膜分離技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境工程中的分析

楊志輝

摘要：膜分離技術(shù)具有工藝精簡(jiǎn)、低能高效、生產(chǎn)過(guò)程無(wú)化學(xué)污染及變化等顯著特點(diǎn)，它相比于傳統(tǒng)分離工藝更加靈活和實(shí)用。本文就圍繞該技術(shù)與環(huán)境保護(hù)工程展開話題，探討它在環(huán)境工程中的各方面具體應(yīng)用，證明它之于傳統(tǒng)分離技術(shù)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；環(huán)境工程；微濾；反滲透；超濾；適用性

環(huán)境問(wèn)題是目前各國(guó)都會(huì)關(guān)注的主要課題，它在工業(yè)化生產(chǎn)中表現(xiàn)尤其突出，人類逐漸學(xué)會(huì)處理生產(chǎn)過(guò)程排出物質(zhì)回收利用來(lái)維持自然生態(tài)系統(tǒng)平衡，免遭破壞。就目前來(lái)看，膜分離技術(shù)已經(jīng)在全球迅速崛起，它的分離凈化與濃縮方法相比于傳統(tǒng)分離技法更加先進(jìn)，分離效率高且沒(méi)有二次污染，所以在諸如飲用水處理、食品醫(yī)藥工業(yè)、石油化工、生物工程乃至核工業(yè)都有被廣泛應(yīng)用。

一、膜分離技術(shù)與環(huán)境保護(hù)

1.膜分離技術(shù)的基本內(nèi)涵

膜分離技術(shù)采用的是天然或人工合成膜，它主要以化學(xué)位差與外界能量作為主要推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙組分與多組分溶劑與溶質(zhì)的相互分離、分級(jí)，最后提純富集。如果按照分離過(guò)程來(lái)看，膜分離技術(shù)主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、液膜、集成膜等等分支技術(shù)。這些技術(shù)都秉承了一點(diǎn)原則，那就是通過(guò)對(duì)固液態(tài)廢物實(shí)施處理而降低處理過(guò)程向環(huán)境的排放量，同時(shí)達(dá)到物質(zhì)分離回收效果，做到工業(yè)的減量化、無(wú)害化和資源化目的，最終祈禱環(huán)境保護(hù)作用。具體來(lái)說(shuō)，圍繞目前常見的3種典型環(huán)境污染物來(lái)分析膜分離技術(shù)的適用性特征，如表1。

由上表1可以看出，由于膜分離技術(shù)所針對(duì)的對(duì)象以流體為主，所以它只適用于對(duì)廢水、廢液、廢氣的相關(guān)技術(shù)處理。

2.膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)過(guò)濾技術(shù)的簡(jiǎn)要對(duì)比

相比于傳統(tǒng)過(guò)濾，膜分離技術(shù)在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中完全不需要任何助劑來(lái)進(jìn)行物理分離，它所運(yùn)用到的是混合物中不同的物理特性，甚至還考慮到了分離膜不同的分離速度。作為目前最流行的新技術(shù)，膜分離可以基于不同環(huán)境、不同機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)膜分離過(guò)程，無(wú)需在傳統(tǒng)技術(shù)所要求的苛刻溫度環(huán)境下操作，只在常溫環(huán)境下就能實(shí)現(xiàn)低能高效過(guò)程，且分離絕對(duì)不產(chǎn)生任何污染。另外，與傳統(tǒng)過(guò)濾不同的是它非常適用于某些熱敏性物質(zhì)的分離過(guò)程，就這一點(diǎn)特征讓它可以更加靈活的應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)技術(shù)規(guī)制，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)創(chuàng)新思路。

3.膜分離技術(shù)與環(huán)境保護(hù)工程的關(guān)系

膜分離技術(shù)由于擁有雙組分與多組分溶質(zhì)溶劑分離功能，所以該技術(shù)可以對(duì)物質(zhì)實(shí)施等級(jí)區(qū)分和物質(zhì)提純收集，針對(duì)固液態(tài)物質(zhì)與氣體中的廢物來(lái)實(shí)現(xiàn)處理功能，達(dá)到企業(yè)及社會(huì)所要求的安全排放標(biāo)準(zhǔn)。如此一來(lái)膜分離技術(shù)就輔助生產(chǎn)工程實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)的二次回收目的，對(duì)環(huán)境保護(hù)作用也相當(dāng)明顯。

二、膜分離技術(shù)在環(huán)境工程中的實(shí)際應(yīng)用分析

如上文所述，膜分離技術(shù)主要分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、液膜（LM）。下文將對(duì)這5種分離技術(shù)在環(huán)境工程中的應(yīng)用作出針對(duì)性分析。

1.微濾技術(shù)的應(yīng)用

微濾（microfiltmtion，MF）又被稱為微孔過(guò)濾，它屬于精密過(guò)濾技術(shù)，MF也是目前所有膜分離技術(shù)中最為常見且廣泛的應(yīng)用技術(shù)之一，它所能過(guò)濾的對(duì)象很多，包括從0.1-10μm的細(xì)菌、膠體、顆粒等等。它的過(guò)濾原理和普通過(guò)濾非常類似，都采用篩網(wǎng)過(guò)濾。但是MF過(guò)濾的操作壓力相對(duì)偏低，不大于0.2MPa。而且MF對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性極強(qiáng)，且占地面積小，總體來(lái)看MF的經(jīng)濟(jì)適用性很高，目前在飲用水處理方面起到了很大作用，逐漸取代了傳統(tǒng)中的常規(guī)澄清過(guò)濾與二沉池技術(shù)。當(dāng)水質(zhì)處于大波動(dòng)狀態(tài)時(shí)，MF依然可以實(shí)施對(duì)各類廢水廢液的預(yù)處理工作，進(jìn)而降低水質(zhì)濁度和懸浮物，滿足水質(zhì)處理轉(zhuǎn)換需求。MF過(guò)濾一般包括錯(cuò)流過(guò)濾和死端過(guò)濾兩種，其中死端過(guò)濾采用的是低能高產(chǎn)過(guò)濾模式，它的濾餅層能夠根據(jù)過(guò)濾時(shí)間增加而厚度逐漸增加，降低溶液的透過(guò)量，所以它能夠及時(shí)清洗濾餅，恢復(fù)水通量，這也是死端過(guò)濾方法的關(guān)鍵；另外就是錯(cuò)流過(guò)濾，在水質(zhì)過(guò)濾過(guò)程中，錯(cuò)流過(guò)濾會(huì)讓一部分濃縮液體從濾膜另一端排除。隨著原液在過(guò)濾過(guò)程中被截留物質(zhì)濃度越來(lái)越高，膜本身的過(guò)濾阻力增長(zhǎng)也會(huì)越來(lái)越快，所以錯(cuò)流過(guò)濾具有較高的微濾過(guò)濾效率，在目前環(huán)境工程應(yīng)用中也很常見。

2.超濾技術(shù)的應(yīng)用

超濾（Ultrafiltration，UF）技術(shù)中所涉及的超濾膜是典型的壓力驅(qū)動(dòng)膜，它的分離原理主要為篩分，UF的孔徑范圍也從0.05-1nm不等，它的主要任務(wù)就是清除各種固態(tài)懸浮物、顆粒物，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液中大分子物質(zhì)及膠體的有效分離。在我國(guó)的汽車及電器工業(yè)中，UF的超濾膜多用來(lái)實(shí)現(xiàn)電泳涂漆廢水的環(huán)保處理，它充分采用超濾膜分離特性來(lái)分離金屬離子雜質(zhì)電泳漆，并將它們從廢水中回收再加以二次利用。通常情況下，超濾膜運(yùn)行對(duì)羊毛脂的截留率能達(dá)到95%甚至以上，而對(duì)懸浮物的截留率則超過(guò)99%，精度非常高。這就使得廢水中的COD大幅度下降，對(duì)廢水的可生化性改進(jìn)相當(dāng)有效，這對(duì)廢水處理的經(jīng)濟(jì)效益提升與環(huán)境效益保護(hù)都非常有好處。UF技術(shù)的關(guān)鍵就在于其膜通量隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)不斷降低，所以在技術(shù)改進(jìn)方面應(yīng)該以改進(jìn)膜通量為主，主要開發(fā)高強(qiáng)度達(dá)通量UF過(guò)濾膜，使其能夠適應(yīng)當(dāng)前的高溫高污染生產(chǎn)環(huán)境，具備一定的抗氧化能力，并同時(shí)延長(zhǎng)UF過(guò)濾膜的生命周期。上述也是未來(lái)UF技術(shù)進(jìn)化的主要方向。

3.納濾技術(shù)的應(yīng)用

納濾（Nanofiltration，NF）技術(shù)中的納濾膜也被稱為超低壓反滲透膜，該技術(shù)是介于超濾與反滲透之間的新型分子級(jí)膜分離技術(shù)。NF技術(shù)屬于壓力驅(qū)動(dòng)型技術(shù)，它的操作壓力要求范圍為0.5-1MPa，納濾膜的最大優(yōu)勢(shì)就在于它擁有例子選擇性，可以有效去除水質(zhì)中的二價(jià)離子，去除率達(dá)到95%以上，而對(duì)一價(jià)離子也有50-80%的去除率。在城鎮(zhèn)農(nóng)村，NF技術(shù)可以有效去除河水及地下水中的三鹵甲烷THM中間體、農(nóng)藥、硝酸鹽等有機(jī)有害物質(zhì)，尤其能夠?qū)U水進(jìn)行脫色和有機(jī)物分級(jí)濃縮。納濾膜可以在低壓操作下實(shí)現(xiàn)高通量需求，所在許多環(huán)境工程中，它的反滲透操作成本較低。但納濾膜非常容易受污染，所以它對(duì)水質(zhì)要求也照比其它膜分離技術(shù)更高，必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜的預(yù)處理才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用，這也限制了納濾膜的推廣使用范圍。在未來(lái)，只有提高水質(zhì)預(yù)處理技術(shù)才能凸顯NF技術(shù)特點(diǎn)，但總體來(lái)看它在環(huán)境工程中的發(fā)展?jié)撡|(zhì)依然很值得期待。

4.反滲透技術(shù)的應(yīng)用

反滲透（Reverse Osmosis，RO）技術(shù)的基本機(jī)理就是自然界中的滲透現(xiàn)象，它是指水從濃度低溶液透過(guò)半透膜轉(zhuǎn)向濃度高溶液，并形成膜兩邊的高度差，這就是滲透壓，而這一半透膜也被叫做反滲透膜。反滲透膜對(duì)所有溶質(zhì)都具有相當(dāng)高的脫除率，且它的出水水質(zhì)很高，目前在水處理的除鹽處理環(huán)節(jié)中非常常見。從環(huán)保領(lǐng)域的基本理念來(lái)看，反滲透對(duì)城市飲用水、城市污水、垃圾滲透液以及工業(yè)廢水的處理相當(dāng)有效，它不僅能夠解決廢水中的高濃度氨氮、重金屬有機(jī)物，也能夠解決由膜污染所導(dǎo)致的濃差極化問(wèn)題。總體來(lái)看，RO技術(shù)在開發(fā)方面成本較低，且低壓耐污染耐高溫，并且擁有極強(qiáng)的抗氧化能力，是環(huán)境工程中必不可少的技術(shù)之一。

5.液膜技術(shù)的應(yīng)用

液膜（Liquid Membrane，LM）技術(shù)所采用的是液體材料膜，它還分為乳狀液膜和支撐液膜，其中最為常見的是乳狀液膜。乳狀液膜是懸浮于液體中極薄的乳液顆粒，它主要是基于選擇性滲透作為其膜分離機(jī)理的。相比于固膜，液膜的傳質(zhì)速度更快、分離效率和選擇性也更高，因此在環(huán)境工程中常常會(huì)應(yīng)用到LM技術(shù)，尤其是溶液中有機(jī)離子和有機(jī)物的分離相當(dāng)有效。就目前實(shí)用層面來(lái)看，LM技術(shù)常常會(huì)在醫(yī)藥化工、廢水處理、濕法冶金等環(huán)保工程中出現(xiàn)。例如在廢水處理工程中，LM技術(shù)所采用的表面活性劑液膜處理模式就能去除約99%以上的含酚廢水酚率。另外它廢水中的氨、苯胺類物質(zhì)去除率也能超過(guò)97%，而且對(duì)廢水中有機(jī)物質(zhì)的回收利用率也相當(dāng)可觀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢水的資源化再利用處理過(guò)程?？偨Y(jié)：除本文所描述的5種膜分離技術(shù)以外，還有滲透氣化（PVAP）和集成膜（IMT）技術(shù)，它們也在環(huán)保環(huán)境工程領(lǐng)域中發(fā)揮了極大的作用，有效控制了水污染及大氣污染，對(duì)城市水質(zhì)提高起到很大作用。就目前發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，我國(guó)在膜技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境工程領(lǐng)域已經(jīng)逐漸達(dá)到世界領(lǐng)先水平，真正實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同污染源采用相對(duì)應(yīng)的膜分離技術(shù)及配套工藝，為技術(shù)投資與運(yùn)營(yíng)成本帶來(lái)了良性循環(huán)，創(chuàng)造了更好的企業(yè)發(fā)展前景。