膜分離技術的現狀及前景


與其他傳統的分離方法相比,膜分離具有過程簡單、經濟性較好、往往沒有相變、分離系數較大、節能、高效、無二次污染、可在常溫下連續操作、可直接放大、可專一配膜等優點。另外膜過程特別適用于熱敏性物質的處理,所以在食品加工、醫藥、生化技術等領域具有獨特的適用性。膜分離技術被認為是20世紀末至21世紀中期最有發展前途的高新技術之一。

膜分離技術作為一種新興的高效分離技術,現在已被廣泛應用于化工、環保、電子、輕工、紡織、石油、食品、醫藥、生物技術、能源工程等。國外有關專家甚至把膜分離技術的發展稱為“第三次工業革命”。

目前我國研究所涉及的領域遍及膜科學與技術,從材料的應用到產品的開發等各方面。經過20年的努力我國在膜分離技術的研究開發方面已涌現出一批具有應用價值,接近或達到國際先進水平的成果。如空氣中有機蒸氣的膜法脫除與回收技術;無機膜反應分離技術;集成分離技術等。但從總體上講,我國的膜分離技術和世界先進水平相比還有不小的差距,還有待于進一步研究開發。


膜分離的歷史

人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。其發展的歷史大致為:20世紀30年代微孔過濾;40年代透析;50年代電滲析;60年代反滲透;70年代超濾和液膜;80年代氣體分離;90年代滲透汽化。此外,以膜為基礎的其它新型分離過程,以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程也日益得到重視和發展。

我國的膜科學技術開始于1958年離子交換膜的研究,20世紀60年代研究反滲透膜,曾組織全國海水淡化會戰,大大地促進了我國膜科學技術的發展;70年代就已開發出反滲透、超濾、微濾和電滲析等器件設備,隨后投入工業應用;80年代繼續發展液體分離之外,氣體膜分離和滲透汽化等也進入開發和研究階段,有的已工業應用或建成中試裝置,其他新技術也在不斷研究開發之中。

一、膜分離的現狀

半個世紀以來,膜分離從實驗室到大規模工業應用的轉變以來,每10年就有一種新型的膜技術得到工業應用。

1、微濾技術

微濾是所有膜過程中應用最普遍,總銷售額最大的一項技術,主要用于制藥行業的過濾除菌;高純水的制備是目前微濾技術應用的第二大市場。近年來在食品工業的許多領域已實現工業化,可用于明膠和葡萄糖的澄清;替代傳統的硅藻土過濾果汁,效果與超濾相同;微濾在飲用水生產和城市污水處理等方面具有潛在的市場。此外,隨著生物技術工業的發展,用來濃縮和分離發酵液中的生物產品,微濾在這一領域的市場也將越來越大。

2、超濾技術

電子工業集成電路生產和醫藥工業用水過程已廣泛應用超濾技術,其主要采用中空纖維組件,膜滲透梳率大,能耗低。超濾還應用在食品和醫藥工業,乳清超濾回收其中的蛋白質,是乳品工業中應用最大的一個領域,牛奶經超濾可增加奶酪得率,該工藝正逐步取代傳統工藝,將有很大經濟效益。國外廣泛采用超濾技術澄清果汁,我國尚未普及。超濾具有能保持其生物活性及回收率高的優點,在這一領域的應用將隨基因工程技術產業的增長而增長。

3、反滲透技術

反滲透技術已成為海水和苦咸水淡化、純水和超純水制備及物料預濃縮的最經濟手段,而且隨著性能優良的反滲透膜及膜組件的工業化,反滲透技術的應用范圍從最初的脫鹽放大到電子、化工、醫藥、食品、飲料、冶金和環保等領域。隨著該項技術的全面推廣,反滲透技術將成為21世紀解決缺水地區飲用水的主要手段。

現正在開發反滲透技術在化工和石油化工工藝用水的生產和再利用,廢液處理,水、有機液體的分離,電鍍漂洗水再利用和金屬回收。食品工業正用反滲透技術開發奶品加工、糖液濃縮、果汁和乳品加工、廢水處理、生產低度酒和啤酒。

4、納濾技術

納濾是在反滲透基礎上發展起來的新型分離技術,雖然市場開拓的歷史僅有10 多年,但它在水軟化,抗生素、多糖、染料等的純化分離和濃縮領域得到了較好的應用,可替代或部分替代沉淀、蒸發和pH調節等工藝,成為生物制藥和精細化工的重要高效節能單元操作。納濾還可用于食品脫色、氨某酸分離、多肽的純化及濃縮。

5、滲析和電滲析技術

滲析也稱透析,是最早被發現和研究的膜現象。滲析技術主要用于脫除溶液中的低分子組分,如從血清蛋白和疫苗中脫除鹽和其他小分子溶質。雖然滲析技術一度由于超濾技術的發展而被取代,但近年來隨著人工腎的開發而得到廣泛的重用,成為醫療的重要手段之一,用于從腎衰竭或尿毒癥患者血液中脫除代謝產物,每年拯救近百萬人的生命。

6、氣體膜分離技術

氣體膜分離技術可廣泛用于膜法提氫,膜法富氧、富氮,工業氣體脫濕,天然氣脫濕,提氦以及脫除有機蒸氣、二氧化碳和硫化氫等。已成功和正在開發的工業應用領域有:

(1)合成氨弛放氣中H2的回收此技術現已成功,但應預先脫除可冷凝氣體H2O和NH3;

(2)O2/N2富集工業中可富集95%N2。高選擇性膜將改善膜法在空氣富氮領域中的地位;

(3)酸性氣體/碳氫化合物 已成功從生物氣中回收CO2,但可冷凝的有機物應預先除去,需合適的分離系數以保證產率。從酸性氣體中脫H2S沒有現成的裝置,但目前正在開發的膜可以應用。

7、無機膜

無機膜主要包括陶瓷膜、金屬氧化物膜(如Υ-Al2O3、ZnO、TiO2)和金屬膜等,它適合在高壓、高溫、高粘度,高固體含量、高氯化物含量和苛刻pH條件下使用。因此,它在石油化工、食品、冶金、環境工程、生物工程等領域應用前景廣闊。

我國的無機膜經過5年的努力,陶瓷微濾膜和超濾膜從無到有,初步實現了工業化生產,膜材料的技術指標和膜裝置的規模與自控水平均達到國際先進技術水平。今后我國的無機膜將在氣體分離與凈化,以及通過無機膜與其他工藝結合,改造傳統工藝等方面發揮重要的作用,逐漸形成以無機膜為核心的新集成應用技術。

結語

膜分離作為一種新型的分離單元操作過程,經過30年的發展,在技術進步、產品結構調整、節省能耗及污染治理方面日益顯示出其強大的生命力和競爭能力,已具有較高的水平。當今,膜分離已發展成產業化的高效節能分離過程和先進的單元操作過程。

目前已經成熟和不斷研發出來的微濾、超濾、反滲透、納濾、滲析、電滲折、氣體分離、滲透汽化、無機膜等技術正在廣泛用于石油、化工、壞保、能源、電子等行業中,并產生了明顯的經濟和社會效益,但目前,膜技術的發展受到了幾個方面的制約:一是膜產品的價格;二是膜污染;再有就是膜分離性能的提高。如果在這幾方面的問題能更好的解決的話,膜分離技術將會在國民經濟中發揮更為重要的作用,特別是它將對21世紀的工業技術改造,起著重要的戰略作用,它將在人類社會的發展史上起到不可替代的重要作用。

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