膜分離技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1、膜分離技術的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景高國麗摘要：膜分離技術( Membrane Separation Technologies)是近十幾年發(fā)展起來的一種高新技術，隨著膜設備和技術的不斷發(fā)展和成熟，其在各行業(yè)中有著廣泛的應用。本文介紹了膜分離技術的特性，闡述了膜分離技術在食品工業(yè)、水處理、生物技術、醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設備方面的應用，并展望膜分離技術應用領域的發(fā)展前景，分析膜分離技術在膜材料、新的膜過程和膜通量等方面的發(fā)展趨勢，同時指出膜分離技術將在人類社會的發(fā)展史上起到不可替代的作用。關鍵詞：膜分離技術； 膜生物反應器； 選擇透過性膜； 膜材料； 前言：膜分離技術是指用天然或人工合成的具有選擇透過性膜，以

2、外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分的溶質和溶劑進行分離、分級、提純和濃縮的邊緣學科高新技術1。由于膜分離技術具有節(jié)能、高效、簡單、造價低、無相變、可在常溫下連續(xù)操作等優(yōu)點， 而且特別適合熱敏性物質的處理的特點，其應用已滲透到人們生活和生產的各個方面，現(xiàn)已被廣泛應用于化工、環(huán)保、生物工程、醫(yī)藥和保健、食品和生化工程等行業(yè)2。雖然膜分離技術的應用在許多方面離產業(yè)化要求還有很長的距離，但是隨著新型膜材料的不斷開發(fā)、高效的強化膜過程分離技術研究的不斷深入, 膜分離技術應將得到更加廣泛的應用，其在未來是世界各國研究的熱點，它將在各個領域發(fā)揮更引人注目的作用。現(xiàn)本文對膜技術的特點、類型及其在各方

3、面的應用現(xiàn)狀進行綜述， 并且提出了膜分離技術的發(fā)展前景。1 膜分離技術的特點膜分離技術作為一種新型的分離技術, 具有以下特點3：1.1 在常溫下進行， 特別適用于熱敏性物質的分離、分級、提純和濃縮， 且可以同步進行能較好地保持產品原有的色、香、味和營養(yǎng)成分；1.2 分離過程中不發(fā)生相變，揮發(fā)性物質損失少，節(jié)約能源；1.3 具有冷殺菌作用，保存期長，無二次污染；1.4 選擇性好，應用范圍廣，但要選擇相應的膜類型；1.5 設備簡單，易于操作，可連續(xù)進行， 效率高。2 膜分離技術的類型目前己經研究和開發(fā)的膜分離技術有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透蒸發(fā)和氣體分離等。正在開發(fā)研究中的新的膜技術有

4、真空膜蒸餾、支撐液膜、膜萃取、膜生物反應器、膜控制釋放、仿生膜以及生物膜等過程4。膜分離技術的特性及應用見表 1。表 1 膜分離技術的特性及應用膜分離法分離原理傳質推動力應用舉例微濾（MF）篩分壓差（0.050.5Mpa）儲菌、回收菌、分離病毒超濾（UF）篩分壓差（0.11.0Mpa）蛋白質和多糖的回收與濃縮反滲透（RO）篩分壓差（1.010Mpa）鹽、氨基酸濃縮，淡水制造透析（DS）篩分濃差脫鹽，除變性劑電滲透（ED）荷電、篩分電位差脫鹽、氨基酸的分解納濾（NF）篩分壓力差( 0.51.5MPa)果汁濃縮，滲透3 膜分離技術的應用現(xiàn)狀3.1 膜分離技術在食品工業(yè)中的應用膜分離技術用于食品工業(yè)

5、開始于20世紀 60 年代末， 首先是從乳品加工和啤酒的無菌過濾開始的， 隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒精類精制等方面。至今，膜分離技術在食品加工中已得到廣泛應用。主要用于以下幾個方面： (1) 利用膜分離技術對植物蛋白進行濃縮、提純和分離。 (2) 利用膜分離技術加工乳制品。 (3) 利用膜分離技術對卵蛋白驚醒濃縮。 (4) 利用膜分離技術對動物血漿進行濃縮。 (5) 利用膜分離技術對明膠進行提純。 (6)在含酒精飲料加工中的應用。 (7) 在非酒精飲料加工中的應用。 (8) 膜分離技術在處理淀粉廢水中的應用。 (9) 膜分離技術在制糖工業(yè)中的應用。 (10)膜分離技術在食用油加工中的應用。

6、 (11) 膜分離技術在食品添加劑生產中的應用。膜分離技術用于食品加工有很多優(yōu)點： 與傳統(tǒng)方法相比， 不會因加熱而產生色、香、營養(yǎng)成分等質量指標的惡化； 節(jié)省能源、設備占地面積??； 更重要的是由于分離膜性能的提高， 能在很高精度水平下分離各種成分5：6。3.1.1 在啤酒無菌過濾中的應用啤酒的無菌過濾是啤酒生產過程中提高產品質量的重要環(huán)節(jié)， 它直接關系著啤酒品質的穩(wěn)定性、外觀及口感。褚良銀等7采用無機陶瓷膜對啤酒進行除菌過濾， 對膜孔徑的選擇、膜器結構優(yōu)化、膜濾運行過程強化等方面進行了系統(tǒng)的試驗研究， 提出了一套新型高效的膜器結構與工藝設計的依據； 翁佩芳等8還采用膜錯流過濾和新型的無菌灌裝系

7、統(tǒng)的消毒滅菌方法對無菌生啤酒的生產工藝進行設計， 使整個生產工藝系統(tǒng)高效、優(yōu)化運行， 同時加強生產操作及衛(wèi)生的管理， 生產出色澤、品質優(yōu)良、保質期長的無菌鮮啤酒。3.2 膜分離技術在水處理中的應用3.2.1 在飲用水制取中的應用近年來，膜分離技術在飲用水制取方面得到了廣泛應用，而且處理規(guī)模也越來越大。僅應用超濾工藝的水廠中凈化規(guī)模每天在 20×104m3以上的已有數(shù)座，超濾水廠的總處理量已超過每天 800×104m3 9。還有許多廠家利用微濾工藝進行處理，可見，膜處理法已經成為飲用水制取最常見的方法。微濾可以有效去除小顆粒有機物和懸浮固體，但天然和人工合成的有機物僅用微濾的

8、方法是不能去除的，需要與其他方法相結合，微濾結合混凝、吸附預飲用水越來越引起人們的關注，趙鵬10等人用兩個 PAC結合微濾技術處理河水，在兩個反應器中維持很高的出水通量達到 167L/m2·h，實驗證明不同粒徑的 PAC，在高通量下都對有機物有很好的去除率。韓國的 Jeong-ikOh10等人研究微濾結合在線快速攪拌器加混凝劑生產飲用水，當加入混凝劑為1.1 mg/L時，膜阻力最小，電勢接近于零，此時具有很好的處理效果。3.2.2 在廢水處理中的應用隨著工業(yè)化的發(fā)展，大量的工業(yè)廢水和生活廢水排入水體中，嚴重影響了水質。為了保護環(huán)境不受污染，并能回收一些有用物質，需對工業(yè)和生活污水進行

9、處理，以達到排放標準要求。廢水處理中常采用超濾和納濾技術。據研究采用納濾技術處理城市污水，可有限地降低水的濁度、色度及有機物；經超濾處理后的出水可用于循環(huán)冷卻水、造紙用水等對水質要求不高的工業(yè)用水水源，這大大地提高了水的利用率。3.3 膜分離技術在生物技術中的應用11在生物技術方面, 膜技術也有各種應用，其中應用最廣泛的是微濾和超濾技術。例如： 從植物或動物組織萃取液中進行酶的精制； 從發(fā)酵液或反應液中進行產物的分離、濃縮等。膜技術應用于蛋白質加水分解或糖液生產， 有助于穩(wěn)定產品質量, 提高產品的收率和降低成本。由于應用分離膜可以在室溫下進行物理化學分離， 所以它特別適合于熱敏性生物物質的分離

10、?？梢韵胂竽し蛛x技術在生物技術方面將會得到越來越廣泛的應用。但膜技術用于生物技術也有一些問題，其中最主要的是： 與色譜法比較， 分離精度不高。同時多組分分離做不到；膜上容易形成附著層, 使膜的通量顯著下降； 操作結束后，膜清洗困難； 膜的耐用性差。這幾點是影響膜技術在生物工程領域應用的最主要的原因。因此， 如何改進和解決上述問題就成為膜分離技術在該領域應用的主要研究方向。3.4在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設備中的應用膜分離技術在這方面的應用已經有30多年的歷史,現(xiàn)在微濾、超濾、反滲透和滲透等膜技術已經在醫(yī)藥和醫(yī)療設備上得到了廣泛的應用12。在制藥工業(yè)中膜技術主要用于：利用微濾技術進行藥物澄清；利用超濾和反

11、滲透技術進行藥液精制和濃縮；利用分滲透技術制備滅菌水，除熱原水和注射水等；滲析技術在醫(yī)藥科學中的典型應用是人工模擬腎臟進行血液的透析分離；利用親合膜技術,通過在膜上固載特定的功能配位鍵。在醫(yī)療設備方面除了用于藥物控制釋放的膜技術外，膜式人工肺、人工腎也都應用了膜分離技術。隨著新的膜材料的出現(xiàn)以及膜成本的降低，膜技術將會在醫(yī)藥和醫(yī)院中起到更重要的作用。3.4.1 膜分離技術在中草藥中的應用分離純化中的應用中草藥所含化學成分極其復雜，通常含有苷類、黃酮、生物堿等有效成分，同時還含有蛋白質、膠體、淀粉、無機鹽等無效成分，這些無效成分的存在，會降低有效分的濃度,影響其中藥的品質和功效，同時也給中藥的分

12、離帶來復雜性， 因此有必要對中草藥的有效部位和有效成分進行分離純化。研究表明， 不同組分間的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多數(shù)在 200- 1000，無效成分的分子量在 50000 以上,一些無機鹽類的分子量則不足 10013。膜分離技術是利用膜孔徑大小特征在常溫下對溶質和溶劑進行分離達到純化目的,研究表明膜分離技術在中草藥分離純化中的應用主要有三大功能，即截留大分子雜質、濾除小分子物質和脫水濃縮。4 膜分離技術的發(fā)展前景目前膜分離技術在許多方面得到廣泛應用，而且在某些方面應用得還比較成熟。在對產品質量要求不斷提高、生產成本要求不斷降低的今天， 膜技術的優(yōu)勢越來越明顯， 其必將取

13、代傳統(tǒng)的低效分離技術。但我們也應該清醒的認識到， 膜分離技術的大量應用畢竟是近幾十年開始的， 許多方面還不成熟， 還有待進一步深入的研究， 筆者認為主要面臨三個方面的主要問題， 即選擇性問題、通量穩(wěn)定性問題和產值問題。選擇性問題應集中于膜材料的研究， 繼續(xù)開發(fā)功能高分子膜材料和無機膜材料。對仿生膜、高效電解質膜、分子識別型膜的研究需要達到智能化、高效化和專一化目標。膜通量的穩(wěn)定性和產值比問題應集中于滲透時的防污染和膜過程強化的研究上。無論采用那種類型的膜， 都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附層等膜污染問題，這極大的影響了通量的穩(wěn)定性和產值比。因此應研究一種適用面廣的強化膜過程分離技術， 以減少

14、膜污染、增大過濾通量、延長膜壽命。這需要將許多因素結合起來綜合考慮， 如選擇合適的膜材， 合理的膜組件設計、具有針對性的清洗和防污染方法、以及周密的工藝流程設計等方面。雖然膜分離技術的廣泛成熟應用在許多方面離產業(yè)化要求還有很長的距離， 但是隨著新型膜材料的不斷開發(fā)、高效的強化膜過程分離技術研究的不斷深入， 膜分離技術應將得到更加廣泛的應用，其在未來是世界各國研究的熱點，它將在各個領域發(fā)揮更引人注目的作用。因此，目前膜分離技術已成為分離混合物的重要方法，越來越受到人們的重視，其應用前景必將更加廣闊。5 結論膜分離技術經過近十幾年的發(fā)展，已具有較高的水平，并且不斷有新的膜分離技術被開發(fā),進入應用領

15、域。膜分離技術的應用對提高生產效率,降低能耗,減少或消除環(huán)境污染具有重要意義，隨著我國膜分離技術的發(fā)展，其在化學工業(yè)中的應用必將有一個飛躍，人們將逐步認識到，要發(fā)展化工必須大力研究開發(fā)膜技術。參考文獻1時 鈞,袁 權,高從凱.膜過程手冊M.北京:化工出版社,1999.2張文英,施南華,楊昌紅等.膜分離技術在中藥制備中的應用進展J.云南化工, 2003,23(5):27-31. 3鄭領英,王學松.膜技術M.北京:化學工業(yè)出版社,2001.4岳志新,馬東祝,趙麗娜等.膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢J.5鄭領英.國外膜分離技術在食品工業(yè)的應用概況J.膜科學與技術,1998,18 (3):1-4. 6石秉榮,洪桂秋.膜分離技術在食品工業(yè)中應用的動向 J.軟飲料工業(yè),1996,3:3-6. 7裉良銀,陳文梅,劉培坤等.生啤酒膜濾除菌技術試驗研究J.食品與機械,1999,5(1): 18-19.8翁佩芳,吳祖芳.18-19.微膜過濾法無菌鮮啤酒生產工藝設計研究J.廣州食品工業(yè)科 技,2002,18(1):11-13.9韓宏大，呂曉龍，陳 杰.超濾膜技術在水廠中的應用J.供水技術，2007,(5):14-16.10趙 鵬，張世鈺.HDPE 雙壁波紋管在市政排水工程中的應用J,山西建筑， 2007,5(08):13- 15. 11Carva