膜技术应用行业发展研究行业基本概念.docx

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膜技术应用行业发展研究行业基本概念

膜技术应用行业发展研究-行业基本概念

行业基本概念

1、膜的简要介绍

膜是具有选择性分离功能的材料，当膜两侧存在推动力时（如压力差、浓度差、电位差等），原料组分选择性地透过膜。

利用膜的选择性分离可以实现不同液体或气体组分的分离、分级、浓缩与提纯，由于不需要发生形态的变化，膜分离技术特别适合应用于无相变和无化学变化的分离过程，已广泛应用于医药、生物、食品、石化、能源、水处理等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。

膜材料是膜技术的基础和核心，膜材料的性质和化学结构对膜分离性能起决定性地作用，根据不同分类方法膜有很多种类。

（1）根据膜的孔径

根据膜孔径的大小或阻留微粒的表观尺寸大小可分为微滤膜（Microfiltration，MF）、超滤膜（Ultrafiltration，UF）、纳滤膜（Nanofiltration，NF）和反渗透膜（ReverseOsmotic，RO）。

（2）根据膜的材质

膜的材质决定了膜的化学性能，从而决定了膜的亲水性、抗污染性、耐酸碱性、耐油脂性、耐有机溶剂性、耐高温性、耐日光性等主要化学性能指标。

膜的亲水性越强，抗污染性就越高；膜的化学稳定性越好，耐酸碱性、抗氧化性越强，则膜的耐用性越好。

根据膜材质的不同，膜可分为无机膜和有机膜，无机膜是由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石材料等制成的半透膜；有机膜是由高分子材料加工复合而成，如聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、芳香族聚酰胺、醋酸纤维素等。

有机膜的选择性广，可根据不同用途、不同性能、不同分子切割量，有选择性地制成各种膜，但当原料具有强酸、强碱、强腐蚀性、高温及高浓度有机污染特征时，有机膜容易发生腐蚀和膜孔堵塞。

有机膜和无机膜的主要特征比较如下表所示：

（3）根据膜的构型

膜的构型与其制作工艺有关，一般分为中空纤维膜、平板膜、管式膜、卷式膜，几类主要不同构型的膜性能比较如下表所示：

2、膜分离技术的简要介绍

现有的过滤分离处理技术按其技术发展阶段的不同主要分为传统过滤分离技术，膜分离技术，以及基于树脂等特殊分离材料而实现的分离技术。

（1）传统过滤分离技术

传统过滤分离技术按其作用原理的不同，主要分为物理法和化学法。

这类过滤技术对物料适应性强，但只能实现固液分离，或简单的大分子杂质去除，无法做到精细分离纯化。

①物理法

物理法是指利用物理作用如重力，将液体中呈悬浮状态的物质分离。

物理法主要包括蒸馏法、机械分离法和吸附法。

蒸馏是将水加热至沸点，气化后冷却浓缩形成水。

杂质会在不同温度下气化得以分离或形成残留物。

其主要缺点是过程中需要消耗大量的能量，使得操作费用昂贵；设备需要周期性维护以去除污垢和有机沉淀物，使得维护费用较高；由于上升的水蒸气可能携带微生物至冷凝器，从而造成蒸馏水的二次污染。

机械分离是利用自然力如压力、重力和热力分离水和杂质，其方法包括沉淀、沉积、蒸发、气浮等。

其主要缺点是分离效率较低且需要大量能耗。

吸附是利用物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力的原理分离水和杂质，所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体，尤其是在物质表面面积很大的情况下，这种吸附力能产生很大的作用，所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附，如活性炭等。

其主要缺点是活性炭无法去除细菌和病毒，如不能及时清理，极易被微生物寄生。

②化学法

化学法是指利用化学反应作用，将杂质或污染物质分离、转化，化学方法主要为化学处理。

化学处理是利用化学药剂与杂质或污染物质反应使之絮凝沉淀或转化为无害物质的方法，如臭氧化、混凝、脱卤等。

其主要缺点是在大规模应用处理效率不高；进水可能包括不同杂质或污染物质，无法同时有效去除；反应产生的副产品可能有害。

（2）膜分离技术

膜分离技术是一种新型的分离技术，主要是基于分子量级别的精细分离技术，可以根据目标物质分子量不同而实现分离，精度可以达到纳米级别，适用于产品的精制和深加工，但由于对物料预处理要求较高，一般需要与传统过滤技术结合使用，对膜材质和构型选择要求更为专业化。

膜分离技术的基本原理为料液经压力驱动通过亲水多微孔表面，大于膜孔径的物质被膜截留形成截留液，而小于膜孔径的物质透过膜形成透析液。

膜分离技术和传统分离技术相比，通常使用超滤/微滤全部或部分代替澄清、过滤、活性炭吸附和杀菌过程，以反渗透代替蒸发、纳滤则能够使浓缩与脱盐过程同时进行。

和传统分离技术相比，膜分离技术具有如下明显的优点：

①物理方法，无相变，无化学反应；

②膜分离过程在常温下操作，能耗小；

③无须加入其他化学物质，节能原材料；

④分离效率高，操作方便，占地面积小；

⑤废液排放少，环境污染小；

⑥出水水质稳定，设备维护简单。

目前，由于经济的快速发展和环境污染日益严重，突出的能源消耗问题、水稀缺和水污染问题逐渐威胁到经济和社会安全，同时随着全社会日益重视可持续发展和清洁生产，膜分离技术在多个领域有广泛的应用。

常见的膜分离技术主要包括：

①微滤、超滤技术

澄清纯化分离所采用的技术主要是微滤、超滤技术，由于其所能截留的物质直径大小分布范围广，被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。

可采用的膜组件主要有：

陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、有机管式膜。

微滤、超滤分离技术可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。

②纳滤技术

纳滤技术最显著特点是在截留那些可透过超滤的低分子有机物及重金属，同时又能透滤被反渗透截留的部分无机矿物质，使浓缩与脱盐的过程同步进行，从而达到特定的分离纯化要求。

浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有：

卷式膜、管式膜。

纳滤分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩等工艺过程。

③反渗透技术

反渗透是渗透的反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法。

反渗透技术广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术。

④MBR技术

MBR是将膜分离技术与生化处理技术结合的一种新型污水处理工艺，它是利用膜微孔截留的作用，将好氧或厌氧系统的活性污泥截留在反应器中，通过提高活性污泥浓度、延长泥龄，来提高COD、BOD等污染因子的降解效率，达到排放标准。

同时，由于是经过超滤膜过滤，出水澄清，还可省却二沉池，减少废水处理系统占地面积。

（3）基于树脂等特殊分离材料而实现的分离技术

树脂等特殊分离材料主要是利用树脂的独特性能实现分离，如大孔树脂、凝胶树脂、活性炭、硅胶等，目前工业上广泛应用的是树脂和活性炭，而树脂由于种类繁多功能强，更是得到大规模应用。

对于很多传统分离技术和膜分离技术无法解决的问题，可以通过树脂工艺得到有效的处理，如大多数无机盐离子的脱除或者离子态产品的纯化经常使用离子交换工艺；而对于分子结构相近、同分异构体、手性拆分产品则采用色谱分离工艺。

3、膜产业链

膜产业链主要包括膜材料研制、膜组件生产、膜设备制造、膜软件开发和膜技术应用。

膜技术应用要求综合解决方案提供商能够根据客户的个性化需求，根据不同物料的组成及其不同组分的特性，选择不同的膜材料，开发适宜的膜应用技术工艺和软件，从而获取最好的膜过滤速度和截留效果，进而提高产品质量、增加生产收率、降低资源消耗、减少污染排放和优化投资与运行成本。