膜分离技术研究近况

摘要:膜技术被称为“2l世纪的水处理技术”,现已受到越来越多的水处理工作者的关注。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤,其次是自然渗析和液膜技术。近年来,膜材料、膜组件以及膜工艺在不断更新,使得膜分离技术发展很快,在水和废水处理、化工、医疗、轻工、生化等领域得到大量应用。

关键词: 膜技术;膜材料;膜组件;膜工艺;膜污染

1 概述

1748年,法国学者Ahble Nollet发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内,首次揭示了膜分离现象。此后,膜分离技术经过了近200年漫长的发展过程。膜技术(Membrane Technology)是用天然或人工合成的高分子薄膜以外界能量位差(如压力差、浓度差、电位差和温度差等)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。

膜技术是一种分子水平上的分离技术。按照膜的功能可分为分离膜、识别膜、反应膜、能量转化膜和电子功能膜等,其中,分离膜的应用最为广泛。分离膜的根本原理在于膜具有选择透过性,按照分离过程中的推动力和所用膜的孔径不同,可分为20世纪30年代的微滤(MF);2O世纪40年代的渗析(D);20世纪5O年代的电渗析(ED);20世纪60年代的反渗透(RO);20世纪70年代的超滤(UF);20世纪80年代的气膜分离(GS);20世纪90年代的渗透汽化 (PV)和乳化液膜(ELM)等。有资料显示,目前国际膜市场的75%分布在美国、欧洲国家和日本,20世纪80年代后膜分离技术的工业化应用迅速发展,新发展了膜蒸馏和渗透汽化等膜分离过程,世界膜产售额已超过100亿美元,年增长率为14%～30%。

膜分离概念:可以将分离膜看作是把两相分开的一薄层物质,称其为“薄膜”,简称膜。膜可以是具有渗透性的,也可是具有半渗透性的,但不能是完全不透过性的。膜可以存于两流体之间也可以附着于支撑体或载体的微孔隙上,膜的厚度应比表面积小得多。成膜,以外界能量或化学位差作推动力,对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法,统称为膜分离法。膜分离法可用于液相与气相,对液相分离,可以用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系等。

膜分离是一项新兴的高效分离技术。60年代后,膜分离技术逐步在工业界得到广泛应用,目前膜及组件在全世界的年销售额已达30亿美元以上,年增长率高达14% ～30%,在1987年国际膜会议上(日本东京),膜技术被认为是20世纪末到21世纪中期最有发展前途的高新技术之一。膜分离技术目前已普遍应用于化工、轻工、电子、医药、食品、环境工程和石油行业。

纳滤(NF)膜技术是近10多年来发展起来的一种新型的膜分离技术,纳滤膜由于其特殊的孔径范围和制备的特殊处理化(如复合化、荷电化),使得纳滤膜具有较特殊的分离性能――对二价和多价离子及分子量在200～l000之间的有机物有较高的脱除性能, 对单价离子和小分子的脱除率则相对较低.NF膜所具有的特点使之特别适于海水的软化,即去除海水中易结垢的Ca2+,Mg2+,SO42-等二价离子.NF技术已经在水处理技术、环境工程等方面显示出很强的优势。在海水软化方面的研究与应用国内外也已经开展。

膜技术应用

多元多层纳米膜技术是在离子键技术上发展起来的一项镀膜技术。其应用范围有:(1)刃具、模具的表面强化。在高速钢、硬质合金制造的刃具(如钻头、铣刀、车刀)及模具表面获得超高硬度的多元多层纳米膜.提高刃具、模具的耐磨性;(2)机械零件的表面强化,如叶轮、叶片、气缸、活塞环表面获得纳米镀层,延长零件使用寿命。

富氧技术的应用亦非常广泛,一般情况下,凡需空气之处,均可用富氧来替代。特别是膜法富氧,由于设备简单、操作方便、启动快、规模可小可中、投资少、节能效果显著、免维护及用途广等,是一项日趋成熟的高新技术,被发达国家称为“资源的创造性技术”。许多文献已有这方面的应用报道:如华北制药股份有限公司玻璃分公司于1996年建设的富氧燃烧项目,使用3年后总结:随着时间的推移、技术的成熟,取得了增产、节油和合格率提高均超过10%的效果;而且采用富氧燃烧技术后,火焰燃烧状况有较大改善,火焰底部明显发白发亮,火焰强度增加,火焰尾梢减小,从而既延长炉龄,又提高产品的产量和质量。

目前,膜技术广泛的用于从含盐和被污染的水源生产可饮用水和工业废水的处理等。进一步的应用包括:药品传输系统、通过蒸汽浓度检测爆炸材料、燃料电池等。在过去的2O年中,BARC已经涉及反渗透技术的开发,用于微碱水和海水的脱盐等工艺。最近,开发了一种民用水净化器,其能够在自来水压力条件下,去除细菌污染物,生产安全的饮用水。

由于膜过滤技术是一种高教、低能耗和易操作的液体分离技术,因此在废水处理中有着广阔的应用前景。在介绍膜过滤技术性质、分类的基础上对膜过滤技术在含油废水、生活废水、造纸废水、有色废水、化工合成废水、重金属离子废水及其他废水处理的应用研究和进展状况进行了综述,讨论了膜过滤技术的研究方向和发展前景。认为减轻膜污染、研究开发廉价的过滤膜和膜组件是膜过滤技术在水处理中应重点解决的问题。在实际应用中,将膜过滤技术与其他分离技术和废水处理技术相结合,充分发挥各自优势和协同效应,得到最佳处理效果和最佳经济效益。

另外,锦化化工(集团)有限责任公司树脂厂采用膜分离技术回收VCM精馏尾气,研究了气体膜分离技术的原理,并对该技术的各项工艺参数进行了优化、调试。总结出一套最佳控制方案,彻底解决了循环气在系统中的累积、膜组件传递动力等工艺参数影响膜分离效果的问题,可使精馏尾气中的VCM、c2 H2回收率达到95%、85%以上,回收VCM 303 t/a、 H2 89 t/a,获经济效益202万元/a。

在城市饮用水膜处理方面,由于新型膜处理技术具有适应的水质范围广,出水水质好,占地面积小等优点,及其在国外的推广应用,因此这种新型的膜处理技术不仅能有效地去除水中的浊度、病原微生物和病原寄生虫,纳滤膜还能有效地去除水中的有机污染物,包括常规工艺很难去除的农药等.

结语

膜分离技术由于其良好的透过性,分离效率高,操作简便,能耗低等优点,在许多领域

得到了广泛应用,在油田采油废水处理中亦得到应用,但仍有许多方面需要改进。例如,膜组件的选择,操作条件的控制,膜材料的表面改性,减少膜污染,同时开发新型膜分离工艺与新型膜材料。成功解决了上述问题,膜分离技术将会在含油废水处理中得到更加广泛的应用。