膜分离技术的应用及发展趋势岳志新１，马东祝２，赵丽娜３，赵寒梅３（１．河北理工大学，河北唐山０６３００９；２．河北工业职业技术学院，河北石家庄０５００９１；３．唐山市环保局，河北唐山０６３００６）摘要：综述世界和中国膜分离技术的发展，并对膜分离技术的基本特性、技术特点、膜材料、分类及膜分离装置进行了简单介绍；并介绍了膜分离法在化工及石油工业、食品工业、医药工业和医疗设备、生物技术和环境工程中的应用，并分析了膜分离技术将会在膜材料、新的膜过程和集成膜过程３个方面的发展趋势。

同时指出如果能解决膜产品的价格、膜污染和膜分离性能的提高这３个膜的制约因素，膜分离技术将在人类社会的发展史上起到不可替代的作用。

关键词：膜分离技术；发展趋势；膜材料；膜过程中图分类号：ＴＱ０２８文献标识码：Ａ文章编号：１００１－７８５２（２００６）０５－００５２－０６０引言膜分离技术是指借助膜的选择渗透作用，在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和富集。

膜分离现象早在２５０多年以前就被发现，但是膜分离技术的工业应用是在２０世纪６０年代［１］以后。

其大致的发展史为：２０世纪３０年代微孔过滤（Ｍｉｃｒｏ－ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）；４０年代渗析（Ｄｉａｌｙｓｉｓ）；５０年代电渗析（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｄｉａｌｙ－ｓｉｓ）；６０年代反渗透（Ｒｅｖｅｒｓｅ－ｏｓｍｏｓｉｓ）；７０年代超滤（Ｕｌｔｒａ－ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）；８０年代气体分离（Ｇａｓｓｅｐａｒａ－ｔｉｏｎ）；９０年代渗透汽化（Ｐｅｒ－ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ）。

数十年来，膜分离技术发展迅速，特别是９０年代以后，随着膜（ＴＦＣ膜）的研制成功，膜分离技术的应用领域已经渗透到人们生活和生产的各个方面。

膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术，已经被广泛应用于化工、环保、电子、轻工、纺织、石油、食品、医药、生物工程、能源工程等。

国外有关专家甚至把膜分离技术的发展称为“第三次工业革命”。

膜分离技术被认为是２０世纪末至２１世纪中期最有发展前途的高新技术之一［２～６］。

中国的膜分离技术的发展是从１９５８年对离子交换膜的研究开始的，数十年来，取得了长足的进步。

目前中国研究所涉及的领域遍及膜科学与技术，从材料的应用到产品的开发等方面。

经过２０年的努力，中国在膜分离技术的研究开发方面已涌现出一批具有实用价值，接近或达到国际先进水平的成果。

但从总体上讲，中国的膜分离技术和世界先进水平相比还有不小的差距，还有待于进一步研究开发［７～８］。

１膜分离技术概述１．１膜分离技术目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。

正在开发研究中新的膜过程有：膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。

表１列出了工业应用膜过程的分类及其基本特性。

１．２膜分离技术特点［９～１０］膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，由于其多学科性特点，膜技术可收稿日期：２００６－０７－２０；修订日期：２００６－０８－０３．作者简介：岳志新（１９７８－），男，河北省唐山市乐亭县人，助教，硕士，主要从事水处理技术的研究．Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．５Ｓｅｐ．，２００６云南地理环境研究ＹＵＮＮＡＮＧＥＯＧＲＡＰＨＩＣＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＲＥＳＥＡＲＣＨ第１８卷第５期２００６年９月图１膜的分类Ｆｉｇ．１Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｓ应用于大量的分离过程。

各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求。

但有其共同的优点。

膜分离过程没有相变，节能，高效，无二次污染。

操作过程一般比较简单，经济性好，可以直接放大，可专一配膜。

可在常温下连续操作，特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。

一般来说，采用能透过气体或液体的膜分离技术对下述体系进行分离具有特殊的优越性：化学性质及物理性质相似的化合物的混合物；结构的或取代基位置的异构物混合物；含有受热不稳定组分的混合物。

当利用常规分离方法不能经济、合理地进行分离时，膜分离过程作为一种分离技术就特别适用。

另外，它也可以和常规的分离单元结合起来作为单元操作来运用。

当然，膜分离过程也有自身的缺点，如易浓差极化和膜污染、膜寿命有限等，而这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在。

１．３膜材料、分类及膜分离装置［１１～１３］膜材料分为有机和无机两大类。

有机材料主要包括纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃类、硅橡胶类、含氟高分子类等；无机材料主要以金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃等为主。

膜使分离过程的核心。

由于膜的种类和功能繁多，分类方法有多种，比较通用的有４种方法，即按膜的性质分类、按膜的结构分类、按膜的用途分类以及按膜的作用机理分类。

膜按来源形态和结构分类见图１。

表１工业应用膜过程的分类及其基本特性Ｔａｂ．１Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓ’ｓｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ岳志新等：膜分离技术的应用及发展趋势第１８卷５３根据膜的形状，膜分离装置基本上可分为如下５类：板式结构；管式结构；卷式结构；中空纤维结构；旋叶式动态膜装置。

２膜分离技术的应用２．１在化工及石油工业中的应用在此领域已开发应用的主要四大膜分离技术为反渗透、超滤、微滤、电渗，这些膜过程的装置设计都较为成熟，已有大规模的工业应用和市场。

由于各国普遍重视环境保护和治理，因而微滤和超滤分离在化工生产中的应用非常常见，广泛应用于水中细小微粒，包括细菌、病毒及各种金属沉淀物的去除等。

例如：目前国内一些磷肥生产企业采用微滤膜分离去除磷石膏废水中含氟的化合物。

气体分离在化工和石油化工方面的应用也颇具意义，例如：在合成氨工艺中回收Ｈ２；在３次石油回采中从甲烷中分离ＣＯ２；由膜分离氧和氮等［２，１４～１６］。

电渗析在化工中的应用也较广泛，例如：自然水的纯化，海水脱盐等。

在石油化工中，膜技术广泛用于有机废气的处理；脱除天然气中的水蒸气和酸性气体；天然气中的氦的提取；合成氨池放气中回收氢气；制取富氧空气；催化裂化干气的氢烃分离等。

膜分离技术在化工、石油天然气工业中具有十分广阔的前景，它对于生产设备的优化及提高经济效益也都有着十分重要的作用。

尽管此项技术有待于进一步的探索研究，但作为一门新兴科学在不远的将来终究会在化工及石油天然气中发挥巨大的作用。

２．２在食品工业中的应用膜分离技术用于食品工业开始于２０世纪６０年代末，首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的，随后逐渐用于果汁、饮料加工、酒精类精制等方面。

至今，膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用。

主要用于以下几个方面：（１）利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。

（２）利用膜分离技术加工乳制品。

（３）利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩。

（４）利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩。

（５）利用膜分离技术对明胶进行提纯。

（６）在含酒精饮料加工中的应用。

（７）在非酒精饮料加工中的应用。

（８）膜分离技术在处理淀粉废水中的应用。

（９）膜分离技术在制糖工业中的应用。

（１０）膜分离技术在食用油加工中的应用。

（１１）膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。

膜分离技术用于食品加工有很多优点：与传统方法相比，不会因加热而产生色、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、设备占地面积小；更重要的是由于分离膜性能的提高，能在很高精度水平下分离各种成分［１７；１８］。

２．３在医药工业和医疗设备方面的应用［８；９］膜分离技术在这方面的应用已经有３０多年的历史，现在微滤、超滤、反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到了广泛的应用。

在制药工业中膜技术主要用于：（１）利用微滤技术进行药物澄清；（２）利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩；（３）利用分渗透技术制备灭菌水，除热原水和注射水等；（４）渗析技术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离；（５）利用亲合膜技术，通过在膜上固载特定的功能配位键。

在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外，膜式人工肺、人工肾也都应用了膜分离技术。

随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低，膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用。

２．４在生物技术中的应用［１９］在生物技术方面，膜技术也有各种应用，其中应用最广泛的是微滤和超滤技术。

例如：从植物或动物组织萃取液中进行酶的精制；从发酵液或反应液中进行产物的分离、浓缩等。

膜技术应用于蛋白质加水分解或糖液生产，有助于稳定产品质量，提高产品的收率和降低成本。

由于应用分离膜可以在室温下进行物理化学分离，所以它特别适合于热敏性生物物质的分离。

可以想象膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用。

但膜技术用于生物技术也有一些问题，其中最主要的是：与色谱法比较，分离精度不高。

同时多组分分离做不到；膜上容易形成附着层，使膜的通量显著下降；操作结束后，膜清洗困难；膜的耐用性差。

这几点是影响膜技术在生物工程领域应用的最主要的原因。

因此，如何改进和解决上述问题就成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。

２．５在环境工程中的应用随着工业的进一步发展，水源和大气被污染更加严重，这就要求人们提高对它们进行处理净化的能力，因此膜分离技术在环境工程中的地位越来越突出。

应用膜分离技术来处理工业废水、废气已经被证明是卓有成效的，在不少废水处理中膜分离技术能实现闭路循环，在消除污染的同时变废为宝，取得了较大的经济效益和社会效益。

除了微滤、超滤、反渗透、电渗析的过程外，渗透汽化的其他膜技术也将在２１世纪的环境工程中发挥极其重要的第１８卷云南地理环境研究５４作用。

除了上述几方面的应用外，当前膜分离技术的应用几乎涉及到国民经济的各个生产研究部门甚至是国防建设领域中。

３膜分离技术的发展趋势［７～８，１９～２１］３．１膜材料众所周知，生物膜具有惊人的分离效率。

例如，海带从海水中富集碘，其浓度比海水中碘大１０００多倍；石毛（藻类）浓缩铀的浓缩率达７５０倍。

因此，仿生是分离膜的发展方向。

生物膜是建立在分子有规则排列的基础上，而目前使用的分离膜多是功能高分子膜，是不规则链排列的聚合物。

仿生膜要克服这一根本差别，达到生物膜的分离水平，还是一个比较遥远的目标。

当前，分离膜材料发展的趋向是：（１）继续开发功能高分子膜材料。

一是根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系。

这类工作主要结合气体分离膜过程进行。

二是在膜的表面进行改性。

根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，使其“活化”。

一般的表面改性方法有：先将膜材料改性，然后成膜；过化学反应进行表面改性。