膜分離技術(shù)的應(yīng)用與進展探討

方明　汪泠　徐偉

摘要：膜分離技術(shù)在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中是一項高新技術(shù)行業(yè)，在許多領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用，對其進行分析是十分必要的。文章介紹了膜分離技術(shù)的原理、分類、特點，闡述了其在廢水處理、飲用水處理、海水淡化、大氣污染控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；廢水處理；飲用水處理；海水淡化；大氣污染控制 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TQ028 s 文章編號：1009-2374（2016）09-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.024

膜分離技術(shù)在現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域中是一個高新技術(shù)行業(yè)，雖然早在200年前人們就發(fā)現(xiàn)了膜分離現(xiàn)象的存在，但是第一張工業(yè)用膜直到20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)，至此之后膜技術(shù)才進入了快速發(fā)展階段。雖然膜技術(shù)的發(fā)展時間不長，并且因為其自身具有的獨特優(yōu)越性得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展，使其在多個領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用。

1 膜分離技術(shù)

1.1 膜分離技術(shù)的原理

膜分離技術(shù)在應(yīng)用中使用半透膜對物質(zhì)進行分離，在對物質(zhì)進行分離是在常溫以下時，將膜兩側(cè)的電位差或電力差作為推動備分離為動力，對溶劑和溶質(zhì)進行分離、濃縮、鈍化。人工合成和天然高分子高分子薄膜是膜分離技術(shù)中常用的薄膜，將電位差或外界能力作為動力，對多組分流物質(zhì)或雙組分進行分離—提純—富集。目前常用的膜分離技術(shù)有納濾、氣體分離、液膜等方式。

1.2 膜分離技術(shù)的分類

超濾截留的相對分子質(zhì)量集中在1000～100000范圍內(nèi)，在操作過程中，選擇特定的相對分子質(zhì)量膜可以實現(xiàn)將目標(biāo)產(chǎn)物與雜質(zhì)的分離。在生產(chǎn)化產(chǎn)品中早就實現(xiàn)了對超濾技術(shù)的應(yīng)用，并且該技術(shù)相對來說比較成熟，目前其在生物制品的生產(chǎn)中已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于生物制品在生產(chǎn)過程中的分離與濃縮操作。

納濾主要截留相對分子質(zhì)量處于200～1000范圍的分子，對其進行應(yīng)用可以使溶液中的無機鹽和小分子通過。通過納濾對抗生素進行提取可以通過以下兩種方式進行：（1）通過納濾對萃取的抗生素發(fā)酵溶液進行處理，從而將溶液中的無機鹽和水提出，然后通過萃取劑完成萃取工作，通過這樣的操作方式可以適當(dāng)減少在萃取過程中對萃取劑的使用量，提高經(jīng)濟效益；（2）先利用萃取劑對抗生素進行處理，利用納濾濃縮萃取液，這種操作過程能夠改善萃取環(huán)境，提高處理效果。兩種不同的處理方式具有較為明顯的優(yōu)點和缺點，因此在實際處理過程中應(yīng)當(dāng)依據(jù)期望目標(biāo)和具體情況選擇合理的處理方式。微濾是一種相對來說比較成熟的膜，其孔徑大小在0.05～10μm之間，對其進行應(yīng)用可以去除微粒、細菌等不溶物，這種過濾在國際上被稱作絕對過濾，微濾的孔徑較大，其在應(yīng)用過程中通透率較高，并且其造價相對來說較低，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

1.3 膜分離技術(shù)的主要特點

膜分離技術(shù)在應(yīng)用過程中具有如下特點：（1）膜分離過程的完成需要壓力的作用，可以在常溫下進行，適用于果汁、藥物、對熱物體比較敏感的物質(zhì)等，同時也適用于對水和大氣的處理；（2）膜分離并不會使物質(zhì)發(fā)生相對變化，不需要破壞物質(zhì)分子（原子）結(jié)構(gòu)，因此該技術(shù)對能量的需求相對來說較少；（3）膜分離技術(shù)的驅(qū)動力為壓力差，裝置簡單，實際操作也十分簡單；（4）膜分離技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍，從微粒到微生物，甚至到離子極都有著其應(yīng)用的空間。

2 膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用

生活廢水和工業(yè)廢水大量的排入到水體中將會對水質(zhì)造成較為嚴(yán)重的破壞。為了改善環(huán)境，并對廢水中存在的一些有用物質(zhì)進行回收，應(yīng)當(dāng)采取合理的方式對生活廢水和工業(yè)廢水進行處理，確保廢水達到排放標(biāo)準(zhǔn)，不會對環(huán)境造成污染。

納濾和超濾技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用在廢水處理中。將納濾技術(shù)應(yīng)用到城市污水處理中，可以有效降低城市廢水的色度、渾濁度、有機物的含量；城市污水在經(jīng)過超濾處理后，可以將其用于冷卻循環(huán)水源，這大幅度地提高了對水的利用。此外，對毛織和毛皮加工過程產(chǎn)生的洗毛水進行處理，采用超濾技術(shù)可以對廢水中的羊毛脂進行回收，通過處理后的洗毛水的濃度下降8～22倍，對于脂的截留率能夠超過80%，COD去除率也超過80%。

納濾技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用到工業(yè)重金屬廢水處理中，應(yīng)用納濾技術(shù)對重工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水進行處理：一方面可以實現(xiàn)對90%以上的廢水進行回收，使其鈍化；另一方面可以使肺水腫的金屬離子含量濃縮約10倍。將納濾膜應(yīng)用在造紙廢水處理中，不僅可以實現(xiàn)對廢水中COD（約90%）的處理，而且其膜通量與傳統(tǒng)的聚砜超濾膜相比更高。在石油工業(yè)中對納濾技術(shù)進行應(yīng)用：一方面可以去除酚（95%）；另一方面也可以去除工業(yè)廢水中的鎳、鈦、汞等高價金屬，降低石油廢水對環(huán)境的污染。在食品工業(yè)廢水中應(yīng)用超濾——納濾組和對制造大豆乳清廢水處理實驗進行深度研究發(fā)現(xiàn)，通過納濾對經(jīng)處理后的乳清洗廢液進行濃縮，濃縮后的溶液中的總糖總截留量約為75%。

對工業(yè)廢水和生活污水進行處理，降低其對環(huán)境的污染是人們不斷追求的目標(biāo)，前人針對廢水處理過程中采用的膜分離技術(shù)表明，在工業(yè)廢水和生活污水處理過程中應(yīng)用納濾膜技術(shù)取得了不錯的效果，對廢水進行科學(xué)合理的處理：一方面降低了廢水對環(huán)境造成的污染；另一方面通過處理后的水可以被回收利用，不僅節(jié)約了水資源，同時也降低了能量消耗，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。但是從實際情況來看，產(chǎn)生工業(yè)廢水的種類較多，工業(yè)廢水中的污染物各不相同，因此在分離過程中需要分離的成分也各不相同，通過納濾處理的溶液是否會引起二次污染還有待人們的探究。除此之外，隨著膜在處理過程中應(yīng)用時間的延長，膜通量也會下降，對其進行長時間的應(yīng)用，膜通量將會下降到一個經(jīng)濟性無法允許的程度。因此，生活污水和工業(yè)廢水中對膜分離技術(shù)的應(yīng)用中，如何延長膜過流時間，增加膜的通透量，簡捷的膜再生方法都是有待人們進一步研究的內(nèi)容。

3 膜分離技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

過去很長一段時間內(nèi)，人們在對飲用水的處理上都通過氯對飲用水進行消毒，近幾年研究結(jié)果表明，高投放氯量將會引發(fā)一系列的問題。例如，飲用水中的抗氯原病體難以被殺死，并且增加了三鹵甲烷（一種致癌物）的形成幾率，極容易造成化學(xué)污染的發(fā)生。在飲用水處理中對應(yīng)用膜技術(shù)進行應(yīng)用很好地克服了傳統(tǒng)對飲用水處理的局限性，為人們提供優(yōu)質(zhì)的水源，不僅能夠降低飲用水的濁度，將飲用水中的錳化合物和鐵去除，而且在處理過程中可以減少對混凝劑的使用量，UF（超濾）可以完成對部分有機物的截留，RO（反滲透）和NF（納濾）可以將飲用水中的有機物和病毒完全去除，MF（微濾）和UF能夠降低飲用水的渾濁度。

從目前水處理的整體趨勢來看，UF具有不錯的應(yīng)用前景，這主要因為UF的孔徑通常都約為0.01μm，在對飲用水處理過程中不僅可以去除掉對人體有害的病毒，而且能夠保留住人體需要的微量元素，并且膜在應(yīng)用過程中不易遭受微顆粒的污損。RO和NF更多的應(yīng)用在純凈水處理中，RO可以是應(yīng)用水中的NH4+的濃度下降到0.2mg/L，從而抑制了硝酸鹽的形成，NF可以去除水中約90%的二價離子（其中主要包括Mg2+、Ca2+），很適合去除在進行水消毒過程中所產(chǎn)生的三鹵甲烷中間體、農(nóng)藥、殺蟲劑等殘余物，從而實現(xiàn)水軟化。

膜技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在飲水處理中，UF和MF技術(shù)已經(jīng)處理了大量的飲用水。法國的部分研究人員在對UF的應(yīng)用中結(jié)合了PAC（粉末活性炭），研制成了CIRSTAL工藝，在許多大型水廠中都得到了廣泛的應(yīng)用。

4 膜分離技術(shù)在海水淡化和大氣污染控制中的應(yīng)用

4.1 膜分離技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用

地球上具有豐富的水資源，但是其中約97%的水資源都是海水，海水的鹽含量很高，要想對海水進行使用，就必須對其進行淡化處理。海水淡化可以通過RO、MED（多級蒸發(fā)）、VC（壓力蒸餾）完成。對這些應(yīng)用方法進行對比，不難發(fā)現(xiàn)RO在應(yīng)用過程中具有以下優(yōu)勢，如能耗低、費用低、建造周期短等，因此其已經(jīng)成為了目前海水淡化的一項主要手段。中東地區(qū)的一些國家在海水淡化過程中已經(jīng)開展了對RO的應(yīng)用，其中沙特具有多家海水淡化工程。目前，我國遼寧省和浙江省也興建了反滲透化裝置。

4.2 膜分離技術(shù)在大氣污染控制中的應(yīng)用

人類的生活和生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的污染氣體，例如石油或煤的燃燒可能會形成硫氧化物，引發(fā)酸雨，氦氧化物可能會導(dǎo)致光污染的形成，而氯氟烴可能會對大氣的臭氧層造成破壞。利用膜分離技術(shù)對人類生活和生產(chǎn)排放的氣體進行處理，與傳統(tǒng)方法相比具有高效、節(jié)能、不產(chǎn)生二次污染、回收有機物等諸多優(yōu)點，膜處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在天然氣分離、石油化工廠對氫氣的回收、脫除酸性氣體等各個方面。特別是在回收蒸汽方面，膜已經(jīng)被發(fā)達國家商品化，具有很好的商業(yè)價值。我國吉林大學(xué)利用大連化學(xué)物理研究所的膜分離裝置對排放氣體中的烯烴進行分離，取得了不錯的經(jīng)濟效益。此外，分離技術(shù)在空氣脫濕、天然氣脫H2S、CO2中也都有著不錯的應(yīng)用空間，應(yīng)當(dāng)加強對此方面的關(guān)注。

5 結(jié)語

膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單、分離效率高、節(jié)能等諸多優(yōu)點，其在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用有著巨大潛能。但是對膜分離技術(shù)的應(yīng)用要理性，總的來說，目前膜分離技術(shù)在應(yīng)用過程中還存在成本偏高、已遭受破壞等問題，這些問題的存在在一定程度上阻礙了膜技術(shù)應(yīng)用范圍的進一步擴大與發(fā)展。因此，為了擴大膜技術(shù)應(yīng)用范圍，促進膜技術(shù)的發(fā)展，在日后研究過程中更應(yīng)當(dāng)降低膜的成本、提高其抗污染能力、延長膜的使用壽命，對膜分離技術(shù)進行組合應(yīng)用，提高分離效果，從而擴大膜分離技術(shù)的應(yīng)用范圍，促進膜分離技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：方明（1983-），男，浙江淳安人，杭州（火炬）西斗門膜工業(yè)有限公司工程師，研究方向：環(huán)境污染物治理的工程應(yīng)用、膜法在水處理和大氣污染治理的工程應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：蔣建華）