一、膜分離技術(shù)定義
膜分離技術(shù)是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過(guò)半透膜時(shí),實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù),半透膜又稱(chēng)分離膜或?yàn)V膜,膜壁布滿小孔,根據(jù)孔徑大小可以分為:微濾膜(MF)、超濾膜(UF)、納濾膜(NF)、反滲透膜(RO)等。
二、膜分離技術(shù)種類(lèi)分析
各種膜過(guò)程具有不同的分離機(jī)理,可適用于不同的對(duì)象和要求。按分離原理和按被分離物質(zhì)的大小區(qū)分的分離膜種類(lèi),從下表可以看出,幾乎所有的分離膜技術(shù)均可應(yīng)用于任何分離、提純和濃縮領(lǐng)域。反滲透和納濾作為主要的水及其它液體分離膜之一,在分離膜領(lǐng)域內(nèi)占重要地位。
三、膜分離技術(shù)的用領(lǐng)域分析
膜分離技術(shù)作為一種能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和分離性能好的分離技術(shù),正日益受到廣泛的關(guān)注。由于其兼有分離、濃縮、純化和精制的功能,又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特征,因此,目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。
1、在化工行業(yè)中的應(yīng)用
近年來(lái)膜分離技術(shù)在化工各個(gè)分支行業(yè)中的迅速發(fā)展,使得該技術(shù)日趨成熟,同時(shí)也促進(jìn)了化工行業(yè)的發(fā)展。在此領(lǐng)域已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要四大膜分離技術(shù)為反滲透、超濾、微濾、電滲,這些膜過(guò)程的裝置設(shè)計(jì)都較為成熟,已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用和市場(chǎng)。
由于各國(guó)普遍重視環(huán)境保護(hù)和治理,因而微濾和超濾分離在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用非常常見(jiàn),廣泛應(yīng)用于水中細(xì)小微粒,包括細(xì)菌、病毒及各種金屬沉淀物的去除等。例如:目前國(guó)內(nèi)一些磷肥生產(chǎn)企業(yè)采用微濾膜分離去除磷石膏廢水中含氟的化合物。膜分離技術(shù)使得石油化工中的污染、資源利用及產(chǎn)品質(zhì)和能耗等各方面都有了較大的改進(jìn)。例在合成氨的生產(chǎn)中,每天將有大量氫氣被混在施放氣中白白地掉。20年前國(guó)外開(kāi)發(fā)的一種叫(Prism)的氫反應(yīng)器解決了這個(gè)問(wèn)題。它進(jìn)料氣的氫濃度大約是60%,經(jīng)聚型中空纖維復(fù)合膜的分離,回收氫的平均濃度接近90%,氫的回收率通常都在95%以上,有的已達(dá)98.5%。
膜分離技術(shù)在化工、石油天然氣工業(yè)中具有十分廣闊的前景,它對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化及提高經(jīng)濟(jì)效益也都有著十分重要的作用盡管此項(xiàng)技術(shù)有待于進(jìn)一步的探索研究,但作為一門(mén)新興科學(xué)在不遠(yuǎn)的將來(lái)終究會(huì)在化工及石油天然氣中發(fā)揮巨大的作用。
2、在食品工業(yè)中的應(yīng)用
膜分離技術(shù)最突出的特點(diǎn)是高效節(jié)能,它可在常溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)各組分的分離、提純、濃縮,因此它尤其適合在食品加工業(yè)中應(yīng)用。隨著水資源的日益廈乏以及環(huán)境的不斷惡化,可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已提上議事日程,人們迫切地需要高效節(jié)能和廢料回收的技術(shù),膜分離技術(shù)恰恰能扮演這一角色。
隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和膜分離本身的進(jìn)展,用于食品工業(yè)中一些新的分離膜和膜過(guò)程正受到越來(lái)越多的重視。1)無(wú)機(jī)膜在食品工業(yè)的應(yīng)用已開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn),例如在啤酒生產(chǎn)和果汁加工中無(wú)機(jī)膜已開(kāi)始應(yīng)用。2)納濾膜主要用于在某些生產(chǎn)流程中代替反滲透,降低成本,同時(shí)提高質(zhì)量。用反滲透濃縮葡萄汁,把汁中所有成分都濃縮了,高酸度影響葡萄酒質(zhì)量(特別是蘋(píng)果酸),用納濾就可調(diào)節(jié)各種組分的含量,提高濃縮汁質(zhì)量。3)抗熱、抗化學(xué)試劑、死空間少的反滲透膜及卷式組件。4)滲透汽化用于從食品加工的水溶液中回收芳香化合物、酒或啤酒的去酒精、果汁濃縮、酒精生產(chǎn)等。5)膜法氣體分離用于蔬菜保鮮、發(fā)酵等過(guò)程。6)超濾酶膜反應(yīng)器用于環(huán)糊精加工;7)憎水超濾膜脂肪酶反應(yīng)器用于油及脂肪酸加工。
膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用不僅改革了傳統(tǒng)加工工藝,簡(jiǎn)化操作,降低成本, 而且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量,增加了產(chǎn)品的品種。目前,膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于乳制品、豆制品的加工、酶制劑的提純濃縮、果蔬汁的澄清及濃縮、卵蛋白的濃縮以及食糖工業(yè)、淀粉加工業(yè)、動(dòng)物屠宰加工業(yè)等多方面。據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì),膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用占各工業(yè)應(yīng)用總數(shù)的68%,其中乳品業(yè)占37% ,果汁加工業(yè)占18%,鹽水淡化占8%。
在中國(guó),膜分離技術(shù)在許多生產(chǎn)廠、食品公工藝的研究單位、食品工程的設(shè)計(jì)單位產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,有的甚至不了解膜分離技術(shù),因此,膜分離技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有待完善。對(duì)于膜分離技術(shù)這種新型科技來(lái)說(shuō),要縮短和趕上發(fā)達(dá)國(guó)家,和使中國(guó)的科技進(jìn)一步發(fā)展,就需要政府對(duì)其大量的資金投入和更多的科研人員投身到膜技術(shù)的研發(fā)中,共同努力,盡快形成自己的優(yōu)勢(shì)。膜分離技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用,將會(huì)引起工業(yè)生產(chǎn)的重大革新,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。
3、在水質(zhì)處理中的應(yīng)用
在歐、美、日等國(guó)家和地區(qū),已經(jīng)將膜分離技術(shù)作為21 世紀(jì)飲用水凈化的優(yōu)選技術(shù)。飲用水的凈化與純化是從水中去除懸浮物、細(xì)菌、病毒、無(wú)機(jī)物、農(nóng)藥、有機(jī)物和溶解氣體等。微濾可去除懸浮物和細(xì)菌,超濾可分離大分子和病毒,納濾可去除部分硬度、重金屬和農(nóng)藥等有毒化合物,反滲透幾乎可除去各種雜質(zhì),電滲析可除氟,膜接觸器可去除水中揮發(fā)性有害物質(zhì)。
眾多的應(yīng)用使膜技術(shù)在環(huán)保廢水處理中發(fā)揮著重大的作用。例如:1)無(wú)機(jī)膜和滲析結(jié)合是鈦白廢水回收再用的好途徑;2)電滲析-離子交換樹(shù)脂耦合的EDI 技術(shù)可部分代替離子交換而無(wú)需酸、堿再生, 雙極膜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種廢酸、廢堿、廢鹽水的回收再用;3)超濾法使紡織上漿的聚乙烯醇廢液濃縮回用,膜分離處理技術(shù)在印染工業(yè)上應(yīng)用也使印染廢水中的染料和水同時(shí)回用;4)反滲透法成功地將尼龍的單體己內(nèi)酰胺濃縮回收;5)超濾將成為每年數(shù)億t 含油廢水回注的關(guān)鍵技術(shù),還可對(duì)洗毛廢水、脫毛廢水、脫脂液廢水、攝影廢水和放射性廢水等進(jìn)行處理;6)用超濾和反滲透處理水溶性切削油廢水完全能達(dá)到要求。
現(xiàn)在反滲透已成為海水淡化制取飲用水最經(jīng)濟(jì)的手段,每噸水耗電在5 kW·h以下,最大的裝置處理能力達(dá)2. 0×105m3·d- 1。同樣,反滲透也是苦咸水淡化最經(jīng)濟(jì)的方法,每噸水電耗在0.5~3kW·h,最大的反滲透裝置處理能力達(dá)1.3×105m3·d-1。目前膜法日產(chǎn)約3×106m3海水淡化水和約6×106m3 苦咸水淡化水,為廣大干旱地區(qū)提供飲用水和過(guò)程用水。工業(yè)廢水是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、污水和廢液,必須進(jìn)行處理,回收有用資源,同時(shí)保護(hù)環(huán)境。早在20世紀(jì)70年代反滲透法使電鍍廢水得以循環(huán)再用。
膜分離技術(shù)在水處理中應(yīng)用很廣泛,但是廉價(jià)、性能完備的膜的制備和膜污染問(wèn)題影響著膜分離技術(shù)在水處理過(guò)程中的應(yīng)用。為此,研究新材料與開(kāi)發(fā)制膜新工藝、開(kāi)發(fā)性能完備的集成膜分離技術(shù)以及開(kāi)發(fā)膜分離與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相結(jié)合的新型膜分離過(guò)程將是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)的主要研究方向。