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膜分離技術(shù)的現(xiàn)狀及前景

與其他傳統(tǒng)的分離方法相比，膜分離具有過程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性較好、往往沒有相變、分離系數(shù)較大、節(jié)能、高效、無二次污染、可在常溫下連續(xù)操作、可直接放大、可專一配膜等優(yōu)點(diǎn)。另外膜過程特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，所以在食品加工、醫(yī)藥、生化技術(shù)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的適用性。膜分離技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。

膜分離技術(shù)作為一種新興的高效分離技術(shù)，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、電子、輕工、紡織、石油、食品、醫(yī)藥、生物技術(shù)、能源工程等。國(guó)外有關(guān)專家甚至把膜分離技術(shù)的發(fā)展稱為“第三次工業(yè)革命”。

目前我國(guó)研究所涉及的領(lǐng)域遍及膜科學(xué)與技術(shù)，從材料的應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)等各方面。經(jīng)過20年的努力我國(guó)在膜分離技術(shù)的研究開發(fā)方面已涌現(xiàn)出一批具有應(yīng)用價(jià)值，接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的成果。如空氣中有機(jī)蒸氣的膜法脫除與回收技術(shù)；無機(jī)膜反應(yīng)分離技術(shù)；集成分離技術(shù)等。但從總體上講，我國(guó)的膜分離技術(shù)和世界先進(jìn)水平相比還有不小的差距，還有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。

膜分離的歷史

人們對(duì)膜進(jìn)行科學(xué)研究則是近幾十年來的事。其發(fā)展的歷史大致為：20世紀(jì)30年代微孔過濾；40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外，以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結(jié)合的集成過程也日益得到重視和發(fā)展。

我國(guó)的膜科學(xué)技術(shù)開始于1958年離子交換膜的研究，20世紀(jì)60年代研究反滲透膜，曾組織全國(guó)海水淡化會(huì)戰(zhàn)，大大地促進(jìn)了我國(guó)膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；70年代就已開發(fā)出反滲透、超濾、微濾和電滲析等器件設(shè)備，隨后投入工業(yè)應(yīng)用；80年代繼續(xù)發(fā)展液體分離之外，氣體膜分離和滲透汽化等也進(jìn)入開發(fā)和研究階段，有的已工業(yè)應(yīng)用或建成中試裝置，其他新技術(shù)也在不斷研究開發(fā)之中。

一、膜分離的現(xiàn)狀

半個(gè)世紀(jì)以來，膜分離從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變以來，每10年就有一種新型的膜技術(shù)得到工業(yè)應(yīng)用。

1、微濾技術(shù)

微濾是所有膜過程中應(yīng)用最普遍，總銷售額最大的一項(xiàng)技術(shù)，主要用于制藥行業(yè)的過濾除菌；高純水的制備是目前微濾技術(shù)應(yīng)用的第二大市場(chǎng)。近年來在食品工業(yè)的許多領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，可用于明膠和葡萄糖的澄清；替代傳統(tǒng)的硅藻土過濾果汁，效果與超濾相同；微濾在飲用水生產(chǎn)和城市污水處理等方面具有潛在的市場(chǎng)。此外，隨著生物技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，用來濃縮和分離發(fā)酵液中的生物產(chǎn)品，微濾在這一領(lǐng)域的市場(chǎng)也將越來越大。

2、超濾技術(shù)

電子工業(yè)集成電路生產(chǎn)和醫(yī)藥工業(yè)用水過程已廣泛應(yīng)用超濾技術(shù)，其主要采用中空纖維組件，膜滲透梳率大，能耗低。超濾還應(yīng)用在食品和醫(yī)藥工業(yè)，乳清超濾回收其中的蛋白質(zhì)，是乳品工業(yè)中應(yīng)用最大的一個(gè)領(lǐng)域，牛奶經(jīng)超濾可增加奶酪得率，該工藝正逐步取代傳統(tǒng)工藝，將有很大經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外廣泛采用超濾技術(shù)澄清果汁，我國(guó)尚未普及。超濾具有能保持其生物活性及回收率高的優(yōu)點(diǎn)，在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將隨基因工程技術(shù)產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。

3、反滲透技術(shù)

反滲透技術(shù)已成為海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備及物料預(yù)濃縮的最經(jīng)濟(jì)手段，而且隨著性能優(yōu)良的反滲透膜及膜組件的工業(yè)化，反滲透技術(shù)的應(yīng)用范圍從最初的脫鹽放大到電子、化工、醫(yī)藥、食品、飲料、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域。隨著該項(xiàng)技術(shù)的全面推廣，反滲透技術(shù)將成為21世紀(jì)解決缺水地區(qū)飲用水的主要手段。

現(xiàn)正在開發(fā)反滲透技術(shù)在化工和石油化工工藝用水的生產(chǎn)和再利用，廢液處理，水、有機(jī)液體的分離，電鍍漂洗水再利用和金屬回收。食品工業(yè)正用反滲透技術(shù)開發(fā)奶品加工、糖液濃縮、果汁和乳品加工、廢水處理、生產(chǎn)低度酒和啤酒。

4、納濾技術(shù)

納濾是在反滲透基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型分離技術(shù)，雖然市場(chǎng)開拓的歷史僅有10 多年，但它在水軟化，抗生素、多糖、染料等的純化分離和濃縮領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用，可替代或部分替代沉淀、蒸發(fā)和pH調(diào)節(jié)等工藝，成為生物制藥和精細(xì)化工的重要高效節(jié)能單元操作。納濾還可用于食品脫色、氨某酸分離、多肽的純化及濃縮。

5、滲析和電滲析技術(shù)

滲析也稱透析，是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的膜現(xiàn)象。滲析技術(shù)主要用于脫除溶液中的低分子組分，如從血清蛋白和疫苗中脫除鹽和其他小分子溶質(zhì)。雖然滲析技術(shù)一度由于超濾技術(shù)的發(fā)展而被取代，但近年來隨著人工腎的開發(fā)而得到廣泛的重用，成為醫(yī)療的重要手段之一，用于從腎衰竭或尿毒癥患者血液中脫除代謝產(chǎn)物，每年拯救近百萬人的生命。

6、氣體膜分離技術(shù)

氣體膜分離技術(shù)可廣泛用于膜法提氫，膜法富氧、富氮，工業(yè)氣體脫濕，天然氣脫濕，提氦以及脫除有機(jī)蒸氣、二氧化碳和硫化氫等。已成功和正在開發(fā)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有：

（1）合成氨弛放氣中H2的回收此技術(shù)現(xiàn)已成功，但應(yīng)預(yù)先脫除可冷凝氣體H2O和NH3；

（2）O2/N2富集工業(yè)中可富集95％N2。高選擇性膜將改善膜法在空氣富氮領(lǐng)域中的地位；

（3）酸性氣體/碳?xì)浠衔?已成功從生物氣中回收CO2，但可冷凝的有機(jī)物應(yīng)預(yù)先除去，需合適的分離系數(shù)以保證產(chǎn)率。從酸性氣體中脫H2S沒有現(xiàn)成的裝置，但目前正在開發(fā)的膜可以應(yīng)用。

7、無機(jī)膜

無機(jī)膜主要包括陶瓷膜、金屬氧化物膜（如Υ-Al2O3、ZnO、TiO2）和金屬膜等，它適合在高壓、高溫、高粘度，高固體含量、高氯化物含量和苛刻pH條件下使用。因此，它在石油化工、食品、冶金、環(huán)境工程、生物工程等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

我國(guó)的無機(jī)膜經(jīng)過5年的努力，陶瓷微濾膜和超濾膜從無到有，初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，膜材料的技術(shù)指標(biāo)和膜裝置的規(guī)模與自控水平均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。今后我國(guó)的無機(jī)膜將在氣體分離與凈化，以及通過無機(jī)膜與其他工藝結(jié)合，改造傳統(tǒng)工藝等方面發(fā)揮重要的作用，逐漸形成以無機(jī)膜為核心的新集成應(yīng)用技術(shù)。

結(jié)語

膜分離作為一種新型的分離單元操作過程，經(jīng)過30年的發(fā)展，在技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)省能耗及污染治理方面日益顯示出其強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)能力，已具有較高的水平。當(dāng)今，膜分離已發(fā)展成產(chǎn)業(yè)化的高效節(jié)能分離過程和先進(jìn)的單元操作過程。

目前已經(jīng)成熟和不斷研發(fā)出來的微濾、超濾、反滲透、納濾、滲析、電滲折、氣體分離、滲透汽化、無機(jī)膜等技術(shù)正在廣泛用于石油、化工、壞保、能源、電子等行業(yè)中，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但目前，膜技術(shù)的發(fā)展受到了幾個(gè)方面的制約：一是膜產(chǎn)品的價(jià)格；二是膜污染；再有就是膜分離性能的提高。如果在這幾方面的問題能更好的解決的話，膜分離技術(shù)將會(huì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更為重要的作用，特別是它將對(duì)21世紀(jì)的工業(yè)技術(shù)改造，起著重要的戰(zhàn)略作用,它將在人類社會(huì)的發(fā)展史上起到不可替代的重要作用。