膜分離技術及研究進展

時間：2006-11-14 來源： 作者：

    人們認識膜現象已有200多年的歷史，第一張商品膜的出現至今已有40多年。膜技術由于高效、實用、可調、節能和工藝簡便等，已廣泛應用，產生極高的經濟效益。在環境問題的圓滿解決，更有效的資源利用和醫療保健等領域，膜技術有著光明的發展前景。現在已有許多膜分離技術獲得大規模應用，如微濾、反滲透、超濾、納濾、電滲析、滲透蒸發、液膜等，特別是反滲透膜，已經在許多發電廠、制藥廠得到利用。還有不少如雙極膜、膜蒸餾、膜萃取等新膜技術也有技術開發上的進展。 
1 、幾種常見膜分離技術簡介及應用現狀和進展 
1.1 反滲透 
　　反滲透技術在50年代才開始研究，到60年代末制成具有工業價值的反滲透膜，1971年開始有工業性反滲透裝置在電廠投入運行，現在反滲透法進行水處理工藝遍及美國、日本、法國、意大利等國家，我國于70年代末開始引進反滲透裝置于發電廠的水處理。90年代反滲透膜的開發研制成為熱點�，F在反滲透技術已有大范圍的應用。 
1.1.1 反滲透的基本原理 
　　對透過的物質具有選擇性的薄膜稱為半透膜，一般將只能透過溶劑而不能透過溶質的薄膜稱之為理想的半透膜。當把相同體積的稀溶液(例如淡水)和相同的體積的濃溶液(例如鹽水)分別置于半透膜的兩側時稀溶液的溶劑將自發的向濃溶液的一側流動，這一現象稱為滲透。圖1是滲透膜的示意圖。當滲透過程達到平衡時，濃溶液側的液面將會比稀溶液的液面高出一定高度，即形成一個壓差，稱為滲透壓。滲透壓的大小取決于溶液的固有性質，即與溶液的種類、濃度和溫度有關而與半透膜的性質無關。若在濃溶液的一側施加一個大于滲透壓的壓力，溶劑的流動方向將與原來的滲透方向相反，開始從濃溶液向稀溶液一側流動，這一現象稱為反滲透。見圖2。 
　　反滲透裝置就是利用這一原理用高壓泵將待處理水經過增壓以后，借助半透膜的選擇截留作用來去除水中的無機離子的，由于反滲透膜在高壓情況下只允許水分子通過，而不允許鉀、鈉、鈣、鋅等離子及病毒、細菌通過，所以它能獲得高質量的純水。 
1.1.2 典型的反滲透工藝流程 
　　反滲透應用于不同的工藝有不同的工藝流程，一般情況下，它們都遵從于以下幾個過程，即預處理、反滲透及后處理。見圖3。 
　　反滲透技術應用十分廣泛，主要應用于海水淡化、純水和超純水制備、城市給水處理、城市污水處理及應用、工業電鍍廢水及紙漿和造紙工業廢水處理、化工廢水處理、冶金焦化廢水處理、食品工業、醫藥工業等廢水處理，我國有大港電廠、寶鋼自備電廠、滄州電廠等九個發電廠應用反滲透技術來進行預脫鹽處理。在不斷的應用過程中，反滲透的缺點和不足日益顯露，主要表現在以下幾點： 
①進口設備由于原水水質的不同，缺乏技術論證及工藝修改，照抄照搬，不適合我國國情。所以反滲透進水一定要根據原水水質的不同進行預處理以滿足設備對進水水質的要求。 
②有些技術能力差的企業，不懂得反滲透膜元件及其數量的合理選擇，膜元件的合理排列等，造成部分膜元件在非常情況下運行。 
③產膜質量不過關。膜質量的好壞直接影響到鹽及其它雜質的去除率。 
④運行管理不嚴。系統運行時，壓力要處于膜可承受的壓力范圍，防止超強度、超負荷運行，使膜產生機械性損失，導致泄露發生。 
　　針對以上存在的問題，我國一些膜技術專家及科研人員一直努力于膜元件及應用工藝流程的優化研究。黃征青(1)對純水工程中反滲透膜進行研究，提出了使用時一些常見問題及解決方法，并提出延長反滲透膜使用壽命的途徑；陳效勤(2)也提出了國內反滲透水處理技術存在問題及改進措施；在RO膜的開發方面，聞瑞梅(3)對RO復合膜NTR-759與醋酸纖維膜CA進行比較，提出RO復合膜的應用前景。 
　　與國外相比，我國反滲透工藝和工程技術已接近國外先進水平，但膜和組器技術同國際同類產品仍有較大的差距，復合膜雖已完成中試放大，但離工業生產仍有較大的差距。當前反滲透膜市場，中空纖維型仍以國產CTA膜組件為主，而卷式型基本上由進口PA復合膜元件所占據。在工業上，引進PA復合膜和其他有關鍵部件，設計制造反滲透裝置，取代了以往整機進口的局面，實踐證明是成功的。 
1.2 微濾(MF) 
　　微濾是一種精密過濾技術，它與反滲透、超濾均是通過壓力而驅動的。所分離的組分直徑為0.03～15μm；主要除去微粒、亞微粒和細粒物質。它多用于半導體工業超純水的終端處理，反滲透的首端預處理。在啤酒與其他酒類的釀造中，用于除去微生物與異味雜質等。張艷等人(4)采用氫氧化鎂吸附與無機陶瓷微粒膜相結合的方法對印染廢水進行了脫色處理，脫色率可達98%以上，并對膜污染和清洗進行了研究，取得了較好效果。 
　　我國微粒膜的研究與國外水平相比，常規微濾膜的性能和國外同類產品的性能基本一致，折疊式濾芯在許多場合代替了進口產品，但在錯流式微濾膜和組器技術及其在工程中的應用等方面，仍落后于國外，這就抑制了微濾技術在較高濁度水質深度處理中的應用。 
1.3 超濾(UF) 
　　超濾和反滲透相類似，分離的組分直徑為 0.005 ～10μm，介于反滲透與微濾之間。反滲透、超濾和微濾三者組成了一個可分離從離子到微粒的膜分離過程。超濾在水處理方面應用十分廣泛。它可以與反滲透聯合制備高純水；可以處理生活污水；處理工業廢水，包括電泳涂漆廢水、含油廢水、含聚乙烯醇(PVA)廢水等；從羊毛精制廢水中回收羊毛脂；纖維加工油劑廢水處理等等。近年來超濾膜技術發展很快。李永發等人(5)在國內最早采用膜技術處理采油污水，1995年報導了用外管式聚砜(PS)超濾膜裝置處理采油污水的意見報告，隨后他(6)又采用磺化聚砜(SPS)平板式和外管式超濾膜再次進行含油污水試驗，并與SP超濾膜進行比較。研究證明，SPS膜通量隨磺化度的增加而提高，且優于PS膜，透過液可達到國家排放標準及低滲透油田注水標準。目前，我國超濾技術在水處理中以PSH和聚丙烯中空纖維式組件應用最多。 
　　與國際產品相比，國產超濾膜組件品種單一，通量和截流率綜合性能較低，抑制了超濾膜技術在水處理以外領域的應用進展步伐。但現在，已有許多共混超濾膜的研究。由于共混超濾膜具有單一組分膜所無法比擬的優點，因此這是一個發展趨勢。 
1.4 納濾 
　　納濾膜是孔徑介于反滲透與超濾膜之間的壓力滲透膜。它對分子量介于200～1000之間的有機物和高價、低價、陰離子無機物有較高的截留性能。納濾被廣泛用于水軟化、有機生物活性物質及化工中間化的除鹽和凈化濃縮、水中三鹵代物前趨物的去處、廢水脫色等領域。近幾年，納濾恒容除鹽已有研究。由于納濾膜對物料中的鹽和其他有效組分之間的選擇性透過(即納濾膜選擇透過低分子量的鹽，而對其他分子量較大的有效組分則全部截留)，鹽隨著滲透溶劑而被不斷去處，從而達到對物料的除鹽凈化目的。高從揩等人(7)采用納濾技術在上海染化八廠進行了純化和濃縮染料的工業性試驗。結果表明，納濾可除鹽至0.3%，并可將染料從6%～12%濃縮到20%～30%。張國亮等(8)以海洋高硬度苦咸水為水源，采用納濾膜軟化技術制備飲用水，系統連續運行27個月，淡化水符合國家生活飲用水衛生標準，并對納濾的分離特點及高硬度下實際運行的注意點作了近一步的探討。我國納濾技術的研究雖在80年代末就開始了，但目前仍在實驗室研究開發階段，尚無產品投放市場。 
2、 新型膜技術簡介及應用現狀 
2.1 液膜 
　　液膜就是懸浮在液體中的很薄一層乳液微粒。至今已經歷了帶支撐體液膜、乳化液膜和含流動載體乳化液膜三個階段。液膜可以代替固膜分離氣體，用液膜法去除載人宇宙飛船密封艙中CO 4的技術已成功的用于宇宙空間技術中。在石油化工中，液膜可以用于分離那些物理、化學性質相似而不能用常規的蒸餾、萃取方法分離的烴類混合物。液膜在醫學上可以用來捕獲許多有毒物質，然后安全的排出體外。我國液膜技術近來也發展很快。朱亦仁(12)提出了一種從發酵液中提取檸檬酸的新方法 乳狀液膜分離法，討論了該方法的基本原理及傳遞過程和機理�？疾炝吮砻婊钚詣�、載體和內相試劑濃度對提取率的影響，確定了合適的膜配方。高亮等(13)以三辛胺為活性載體，Span80為表面活性劑，液體石蠟為膜相添加劑，氨基酸料液做外水相建立膜體系，研究不同試驗條件下半胱氨酸的遷移情況，確定了提取半胱氨酸的適宜條件，提取率可達80%以上。 
2.2 雙極膜 
　　雙極膜是一種具有專門用途的離子膜。它是一種新型復合膜，由三部分組成：陽離子交換層(N型膜)、界面親水層(催化層)和陰離子交換層(D形膜)，同樣荷有不同固定電荷密度、厚度和性能的膜材料，在不同復合條件下可制成不同性能的膜。如，水解離膜、1，2價離子分離膜、防結垢膜、抗污染膜、低壓反滲透脫硬膜，其中水解離膜應用較廣，由它可派生出許多用途，如酸堿的生產、煙道氣脫硫、食鹽的電解等。當前國外對雙極膜的研究比較多，我國莫劍雄等人(14)也用雙極膜進行了制酸堿的試驗研究。 
2.3 滲透蒸發 
　　滲透蒸發是利用液體中兩種組分在膜中溶解度與擴散系數的差別，通過滲透與蒸發，將二種組分進行分離。滲透蒸發過程的研究和應用，已從有機物中脫水發展的水中脫除有機雜質以及有機物/有機物的分離。楊虎等人(15)對滲透蒸發在有機溶劑混合物分離中的應用進行了綜合介紹；朱長樂等人(16)用滲透蒸發法對醇水分離進行了生產性試驗；韓賓兵等(17)分析了各種模型的特點，并就滲透蒸發膜傳遞理論的研究方向提出了建議。滲透蒸發近年研究雖然進展很快，但它單獨使用的經濟性并不好，工業上多用于集成過程(Integration process)或組合過程(Hybrid process)，即與其它分離過程結合起來使用，可以發揮有關分離過程的優點，做到揚長避短，達到優化的目的。 
3、 結語 
　　任何水處理技術都有它的適用范圍，往往使用某一種膜技術并不一定能夠解決各種水處理問題，因此在實際應用中通常將不同的膜技術進行組合使用，如ED與RO的結合，RO與UF的結合，及RO與MF的結合使用等，這樣往往可以發揮各自的特點，取得更大的技術和經濟效果。同時膜技術與常規的水處理技術聯合使用也是不可忽視的，如高純水制備中將膜技術與離子交換及常規過濾技術相結合，則可發揮它們各自的優勢，使處理效果大大提高，而處理成本則大大下降。在廢水深度處理方面，膜與常規的生化處理相結合(膜生物反應器)則可實現水的回用。如在酒精稀端的濃縮、恒沸體系(濃端)的脫水，若采用膜分離方法，與中間段常規精溜法相結合，就可降低能耗、改進設備并提高經濟效益。因此，在研究水處理工藝時，將各種膜分離技術的相互配合使用，以及膜技術與常規水處理技術的聯合使用是十分重要的，是今后開發新型水處理工藝的一個重要方向。相信膜技術在水處理技術中的作用和地位會日益突出，其應用范圍也日益廣闊。