王小强 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所 新疆 库尔勒 841000)

膜分离技术概述

王小强 代木日勒

(巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所 新疆 库尔勒 841000)

介绍了膜分离技术的发展概况、应用现状，展望了它的发展趋势和应用前景。

膜分离；发展趋势；应用现状

一、膜分离的概念及特点

用天然或人工合成的高分子薄膜,以界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法统称为膜分离方法[1]。遍观各种膜分离过程,现代膜分离技术具有如下特点[2]:①膜分离过程是在常温下进行,特别适用于热敏性物质的分离、分级、提纯和浓缩,并可保持产品的色、香、味及营养成分。②膜分离技术在分离物质的过程中不发生相变,无二次污染,能耗低,并具有冷杀菌潜势,且分离效率高。③膜分离范围广,适用于许多特殊溶液体系的分离。④膜分离多以压力作为推动力,故分离装置简单,操作容易,易自控,维修方便,且在闭合回路中运转,减少了空气中氧的影响。

二、膜分离技术概述

(一)微滤

微滤主要是根据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。在给定压力下[(50～100)kPa],溶剂、盐类及大分子物质均能透过孔径为(0.1～20)μm的对称微孔膜,只有直径大于50nm的微细颗粒和超大分子物质被截留,从而使溶液或水得到净化。微滤技术是目前所有膜技术中应用最广、经济价值最大的技术。主要用于悬浮物分离、制药行业的无菌过滤等。在微滤方面今后应着重研究开发廉价膜组件;耐高温抗溶剂的膜及组件;不污染,易清洗的长寿命膜

(二)超滤

超滤和微滤一样,也是利用筛分原理以压力差为推动力的膜分离过程。同微滤过程相比超滤过程受膜表面孔的化学性质的影响较大。在一定的压力[(100～1 000)kPa]条件下溶剂或小分子量的物质透过孔径为(1～20)μm的对称微孔膜,而直径在(5～100)nm之间的大分子物质或微细颗粒被截留,从而达到了净化的目的。超滤主要用于浓缩、分级、大分子溶液的净化等。在超滤方面今后应重点开发抗污染膜;比较廉价的,长寿命的膜组件;低能耗的膜组件;抗溶剂的膜及组件;适用于高温、高pH值和抗氧化的膜。

(三)反渗透

反渗透过程主要是根据溶液的吸附扩散原理,以压力差为主要推动力的膜过程。在浓溶液一侧施加一外加压力[(1 000～10 000)kPa],当此压力大于溶液的渗透压时,就会迫使浓溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1～1 nm的非对称膜流向稀溶液一侧,这一过程叫反渗透。反渗透过程主要用于低分子量组分的浓缩、水溶液中溶解的盐类的脱除等。在这方面今后应优先发展抗氧化膜;耐细菌侵蚀的膜;透水性好的易清洗、消毒的膜。

(四)纳滤

纳滤是膜分离技术的一个新兴领域,纳滤膜(Nanofiltration Membranes)是20世纪80年代末期问世的一种新型分离膜,其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200～2 000,由此推测纳滤膜可能拥有1 nm左右的微孔结构,故称之为“纳滤”。纳滤膜大多是复合膜,其表面分离层由聚电解质构成,因而对无机盐具有一定的截留率。目前国外已经商品化的纳滤膜大多是通过界面缩聚及缩合法在微孔基膜上复合一层具有纳米级孔径的超薄分离层。纳滤也是根据吸附扩散原理以压力差作为推动力的膜分离过程。它兼有反渗透和超滤的工作原理。在此过程中,水溶液中低分子量的有机溶质被截留,而盐类组分则部分透过非对称膜。纳滤能使有机溶质得到同步浓缩和脱盐,而在渗透过程中溶质损失极少。纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质,同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过,堪称为当代最先进的工业分离膜。由于它具有热稳定性、耐酸、碱和耐溶剂等优良性能,所以在工业领域有着广泛的用途,随着纳滤分离技术越来越广泛地应用于食品、医药、生化行业的各种分离、精制和浓缩过程,纳滤膜分离机理的研究也成为当今膜科学领域的研究热点之一。

(五)渗析

渗析也称透析是最早被发现和研究的膜现象。它是根据筛分和吸附扩散原理,主要利用膜两侧的浓度差使小分子溶质通过对称微孔膜进行交换,而大分子被截留的过程。渗析主要用于从大分子溶液中分离低分子组分。由于超滤技术的发展,渗析技术正逐渐被取代。但是近年来,血液渗析技术的发展使渗析技术得到重视,血液渗析和血液超滤技术互有补充,各有侧重。

(六)电渗析

电渗析是膜分离技术中较为成熟的一项技术,它的原理是利用离子交换和直流电场的作用,从水溶液和其他一些不带电离子组分中分离出小离子的一种电化学分离过程。电渗析用的是离子交换膜,这一膜分离过程主要用于含有中性组分的溶液的脱盐及脱酸。

(七)气体分离

气体分离技术在20世纪90年代得到巨大的发展,现已广泛应用于空气中富氧、浓氮、天然气分离等领域。它的基本原理是利用溶液的溶解和吸附扩散原理,以静压差[(1 000～15 000)kPa]作为推动力,根据混合气体中各组分透过膜的传递速率的不同而进行分离的过程。气体分离过程用的是一种均聚物制成的非对称膜,这一过程主要用于气体及蒸汽的分离。随着膜材料的进一步发展,气体分离这种高效经济的技术将得到改进,将会有更大的发展。今后在这方面开发的重点是:研制皮层厚度小于5 000 nm的膜;开发高选择性的膜材料;对膜的超薄皮层进行活化处理等。

[1]高福成等.现代食品工程高新技术[M].北京:中国轻工业出版社,1997.346～37

[2]高以火亘.高速发展的膜分离技术[J].食品工业科技,1997,(5):781991,3.

王小强(1987—)，男，汉族，安徽涡阳人，助理工程师，新疆巴音郭楞蒙古自治州产品质量检验所，研究方向：化学分析。