膜分離技術

膜分離技術是一種以分離膜為核心，進行分離、濃縮和提純物質的一門新興技術。該技術是一種使用半透膜的分離方法，由於膜分離操作一般在常温下進行，被分離物質能保持原來的性質，能保持食品原有的色、香、味、營養和口感，能保持功效成分的活性。其選擇性強，操作過程簡單，適用範圍廣，能耗低，所以可廣泛應用於食品的生產中 ^[2]  。膜分離是在20世紀初出現，20世紀60年代後迅速崛起的一門分離新技術。膜分離技術由於兼有分離、濃縮、純化和精製的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易於控制等特徵，因此，已廣泛應用於食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，已成為當今分離科學中最重要的手段之一。

膜分離現象廣泛存在於自然界中，特別是生物體內，但人類對它的認識和研究卻經過了漫長而曲折的道路。膜分離技術的工程應用是從20世紀60年代海水淡化開始的1960年洛布和索里拉金教授製成了第一張高通量和高脱鹽率的醋酸纖紙素膜，這種膜具有對稱結構，從此使反滲透從實驗室走向工業應用 ^[1]  。

其後各種新型膜陸續問世，1967年美國杜邦公司首先研製出以尼龍-66為膜材料的中空纖維膜組件；1970年又研製出以芳香聚酰胺為膜材料的“Pemiasep B-9”中空纖維膜組件，並獲得1971年美國柯克帕特里克化學工程最高獎。從此反滲透技術在美國得到迅猛的發展，隨後在世界各地相繼應用。其間微濾和超濾技術也得到相應的發展。

膜在大自然中，特別是在生物體內是廣泛存在的。我國膜科學技術的發展是從1958年研究離子交換膜開始的。60年代進入開創階段。1965年着手反滲透的探索，1967年開始的全國海水淡化會戰，大大促進了我國膜科技的發展。

70年代進入開發階段。這時期，微濾、電滲析、反滲透和超濾等各種膜和組器件都相繼研究開發出來，80年代跨入了推廣應用階段。80年代又是氣體分離和其他新膜開發階段。

膜是具有選擇性分離功能的材料。無機膜由於各種優良性能（如抗高温、耐酸鹼等），已得到廣泛應用。由於技術發展水平限制，無機膜主要只有微濾和超濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。特別是超濾陶瓷膜，已經在很多行業得到應用，如重金屬廢水處理與回收。

（1）在常温下進行

有效成分損失極少，特別適用於熱敏性物質，如抗生素等醫藥、果汁、酶、蛋白的分離與濃縮。

（2）無相態變化

保持原有的風味。

（3）無化學變化

典型的物理分離過程，不用化學試劑和添加劑，產品不受污染。

（4）選擇性好

可在分子級內進行物質分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能。

（5）適應性強

處理規模可大可小，可以連續也可以間隙進行，工藝簡單，操作方便，易於自動化。

（6）能耗低

只需電能驅動，能耗極低，其費用約為蒸發濃縮或冷凍濃縮的1/3-1/8。

隨着我國膜科學技術的發展，相應的學術、技術團體也相繼成立。他們的成立為規範膜行業的標準，在促進膜行業的發展中起着舉足輕重的作用。半個世紀以來，膜分離完成了從實驗室到大規模工業應用的轉變，成為一項高效節能的新型分離技術。1925年以來，差不多每十年就有一項新的膜過程在工業上得到應用。

由於膜分離技術本身具有的優越性能，故膜過程已經得到世界各國的普遍重視。隨着能源緊張、資源短缺、生態環境惡化，產業界和科技界把膜過程視為二十一世紀工業技術改造中的一項極為重要的新技術。曾有專家指出：誰掌握了膜技術誰就掌握了化學工業的明天。

80年代以來我國膜技術跨入應用階段，同時也是新膜過程的開發階段。在這一時期，膜技術在食品加工、海水淡化、純水、超純水製備、醫藥、生物、環保等領域得到了較大規模的開發和應用。並且，在這一時期，國家重點科技攻關項目和自然科學基金中也都有了膜的課題。

這一潛力巨大的新興行業正在以蓬勃的激情挑戰市場，為眾多的企業帶來了較為顯著的經濟效益、社會效益和環境效益。

當前，膜分離技術已獲得巨大的進展，但它畢竟還是處於上升發展階段，還有許多工作要我們去做。21世紀的膜科學與技術將進一步改進、完善已有的膜過程，不斷探索和開拓新的過程與材料，並不斷擴充原有的應用領域，使膜技術發揮更大的作用 ^[1]  。

具體涉及領域主要有：醫藥工業、食品工業（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業廢水、飲用水、生物技術、生物發酵等。

早期的工業超濾應用於廢水和污水處理。三十多年來，隨着超濾技術的發展，如今超濾技術已經涉及食品加工、飲料工業、醫藥工業、生物製劑、中藥製劑、臨牀醫學、印染廢水、食品工業廢水處理、資源回收、環境工程等眾多領域。

納濾的主要應用領域涉及：食品工業、植物深加工、飲料工業、農產品深加工、生物醫藥、生物發酵、精細化工、環保工業等。

由於反滲透分離技術的先進、高效和節能的特點，在國民經濟各個部門都得到了廣泛的應用，主要應用於水處理和熱敏感性物質的濃縮，主要應用領域包括以下：食品工業、牛奶工業、飲料工業、植物（農產品）深加工、生物醫藥、生物發酵、製備飲用水、純水、超純水、海水、苦鹹水淡化、電力、電子、半導體工業用水、醫藥行業工藝用水、製劑用水、注射用水、無菌無熱源純水、食品飲料工業、化工及其它工業的工藝用水、鍋爐用水、洗滌用水及冷卻用水。

除了以上四種常用的膜分離過程，另外還有滲析、控制釋放、膜傳感器、膜法氣體分離、液膜分離法等。

膜分離技術的特點膜分離過程是一個高效、環保的分離過程，是多學科交叉的高新技術，在物理、化學和生物性質上呈現出各種各樣的特性，具有較多的優勢 ^[3]  。膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統過濾的不同在於，膜可以在分子範圍內進行分離，並且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑。

膜的孔徑一般為微米級，依據其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，根據材料的不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是陶瓷膜和金屬膜，其過濾精度較低，選擇性較小。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚碸、聚氟聚合物等等。

微濾（MF）又稱微孔過濾，它屬於精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質分為有機和無機兩大類，有機聚合物有醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚碸、聚酰胺等。無機膜材料有陶瓷和金屬等。鑑於微孔濾膜的分離特徵，微孔濾膜的應用範圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細菌以及其他污染物，以達到淨化、分離、濃縮的目的。

對於微濾而言，膜的截留特性是以膜的孔徑來表徵，通常孔徑範圍在0.1～1微米，故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進行分離。可作為一般料液的澄清、保安過濾、空氣除菌。

是介於微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑在0.05um至1nm之間。超濾是一種能夠將溶液進行淨化、分離、濃縮的膜分離技術，超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關的篩分過程。以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定的壓力下，當水流過膜表面時，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質通過，達到溶液的淨化、分離、濃縮的目的。

對於超濾而言，膜的截留特性是以對標準有機物的截留分子量來表徵，通常截留分子量範圍在1000～300000，故超濾膜能對大分子有機物（如蛋白質、細菌）、膠體、懸浮固體等進行分離，廣泛應用於料液的澄清、大分子有機物的分離純化、除熱源。

是介於超濾與反滲透之間的一種膜分離技術， 其截留分子量在80～1000的範圍內，孔徑為幾納米，因此稱納濾。基於納濾分離技術的優越特性，其在製藥、生物化工、 食品工業等諸多領域顯示出廣闊的應用前景。

對於納濾而言，膜的截留特性是以對標準NaCl、MgSO₄、CaCl₂溶液的截留率來表徵，通常截留率範圍在60～90%，相應截留分子量範圍在100～1000，故納濾膜能對小分子有機物等與水、無機鹽進行分離，實現脱鹽與濃縮的同時進行。

是利用反滲透膜只能透過溶劑（通常是水）而截留離子物質或小分子物質的選擇透過性，以膜兩側靜壓為推動力，而實現的對液體混合物分離的膜過程。反滲透是膜分離技術的一個重要組成部分，因具有產水水質高、運行成本低、無污染、操作方便運行可靠等諸多優點 ，而成為海水和苦鹹水淡化，以及純水製備的最節能、最簡便的技術。已廣泛應用於醫藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業。反滲透技術已成為現代工業中首選的水處理技術。

反滲透的截留對象是所有的離子，僅讓水透過膜，對NaCl的截留率在98%以上，出水為無離子水。反滲透法能夠去除可溶性的金屬鹽、有機物、細菌、膠體粒子、發熱物質，也即能截留所有的離子，在生產純淨水、軟化水、無離子水、產品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經應用廣泛，如垃圾滲濾液的處理。

膜分離的基本工藝原理是較為簡單的。在過濾過程中料液通過泵的加壓，料液以一定流速沿着濾膜的表面流過，大於膜截留分子量的物質分子不透過膜流回料罐，小於膜截留分子量的物質或分子透過膜，形成透析液。故膜系統都有兩個出口，一是迴流液（濃縮液）出口，另一是透析液出口。在單位時間（Hr）單位膜面積（m2）透析液流出的量（L）稱為膜通量（LMH），即過濾速度。影響膜通量的因素有：温度、壓力、固含量（TDS）、離子濃度、黏度等。

由於膜分離過程是一種純物理過程，具有無相變化，節能、體積小、可拆分等特點，使膜廣泛應用在發酵、製藥、植物提取、化工、水處理工藝過程及環保行業中。對不同組成的有機物，根據有機物的分子量，選擇不同的膜，選擇合適的膜工藝，從而達到最好的膜通量和截留率，進而提高生產收率、減少投資規模和運行成本。

——超/微濾膜系統

澄清純化分離所採用的膜主要是超/微濾膜，由於其所能截留的物質直徑大小分佈範圍廣，被廣泛應用於固液分離、大小分子物質的分離、脱除色素、產品提純、油水分離等工藝過程中。

超/微濾膜分離可取代傳統工藝中的自然沉降、板框過濾、真空轉鼓、離心機分離、溶媒萃取、樹脂提純、活性炭脱色等工藝過程。

澄清純化技術可採用的膜分離組件主要有：陶瓷膜、平板膜、不鏽鋼膜、中空纖維膜、卷式膜、管式膜。

採用膜分離澄清純化的優點：

——納濾膜系統

膜分離技術在濃縮提純工藝上主要採用截留分子量在100～1000Dal的納濾膜。納濾膜的主要特點是對二價離子、功能性糖類、小分子色素、多肽等物質的截留性能高於98%，而對一些單價離子、小分子酸鹼、醇等有30～50%的透過性能，常被應用於溶質的分級、溶液中低分子物質的洗脱和離子組分的調整、溶液體系的濃縮等物質的分離、精製、濃縮工藝過程中。

納濾膜分離技術常被用於取代傳統工藝中的冷凍乾燥、薄膜蒸發、離子交換除鹽、樹脂工藝濃縮、中和等工藝過程。

濃縮提純技術可採用的膜組件主要有：卷式膜、管式膜。

採用納濾膜分離技術濃縮提純的優點：

行業應用製藥行業

●生物發酵液過濾除菌及下游分離純化精製

●樹脂解析液的濃縮及解析劑回收

●農藥水劑、粉劑的生產應用

●中藥浸提液過濾除雜及濃縮

●中藥浸膏生產應用

●合成藥、原料藥、中間體等的脱鹽濃縮

●結晶母液回收

食品行業

●乳清廢水處理

●乳製品生產加工應用

●果汁澄清脱色

●食品添加劑純化濃縮

●茶飲料澄清濃縮

●啤酒、葡萄酒、黃酒的精製加工

●天然色素提取液的除雜及濃縮

●氨基酸發酵液過濾澄清及精製

染料化工和助劑

水溶性染料反應液的脱鹽濃縮

●染料鹽析母液廢水回收

澱粉糖品

●糖液分離純化及濃縮

●果葡糖漿色普分離純化

●糖醇色普分離純化

●單糖、低聚糖及多糖的分離純化及濃縮

環保及領域

●紡織、染整、印染廢水處理及回用

●電鍍工業廢水零排放及資源回收

●礦山及冶金廢水處理回收

●澱粉廢水處理

●造紙廢水木質素回收及廢水處理

●電泳漆廢水塗料回收

●酸、鹼廢水處理回收

●市政污水的處理及回用

●洗車水、桑拿水、游泳池水、洗浴廢水等循環處理

●工業生產所用的各類軟化水、純水、超純水製備

生物技術

●生物蛋白、多肽、酶製劑等酵液過濾澄清及精製

①接通電源，確保泵在運行過程中是正轉；

②參數設定，根據實驗要求的温度和壓力，設置最高的工作壓力和温度；

③膜的準備工作，膜在投入使用前必須進行清洗，使膜達到最佳的工作狀態；

④膜分離；

⑤膜清洗，膜在處理完物料後，受到一定污染，應進行一定清洗。

無機膜清洗：用1%HNO3溶液循環清洗15min，打開濾液閥門，讓濾液回到循環罐內，讓其繼續清洗15min，之後用自來水系統清洗至中性；

有機膜清洗：用1%na5p3o10+0.5%edta+0.2%sds+naoh調PH11.0，清洗45min，之後用純淨水洗至中性。

若膜不使用超過3天，要用1%甲醛溶液將膜封存，冬季用20%甘油將膜封存。

1、陶瓷膜系統（生物發酵液過濾除菌、中藥植提浸提液過濾除雜）

2、卷式膜系統（流體的過濾除雜精製及濃縮）

3、中空膜系統（水處理行業預處理）

超過濾是一種薄膜分離技術。就是在一定的壓力下(壓力為0.07～0.7MPa，最高不超過1.05MPa)，水在膜面上流動，水與溶解鹽類和其他電解質是微小的顆粒，能夠滲透超濾膜，而相對分子質量大的顆粒和膠體物質就被超濾膜所阻擋，從而使水中的部分微粒得到分離的技術。

超濾膜的孔徑是數十至幾百埃、介於反滲透與微孔膜之間。超濾膜的孔徑是由一定相對分子質量的物質進行截留試驗測定的，並以相對分子質量的數值來表示。在水處理中，應用超濾膜來除去水中的懸浮物質和膠體物質。在醫藥工業上超濾膜的應用也十分廣泛。

超過濾膜受到污染或結垢時，一般採用雙氧水或次氯酸鈉溶液來清洗。不能通過反洗來清洗膜面。超過濾最高運行温度為45℃，pH=1.5～13.0。超過濾是去除水中有機物質的一項措施，也可以去除微量膠體物、生物體以及樹脂碎末等。超過濾常置於除鹽系統之後，或置於反滲透裝置之前來保護反滲透膜。

超濾膜組件中所用的膜材料一般有：二醋酸纖維(CA)，三醋酸纖維(CTA)，氰乙基醋酸纖維(CN-CA)，聚碸(PS)，磺化聚碸(SPS)，聚碸酰胺(PSA)，還有酚酞側基聚芳碸(PDC)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚丙烯腈(PAN)，聚酰亞胺(PI)，甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈共聚物(MMA-AN)及纖維素等。其中以醋酸纖維素(CA)、聚碸(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚醚碸(POS)等已廣為應用。此外，還有動態形成的超濾膜。

膜技術是膜分離技術的簡稱，是仿生物學膜，通過人工材料（膜材料）實現不同介質分離的技術，分離的過程多由壓力、濃度差、電勢差等因素驅動。按照分離精度的不同，壓力驅動膜又可以分為微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜和反滲透（RO）膜等等。

膜技術廣泛用於環境、能源、電子、醫藥等各個方面，近二十年來，由於膜技術可以去除常規處理工藝難以去除的水污染物，在水處理領域的應用越發受到各國重視，不同種類的膜技術分別應用於不同的細分領域，主要下游包括市政污水處理及再生、自來水處理、工業水回用、海水淡化、家用淨水器等。