目前膜技术作为一一个古老但是新兴的技术,技术开发越来越深入,应用范围越来越广泛,本文总结目前世界上现有的膜处理技术,详细介绍各种膜技术的原因及应用领域!

一、微滤(MF)膜技术

1、微滤( MF )的基本原理

微滤膜能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体(无机盐)等通过,但会截留悬浮物,细菌,及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为: 0.3-7bar。微滤膜过滤是世界上开发应用最早的膜技术,以天然或人工合成的高分子化合物作为膜材料。对微滤膜而言,紛离机理主要是筛分截留。

2、微滤膜的应用

(1 )水处理行业:水中悬浮物,微小粒子和细菌的去除;

(2)电子工业:半导体工业超纯水、集成电路清洗用水终端处理;

(3)制药行业:用纯水除菌、除热原,药物除菌;

(4)医疗行业:除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体;

(5)食品工业:饮料、酒类、酱油、.醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质、酵母和霉菌的去除,果汁的澄清过滤。

(6)化学工业:各种化学品的过滤澄清。

二、超滤(UF)膜技术

1、超滤(UF )原理

超滤( Ultra-filtration, UF )是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术。超滤膜系统是以超滤膜丝为过滤介质,膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜只允许溶液中的溶剂(如水分子)、无机盐及小分子有机物透过,而将溶液中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留,从而达到净化和分离的目的。

超滤过滤孔径和截留分子量的范围一直以来定义较为模糊, -般认为超滤膜的过滤孔径为0.001-0.1微米，截留分子量( Molecular weigh cut- off, MWCO )为1,000- 1,000,000 Dalton。严格意义上来说超滤膜的过滤孔径为0.001-0.01微米,截留分子量为1,000-300,000 Dalton。若过滤孔径大于0.01微米,或截留分子量大于300,000Dalton的微孔膜就应该定义为微滤膜或精滤膜。

2、超滤膜的应用

超滤膜的应用范围极其广泛,基本上涉及过滤的行业都可以用到过滤设备,基本过滤的行业如下:

纯水与超纯水制备工艺中作为反渗透预处理以及超纯水的终端处理;工业用水中用于分离细菌、热源、胶体、悬浮杂质及大分子有机物;饮用水、矿泉水净化;发酵、酶制剂工业、制药工业的浓缩、纯化与澄清;果汁浓缩、分离;大豆、乳品、制糖工业、酒类、茶汁、醋等的分离、浓缩与澄清;工业废水与生活污水的净化和回收;电泳漆的回收。

超滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降，板框过滤 ,真空转鼓,离心分离,溶媒萃取,树脂提纯,活性炭脱色等工艺过程。该过程为常温操作,无相态变化,产生二次污染。

三、纳滤(NF)膜技术

1、纳滤(NF )原理

纳滤(NF)是-种新型分子级膜分离技术,是目前世界膜分离领域研究的热点之一。NF膜孔径在1nm以上,一般在1-2nm ;对溶质的截留性能介于RO与UF膜之间; RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率,但NF膜只对特定的溶质具有高脱除率。NF膜能够去除二价、三价离子, Mn≥200的有机物,以及微生物、胶体、热源、病毒等。

纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷,这是它在很低压力下(仅0.5MPa )仍具有较高脱盐性能和截留分子为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因,也是NF运行成本较低的主要原因。

NF适合各种含盐水源,水利用率-般为75%~ 85% ,海水淡化时在30%~ 50% ,没有酸碱废水排放。

2、纳滤膜在水处理中的应用

( 1 )纳滤膜在饮用水中的应用:纳滤操作压力小,是饮用水制备和深度净化的***工艺。

目前,大多数城市的给水水源均受到不同程度的污染,而自来水厂的常规处理工艺对水中有机物去除率不高,当采用氯杀菌消毒时，氯又 会与水中的有机物会生成卤代副产物。Peltier等4年的跟踪研究表明 :采用纳滤系统后水中的DOC降低到平均0.7mgC/L，出水余氯的含量由0.35mg/L降到0.1mg/L ,最终网线中三卤甲烷( THMs )的形成比未采用纳滤系统时减少了50%。另外,由于生物降解型溶解有机碳( BCOD )的减少,改进了产水的生物稳定性。

纳滤技术能够去除绝大部分的Ca、Mg等离子,因此脱盐是纳滤技术应用最多的领域。膜法水处理技术在投资、操作和维修及价格等方面与常规的石灰软化和离子交换过程相近,但具有无污泥、不需再生、完全除去悬浮物和有机物、操作简便和占地省等优点,应用实例较多。纳滤可以直接用于地下水、地表水和废水的软化,还可以作为反渗透、太阳能光伏脱盐装置等的预处理。

( 2 )纳滤膜在海水淡化中的应用:海水淡化是指将含盐量为35000mg/L的海水淡化至500mg/L以下的饮用水。

( 3 )纳滤膜在废水处理中的应用:

①生活污水:生活污水一般用生物降解/化学氧化法结合处理 ,但氧化剂的用量太大,残留物多,超滤出水水质可达到回用至宾馆厕所冲洗、绿化等环节的用水要求,纳滤出水水质可达到生活饮用水卫生标准(GB5749.85)，可以回用至宾馆洗衣、洗浴等用水要求更高的环节。

②纺织、印染废水:纺织废水中含有的染料很难用生物的方法去除,而酸性、活性、直接和分散染料水溶液的浓度、压力、总溶解性固体和无机盐含量等对纳滤膜截留性能都有可能造成影响。

③制革废水:制革废水含有高浓度的有机物、硫酸盐和氯化物,酸洗工序的废液电导值达到75mS/cm。

④电镀废水:电镀工厂往往产生大量废液,尽管采取酸化、化学无害化、沉降和分离污泥等复杂处理步骤,产水含盐高,不能重新回用。

⑤造纸废水:在纸浆和造纸业中,匀浆、漂白和造纸等工序都需要大量的水。实现水系统的(半)密闭循环是纸浆厂、造纸厂节约水资源降低排放量的***途径。传统活性污泥法的产水中还含有部分有色化合物、微生物、抗体和少量的生物分解物,悬浮固体等,仅能被用于制造包装纸,不能用于更***别纸的生产。另外,该法不能减少无机盐的含量。

四、反渗透(RO)膜技术

1、反渗透(RO)的原理

反渗透是一种以压力为推动力的膜分离过程在使用中为产生反渗透压需用水泵给含盐水溶液或废水施加压力以克服自然渗透压及膜的阻力使水透过反渗透膜,将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜的另一侧。

2、反渗透膜在水处理中的应用

( 1 )在水处理方面的常规应用

水是人们赖以生存和进行生产活动必不可少的物质条件。由于淡水资源日益缺乏,世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万吨。

( 2 )在城市污水方面的应用

目前,反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用尤其是污水处理厂二级出水回用及中水回用等,已受到高度重视。

( 3 )在重金属废水处理方面的应用

含重金属离子废水的常规处理方法都只是一种污染转移,即将废水中溶解的重金属转化成沉淀或更加易于处理的形式,其最终处置常常是进行填埋,而重金属对地下水和地表水环境造成二次污染的危害依然长期存在。

( 4 )在含油废水方面的应用

含油废水是一种量大面广的工业废水,若直接排入水体，会在水体表层产生油膜阻碍氧气溶入水中从而致使水中缺氧、生物死亡、发出恶臭,严重污染生态环境,利用膜处理技术,油田采出水处理到锅炉用水水质,于是处理后的水回用于电站锅炉给水。

五、渗析膜技术

1、各种渗析膜技术原理

( 1 )渗析:渗析(Dialysis ,简称D)是溶质在自身的浓度梯度作用下,从膜的上游传向膜的下游的过程。

渗析是最早被发现并研究的膜分离技术,但因为受到本身体系的限制,渗析过程进行缓慢,效率低下,渗析过程的选择性不高,因此渗析过程主要用于脱除含有多种溶质溶液中的低分子量组分,如血液渗析,即以渗析膜代替肾来去除尿素、肌酸酐、磷酸盐和尿酸等有毒的低分子量组分,以缓解肾衰竭和尿毒症患者的病情。

( 2 )电渗析:电渗析(Electrodialysis ,简称ED)是在直流电场的作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜对溶液中的阴阳离子的选择性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。

( 3 )倒极电渗析(EDR) :倒极电渗析就是根据ED原理,每隔一定时间(一般为15 ~ 20min) ,负电极极性相互倒换,能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢,以确保离子交换膜工作效率的长期稳定及淡水的水质水量。在20世纪80年代后期,倒极电渗析器的使用,大大提高了电渗析操作电流和水回收率,延长了运行周期。EDR在废水处理方面尤其有独到之处,其浓水循环、水回收率***可达95%。

( 4 )液膜电渗析(EDLM) :液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜,其实验模型就是用半透玻璃纸将液膜溶液包制成薄层状的隔板,然后装入电渗析器中运行。利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可能为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效的分离方法,因为寻找对某种形式离子具有特殊选择性的膜与提高电渗析的提取效率有关。提高电渗析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前途的。例如,固体离子交换膜对铂族金属(锇、钌等)的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过程,应用液膜则无此弊端。

( 5 )填充床电渗析(EDI) :填充床电渗析(EDI)是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法,它的****特点是利用水解离产生的H+和OH-自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂,从而实现了持续深度脱盐。它集中了电渗析和离子交换法的优点,提高了极限电流密度和电流效率。填充床电渗析技术具有高度先进性和实用性,在电子、医药、能源等领域具有广阔的应用前景，可望成为纯水制造的主流技术。

( 6 )双极性膜电渗析(EDMB) :双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由层压在一起的阳离子交换膜组成,通过膜的水分子即刻分解成H+和OH- ,可作为H+和OH-的供应源。双极性膜电渗析突出的优点是过程简单，能效高,废物排放少。目前双极性膜电渗析工艺的主要应用领域在酸碱制备。例如,用双极性膜和阳膜配成的二室膜可以实现有机酸盐(葡萄糖酸钠、古龙酸钠等)的转化,同时得到碱(NaOH) ,但浓度(酸****浓度2mol.L-1 ,碱***浓度6mol.L-1)和纯度两方面都受到限制。现在开发的应用领域还有废气脱硫、离子交换树脂再生、钾钠的无机过程等。

( 7 )无极水电渗析:无极水电渗析是传统电渗析的一种改进形式,它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。例如在装置的电极紧贴一层或多层离子交换膜,它们在电气上都是相互联接的,这样既可以防止金属离子进入离子交换膜,同时又防止极板结垢,延长电极的使用寿命。由于取消了极室,无极水排放,大大提高了原水的利用率。无极水电渗析于1991年问世,在应用过程中技术不断改善,现装 置在运行方式上多采用频繁倒极的形式。目前,无极水全自动控制电渗析器已在国内20个省、市使用,近来还远销东南亚。

2、渗析膜的应用

( 1 )工业废水处理

电渗析可用于电镀废水、重金属废水等的处理,提取废水中的金属离子等,既能回收利用水和有用资源,又减少了污染排放。万诗贵等自制离子膜电解槽研究了铜生产过程中钝化液处理的可行性,结果发现,不仅可以回收其中的铜和锌,而且将Cr3+氧化成Cr6+ , 再生了钝化液。电渗析法与离子交换法结合从酸洗废液中回收重金属和酸的工艺已在工业上应用。

( 2 )饮用水及过程水处理

我国在西南地区采用电渗析法将盐泉卤水制盐，使NaCI的含量稳定提高到120g/L ,与原来采用的单纯熬盐法相比,产量增加而成本降低。

( 3 )食品工业

在白酒生产中把握质量最关键的一环是勾兑,而勾兑用水的质量是很重要的,它不仅影响白酒的内在质量,还影响白酒的外观质量,使用电渗析法处量勾兑用水，可使水质明显改善,达到国家标准。

( 4 )生化行业

采用高性能离子交换膜,应用电渗析脱盐法,分离提纯N-乙酰-L半胱氨酸,取得了较为满意的效果。根据双极性膜电渗析系统的特点,即双极性膜的阳膜析出H+ , 阴膜析出OH- , 可以把双极性膜电渗析技术应用于大豆蛋白质的分离,其有有很多优点:整个生产过程不需要添加酸和碱,资源可以循环利用, 耗水少,分离出的蛋白质中盐含量明显减少。

六、正渗透(FO)技术

1、正渗透(FO)的原理

用只能透过溶剂而不能透过溶质分子的半透膜将溶剂和溶液隔开,溶剂分子将在渗透压的作用下自发地从溶剂侧透过膜进入溶液侧,这就是渗透现象,也即所谓的“正向渗透”。

2、正渗透膜在水处理中的应用

( 1 )废水处理

关于FO在废水领域的应用在许多文献中均有报道,主要包括早期高浓度工业废水的浓缩、垃圾渗滤液的处理、生活污水的处理、市政污水处理厂污泥厌氧消解液的浓缩和空间站上直接将污水处理成饮用水的生命支持系统等。虽然这些研究中FO过程不是终端工艺,但其在预处理阶段具有很高的脱盐性能。

近年来随着FO工艺的不断发展,引起了很多学者的关注,将其与传统的膜分离技术相结合,更是近几年的研究热点。

( 2 )水质深度净化

随着中水回用技术的发展, FO在饮用水净化方面目前应用最成功的应属在空间站中将产生的生活污水直接处理成饮用水。

( 3 )海水淡化

在FO系统中，与RO相似,原料液中的水分子通过半透膜渗透到膜的渗透侧,将盐溶液截留在膜的另一侧。因此用FO作为海水淡化工艺和方法一直是研究人员研究的重点,目前已有不少专利。