膜分离技术综述

Posted 2023-01-13 脱盐

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膜分离技术起源于20 世纪初，初步成型于20世纪60 年代。它利用一张具有选择透过性的薄膜，在外力作用下，推动目标物质通过，从而对工业用水进行分离、提纯。该技术具有高效分离、能耗低、无相变、设备简单易操作等优点，广泛应用于食品、药品、冶金、化工、电力等诸多行业，被称为“21 世纪的水处理技术”。

1 传统膜分离技术

常规膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗析，以及结合电化学技术的电渗析、连续电除盐等。

1．1 微滤技术

微滤(MF) 又称微孔过滤，根据筛分原理以压力差作为推动力的膜分离过程。膜的孔径范围通常在0．1～20 μm，能从气相或液相中截留大直径的菌体、悬浮固体及其他污染物。微滤膜一般由陶瓷、金属等无机材料，或醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等有机材料制造。

1．2 超滤技术

超滤分离技术(UF) 也是由压力驱动的膜分离过程，膜的孔径在0．001 5～0．02 μm 之间，推动压力在100～1000 kPa。通常截留相对分子质量在1 000～300 000，股超滤膜能对大分子有机物(蛋白质、细菌) 、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源，是替代活性炭过滤器和多介质过滤器的优良产品。

1．3 纳滤技术

纳滤(NF) 是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留相对分子质量在100～1 000，孔径为几纳米，故称为纳滤。纳滤膜的截留特征是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，对小分子有机物等与水、无机元素进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

1．4 反渗透技术

反渗透膜(RO) 的截留对象是除水以外的所有离子、小分子，如可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质等。以膜两侧静压为推动力实现对水的净化提纯，获得高质量纯水。广泛应用于生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理等生产环节。

1．5 电渗析与连续电除盐技术

电渗析分离技术(ED) 是一种利用电能的膜分离技术，在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，使某种离子通过膜转移到另一侧，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。

将电渗析技术与离子交换技术有机结合而成的连续电除盐(EDI) 技术是在电场的作用下进行水的电解，通过离子交换膜的离子选择通过功能，结合阴阳树脂的加速离子迁移能力，去除进水中大部分的离子，以使产水达到电导率低于0．2 μs /cm，符合锅炉补给水的要求。既克服了电渗析不能深度脱盐的缺点，又弥补了离子交换不能连续工作、需消耗酸碱再生的不足。

2 新型膜分离技术

在传统膜分离技术广泛用于工业生产的同时，越来越多的新工艺对膜分离技术提出更高的要求:一方面要提高膜的工作性能，增加膜通量、减轻膜污染、降低压力驱动消耗等; 另一方面力求尽力降低成本，简化膜的制造技术，延长单膜使用时间。由此诞生了渗透汽化膜、液膜和动态膜等新型膜分离技术。

2．1 渗透汽化膜技术

渗透汽化膜(PV) 是一种基于高分子材料的无孔致密复合膜，根据“溶解—扩散”原理，在渗透汽化过程中，待分离组分在膜两侧蒸汽压差的推动下，被膜选择性吸附溶解，以不同的速度在膜内扩散，在膜下游汽化、解吸，实现混合物分离。有机混合物原料液经加热器加热到一定温度后，送入膜器与膜接触，水分被膜选择性透过，在膜的透过侧被冷凝收集，物料中的水分被脱除，达到分离纯化的目的。渗透汽化膜分离技术操作简单、无污染、能耗低、无添加剂、不受汽液平衡限制，适合于醇类和水的分离、酯类有机物脱水、醚类有机物中水分的脱除、混合溶剂中水分的脱除以及水中有机物的脱除等。

2．2 液膜技术

液膜(LV) 并不是传统的固相膜，而是悬浮于液体中很薄的一层乳液颗粒。在高剪切力作用下将两相互不相容的液体制成乳状液，再分散于第三相中，介于乳状液球中被包裹的内相与连接的外相之间的这一相就叫液膜。液膜技术经历了带支撑体液膜、乳化液膜和含流动载体乳化液膜三个阶段。主要适用于分离物理、化学性质相似而不能用常规的蒸馏、萃取方法分离的烃类混合物，具有分离效率高、分离浓缩同步完成等特点。

2．3 动态膜技术

动态膜(DM) 是指通过预涂剂或活性污泥在膜表面行程的新膜，也成次生膜(SM)。动态膜采用大孔径的材料制作膜组件，如不锈钢丝、筛网等，起支撑作用。而实际分离作用的是其上的分离层。分离层由涂层材料或污水中的微生物及其新陈代谢产物附着在支撑层上形成，所以膜的形成过程实质上就是膜的污染过程，利用污泥层起到截留分离作用。动态膜具有易制备、通量高、易清洗等优点。

3 膜分离技术的应用

离子交换仍然是国内电厂锅炉补给水制备的主要方法。它的缺点是需要酸碱再生，有酸碱性废液排放，增加排放成本。当反渗透技术出现后，将其应用于电力行业锅炉补给水的预脱盐(一级脱盐) ，可显著降低离子交换系统进水含盐量，延长离子交换制水周期，减少酸碱用量。因此，反渗透备纯水的技术就受到广泛重视，越来越多的电厂锅炉补给水处理应用了反渗透技术。

在工业生产中，单一的膜分离技术往往无法满足实际生产需要，多种分离方式联合使用便应运而生。青岛发电公司海水淡化处理系统采用“双膜法”净化海水，即超滤+ 反渗透。超滤分离截留海水中大部分悬浮固体和微生物，高质量、高产量的向反渗透设备提供低污泥密度指数的海水产品，保证反渗透运行的安全、稳定、经济。。

“全膜法”水处理工艺是围绕膜科技而提出的全新水处理工艺。它在双膜法的基础上加入连续电除盐分离技术，将UF、RO、EDI 三种工艺有机结合在一起，分别作为预处理、预脱盐和精脱盐，达到高效去除污染物和深度脱盐的目的，把原水制备成满足锅炉补水需要的高纯水。该方法技术先进、适用水质范围广、绿色无污染。

山东莱州仓山金矿冶金车间采用液膜法处理金矿冶炼工业中产生的大量含氰工业废水，该工艺能有效从锌粉置换后的含氰液中将氰化钠浓缩回收，同时确保排放废液中游离氰根离子达到国家标准。

4 结束语

膜分离技术由于其设备简单、节能环保、运行稳定等优点广泛的用于工业水处理领域。随着膜材料性能的不断改进和工艺的不断优化，膜分离技术在水处理方面将发挥出更有意义的作用。