膜分离技术

膜分离技术是材料科学和过程工程科学等诸多学科交叉结合、相互渗透而产生的新领域，是当代新型高效的共性技术，特别适合于现代工业对节能、低品位原材料再利用和消除环境污染的需要，成为实现经济可持续发展战略的重要组成部分。膜分离技术推广应用的覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业，能源利用和环境保护的水平。

膜分离技术以选择性透过膜为分离介质。在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。

现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体膜分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统分离操作(如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换等)相比较，其过程大多为无相变化，可以在常温下操作，具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小和污染轻等优点。

1.微滤(MF)Microfiltration，其特点：对称细孔高分子膜，孔径0.03～10 nm，滤除≥50 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂和溶解物，被截留物质：悬浮物、细菌和微粒子。

2.超滤(UF)Ultrafiltration，其特点：非对称结构的多孔膜，孔径l～20 nm，滤除5～100 nm的颗粒，以压力差为分离驱动力，透过物质：溶剂、离子和小分子，被截留物质：蛋白质、各类酶、细菌和乳胶。

3.纳滤(NF)Nanofiltration，其特点：1 nm的微孔结构，滤除相对分子质量在200～2000，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂、相对分子质量<200，被截留物质：溶质、二价盐、糖和染料 (相对分子质量200～1000)。

4.反渗透(RO)Reverse Osmosis，其特点：带皮层的不对称膜、复合膜(<l nm)，用于水溶液中溶解性盐的脱除，以压力差为分离驱动力，透过物质：水、溶剂，被截留物质：无机盐、糖类、氨基酸和BOD。

5.渗析(透析)(D)Dialysis，其特点：常见碱性离子交换膜、聚乙烯醇中性膜，用于水溶液中无机酸、盐的脱除，以浓度差为分离驱动力，透过物质：离子、低分子物质、酸和碱，被截留物质：无机盐、糖类、氨基酸和尿素。

6. 液膜(LM)Liquid Membrane，其特点：液体保存在对称或非对称多孔膜的孔中，用于盐、生理活性物质的分离，以物理溶解和选择性可逆化学反应为分离驱动力，透过物质：电解质离子，被截留物质：非电解质离子。

7. 气体膜渗透(membrane gas-separation)是利用膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解→扩散→脱附等步骤，产生组分间传递速率的差异来实现分离的。

8.电渗析(ED)Electrodialysis，其特点：阴阳离子交换膜，用于水溶液中酸、碱、盐的脱除，以电位差为分离驱动力，透过物质：离子，被截留物质：无机、有机粒子。

9.渗透汽化(PV)Pervaporation，其特点：聚乙烯等由皮层和多孔支撑层构成的复合膜，用于水与有机物的分离，以压力查和浓度差为分离驱动力，透过物质：蒸汽，被截留物质：液体、无机盐等。

在国家基础研究项目(No．2003CB6 15700以及No．2009CB623400)的资助下，我国科学家针对国家在水资源、能源、环境和传统产业改造等领域的重大需求，重点开展了面向水处理、节能减排以及过程工业的膜材料及膜过程的研究。取得了一系列重要的创新性成果，形成了自主知识产权的膜材料及膜制备技术，为我国膜领域的跨越式发展和推进重大工程的应用奠定了基础。以下就这方面的研究进展进行详细地阐述。

一．膜分离在工业废水处理中的应用

工业废水是工业生产过程中的废水、污水和废液．面大、量广、危害深。目前，膜技术在废水处理方面的研究和应用几乎涉及到废水处理的各个领域，包括电泳漆废水和石油、化工、纺织、食品加工、造纸、医药、机械加工等行业的废水处理.膜技术处理废水既以充分回收利用废水中的有价资源为目的，又在一定程度上推进了废水处理的深度，具有重大的环境效益和经济效益。

1.含油废水的处理

含油废水是一种量大面广且危害严重的废水．其来源非常广泛，主要分布于石油开采加工、石油化工、冶金、机械工业、食品加工及海上运输业等。废水中的油一般以浮油、分散油和乳化油3种形式存在，其中乳化油的分离难度大，用电解或化学法费用较高，而采用膜分离法处理则不需要破乳，直接可将油水分离．膜处理法是一种新的高效油田处理工艺，具有能耗低、不产生二次污染、简单易行的优点。

HUA等采用陶瓷微滤膜处理含油废水。当油的质量浓度从250mg/L逐步上升到l000mg/L时，TOC的去除率从95.8％上升到98％。当油的质量浓度为2000mg/L时，TOC去除率稳定在98％。CUI等制备了几种孔径不同的Nah/a—A1203，微滤膜，采用平均孔径为1.2μm和0.4μm的微滤膜处理含油废水，其质量浓度为100 mg/L的乳化液。实验发现孔径为1.2μm的微滤膜在压力为50 kpa，流速为85 L/ (m·h)时，油的去除率高于99％，用热水和碱液进行反冲洗。再生效果良好。

上海宝山钢铁总厂冷轧厂采用内压管式膜超滤工艺处理乳化油废水，运行多年，效果良好。陆晓千等利用自制小型超滤设备对某厂的切削乳化液废水进行了实验室研究。其实验采用的原水质量浓度：COD为10 000—30 000 mg/L，油为l000—3000 mg/L，pH值为9.0-11.5，经超滤法处理后出水可以回用。

2.重金属废水的处理

重金属废水主要来自矿山、冶炼、电解、电镀、农药、医药、油漆、颜料等企业排出的废水。废水中重金属的种类、含量及存在形态随不同生产企业而异。重金属废水具有极大的危害性，传统的中和沉淀处理工艺出水往往不能达到排放要求，而利用膜技术不仅可以使得废水达标排放，而且可以回收有用物质。

朱贤等利用纳滤、反渗透和络合-超滤处理含Ni2+电镀废水，含Ni2+为12.47 mg/L，截留率都>99％，其中反渗透受操作压力影响较小，效果较稳定。络合-超滤所需操作压力最低。Chai采用反渗透膜对含铜废水进行研究，当进水铜质量浓度为340 mg/L时，透过液中铜质量浓度小于4 mg/L，去除率接近99％．

严忠等利用乳状液膜技术处理含铬废水，其净化效率最高达99％，处理后水溶液中Cr6+浓度始终在0.5 mg/L以下，内相回收的铬可作为钝化溶液的补充液循环使用。奥地利Graz工业大学的Marr等采用乳状液膜分离技术，对去除粘胶废水中的Zn2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+、Ni2+等重金属离子做了大量试验，表明除Ni2+外，其它金属离子的去除率均高于99％。

钟常明等利用DK2540卷式纳滤膜处理矿山酸性废水，Ni2+、Pb2+、Zn2+质量浓度分别为16.56、9.96、18.28 mg/L。透过液质量浓度<O.5 mg/L。何毅等还利用纳滤膜分离废水中的C和Ni，通过二者在盐溶液中分别形成荷电络合物和非荷电络合物，用带正电的纳滤膜处理，即可实现分离。

梁舒萍等以LMS-2(R-S03 H,R为C4的烯烃共聚物)、P507(2-乙基已基磷酸甲酯)、柠檬酸、煤油组成液膜体系，处理含Pb2+水样，去除率高达94％。黄万抚等以DISPA(3,5-二异丙基水杨酸)、TIBPS(三烷基硫化磷)、煤油、硫酸乳化液膜体系去除浸出液铜杂质，结果表明：处理后的浸出液中铜离子浓度小于0.5 mg/L，而锌的损失率不到0.5％，可达到湿法冶锌的工艺要求。

二．面向节能减排的膜材料及膜过程

在节能减排型膜材料与膜过程方面的研究，主要是针对C02的减排和高能耗分离过程的改造来进行的。作为减少碳排放的方案之一，碳捕获受到了国际社会特别是发达国家的关注。C02的捕获是将C02从其他气体产品中分离出来。目前，用于气体C02分离的方法主要有物理吸收法、化学吸收法、变温吸附法、变压吸附法、低温精馏法和气体膜分离法。气体膜分离法被认为是最有发展潜力的脱碳方法之一。

近年来，由于膜接触器能提供更大的接触面积，疏水性微孔膜气液接触器取代传统设备吸收分离气体的尝试已经广泛开展。各种研究中，中空纤维膜接触器中采用的膜材料不尽相同，主要采用的膜材料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯 (PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(Ps)、硅橡胶 (PDMS)、聚醚砜(PES)等，其中使用最多的是聚丙烯膜材料，这主要是由于聚丙烯膜材料价格便宜，便于工业大规模应用。

关于使用疏水性中空纤维膜接触器脱除C02的研究，陈炜、朱宝库等采用疏水性聚丙烯中空纤维微孔膜接触器技术进行了从C02/N2混合气中分离C02的研究，结果表明聚丙烯中空纤维微孔膜接触器化学吸收分离混合气中C02时，C02的脱除效率随混合气中C02浓度的减小、吸收剂浓度和流速的适当增大而提高。

通过数学模拟研究气体在膜组件中的分离过程，对膜组件的优化设计具有重要的指导意义。叶向群等采用聚丙烯中空纤维膜组件进行了脱除空气中C02的研究，研究建立了C02/N2估算吸收总传质系数的数学模型，得到的理论值与实验数据基本一致，可用于膜基气体吸收法脱除C02过程的放大设计。孙承贵研究了硅橡胶/聚砜中空纤维致密膜基吸收C02的传质机理，考察了吸收剂种类 (NaOH、MEA、DEA、TEA)、NaOH浓度、吸收剂流速、吸收剂压力和气相压力对C02传质系数的影响，并采用数学模型对实验结果进行了分析。金大天等建立了中空纤维膜组件逆流分离过程的非线性微分数学模型，通过数学模拟，考察了中空纤维膜长度、直径及根数对膜渗透分离性能的影响。

气体膜分离技术能有效分离混合气体中气体C02，具有操作简单灵活、节能及环境友好等优点，这一方法已受到越来越多的关注，但大部分研究还停留在实验室阶段。问题主要存在于以下几点：①实验室研究多为配气，气体十分干净，实际的混合气成分复杂，在气体膜分离过程中，杂质气会对膜产生负面影响；②目前应用的气体膜多为有机膜，膜本身或膜组件的其他材料耐热性能差，相对于有机高分子膜，无机膜具有耐高温、化学稳定性好、机械强度高等优点，但目前无机膜材料的选择性和渗透性仍不能达到大规模工业应用的要求。

回顾我国膜科学和技术的发展，尽管在诸多领域已获得一些进展，但仍存在以下共性问题：(1)国产膜材料缺乏国际竞争力，我国膜产业基本处于全球产业链的低端；(2)膜的应用成本偏高，制约了膜技术的推广应用。将膜过程的设计从工艺设计推进到微结构设计，是提升膜应用水平、降低膜应用成本的关键。

第二篇：膜分离技术及应用

膜分离技术及应用

1 膜分离技术的简介

1.1 膜分离的概念

利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

膜分离的一般示意性图

见图1。

1.2 膜的简介

在一种流体相间有一层

薄的凝聚相物质，把流体相

分隔开来成为两部分，这一

薄层物质称为膜。

膜本身是均一的一相或

由两相以上凝聚物构成的复

合体。

被膜分开的流体相物质 图1 膜分离过程示意图

是液体或气体。

膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。

1.2.1 对于不同种类的膜都有一个基本要求：

（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5Mpa，反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa

（2）耐高温：高通量带来的温度升高和清洗的需要

（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；

（4）化学相容性：保持膜的稳定性；

（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；

（6）成本低。

1.2.2 膜的分类

按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜

按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜

按材料分：有机高分子（天然高分子材料膜、合成高分子材料膜）膜、无机材料膜

1.2.3 各种膜材料

（1）天然高分子材料膜

主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。其中醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜，也可用作微滤膜和超滤膜。醋酸纤维膜使用最高温度和pH范围有限，一般使用温度低于45~50℃，pH3~8。再生纤维素可制造透析膜和微滤膜。

（2）合成高分子材料膜

市售膜的大部分为合成高分子膜，种类很多，主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。

聚砜膜的特点是耐高温(一般为70~80℃，有些可高达125℃)，适用pH范围广(pH=l~13)，耐氯能力强，可调节孔径范围宽(1~20nm)。但聚砜膜耐压能力较低，一般平板膜的操作压力权限为0.5~1.0MPa。

聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。

（3）无机（多孔）材料膜

主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化的无机膜主要有孔径0.1μm以上的微滤膜和截留相对分子质量l0kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。

多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。

无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。

另一类无机微滤膜为动态膜(dynamic membrane)，是将含水金属氧化物 (如氧化锆)等胶体微粒或聚丙烯酸等沉积在陶瓷管等多孔介质表面形成的膜，其中沉积层起筛分作用。动态膜的特点是透过通量大，通过改变pH值容易形成或除去沉积层，因此清洗比较容易，但缺点是稳定性较差。

1.3 膜分离过程的种类

见表1 表1 膜分离的种类及特点

种类

微滤 膜的功能 多孔膜、溶液的微滤、

脱微粒子

脱除溶液中的胶体、各

类大分子 分离驱动力 压力差 透过物质 被截流物质 悬浮物、细菌类、微粒子、大分水、溶剂和溶解物 子有机物 溶剂、离子和小分蛋白质、各类酶、细菌、病毒、子

水和溶剂 胶体、微粒子 无机盐、糖类、氨基酸、有机物

等 超滤 压力差 反渗透和脱除溶液中的盐类及低纳滤

透析 分子物质 脱除溶液中的盐类及低

分子物质 压力差 浓度差

电位差 离子、低分子物、无机盐、糖类、氨基酸、有机物酸、碱 离子 等 无机、有机离子

液体、无机盐、乙醇溶液

不易透过液体 电渗析 脱除溶液中的离子 溶液中的低分子及溶剂压力差、浓渗透气化 蒸汽 间的分离 度差 气体分离 气体、气体与蒸汽分离 浓度差 易透过气体

图中分别给出了按分离原理和按被分离物质的大小区分的分离膜种类，从中可以看出，除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的分离膜技术均可应用于任 2

何分离、提纯和浓缩领域。反渗透和纳滤作为主要的水及其它液体分离膜之一，在分离膜领域内占重要地位。

2 膜的制备方法

2.1 高分子膜的制备

用物理化学方法或将两种方法结合，可制作具有良好分离性能的高分子膜。最实用的方法是相转化法和复合膜法。

相转化法是指用溶剂，溶胀剂与高分子膜材料制成铸膜液，刮制成膜后，通过L-S法，热凝胶法，溶剂蒸发法，水蒸气吸入法等使均相的高分子溶液沉淀转化为两相，一相为固相，一相为液相。一般，沉淀速度越快，形成的孔就越小；反之，沉淀速度越慢，形成的孔就越大。由于膜表面溶液沉淀速度较膜内部快，于是可得到较致密的表皮层和较疏松的支撑层，成为非对称膜。因制膜过程中发生着从液相转化为固相的过程，故称为转化法。

其他制备高分子膜的方法包括定向拉伸法、核径迹法、熔融挤压法、溶出法等。

复合膜常用的制备方法有溶液浸涂或喷涂、界面聚合、原位聚合、等离子聚合、水面展开法等。

2.2 无机膜的制备

主要有烧结法、溶胶-凝胶法、化学提取法、高温分解法和一些专门方法（化学气相沉淀法，电化学沉积法等）。

3 膜组件

由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件或膜装置，它是膜分离装置的核心。

目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四种、其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同，又分为内压式和外压式。

一个良好的膜组件一般应具备下述要求：

（1）原料侧与透过侧的流体有良好的流动状态，以减少返混、浓差极化和膜污染。

（2）具有尽可能高的装填密度，使单位体积的膜组件中具有较高的有效膜面积。

（3）对膜能够提供高的机械支撑，密封性良好，膜的安装和更换方便。

（4）设备和操作费低。

（5）适合特定的操作条件，安全可靠，易于维修等。

3.1 膜组件的分类

（1）板框式膜组件

板框式膜组件采用平板膜，其结构与板框过滤机类似，用板框式膜组件进行海水淡化的装置如图所示。在多孔支撑板两侧覆以平板膜，采用密封环和两个端板密封、压紧。海水从上部进入组件后，沿膜表面逐层流动，其中纯水透过膜到达膜的另一侧，经支撑板上的小孔汇集在边缘的导流管后排出，而未透过的浓缩咸水从下部排出。见下图2中所示。

3

（2）螺旋卷式膜组件

螺旋卷式膜组件也是采用平板膜，

中心管

图2 板框式膜组件 图3 螺旋卷式膜组件

其结构与螺旋板式换热器类似，如图所

示。它是由中间为多孔支撑板、两侧是膜的“膜袋”装配而成，膜袋的三个边粘封，另一边与一根多孔中心管连接。组装时在膜袋上铺一层网状材料(隔网)，绕中心管卷成柱状再放入压力容器内。原料进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出。螺旋卷式膜组件结构紧凑，装填密度可达830～1660m2/m3。缺点是制作工艺复杂，膜清洗困难。见图3中所示。

（3）管式膜组件

管式膜组件是把膜和支撑体均制成管状，使二者组合，或者将膜直接刮制在支撑管的内侧或外侧，将数根膜管（直径10～20mm）组装在一起就构成了管式膜组件，与列管式换热器相类似。若膜刮在支撑管内侧，则为内压型，原料在管内流动，如图所示；若膜刮在支撑管外侧，则为外压型，原料在管外流动。管式膜组件的结构简单，安装、操作方便，流动状态好，但装填密度较小，约为33～330 m2/m3。见图4。

图4 管式膜组件 图5 中空纤维膜组件

（4）中空纤维膜组件

4

将膜材料制成外径为80～400μm、内径为40～100μm的空心管，即为中空纤维膜。将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件，也形如列管式换热器，如图所示。大多数膜组件采用外压式，即高压原料在中空纤维膜外测流过，透过物则进入中空纤维膜内侧。中空纤维膜组件装填密度极大（10000～30000 m2/m3），且不需外加支撑材料；但膜易堵塞，清洗不容易。见图5。

4 常用膜分离技术的原理

4.1 膜过滤的基础理论

通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。

4.1.1 浓度极化模型

反渗透、超滤和微滤操作各具特点，影响透过通量的因素很多。但这三种膜分离操作的透过通量基本上均可用浓度极化或凝胶极化模型描述。

浓度(凝胶)极化模型的要点是：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化(concentration polarization)。膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化(gel po1arization)。凝胶层的形成对透过产生附加的传质阻力，因此

透过通量一般表示为

JV??P???

?L(Rm?Rg)

JV ：溶质的质量通量

Δp —膜两侧的压差 Pa Δπ — 膜两侧溶液的渗透压差 Pa

μL — 料液的黏度 Pa·s

Rm — 膜的阻力 m-1 Rg — 凝胶的阻力 m-1

(1) 生物分子透过通量的浓度极化模型方程 ?cm?cp?D?JV?kln?k??c?c?p??b?

式中：

JV——透过通量

D——溶质的扩散系数 m2/s

δ——虚拟滞流底层厚度 m

cm——膜表面浓度 mol/L

cb——主体料液浓度 mol/L

cp——透过液浓度 mol/L

k——传质系数 m/s

(2) 菌体悬浮液在高压条件下生物大分子溶液透过通量的凝胶极化模型方程 5

cb

JV——透过通量

cg——凝胶层浓度

cb——透过液浓度

k——传质系数

当压力很高时，溶质在膜表面形成凝胶极化层，溶质的透过阻力极大，透过液浓度即很小，可忽略不计。

4.1.2 超滤膜的分子截留作用

截留率 (rejection coefficient)表示膜对溶质的截留能力，可用小数或百分数表示。 cpR0?1?cm

R0—截留率 cm—膜表面的极化浓度， cp—透过液中溶质浓度

由于膜表面的极化浓度cm不易测定，通常只能测定料液的体积浓度(bulk concentration)，因此常用表观截留率R，其定义为 cpR?1?cb

R—表观截留率 cb—料液中溶质浓度， cp—透过液中溶质浓度

通过测定超滤前后保留液浓度和体积可计算截留率为 R?ln(c/c0)

ln(V0/V) JV?klncg

其中，

c0 —溶质初始浓度 c—溶质超滤后的浓度

V0—料液初始体积 V—料液超滤后的体积

通过测定相对分子质量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与溶质相对分子质量之间关系的曲线，即截留曲线。一般将在截留曲线上截留率为0.90(90％)的溶质相对分子质量定义为膜的截留相对分子质量(relative molecular mass cut-off，MMCO)。

MMCO只是表征膜特性的一个参数，不能作为选择膜的唯一标准。膜的优劣应从多方面(如孔径分布、透过通量、耐污染能力等)加以分析和判断。

实际膜分离过程中影响截留率(表观截留率)的因素：

(1) 相对分子质量

(2) 分子特性：相对分子质量相同时，呈线状的分子截留率较低，有支链的分子截留率较高，球形分子的截留率最大。对于荷电膜，具有与膜相反电荷的分子截留率较低，反之则较高。若膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截留率增大。

(3) 其他高分子溶质的影响：当两种以上的高分子溶质共存时．其中某一溶质的截留率要高于其单独存在的情况。这主要是由于浓度极化现象使膜表面的浓度高于主体浓度。

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(4) 操作条件：温度升高，粘度下降，则截留率降低。膜面流速增大，则浓度极化现象减轻，截留率减小。此外，当料液的PH值等于某蛋白质的等电点时，由于蛋白质的净电荷数为零，蛋白质间的静电斥力最小，使该蛋白质在膜表面形成的凝胶极化层浓度最大，即透过阻力最大。此时，溶质的截留率高于其他pH下的截留率。

4.2 超滤和反渗透

目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。

分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。

反渗透膜的操作压力高达10MPa。

（1）超滤和反渗透操作中的渗透压

由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。

渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；

一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。

（2）实现超滤和反渗透的条件

超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；

p?p0?patm p

pp ——操作压 p0 ——渗透压 patm ——大气压

反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。

p?p0??patm p

因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”

（3）超滤的基本方程

J?Lp(?p????) v (5.11a)

JV ：溶剂的体积通量（m3/m3·s）

Lp ：溶剂的透过系数（单位时间、单位膜面积的处理量）

Δp :膜两侧的压差

Δπ：膜两侧溶液的渗透压差

σ：膜对溶质的反射系数 0＜σ＜1

4.3 渗透与反渗透

渗透是由于存在化学势梯度而引起的自发扩散现象。

溶液中水的化学势

???0?RTln?

α—溶液中水的活度 μ0 — 纯水的化学势

R —气体常数 T —绝对温度

因此，通常情况下,?o??，其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透，使后者的液位抬高。

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如果在溶液一侧施加压力P1，外界力做功使溶液中水的化学势升高，则纯水通过膜的渗透就会逐渐减小，并最终停止（条件？），此时的压力差就是溶液的渗透压?。

1?P0??时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。 当P

一般反渗透的操作压力常达到几十个大气压。

4.4 纳滤膜（NF）过滤技术

纳滤膜（NF）是介于反渗透（RO）膜与超滤（UF）膜之间的一种新型分离膜，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过。日本学者大谷敏郎还对纳米膜的分离性能进行了具体的定义：操作压力小于1.5MPa，截留相对分子质量200~1000，NaCI的透过率不小于90%的膜可以认为是纳滤膜。

1）．纳滤膜的特点：

（1）具有离子选择性。分离对象主要为粒径1nm左右的物质。

（2）可取代传统处理过程中的多个步骤，比较经济。在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体。

（3）操作压力低。操作压力小于2.0 MPa。

（4）耐压性与抗污染能力强。由于纳滤膜多为复合膜及荷电膜，能根据离子大小及电价的高低，对低价离子与高价离子进行分离。

2．纳滤膜的性质

有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为2nm，截留分子量范围 在100~200道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性；

3．纳米过滤的分离机理

纳滤分离机理与反渗透膜了类似，同样遵循，基本的膜传递方程：

Jw?Lp(?p?a?)

4.5 电渗析技术

电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。

电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基团，如磺酸基（—SO3H）等酸性阳离子交换基和季铵基（—N+R3）等碱性阴离

子交换基团。键合阳离子交换基的膜称作阳离子交换膜，在电场作用下，选择性透 8

过阳离子；键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜，在电场作用下，选择性透过阴离子。

如图7所示，阳离子交换膜C和阴离子交换膜A各两张交错排列，将分离器隔成5个小室，两端与膜垂直的方向加电场，即构成电渗祈装置。以溶液脱盐为目的时，料液置于脱盐室(1、3、5)，另两室(2、4)内放入适当的电解液。在电场的作用下，电解质发生电泳，由于离子交换膜的选择性透过特性，脱盐室的溶液脱盐，而2、4室的盐浓度增大。电渗析过程也可连续操作，此时料液连续流过脱盐室

(1、3、5)，而低浓度电解液连续流过2、4室。从脱盐室出口得到脱盐的溶液，从2、4室出口得到浓缩的盐溶液。

5 膜分离技术在生产生活中的应用

膜分离技术具有高效、节能，工艺过程简单，投资少，污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景。本文主要介绍膜分离技术在纯净水处理中的应用。

水处理设备与最终水质有密切关系。只用传统的沙滤棒或硅藻土过滤手段，不可能达到精细的过滤等级和绝对地去除微生物。而应用膜分离手段则可能达到极好的分离效果。在膜技术发达国家，饮料生产领域95％以上采用微孔滤膜为分离途径之一，在我国，微滤、超滤技术在饮料生产中都已得到较广泛应用。在饮料行业中要达到净化、澄清的目的，用0.45 ?m的微孔膜过滤元件进行流程过滤即可满足要求。由于微孔膜过滤后除去的是饮料中的杂质、悬浮物及生物菌体等，而水中的微量元素和营养物质却毫无损失，所以特别适用于某些需保持特殊成分或风味的饮料的净化过滤，如天然饮用矿泉水。应用膜分离过程制备饮用水和超纯水已实现工业化。据统计，19xx年世界上应用电渗技术生产饮用水销售额达5亿美元，并按每年10％的速度增长。

纳滤膜分离可应用于水质的软化、降低TDS浓度、去除色度和有机物。一般来说，不同NF膜对有机物去除率相差不太大，但是它们对于无机物的去除率却有显著差异。从无机物的去除率来看，NF膜基本上可以分为两大类：一种是传统脱盐软化NF膜，这种传统NF膜主要是通过较小的孔径来截留和筛分杂质，其脱盐率往往较高；另外一种就是以去除水中有机物为主要目的的新型NF膜，即荷电NF膜 9

(往往带负电)，此种NF膜的截留机理不同于传统软化型NF膜的机械筛分机理，最重要的是它考虑了膜与有机物间的电性作用，甚至以电性作用作为除去有机物的主要机理，因此既保留了传统NF膜对有机污染物去除较好的特点，同时允许较多的无机盐透过，特别适合于饮用水的处理。新型NF膜可以通过改变膜孔径和表面电荷的大小来改变其脱盐率。

理想NF膜的条件应该是能完全除去有害有机物，同时适度除去多余的无机物(理想的产品水TDS为300mg/L，最大不超过500mg/L)[9]。纳滤膜对一价离子的截留率可低至40%，对二价离子的截留率可高至90%以上，且截留分子量约为200～1000Da的中性溶质。因此，纳滤在水的软化、低分子有机物的分级、除盐等方面具有独特的优势。水的总硬度为水中Ca2+、Mg2+的总含量。对于饮用水的软化，先经过二步NF分离过程(用Film-tech公司的NF-70膜，操作压力为0.5-

0.7Mpa，脱除85%-95%的硬度以及70%的一价离子)，水质硬度降低了10-20倍。然后进行氯处理，就可制成标准饮用水。

纳滤膜在饮用水领域主要脱除三氯甲烷中间体、低分子有机物(特别是环境荷尔蒙物质旧)、农药、合成洗涤剂、微生物、异味、色度、硫酸盐、碳酸盐、氟化物、砷、细菌、重金属污染物(大多来源于工业废弃物泄露和工业废水排放等)镉、铬(六价)、铜、铅、锰、汞、镍等有害物质。

6 总结

虽然膜分离技术的广泛成熟应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入，膜分离技术应将得到更加广泛的应用。

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【参考文献】

[1] 刘家祺.传质分离过程[M].北京:高等教育出版社,2005.12:257~276

[2] 王志斌.杨宗伟.邢晓林.高朝祥.褚良银.陈文.膜分离技术应用的研究进展[J].过滤与分离.2008,18(2):19~23

[3] 齐中熙.膜分离技术的应用[J].高科技纤维与应用.2001,26(3):34~48

[4] 叶振君.纳滤膜分离技术及其应用[D].华东理工大学,上海,200237

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