膜分离技术

膜分离技术

摘要：针对当前社会对污染物减排和中水回用的需求，采用一体式膜生物反应器(SMBR)对生活污水进行处理，研究了处理效果和工艺条件。 关键词：膜生物反应器；结构；原理；应用

膜分离技术是一门新兴的

高新技术，也是一门多种学科交*的科学技术。近30年来，膜分离技术在工业领域得到广泛的应用。其

机理为：通过克服膜的渗透压实现两种或多种物质间的分离。

如果将浓度不同的两种溶液用只能透过溶剂而不能透过溶质的半透明隔开，假定膜两侧静压力相等，则溶剂在自身化学位差的作用下将自发地从稀溶液侧透过膜扩散到浓溶液侧，这种现象是渗透现象。渗透现象的发生是因为膜两侧存在化学位差，溶液中溶质浓度越高，溶液的化学位越低，这将导致溶剂自发地从高化学位侧透过膜扩散到低化学位侧，直到系统达到动态平衡，即渗透平衡，此时的压力称为渗透压。

渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度，而与膜本身无关。如果我们在浓溶液侧加压，使膜两侧的静压差大于两溶液间的渗透压差时，溶剂将从浓溶液侧透过膜流向稀溶液侧，这就是所谓的反渗透现象 。

主要膜分离过程：

卷式膜管式膜中空纤微膜平板

膜

透过膜的渗透速率较快，被称之为快气；而直径相对较大或极性较弱的分子，如N2、CH4、CO等透过膜的渗透速率较慢，被称之为慢气。在压差推动力的作用下也就是气体各组分在膜两侧的分压差的作用下，快气在低压的膜的渗透侧得到富集，慢气则没有减压，在膜的非渗透侧得到富集。膜法气体分离过程中无相变，装置内没有转动部件。

现代膜分离技术分离的根本原理在于膜具有选择透过性。膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，可用于液相和气相。对于液相分离，可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系

以及含有其他微粒的水溶液体系。

根据膜的种类可分为微滤、超滤、反渗透和纳滤、透析、电渗析、渗

透气化、气体分离。

膜材料：具有选择性分离功能的过滤材料。

膜分离技术：利用膜的选择性分离特征达到浓缩、分级、纯化等目的的化工单元技术；以选择透过性材料为分离介质，以外界能量为推动力，凭借多组分流体中各组分在膜内传质速度的差异，对物质进行分离、分级、

提纯和富集的方法。

膜分离过滤原理：膜是两个或多个浓度相之间具有选择性的分离屏障，采用错流过滤分离方式，利用膜材料选择性分离功能对给组分进行分离、纯化；错流方式可有效降低膜污染及防止浓差极化现象，系统连续操

作。

㈠左图是美国Prism第二代膜，

外径0.4毫米，一根4″膜分离器有

二万多根中空纤维膜组成。

㈡膜表面的微孔大小，均匀度，

分布密度决定气体分离效果，也就是

决定用户的节能效果。

㈢气体膜分离原理相同，但是不

同品牌的膜产生节能效果完全不一

样。目前美国Prism第二代膜是世界

上顶级性能的膜，其它膜的性能都比

Prism第一代膜还要差

二、膜分离方法

正向渗透过程水分子从选择性透过膜化学势高的一侧扩散到化学势低的一侧，而压力延缓渗透是正向渗透和反渗透的中问过程，水压作用于渗透压梯度的反方向，水的净通量仍然是向浓缩液方向。正向渗透、反渗透和压力延缓渗透的方法。

膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层、在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，各组分透过膜的迁移率不同，从而达到

分离目的的技术。

膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

膜分离优点

在常温下进行

有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩

无相态变化

保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

无化学变化

典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染

选择性好

可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能

适应性强

处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化

膜分离技术发展史、现状

发展史

膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的发展是从1 958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。

现状

随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。她们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。192 5年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用。

由于膜分离技术本身具有的优越性能，故膜过程现在已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界把膜过程视为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。曾有专家指出：谁掌握了膜技术谁就掌握了化学工业的明天。

80年代以来我国膜技术跨入应用阶段，同时也是新膜过程的开发阶段。在这一时期，膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。并且，在这一时期，国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。

目前，这一潜力巨大的新兴行业正在以蓬勃的激情挑战市场，为众多的企业带来了较为显著的经济效益、社会效益和环境效益。

常用的膜分离过程

微滤

鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。

具体涉及领域主要有：医药工业、食品工业（明胶、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高纯水、城市污水、工业废水、饮用水、生物技术、生物发酵等。

超滤

早期的工业超滤应用于废水和污水处理。三十多年来，随着超滤技术的发展，如今超滤技术已经涉及食品加工、饮料工业、医药工业、生物制剂、中药制剂、临床医学、印染废水、食品工业废水处理、资源回收、环境工程等众多领域。

纳滤

纳滤的主要应用领域涉及：食品工业、植物深加工、饮料工业、农产品深加工、生物医药、生物发酵、精细化工、环保工业……

反渗透

由于反渗透分离技术的先进、高效和节能的特点，在国民经济各个部门都得到了广泛的应用，主要应用于水处理和热敏感性物质的浓缩，主要应用领域包括以下：食品工业、牛奶工业、饮料工业、植物（农产品）深加工、生物医药、生物发酵、制备饮用水、纯水、超纯水、海水、苦咸水淡化、电力、电子、半导体工业用水、医药行业工艺用水、制剂用水、注射用水、无菌无热源纯水、食品饮料工业、化工及其它工业的工艺用水、锅炉用水、洗涤用水及冷却用水

其他

除了以上四种常用的膜分离过程，另外还有渗析、控制释放、膜传感器、膜法气体分离等。

三、膜分离器结构

科滤公司提供自产的各种规格型号的中空纤维超滤/微滤膜组件以及销售全

球著名的膜产品制造商提供的卷式膜、管式膜、中空纤维膜

我公司生产的系列中空纤维膜组件

中空纤维膜组件是不对称（非均

向）的自身支撑的滤膜，可以反冲洗，

使错流过滤方式得到最大的效益。中

空纤维的此种几何组态使滤膜表面

积在最小的空间得到最大。分为内压

式和外压式两种滤膜形式。

产品有：微滤膜组件，超滤膜组

件，纳滤膜组件。

1、外压式中空纤维超滤膜组件

A：HFM-UF-90W

1

B: HFM-UF-16011W1系列外压式中空纤维超滤膜组件结构示意图

C: HFM-UF-160W2系列外压式中空纤维超滤膜组件结构示意图

2、HFM-UF-160N系内压式中空纤维超滤膜组件结构示意图

规格—性能—用途—览表

卷式膜

卷式膜是XL-1000长的膜元件，依次将进水导流层，滤膜，渗透水集中通道围绕一个带孔的管子卷绕，带孔管（即中心管）用来收集渗透水。卷式的优点是较大的滤膜面积和低能耗，以及耐高的温度和较高的工作压力，使滤膜的透水量提高。

产品有：微滤膜元件，超滤膜元件，纳滤膜元件，反渗透膜元件，使用时须套装于耐压膜壳构成膜组件。

管式膜

管式膜是将滤膜筑1″（2.54厘米）或1/2″的支撑管的内部，1″膜管单独使用，1/2″管则多个膜管束于一个大的膜管中，管式膜设计对高固体和高浓度液体过滤具有优越性，不容易阻塞，大幅度提高生产回收率。因此管式膜设计可用于任何液体分离工业的应

用，并推荐用于废水处理。

产品有：微滤膜管，超滤膜管。

四、膜分离技术主要应用于以下领域：

1.甲醇尾气回收氢(甲醇弛放气回收氢气)

2.合成氨尾气回收氢(合成氨弛放气回收氢)

3.炼厂气回收氢(加氢干气、重整气、催化干气等)

4.一氧化碳提纯

5.天然气脱水

6.天然气脱除二氧化碳(CO2)和硫化氢(H2S)

7.空气分离制氮气

技术特点

1.易于操作：随时开关方便，不需要多人操作；

2.寿命长：超过十年；

3.易于安装：占地小，重量轻，易适应于小或拥挤的地带；

4.连续开工可靠：不受过程条件变化影响具有耐各种杂质的能力；

5.适应范围宽：能抗许多化学污染；

6.维护方便：膜系统无移动部件，无需检修；

7.安全可靠：生产中产品不合格时，系统将自动关闭以保护产品质量；

8.能耗低：可降低生产成本1/2；

9.连续过程：无需循环切换，不中断产品供给

适用于上水（饮用水）用途的膜分离技术

饮用水也日益受到环境污染的，江河水、地下水的污染多数是因为三废物质排放所引起的。特别是作为污染物质，不仅是混浊物质，还常伴随有三卤甲

烷及农药等可溶解成分，以往的絮凝沉降、砂滤等不能除去可溶解成分，故还常需用活性炭吸附机臭氧氧化分解处理。

膜分离技术在饮用水方面的主要集中在以下两个方面：

1. 用微滤（MF）膜和超滤（UF）膜代替絮凝沉降和砂滤。此法可称为简易处理。膜法的优点在于不使用絮凝剂等化学药剂，在水质波动较大时仍可自动连续处理，占地面积也小。

2. 用纳滤（NF）膜或反渗透（RO）膜去除前述方法不可除去的三卤甲烷、农药等可溶解性成分。此法可称为深度处理。部分NF、RO膜对三卤甲烷的脱除效果如表5所示。由于膜材质及制造工艺不同，各种NF、RO膜对三卤甲烷的脱除率有所不同。在美国已普遍将NF、RO膜技术用于地下水为水源的城市供水系统。例如在佛罗里达州，为了去除地下水中的三卤甲烷，80年代就建成了日产水量为

3.8万立方米的NF、RO膜分离供水厂7）。膜装置排出的浓缩水的处理也是技术难点之一，在美国多向海洋或江河下游排放或向地下深井渗透。

表5 RO膜对三卤甲烷的脱除效果率评价结果

4.应用于排气的膜分离技术

大气污染的主要原因有：促进地球温暖化的二氧化碳、引起酸性雨的燃烧气体中的含硫成分、造成光化学污染的氮气及有机蒸汽成分、造成大气臭氧层破坏的氯氟碳（CFC）成分等等8）。关于这些气体的排放基准，世界各国都在制定相应的规则和环境目标。二氧化碳及二氧化硫分离膜仍未达到实用化阶段9,10)。有机蒸气分离，例如汽油蒸气的回收分离膜已有应用实例11）。有机蒸气称作挥发性有机化合物VOC(Volatile Organic Compounds)。VOC回收膜已被一些公司如日本的日东电工，美国的MTR、德国的GKSS所商品化。日本钢管（NKK）公司开发的汽油蒸汽回收膜分离装置的示意流程如图5所示。含有汽油成分的混合气体经前置过滤器除涯后导入膜分离组件，在膜透气侧设有真空泵造成负压，透过分离膜的VOC成分在吸收塔内被汽油液体所吸收。

关于氟利昂及替代氟利昂的回收，在日本，有在聚合生产线贮槽上设置替代氟利昂的膜回收装置，在欧美，有从涂膜工艺产生的HCFC-123气体的回收装置已进入实用化阶段。