【第三届原创参赛】膜分离研究进展及其应用

省部重点实验室

2010/12/05

私聊

分离/萃取

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膜分离研究进展及其应用

摘要: 膜分离技术是利用天然或人工合成的具有选择透过性的薄膜,以外界能量或化学位差为动力,对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的分离技术。目前,该技术以高效、节能和绿色等特点,应用越来越多,已被国际公认为20世纪末到21世纪中期有发展前途的一项重大高新技术。笔者主要介绍了膜分离技术的原理，及其分离过程研究的现状和发展趋势，最后又涉及到其应用。

关键词: 膜分离；应用；研究进展

膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

一、膜分离原理与过程

膜是每一膜分离过程的核心部件，它可以看成是两相之间一个具有透过选择性的屏障，或看作两相之间的界面，膜分离过程可由图示意，相1为原料或上游侧，相2为渗透物或下游侧。原料混合物中某一组分可以比其他组分更快的通过膜而传递到下游侧，从而实现分离[1-3]。

与传统的分离技术如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等相比,膜分离技术具有以下特点:高效的分离过程、低能耗、接近室温的工作温度、品质稳定性好、连续化操作、灵活性强、纯物理过程、环保。

膜结构参数的影响

膜的分离性能与其材料性质、结构相关,它们不仅影响膜的渗透分离性能,更与膜的使用寿命密切相关。膜的选择包括膜材质和膜孔径,以下主要对这两方面对膜分离过程的影响进行分析[1]。

膜材质

膜材质的表面性质对膜分离过程的影响较大,选择适宜的膜材质可以保证所滤药液的稳定性,同时也可避免药液对膜的腐蚀所引起膜的破损脱落。按对水的亲和性可将膜材质分为疏水性和亲水性两类,膜的亲水性、荷电性会影响到膜与溶质间相互作用的大小,如醋酸纤维素、聚丙烯腈等亲水性膜材料对溶质吸附少,截留相对分子质量较小,但热稳定性差,机械强度、抗化学药品性、抗菌能力通常不高;聚砜等疏水性膜材料机械强度高,耐高温、耐溶剂,但膜透水性能、抗污染能力较低;无机材料膜的突出优点是耐高温,耐溶剂性能好,不易老化,可再生性强、耐细菌强度高。

另外,同一种膜材料对不同的中药影响也不相同,应根据提取物和截留物的性质选择。实验研究发现,用CA膜和PS膜超滤对有机酸类、环烯醚萜苷类、氮苷类、单萜苷类的含量影响比较小,对挥发油成分含量影响明显。而生物碱类成分对超滤膜有较强的选择性,使用PS膜生物碱的截留率远远大于CA膜[4]。

膜孔径(或截留分子量)

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二、有效防止膜污染的研究进展

膜污染是运行中一系列增加膜阻力的因素的总称，一种是由于污染物的存在，从引起污染的物质（foulant）角度划分，膜污染可分为四个方面，即物理污染、无机污染、有机污染和生物污染[6]。另一种是膜的劣化，劣化是膜自身发生了不可逆转的损害，这种损害原因有三种：一是由于膜在强氧化剂或高p H值下产生的化学反应，如水解、氧化；二是物理性变化，如长期高压操作导致膜压密，以及长期停用时保管不善造成膜干燥；三是微生物造成的生物降解反应。膜污染现象可以引起运行情况恶化，过膜流量严重下降，高能耗，膜组件的频繁更换与清洗等问题[5]。因此探究控制膜污染形成的方法，就成为当前膜分离技术研究的热点内容。

减小膜污染的方法

1完善预处理

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可用于回收炼厂气的膜分离技术

近年来，随着我国节能环保要求的日趋严格，推进形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构以及消费模式，建设资源节约型和环境友好型社会已经成为全社会共同奋斗的目标。炼油厂在重油加工过程中会副产各种干气（通称炼厂气），其中含有大量氢气、轻烃等宝贵的资源，回收利用工业生产中的放散可燃气体已经成为企业加强节能技术进步，实现可持续发展面临的重要课题。

作为新的分离净化和浓缩技术，膜分离技术具有高效、节能、工艺简便（常温下操作）、投资少、污染小等优点。特别是在处理热敏物质（如食品、药物和生物工程产品）时，与传统分离技术（如蒸发、萃取或离子交换等）相比，具有明显的优势。炼油厂在重油加工过程中会副产各种干气（通称炼厂气），其中含有大量氢气、轻烃等宝贵的资源。膜分离技术在C3＋组分和氢气回收中的应用[16]。作为新的分离净化和浓缩技术，膜分离技术具有流程简单、操作方便、投资回收期短、有机物回收率高、节能环保、适用性强的特点。

结束语

“21世纪的多数工业中，膜分离技术扮演着战略角色”。而国际上有一种流行的说法，即“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。还有更多的专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”。以上这些观点足以说明膜技术在未来具有举足轻重的作用。随着膜分离工艺的完善，膜污染问题必将得到解决，膜分离的技术也将得到更加广泛的应用。

精
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