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新型分离技术
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摘要：本文主要简单概述了膜分离技术的现状和发展状况，以及几种膜分离技术，包括以压力差为推动力的反渗透、纳滤、超滤与微滤等。此外，与传统分离技术相比，总结了膜分离技术的几点优势。 1 膜分离技术的现状和发展 膜分离技术是人们所掌握的最节能的物质分离和浓缩技术之一。近二十年来发展极其迅速，已从单纯的海水与苦咸水脱盐、纯水及纯水的制备、工业用水回收，逐步拓展到环保、化工、医药、食品、航天等领域中，以每年大于10%的速度递增，发展前景备受关注。 2 新型分离技术开拓与发展的必要性 新型分离技术是应科技发展与探索、资源利用与清洁生产、生态环境保护等的需求而产生的。这些需求不但促使了一些常规分离技术，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等的不断改进和发展，更使一些特色鲜明的新型分离技术，如膜分离、泡沫分离、超临界流体萃取、印迹分离，以及集成技术等得到重视和开发。 3 反渗透、纳滤、超滤与微滤 微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)与反渗滤(RO)都是以压力为差(跨膜压差)为推动力的膜分离技术，当膜两侧施加一定压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。 3.1 反渗透 反渗透是六十年代发展起来的一项高新膜分离技术。它的孔径很小，能去除滤液中的离子范围和分子量很小的有机物，如细菌、病毒等。广泛用于海水和苦咸水淡化、电子、医药用纯水、饮用纯水等方面。它具有脱盐率高、水利用率高、自动化程度高、能耗低等优点。反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差的推动力下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。 3.1.1反渗透基本机理及图解 1960年，Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上，提出了优先吸附-毛细孔流动机理，奠定了反渗透膜的研制和过程开发的基础，而后又按此机理发展为定量表达式，即表面力-孔流动模型。表面力-孔流动模型机理适用于溶剂在膜上优先吸附，也适用于溶质在膜上优先吸附，是溶剂还是溶质优先吸附取决于溶剂、溶质、膜材料和膜的物化性质及其相互作用机理。反渗透亦称渗逆透(RO)，是用足够大的压力把溶液中的溶剂(通常指水)通过反渗透膜(半透膜)分离出来，因和自然渗透方向相反，故称反渗透。根据各种物料的不同逆透压，就可以用大于渗透压的反渗透法达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。 3.2 纳滤 随着新的制膜方法的出现和制膜工艺的不断改进，一个膜家族中的新成员纳滤膜(Nanofiltration membrane, NF)得以问世。因其透过物大小在1～10nm，科 图1 反渗透过程图解 学家们推测纳滤膜表面分离层可能拥有纳米级(10nm以下)的微孔结构，故习惯上称之为“纳滤膜”又叫“纳米膜” 、“纳米管” 。 作为一种新型分离技术，纳滤膜在其分离应用中表现出下列三个显著特征：一是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200-2000；二是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层是由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。三是超低压大通量，即在超低压下(0.1Mpa)仍能工作，并有较大的通量。 纳滤膜分离过程无任何化学反应，无需加热，无相转变，不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于饮用水的制备和食品、医药、生物工程、污染治理等行业中的各种分离和浓缩提纯过程。 3.2.1 纳滤的主要特点 作为一种新型分离技术，纳滤膜在其分离应用中表现出下列两个显著特征：一个是其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200-2000；另一个是纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。 从结构上来看纳滤膜大都是复合型膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。根据其第一个特征推测纳滤膜的表面分离层可能拥有 1nm左右的微孔结构，故被称之为“纳滤”。 纳滤膜对小分子量有机物和盐类的分离有很好的效果。其分离过程无任何化学反应，无需加热，无相变化，不影响分离物质的生物活性、风味和香气等，并具有节能、无公害特点 用纳滤膜与生化反应器耦合在一起，开发的膜生化反应器，可以用膜分离产物，底物和酶则被截留，通过不断添加底物，即可以达到反复利用酶并得到高产率生化产品的目的。 3.3 超滤 超滤是通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔德大分子溶质截留，使一些溶质与溶剂及小分子分离的膜过程。一般认为膜的物化性能对分离性能影响不大。 3.3.1超滤原理及其特点 1-超滤进口溶液；2-超滤滤过膜的溶液；3-超滤滤膜；4-超滤出口溶液； 5-透过超滤膜的物质；6-被超滤滤过膜截留下的物质 图2 超滤工作原理图 超滤有如下特点： 1、超滤与传统的预处理工艺相比，系统简单、操作方便、占地小、投资省、且水质极优，可满足各类反渗透装置的进水要求。 2、合理地选择运行条件和清洗工艺，可完全控制超滤的浓差极化问题，使此预处理方法更可靠。 3.4 微滤 微滤是利用微孔膜孔径的大小，在压差为推动力下，将滤液中大于膜孔径的微粒、细菌及悬浮物质等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。 微滤所用的膜为微孔膜，平均孔径0.02-10μm，能够截留直径0.05-10μm的微粒或分子量大100万的高分子物质，操作压差一般为0.01～0.2MPa。原料液在压差作用下，其中水(溶剂)透过膜上的微孔流到膜的低压侧，为透过液，大于膜孔的微粒被截留，从而实现原料液中的微粒与溶剂的分离。微滤过程对微粒的截留机理是筛分作用，决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的形状和大小。 3.4.1 微滤的应用 微滤主要用于除去溶液中大于0.05μm左右的超细粒子，其应用十分广泛，在目前膜过程面业销售额中占首位。 在水的精制过程中，微滤技术可以除去细菌和固体杂质，可用于医药、饮料用水的生产。 在电子工业超纯水制备中，微滤可用于超滤和反渗透过程的预处理和产品的终端保安过滤。微滤技术亦可用于啤酒、黄酒等各种酒类的过滤，以除去其中的酵母、霉菌和其它微生物，使产品澄清，并延长存放期。 微滤技术在药物除菌、生物检测等领域也有广泛的应用。 4 其它膜分离技术 膜分离按推动力分可以分压力差、浓度差、电位差等，上文已经简单讨论了以压力差为推动力的分离方法。这里再简要说明一下几种以浓度差为推动力的分离方法：渗透汽化与蒸汽渗透(vapor permeation)均是利用待分离混合物中某组分有优先选择性透过膜的特点，使料液侧优先渗透组分溶解-渗透扩散-汽化通过膜，从而达到混合物分离的一种新型分离技术。渗透汽化主要用于有机物脱水、水中有机物脱除、有机混合物分离等方面的应用，被认为是最有希望取代高能耗精馏技术的膜过程，其中有机溶剂脱水及水中有机物脱除已有工业装置。蒸汽渗透适用于空气中有机物容剂的回收，随着环保意识的增强，蒸汽渗透将会获得较大的推广应用。 另外还有正在开发研制中的新型膜技术，一类是目前称之为膜接触器，如膜基吸收等，另一类是膜分离为关键技术的集成分离过程，如膜与吸附等等。 5 膜分离技术的优势 膜分离技术在各个领域中的应用优势各不相同，而从膜分离技术本身出发来看，其与常规的离心、沉降、过滤、萃取等传统技术相比，技术优势主要表现为：(1) 分离过程无相变,高效节能环保； (2) 分离设备简便易操作； (3)周期短、安全性高。 6展望 膜分离技术作为现代分离技术发展的产物，有其特殊的地位和必然性。随着科学技术的发展，人们模仿生物质膜的某些功能，研制出各种功能的合成膜，应用于日常生活与工业生产过程中。可以认为，膜产业将成为21世纪初发展最快的高新技术产业之一。 特别是石油化工领域涉及到石油加工、石油化工产品及化肥生产等。膜分离技术已成为国内外竞相开发的热点技术之一。就我国目前膜技术在石油化工领域的应用而言，在膜材料的开发、非对称膜和复合膜的制备、工业用膜分离器的研制及膜分离过程的应用开发方面都己达到一定水平。但尚存在以下问题有待解决： 1) 进一步研制开发高性能的膜材料和膜； 2) 对膜组件、装t及过程优化问题的研究； 3) 将膜分离和其他分离技术进行优化组合。 主要参考书目：陈林欢 主编《新型分离技术》 化学工业出版社 |
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