膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1、膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景高國麗摘要：膜分離技術(shù)( Membrane Separation Technologies)是近十幾年發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，隨著膜設(shè)備和技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其在各行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹了膜分離技術(shù)的特性，闡述了膜分離技術(shù)在食品工業(yè)、水處理、生物技術(shù)、醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用，并展望膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景，分析膜分離技術(shù)在膜材料、新的膜過程和膜通量等方面的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)指出膜分離技術(shù)將在人類社會(huì)的發(fā)展史上起到不可替代的作用。關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)； 膜生物反應(yīng)器； 選擇透過性膜； 膜材料； 前言：膜分離技術(shù)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(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和濃縮的邊緣學(xué)科高新技術(shù)1。由于膜分離技術(shù)具有節(jié)能、高效、簡單、造價(jià)低、無相變、可在常溫下連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn)， 而且特別適合熱敏性物質(zhì)的處理的特點(diǎn)，其應(yīng)用已滲透到人們生活和生產(chǎn)的各個(gè)方面，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)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(shù)的應(yīng)用在許多方面離產(chǎn)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(qiáng)化膜過程分離技術(shù)研究的不斷深入, 膜分離技術(shù)應(yīng)將得到更加廣泛的應(yīng)用，其在未來是世界各國研究的熱點(diǎn)，它將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更引人注目的作用?，F(xiàn)本文對(duì)膜技術(shù)的特點(diǎn)、類型及其在各方

3、面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述， 并且提出了膜分離技術(shù)的發(fā)展前景。1 膜分離技術(shù)的特點(diǎn)膜分離技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù), 具有以下特點(diǎn)3：1.1 在常溫下進(jìn)行， 特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離、分級(jí)、提純和濃縮， 且可以同步進(jìn)行能較好地保持產(chǎn)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(zhì)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(yīng)用范圍廣，但要選擇相應(yīng)的膜類型；1.5 設(shè)備簡單，易于操作，可連續(xù)進(jìn)行， 效率高。2 膜分離技術(shù)的類型目前己經(jīng)研究和開發(fā)的膜分離技術(shù)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(shù)有

4、真空膜蒸餾、支撐液膜、膜萃取、膜生物反應(yīng)器、膜控制釋放、仿生膜以及生物膜等過程4。膜分離技術(shù)的特性及應(yīng)用見表 1。表 1 膜分離技術(shù)的特性及應(yīng)用膜分離法分離原理傳質(zhì)推動(dòng)力應(yīng)用舉例微濾（MF）篩分壓差（0.050.5Mpa）儲(chǔ)菌、回收菌、分離病毒超濾（UF）篩分壓差（0.11.0Mpa）蛋白質(zhì)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(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀3.1 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)

5、開始于20世紀(jì) 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(shù)在食品加工中已得到廣泛應(yīng)用。主要用于以下幾個(gè)方面： (1) 利用膜分離技術(shù)對(duì)植物蛋白進(jìn)行濃縮、提純和分離。 (2) 利用膜分離技術(shù)加工乳制品。 (3) 利用膜分離技術(shù)對(duì)卵蛋白驚醒濃縮。 (4) 利用膜分離技術(shù)對(duì)動(dòng)物血漿進(jìn)行濃縮。 (5) 利用膜分離技術(shù)對(duì)明膠進(jìn)行提純。 (6)在含酒精飲料加工中的應(yīng)用。 (7) 在非酒精飲料加工中的應(yīng)用。 (8) 膜分離技術(shù)在處理淀粉廢水中的應(yīng)用。 (9) 膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用。 (10)膜分離技術(shù)在食用油加工中的應(yīng)用。

6、 (11) 膜分離技術(shù)在食品添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用。膜分離技術(shù)用于食品加工有很多優(yōu)點(diǎn)： 與傳統(tǒng)方法相比， 不會(huì)因加熱而產(chǎn)生色、香、營養(yǎng)成分等質(zhì)量指標(biāo)的惡化； 節(jié)省能源、設(shè)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(yīng)用啤酒的無菌過濾是啤酒生產(chǎn)過程中提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)， 它直接關(guān)系著啤酒品質(zhì)的穩(wěn)定性、外觀及口感。褚良銀等7采用無機(jī)陶瓷膜對(duì)啤酒進(jìn)行除菌過濾， 對(duì)膜孔徑的選擇、膜器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、膜濾運(yùn)行過程強(qiáng)化等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究， 提出了一套新型高效的膜器結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)； 翁佩芳等8還采用膜錯(cuò)流過濾和新型的無菌灌裝系

7、統(tǒng)的消毒滅菌方法對(duì)無菌生啤酒的生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)， 使整個(gè)生產(chǎn)工藝系統(tǒng)高效、優(yōu)化運(yùn)行， 同時(shí)加強(qiáng)生產(chǎn)操作及衛(wèi)生的管理， 生產(chǎn)出色澤、品質(zhì)優(yōu)良、保質(zhì)期長的無菌鮮啤酒。3.2 膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用3.2.1 在飲用水制取中的應(yīng)用近年來，膜分離技術(shù)在飲用水制取方面得到了廣泛應(yīng)用，而且處理規(guī)模也越來越大。僅應(yīng)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(jìn)行處理，可見，膜處理法已經(jīng)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(jī)物和懸浮固體，但天然和人工合成的有機(jī)物僅用微濾的

8、方法是不能去除的，需要與其他方法相結(jié)合，微濾結(jié)合混凝、吸附預(yù)飲用水越來越引起人們的關(guān)注，趙鵬10等人用兩個(gè) PAC結(jié)合微濾技術(shù)處理河水，在兩個(gè)反應(yīng)器中維持很高的出水通量達(dá)到 167L/m2·h，實(shí)驗(yàn)證明不同粒徑的 PAC，在高通量下都對(duì)有機(jī)物有很好的去除率。韓國的 Jeong-ikOh10等人研究微濾結(jié)合在線快速攪拌器加混凝劑生產(chǎn)飲用水，當(dāng)加入混凝劑為1.1 mg/L時(shí)，膜阻力最小，電勢(shì)接近于零，此時(shí)具有很好的處理效果。3.2.2 在廢水處理中的應(yīng)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(yán)重影響了水質(zhì)。為了保護(hù)環(huán)境不受污染，并能回收一些有用物質(zhì)，需對(duì)工業(yè)和生活污水進(jìn)行

9、處理，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。廢水處理中常采用超濾和納濾技術(shù)。據(jù)研究采用納濾技術(shù)處理城市污水，可有限地降低水的濁度、色度及有機(jī)物；經(jīng)超濾處理后的出水可用于循環(huán)冷卻水、造紙用水等對(duì)水質(zhì)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(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用11在生物技術(shù)方面, 膜技術(shù)也有各種應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣泛的是微濾和超濾技術(shù)。例如： 從植物或動(dòng)物組織萃取液中進(jìn)行酶的精制； 從發(fā)酵液或反應(yīng)液中進(jìn)行產(chǎn)物的分離、濃縮等。膜技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)加水分解或糖液生產(chǎn)， 有助于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量, 提高產(chǎn)品的收率和降低成本。由于應(yīng)用分離膜可以在室溫下進(jìn)行物理化學(xué)分離， 所以它特別適合于熱敏性生物物質(zhì)的分離

10、?？梢韵胂竽し蛛x技術(shù)在生物技術(shù)方面將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但膜技術(shù)用于生物技術(shù)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(shí)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(jié)束后，膜清洗困難； 膜的耐用性差。這幾點(diǎn)是影響膜技術(shù)在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用的最主要的原因。因此， 如何改進(jìn)和解決上述問題就成為膜分離技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的主要研究方向。3.4在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在這方面的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的歷史,現(xiàn)在微濾、超濾、反滲透和滲透等膜技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用12。在制藥工業(yè)中膜技術(shù)主要用于：利用微濾技術(shù)進(jìn)行藥物澄清；利用超濾和反

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

12、離帶來復(fù)雜性， 因此有必要對(duì)中草藥的有效部位和有效成分進(jìn)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(jī)鹽類的分子量則不足 10013。膜分離技術(shù)是利用膜孔徑大小特征在常溫下對(duì)溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離達(dá)到純化目的,研究表明膜分離技術(shù)在中草藥分離純化中的應(yīng)用主要有三大功能，即截留大分子雜質(zhì)、濾除小分子物質(zhì)和脫水濃縮。4 膜分離技術(shù)的發(fā)展前景目前膜分離技術(shù)在許多方面得到廣泛應(yīng)用，而且在某些方面應(yīng)用得還比較成熟。在對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高、生產(chǎn)成本要求不斷降低的今天， 膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯， 其必將取

13、代傳統(tǒng)的低效分離技術(shù)。但我們也應(yīng)該清醒的認(rèn)識(shí)到， 膜分離技術(shù)的大量應(yīng)用畢竟是近幾十年開始的， 許多方面還不成熟， 還有待進(jìn)一步深入的研究， 筆者認(rèn)為主要面臨三個(gè)方面的主要問題， 即選擇性問題、通量穩(wěn)定性問題和產(chǎn)值問題。選擇性問題應(yīng)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(jī)膜材料。對(duì)仿生膜、高效電解質(zhì)膜、分子識(shí)別型膜的研究需要達(dá)到智能化、高效化和專一化目標(biāo)。膜通量的穩(wěn)定性和產(chǎn)值比問題應(yīng)集中于滲透時(shí)的防污染和膜過程強(qiáng)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(chǎn)值比。因此應(yīng)研究一種適用面廣的強(qiáng)化膜過程分離技術(shù)， 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(jié)合起來綜合考慮， 如選擇合適的膜材， 合理的膜組件設(shè)計(jì)、具有針對(duì)性的清洗和防污染方法、以及周密的工藝流程設(shè)計(jì)等方面。雖然膜分離技術(shù)的廣泛成熟應(yīng)用在許多方面離產(chǎn)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(qiáng)化膜過程分離技術(shù)研究的不斷深入， 膜分離技術(shù)應(yīng)將得到更加廣泛的應(yīng)用，其在未來是世界各國研究的熱點(diǎn)，它將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更引人注目的作用。因此，目前膜分離技術(shù)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(yīng)用前景必將更加廣闊。5 結(jié)論膜分離技術(shù)經(jīng)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(shù)被開發(fā),進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)

15、域。膜分離技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高生產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，其在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用必將有一個(gè)飛躍，人們將逐步認(rèn)識(shí)到，要發(fā)展化工必須大力研究開發(fā)膜技術(shù)。參考文獻(xiàn)1時(shí) 鈞,袁 權(quán),高從凱.膜過程手冊(cè)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(shù)在中藥制備中的應(yīng)用進(jìn)展J.云南化工, 2003,23(5):27-31. 3鄭領(lǐng)英,王學(xué)松.膜技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.4岳志新,馬東祝,趙麗娜等.膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)J.5鄭領(lǐng)英.國外膜分離技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用概況J.膜科學(xué)與技術(shù),1998,18 (3):1-4. 6石秉榮,洪桂秋.膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用的動(dòng)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(shù)試驗(yàn)研究J.食品與機(jī)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(chǎn)工藝設(shè)計(jì)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(shù)在水廠中的應(yīng)用J.供水技術(shù)，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(yīng)用J,山西建筑， 2007,5(08):13- 15. 11Carva