膜分離技術(shù)在環(huán)保中的應(yīng)用研究和進(jìn)展
行業(yè)動(dòng)態(tài)
膜分離技術(shù)是發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的高新技術(shù)，該技術(shù)具有分離效率高、無(wú)相變、無(wú)化學(xué)反應(yīng)、體積小、能耗低和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。它在“物質(zhì)的分離與濃縮”過(guò)程中應(yīng)用范圍非常廣泛，發(fā)展前景十分廣闊。特別是近年來(lái)，膜分離技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破。它作為高新技術(shù)，相對(duì)于環(huán)保產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，具有明顯的技術(shù) 性和投資經(jīng)濟(jì)性。
1 膜分離技術(shù)概況
1.1 膜分離技術(shù)
膜分離是通過(guò)膜對(duì)混合物中各組分的選擇滲透作用的差異，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力對(duì)雙組分或多組分混合的氣體或液體進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集的方法。目前，已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過(guò)程有微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）、滲析（D）、電滲析（ED）、氣體分離（GS）、滲透汽化（PV）、乳化液膜（ELM）等。
1.2 膜分離學(xué)科發(fā)展的主要學(xué)科支持體系
以選擇性分離膜為中心的膜科學(xué)主要圍繞幾個(gè)方向深入研究：膜材料和膜結(jié)構(gòu)；膜制備與膜形成機(jī)理；膜性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系；膜過(guò)程和傳遞機(jī)理；過(guò)程和設(shè)備設(shè)計(jì)與優(yōu)化；膜應(yīng)用研究等。膜分離技術(shù)能在短短30年內(nèi)迅速發(fā)展是因?yàn)樗袌?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，例如化學(xué)滲透壓學(xué)說(shuō)、氣體膜透過(guò)理論、膜孔徑理論、膜平衡概念、定電位學(xué)說(shuō)、雙電層理論等等，近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為分離膜材料研究提供了良好的條件，高分子科學(xué)的進(jìn)展為膜分離提供了具有各種特性的合成高分子膜材料；電子顯微鏡等近代分析技術(shù)的進(jìn)展為分離膜的結(jié)構(gòu)分析和分離機(jī)理研究提供了有效手段?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要節(jié)能、低品位原料的再利用和消除環(huán)境污染的新技術(shù)，而膜分離正好能滿足這些需要。
1.3 發(fā)展膜分離技術(shù)的重要性
膜分離技術(shù)是近三十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，亦是化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)。它與傳統(tǒng)的分離方法比較，具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)：
（1）高效。由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過(guò)某些物質(zhì)，而阻擋另一些物質(zhì)的透過(guò)。選擇合適的膜，可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離、提純和濃縮。
（2）節(jié)能。多數(shù)膜分離過(guò)程在常溫下操作，被分離物質(zhì)不發(fā)生相變，是一種低能耗、低成本的單元操作。
（3）過(guò)程簡(jiǎn)單、容易操作和控制。
（4）不污染環(huán)境。
由于這些優(yōu)點(diǎn)，使膜分離技術(shù)在短短的時(shí)間迅速發(fā)展起來(lái)，已廣泛有效地應(yīng)用于石油化工、生化制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、冶金、電子、能源、輕工、紡織、食品、環(huán)保、航天、海運(yùn)、人民生活等領(lǐng)域，形成了獨(dú)立的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。它的應(yīng)用與節(jié)能、環(huán)境保護(hù)以及水資源的再生有密切的關(guān)系，因此在當(dāng)今 上能源短缺、水荒和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，膜分離技術(shù)得到 各國(guó)的普遍重視，歐、美、日等發(fā)到 投巨資立專項(xiàng)進(jìn)行開發(fā)研究，已在此領(lǐng)域取得 地位。
2 膜分離技術(shù)在環(huán)保中的應(yīng)用研究
2.1 在水處理中的應(yīng)用
膜技術(shù)可以有效地提高水資源的利用程度，在海水淡化、滴灌以及工業(yè)用水循環(huán)使用的實(shí)踐中都取得了較好的效果。膜分離技術(shù)作為較佳的水處理方法已成為研究的熱點(diǎn)并取得了很好的成果。
2.1.1 膜技術(shù)在凈水處理中的應(yīng)用
（1）制取鍋爐補(bǔ)給水。發(fā)電廠鍋爐補(bǔ)給水要求水純度高、水量大、且能連續(xù)供水。以前一般采用全離子交換法制水，但遇到含鹽量較高（如500mg/L）的水源時(shí)，再生用酸、堿量大，環(huán)境污染嚴(yán)重，且水質(zhì)不穩(wěn)定。目前 上發(fā)達(dá) 大都采用反滲透-離子交換工藝制取鍋爐補(bǔ)給水。我國(guó)20世紀(jì)80年代初上海楊浦電廠和天津軍糧城電廠就引進(jìn)了反滲透制取鍋爐補(bǔ)給水裝置。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明采用反滲透法不但改善了供水水質(zhì)，還可節(jié)約酸堿處理費(fèi)用。近年來(lái)越來(lái)越多的發(fā)電廠采用了反滲透法制取鍋爐補(bǔ)給水，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外，還可用電滲析法制取鍋爐補(bǔ)給水，采用電滲析-離子交換工藝在山東濰坊建成100m3/h電廠鍋爐補(bǔ)給水示范工程。其后在河南鞏義又建成240m3/h電廠鍋爐補(bǔ)給水供應(yīng)站。這兩個(gè)工程在提高電滲析水回收率，延長(zhǎng)電滲析器清洗周期，改善電廠鍋爐給水水質(zhì)，防止結(jié)垢，節(jié)水和節(jié)煤以及節(jié)酸堿方面取得了滿意結(jié)果。
（2）制取純凈水。為消除飲用水消毒副產(chǎn)物和水塔及水箱對(duì)自來(lái)水的二次污染，反滲透（RO）、納濾（NF）、微濾（MF）、超濾（UF）等膜技術(shù)成為替代傳統(tǒng)技術(shù)的方法。RO技術(shù)無(wú)相變，能耗低，膜選擇性高，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便易維修和不污染環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)純凈水生產(chǎn)一般采用反滲透法。NF對(duì)二價(jià)（如鈣鎂離子）或多價(jià)離子及分子量介于200～500之間的有機(jī)物有較高的脫除率，可除去飲用水中加氯前三鹵代烷前驅(qū)物，適用于硬度和有機(jī)物高的且濁度低的原水。MF、UF既可除去水中病菌、病毒、熱源、膠體、COD、BOD等有害物質(zhì)，又可透析對(duì)人體有益的無(wú)機(jī)鹽。近年來(lái)大多數(shù)的礦泉水生產(chǎn)廠家均采用超濾或微濾技術(shù)除菌、除膠體、除絮凝物和顆粒等。
廈大三達(dá)公司擁有 國(guó)際的膜分離技術(shù)，該技術(shù)可以將西部的鹽堿水、硬水等劣質(zhì)水分離成為安全的飲用水，還可將工業(yè)和生活污水進(jìn)行回收分離，成為安全飲用水，實(shí)現(xiàn)用水的污染零排放，從而有效解決我國(guó)西部地區(qū)的缺水問題，這對(duì)我國(guó)西部地區(qū)水資源的開發(fā)、保護(hù)和有效利用有著特殊的意義。
2.1.2 膜技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用
在廢水處理方面，膜分離技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛。值得一提的是，由于在膜分離過(guò)程中不加入任何其他物質(zhì)，因此膜技術(shù)凈化廢水的過(guò)程，同時(shí)也使有用物質(zhì)得以回收，產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)效率得以提高，成本降低，能耗與物耗減少，污染消除或減輕。
從20世紀(jì)70年代初期首先使用反滲透（RO）法處理電鍍污水并用于鍍鎳污水的回收處理，此后又應(yīng)用于處理鍍鉻、鍍銅、鍍鋅等漂洗水以及混合電鍍污水。1965年英國(guó)首先發(fā)表了用半透膜處理電泳涂料污水的專利。1983年又有人用反滲透法處理染料溶液的研究。1969年美國(guó)首先報(bào)道了活性污泥法和微濾法處理城市污水的方法。1972年開始的膜生物反應(yīng)器研究近年已進(jìn)入實(shí)用階段。近20年來(lái)，膜分離技術(shù)先后在含油、脫脂廢水、纖維工業(yè)廢水、造紙工業(yè)廢水、放射性廢水和高層建筑廢水等各類污水處理中得到可廣泛的應(yīng)用。比如，采用超濾膜處理電泳漆廢水，不僅處理后的水可以回用于清洗，而且分離出的涂料也可以回用；采用納濾膜處理染料廢水，不僅可以凈化水，還可回收染料。電鍍是當(dāng)今全球三大污染工業(yè)之一。由長(zhǎng)沙力元新材料股份有限公司與 海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心設(shè)計(jì)、制造的電鍍漂洗液鎳回收系統(tǒng)已成功運(yùn)用。電鍍廢水經(jīng)該工藝技術(shù)處理后得到回用，廢水中的有價(jià)原材料（硫酸鎳、氯化鎳）濃縮后回到電鍍槽得以回收，基本達(dá)到零排放。因此，膜集成技術(shù)用于電鍍廢水資源化，不僅不會(huì)造成二次污染，而且還回收了廢水中的有害重金屬，變害為寶，同時(shí)使水資源得到再利用。
2.2 其他膜技術(shù)的研究應(yīng)用
20世紀(jì)80年代以來(lái)，氣體膜分離技術(shù)得到迅速發(fā)展，已在化工、石油化工等行業(yè)獲得較廣的應(yīng)用，而膜富氧技術(shù)的發(fā)展對(duì)節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)和提高人類生活質(zhì)量均具有重大的作用。氣體分離和滲透汽化是正在發(fā)展中的技術(shù)。其中氣體分離相對(duì)較為成熟一些。目前已有工業(yè)規(guī)模的氣體分離體系是空氣中氧和氮的分離；合成氨廠中氨、氮、甲烷混合氣中氫的分離；天然氣中二氧化碳與甲烷的分離。滲透汽化是這些膜過(guò)程中 有相變的過(guò)程，在組件和過(guò)程設(shè)計(jì)中均有特殊的地方。它主要用于有機(jī)物/水，水/有機(jī)物，有機(jī)物/有機(jī)物分離，是較有希望取代某些高能耗的精餾技術(shù)的膜過(guò)程。除了以上已在工業(yè)應(yīng)用的膜分離過(guò)程外，還有許多正在開發(fā)研究中的新膜過(guò)程，它們是膜萃取、膜蒸餾、雙極性膜電滲析、膜分相、膜吸收、膜反應(yīng)、膜控制釋放、膜生物傳感器等。這些膜過(guò)程目前尚處在小型試驗(yàn)和中試階段。
3 膜分離技術(shù)的發(fā)展前景
3.1 膜技術(shù)應(yīng)用前景廣闊
膜分離技術(shù)在環(huán)保中尤其是在水處理的廣泛應(yīng)用中進(jìn)展十分迅速，許多發(fā)達(dá) 越來(lái)越多的應(yīng)用膜分離技術(shù)來(lái)處理污水以解決環(huán)境污染問題和水資源短缺問題。近幾年的應(yīng)用實(shí)踐證明，我國(guó)膜技術(shù)已步入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段，市場(chǎng)潛力很大，應(yīng)用前景廣闊。
3.2 應(yīng)用開發(fā)動(dòng)向
進(jìn)行以水處理為主的膜材料及膜研究，如大通量、高表面積的反滲透膜研究、界面縮聚法制備納濾膜活性層的方法；大通量高選擇性氣體分離膜研究；二氧化碳分離、有機(jī)廢氣處理的研究；從水中分離有機(jī)物的高選擇性膜研究和有機(jī)物/有機(jī)物分離膜研究；另外還有膜過(guò)程在環(huán)境保護(hù)及治理、水資源再生、燃料電池隔膜的理論和應(yīng)用研究；具有更好耐酸堿、耐熱、耐壓、耐有機(jī)溶劑性能、抗氧化、抗污染性能和易清洗性能的高聚物膜、無(wú)機(jī)膜和生物膜材料；結(jié)合多種膜過(guò)程優(yōu)點(diǎn)的集成膜過(guò)程；取代反滲透和蒸發(fā)工藝的膜蒸餾過(guò)程等。
4 結(jié)語(yǔ)
膜分離技術(shù)被稱為是“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”。我國(guó)膜分離技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用水平與 水平尚有較大差距，急需開發(fā)適合環(huán)保領(lǐng)域的高效分離膜和大型組件。可以預(yù)計(jì)，本世紀(jì)膜分離技術(shù)將得到迅速的發(fā)展，在污水處理領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。
