑层呈多孔性，仅起支撑作用，它决定了膜的机械强度。

复合膜    在非对称膜表面加一层0.2～15um的致密活性层构成的膜。膜的分离作用亦取决于这层致密活性层。与非对称膜相比，复合膜的致密活性层可根据不同需要选择多种材料。

离子交换膜   是一种膜状的离子交换树脂，由基膜和活性基团构成。按膜中所含活性基团的种类可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和特殊离子交换膜。膜多为致密膜，厚度在20μm左右。

（2）无机膜

膜材料的选择是膜分离的关键。聚合物通常在较低温度下使用，而且要求待分离的原料流体不与膜发生化学反应。当在较高温度下或原料为化学活性混合物时，采用无机膜较好。无机膜的热稳定性能、力学性能和化学稳定性均较好，使用寿命长，污染少，易于清洗，孔径分布均匀等，缺点是易破碎，成型性差，造价高。