膜分离技术的研究与发展化学专业学生：刘洋摘要：从现代化工和新技术发展的需求出发 ,论述了化工分离技术的重要性, 各新型分离技术的原理应用及发展现状, 并对当代化工新型分离技术的发展特点进行了探讨。
关键词: 新型分离技术 ; 膜分离 ; 集成过程; 应用化工分离工程是高等学校化学工程及工艺专业的专业基础课和必修课，主要研究各种分离过程的原理与分离物系质量、热量、动量传递过程即设备内同时进行的物理变化和化学变化的基本规律，该门课程的开设不仅要求学生具备化工原理、物理化学、化工热力学等学科基础知识，同时，还要求学生掌握一定的数值计算方法，具有一定计算机能力[1-3]。
文章就近年来在化工分离工程课程教学实践，结合对化工分离工程课程的相关认识，探索了课程教学改革。
世界万物都是由有序自发地走向无序，所有的纯物质都逐渐变成混合物。
分离技术是研究生产过程中混合物的分离、产物的提纯或纯化的一门新型学科，正是这种需求，推动了人们对新型分离技术不懈的探索。
新型分离技术目前受到材料开发、生产成本及其他学科发展的限制，工业化应用程度还不高，但它们已经在某些高新领域显示出良好的分离性能和强劲的发展势头。
1 膜分离技术的概念与原理借助于具有分离性能的膜而实现分离的过程称为膜分离过程。
由于膜分离过程一般没有相变，既节约能耗，又适用于热敏性物料的处理，因而在生物、食品、医药、化工、水处理过程中备受欢迎。
膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对液相或者气相混合物内的不同成分进行分离、提纯、浓缩的先进加工技术。
根据膜分离过程的不同特征可分为微滤( MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、渗透蒸发(PV)、渗析(D)、电渗析(ED)、电去离子技术(EDI)和气体分离(Gs)等过程。
膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法，在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力，对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。
膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。
现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术，其中在食品、药学工业中常用的有微滤、超滤和反渗透3种。
膜分离技术以其节能效果显著、设备简单、操作方便、容易控制而受到广大用户的普遍欢迎。
选择适当的膜分离过程，可替代鼓式真空过滤、板框压滤、离子交换、离心分离、溶媒抽提、静电除尘、袋式过滤、吸附/再生、絮凝/共聚、倾析/沉淀、蒸发、结晶等多种传统的分离与过滤方法。
2 国外分离技术的发展及研究进展[4］早在上世纪 30 年代，硝酸纤维素微滤膜已商品化，近年来开发出聚四氟乙烯为材料的微滤膜新品种，它使用范围非常广，销售额居于各类膜的首位.从上世纪 70 年代，超滤应用于工业领域，现在应用领域非常广泛.上世纪 80 年代，新型含氟离子膜在氯碱工业应用成功.第三代低压反渗透复合膜，性能大幅提高，已在药液浓缩、化工废液、超纯水制造等领域得到广泛应用.1979 年 Monsanto 公司成功研制出H2/N2分离系统.渗透汽化于 80 年代后期进入工业应用，主要用于醇类等恒沸物脱水，该过程节约能源，不使用挟带剂，使用起来比较经济.此外，用渗透汽化( PV) 分离有机混合物，近年也有中试规模研究的报道.3 国内分离技术的发展及研究进展［5-6］我国膜技术始于上世纪50年代末，1966 年聚乙烯异相离子交换膜在上海化工厂正式投产.1967年用膜技术进行海水淡化工作.我国在 70 年代对其它膜技术相继进行研究开(电渗析、反渗透、超滤、微滤膜)，80 年代进入应用推广阶段.中国科学院大连化物所在 1985 年首次研制成功中空纤维N2/H2分离器，现已投入批量生产.我国在 1984 年进行渗透汽化( PV) 研究，1998 年我国在燕山化工建立第一个千吨级苯脱水示范工程 .中国科技部把渗透汽化透水膜、低压复合膜、无机陶瓷膜及天然气脱湿膜等列入“九五”重点科技攻关计划，分别由清华大学、南京化工大学及中科院大连化物所、杭州水处理中心承担，进行重点开发公关.1998 年 10月国家发改委在大连投资兴建国家膜工程中心，技术上以中国科学院大连化物所为依托.4膜分离过程的优点与不足膜分离技术在生产中物料无相变过程，因而无需再沸器、冷凝器等设备，与蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等传统分离技术相比具有的优点是：（1）节约能源；（2）在常温下进行，特别适用于热敏性物质的处理，能够防止食品品质的恶化和营养成分及香味物质的损失；（3）食品的色泽变化小，能保持食品的自然状态；（4）设备体积小且构造简单，费用较低，效率较高；（5）适用范围广，有机物和无机物都可浓缩，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。
但是，膜分离技术也存在着一些不足；（1）产品被浓缩的程度有限；（2）有时其适用范围受到限制，因加工温度、食品成分、pH、膜的耐药性、膜的耐溶剂性等的不同，有时不能使用分离膜；（3）规模经济的优势较低，一般需与其他工艺相结合。
这些问题严重影响分离效率，这就要求我们必须克服此类问题，才能将膜分离技术更好地为社会服务。
5膜分离技术的应用超临界萃取是基于萃取机理的一种新型分离技术,具有节能省资源,可在温和条件下完成离操作等优点。
近二十年来,被广泛应用于石油医药食品香料中许多特定组分的萃取及分离，如从绿茶中脱除咖啡因[7 ],从啤酒花中提取有效成分[8],从油沙中提取油气[ 9 ] ,从植物中提取有价值的生物活性物质[10一 l1],如药物胡萝卜素和香精香料调味品及化妆品等;植物和动物油脂的分级和有价值物质的提取，热敏物质的分离[12 ] ;含有机物的废水处理等，双水相萃取技术已广泛应用于生物化学、细胞生物学、生物化工和食品化工等领域,并取得了许多成功的范例,主要是分离蛋白质，病毒,青霉素毒和线病毒的纯化[ 13 ],核酸,DNA酶的分离汇等[14]此外双水相还可用于稀有金属/贵金属分离[15],传统的稀有金属贵金属溶剂萃取方法存在着溶剂污染环境,对人体有害,运行成本高,工艺复杂等缺点。
双水相技术萃取技术引人到该领域, 无疑是金属分离的一种新技术。
6 分离技术的地位与角色分离技术广泛应用于石油、化工、医药、食品、冶金、原子能等许多工业领域，其所需的装备和能量消耗在整个过程工程中常占有主要地位。
以化工生产过程为例，分离方面的基建投资通常占50%~90%，所消耗的能量也往往占绝大部分。
在化工过程工业中，反应通常是过程的中心，但如果没有有效纯化产物和去除废物的过程相结合，工厂就不可能生存。
6.1分离技术在日常生活中的作用人们的日常生活离不开分离技术，每天用于洗脸、刷牙的自来水，饮用的纯净水大多通过来自江河湖海的水处理获得的；每天使用的果汁、生啤、白糖、食盐等分别通过蒸发、膜滤、结晶等方法制得；每天开车所用的汽油、煤油等都是通过对原油加氢反应除去硫磺并经分馏制得。
6.2分离技术在环境保护中的作用普通居民家庭生活污水所含成分十分复杂，直接排入江河湖泊，将会严重污染环境，目前大部分城市已经开展生活污水几种同意的生化处理，有效地将污染物分离出来或转化为无毒物质；然而对于广大农村的生活污水，如何利用湿地或氧化塘等生物处理方法，及时将有毒、有害污染物通过富集、吸收、降解或转化等手段去除已十分迫切。
6.3分离技术在人类健康与保健中的作用分离技术在医疗做出的贡献是有目共睹的，人工肾、人工肺、人工肝分别具有与人体肾、肺、肝等脏器功能的血液透析、血液氧化、脱毒作用。
利用膜的筛分作用通过透析、滤过方法净化血液、供氧和去除CO2使血液氧合，或通过置换及吸附方法使血液脱毒等，达到调节人体平衡、维持生活、延长寿命的目的6.4分离技术在能源再生与利用方面的作用化石燃烧难以持久，按当前消耗量相比，除煤可维持二三百年外，包括核能铀在内的其他能源只有60年左右的用量迫使人们不断新能源与提高利用率。
新型分离技术大致可分为三大类：第一类为对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术，如基于萃取的超临界流体萃取、液膜萃取、双水相萃取，以及基于吸附的色谱分离等；第二类为基于材料科学发展形成的分离技术，如反渗透对原油加氢反应除去硫磺并经分馏制得。
第三类为膜与传统分离技术相结合形成的分离技术，如膜吸收、膜萃取、亲和超滤、膜反应器等。
7膜分离技术的发展前景目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。
在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取代传统的低效分离技术。
但我们也应该清醒的认识到，膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深入的研究，笔者认为主要面临三个方面的主要问题，即选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。
选择性问题应集中于膜材料的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料。
对仿生膜、高效电解质膜、分子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标。
膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上。
无论采用那种类型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附层等膜污染问题，这极大的影响了通量的稳定性和产值比。
因此应研究一种适用面广的强化膜过程分离技术，以减少膜污染、增大过滤通量、延长膜寿命。
这需要将许多因素结合起来综合考虑，如选择合适的膜材，合理的膜组件设计、具有针对性的清洗和防污染方法、以及周密的工艺流程设计等方面。
虽然膜分离技术的广泛成熟应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入，膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。
因此，目前膜分离技术已成为分离混合物的重要方法，越来越受到人们的重视，其应用前景必将更加广阔。
8总结目前，各新型分离技术日新月异，已逐步走向工业化，并在中药制药、农产品加工、环境治理与保护等多领域的综合技术。
[16]由于受工艺技术和仪器发展水平的限制，我国对这些技术的应用研究还只是刚刚起步，要赶上国际先进水平还有待于进一步的努力。
参考文献[1 ]曾荣昌．“腐蚀与防护”课程建设及教学[J]．重庆工学院学报：自然科学，2008，22(6)：162-165．[2] 梅平，陈武，刘华荣．油气田缓蚀阻垢技术研究与应用[M]．北京：石油工业出版社，2011：5．[3] 柯伟．中国工业与自然环境腐蚀调查的进展[J]．腐蚀与防护，2004，25(1)：1-8．[4] 王从厚，吴鸣．国外膜工业发展概况［J］．膜科学与技术，2002，22( 1) : 65-72．[5] 郭有智．中国膜工业发展战略研究［J］．化工新型材料，2002，30( 6) : 4-8．[6] 黄加乐，董声雄．我国膜技术的应用现状与前景［J］．福建化工，2000( 3) : 3-6．[7] 叶春林,毛建卫,杨志祥, 吴元锋. 超临界CO2脱除绿茶中咖啡因和茶多酚的试验研究[J]. 食品科技, 2009,34( 9 ): 206一210 .[ 8] 杨小兰,郑海鹰,胡仕屏等. 啤酒花超临界CO2萃余物中总黄酮的提取与抗氧化活性研究[J]. 食品科学, 2008,29(11):137一141 .[9] 朱宏武.油砂超声波除油试验研究[J].石油矿场机械,2004,33( 05 ): 43-46 .[10] 何熹, 韩宁. c 0 2超临界萃取法提取玫瑰类黄酮及其保健功能研究[J].安徽农业科学,2009,(26):12699一12700.[1l] 李雪梅,赵国群, 李再兴.超临界流体萃取技术及其在食品工业中的应用[J]. 河北科技大学学报,1 999,20( 02):68一71.[12] 张志伟,杨中平.超临界流体萃取技术在农产品精深加工中的应用[J].陕西农业科学, 2005 ,5:64一66.[l3] 周如梅.超临界萃取技术在天然产物中的应用[J]企业技术开发,2005,24(07): 15一17.[l4] 刘庆芬, 胡雪生, 王玉红等.离子液体双水相萃取分离青霉素[J].科学通报,200 5,50( 08):756一761.[15] 张兰威,陈一,韩雪等.双水相萃取法从风干香肠中分离提取蛋白酶[J].分析化学,2008,36(07):900一904.[16]高云涛,吴立生.氯化钠存在下丙醇一碘化钾体系萃取分离铂的研究[J]分析试验室,200l,20(03):14一20.[l7] 袁黎明, 傅若农,张天佑等. 高速逆流色谱分离苦参中的总生物碱[J],北京理工大学学报,1997,17(02):244一247.。