膜分離法是利用特殊薄膜對液體中的某些成分進行選擇性透過的方法的統稱。溶劑透過膜的過程稱為滲透，溶質透過膜的過程稱為滲析。常用的膜分離方法有滲析、電滲析、反滲透、超濾，其次是自然滲析和液膜技術。近年來，膜分離技術發展很快，在水和廢水處理、化工、醫療、輕工、生化等領域得到了大量的套用。
膜分離的作用機理往往用膜孔徑的大小為模型進行解釋，實質上，它是由分離物質間的作用引起的，與膜傳質過程的物理化學條件以及膜與分離物質間的作用有關。
基本介紹
- 中文名：膜分離法
- 外文名： Separation membrane
- 時間：20世紀70年代
- 特點：無相變
- 類型：滲析、電滲析、反滲透、超濾等
- 套用：水和廢水處理、化工、醫療、輕工
- 作用：減少污染，保護環境
- 優點：裝置簡單、操作簡單
釋義,特點,類型,微濾,超濾,納濾,反滲透,電滲析,滲透汽化,
釋義
膜分離是指利用膜的選擇透過性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來的過程。用膜分離溶液時，使溶質通過膜的方法稱為滲析，使溶劑通過膜的方法稱為滲透。根據溶質或溶劑透過膜的推動力和膜種類不同，膜分離法通常可以分為電滲析、反滲透、超濾及微濾。而膜技術主要有氣膜法和液膜法兩種。
膜分離法處理提金氰化廢水是指利用疏水性材料製成只允許小分子CN通過的膜材料來分離溶液中的CN-，膜的另一側則以NaOH溶液吸收，達到提純、富集、分離的目的。採用膜技術分離、濃縮氰化廢水中的氰化物，既可以回收廢水中的氰化物和貴重金屬，提高企業經濟效益和競爭力，又可以減少污染，確保環境安全。
特點
(1) 膜分離過程不發生相變，因此能量轉化的效率高，該技術是一種節能技術。例如在現有的海水淡化方法中，反滲透法能耗最低。
(2) 膜分離過程在常溫下進行，因而特別適於對熱敏性物料，如果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮。
(3) 膜分離技術不僅適用於有機物和無機物的分離以及生物學病毒、細菌到微粒的分離，而且還適用於許多特殊溶液體系的分離，如溶液中大分子與無機鹽的分離及一些共沸物或近沸物系的分離，而常規的蒸餾方法對於後者常常是無能為力的。
(4) 裝置簡單，操作容易、易控制、維修且分離效率高。作為一種新型的水處理方法，與常規水處理方法相比，膜分離技術具有占地面積小、適用範圍廣、處理效率高等優點。
類型
膜分離技術主要包括透析、超濾及反滲透、微濾、電滲析、液膜技術、氣體滲透和滲透蒸發等方法，套用最廣泛的是超濾和反滲透。
微濾
與常規過濾相比，微濾屬於精密過濾，它是截留溶液中的砂礫、淤泥、黏土等顆粒和賈第蟲、隱孢子蟲、藻類和一些細菌等，而大量溶劑、小分子及少量大分子溶質都能透過膜的分離過程。微濾操作有死端過濾和錯流(又稱切線流)過濾兩種形式。死端過濾主要用於固體含量較小的流體和一般處理規模，膜大多數被製成一次性的濾芯。錯流過濾對於懸浮粒子大小、濃度的變化不敏感，適用於較大規模的套用，這類操作形式的膜組件需要經常進行周期性的清洗或再生。
微濾膜分離過程是在流體壓力差的作用下，利用膜對被分離組分的尺寸選擇性，將膜
孔能截留的微粒及大分子溶質截留，而使膜孔不能截留的粒子或小分子溶質透過膜。微濾膜的截留機理因其結構上的差異而不盡相同，大體可分為：
(1) 機械截留作用。膜具有截留比其孔徑大或與其孔徑相當的微粒等雜質的作用，即篩分作用。
(2) 吸附截留作用。膜表面的所荷電性及電位也會影響到其對水中顆粒物的去除效果。水中顆粒物一般表面荷負電，膜的表面所帶電荷的性質及大小決定其對水中顆粒物產生靜電力的大小。此外，膜表面力場的不平衡性，也會使得膜本身具有一定的物理吸附性能。
(3) 架橋作用。粒徑大於膜孔的顆粒會在膜的表面形成濾餅層，起到架橋的作用。這樣就使得膜能夠將粒徑小於膜孔的某些物質也能截留下來。
(4) 網路內部截留作用。對於網路型膜，其截留作用以網路內部截留作用為主。這種截留作用是指將微粒截留在膜的內部，而不是在膜的表面。
超濾
超濾是在壓差推動力作用下進行的篩孔分離過程，它介於納濾和微濾之間，膜孔徑範圍在1nm～0.055m之間。最早使用的超濾膜是天然動物的臟器薄膜。直至20世紀70年代，超濾從實驗規模的分離手段發展成為重要的工業分離單元操作技術，工業套用發展十分迅速。
超濾所分離的組分直徑為5nm～10m分，可分離相對分子質量大於500的大分子和膠體。這種液體的滲透壓很小，可以忽略。因而採用的操作壓力較小，一般為0.1～0.5MPa，所用超濾膜多為非對稱膜，通常由表皮層和多孔層組成。表皮層較薄，其厚度一般小於1所用，其膜孔徑較小，主要起篩分作用。多孔層厚度較大，一般為125主要左右，主要起支撐作用。膜的水透過通量為0.5～5.0m3/(m2·m）。從膜的結構上來講，超濾的分離機理主要包括篩分理論，即原料液中的溶劑和小的溶質粒子從高壓料液側透過膜到低壓側，而大分子及微粒組分則被膜截留形成濃縮液，通過膜孔對原料液中顆粒物及大分子的篩分作用，將污染物質截留去除。
在實際情況中，超濾膜對污染物質的去除並不能都由篩分理論解釋。某些情況下，超濾膜材料的表面化學特性起到了決定性的作用。在一些超濾過程中，超濾膜孔徑大於溶質的粒徑，但仍能將溶質截留下來。可見，超濾膜的分離性能是由膜孔徑和膜的表面化學性質綜合決定的。用於衡量超濾膜性能的基本參數包括截留分子量曲線和純水滲透率。超濾膜對具有相似化學結構的不同相對分子質量的化合物的截留率所得的曲線稱為截留分子量曲線。根據截留分子量曲線可知截留量大於90%或95%的相對分子質量，該相對分子質量即為截留分子量。在截留分子量附近，截留分子量曲線越陡，膜的分離性能越好。
納濾
納濾是20世紀80年代後期發展起來的一種介於反滲透和超濾之間的新型膜分離技術。納濾膜的截留相對分子質量在200～1000之間，膜孔徑約為1nm左右，適宜分離大小約為1nm的溶解組分，故稱為納濾。納濾的操作壓力通常為0.5～1.0MPa，一般比反滲透低0.5～3MPa，並且由於其對料液中無機鹽的分離性能，因此納濾又被稱為“疏鬆反滲透”或“低壓反滲透”。納濾技術是為了適應工業軟化水及降低成本的需要而發展起來的一種新型的壓力驅動膜過濾。
納濾膜分離在常溫下進行，無相變，無化學反應，不破壞生物活性，能有效地截留二價及高價離子和相對分子質量高於200的有機小分子，而使大部分一價無機鹽透過，可分離同類胺基酸和蛋白質，實現高分子量和低分子量有機物的分離，且成本比傳統工藝低，因而被廣泛套用於超純水的製備、食品、化工、醫藥、生化、環保、冶金等領域的各種濃縮和分離過程。
納濾膜的一個顯著特徵是膜表面或膜中存在帶電基團，因此納濾膜分離具有兩個特性，即篩分效應和電荷效應。相對分子質量大於膜的截留分子量的物質被膜截留，反之則透過，這就是膜的篩分效應。膜的電荷效應又稱為Donnan效應，是指離子與摸所帶電電荷的靜電相互作用。對不帶電荷的分子的過濾主要靠篩分效應。利用篩分效應可以將不同相對分子質量的物質分離；而對帶有電荷的物質的過濾主要依靠荷電效應。
納濾與超濾、反滲透一樣，均是以壓力差為驅動力的膜過程，但其傳質機理有所不同。一般認為，超濾膜由於孔徑較大，傳質過程主要為篩分效應；反滲透膜屬於無孔膜，其傳質過程為溶解-擴散過程(靜電效應)；納濾膜存在納米級微孔，且大部分荷負電，對無機鹽的分離行為不僅受化學勢控制，同時也受電勢梯度的影響。
對於純電解質溶液，同性離子會被帶電的膜活性層所排斥，而如果同性離子為多價，則截留率會更高。同時為了保持電荷平衡，反離子也會被截留，導致電遷移流動與對流方向相反，但是，帶多價反離子的共離子較帶單價反離子的共離子的截留率要低，這可能是由多價反離子對膜電荷的吸附和禁止作用所致。對於兩種同性離子混合物溶液，根據唐南理論，與它們各自的單純鹽溶液相比，多價共離子比單價共離子更容易被截留。兩種共離子的混合液，由於它們遷移率的不同，使低遷移率的反離子的截留逐漸減少而高遷移率的反離子的濃度增加，造成電流和電遷移的“抵消”。
納濾膜對極性小分子有機物的選擇性截留是基於溶質的尺寸和電荷。溶質的傳遞可以理解為以下兩步：第一步，根據離子所帶的電荷選擇性地吸附在膜的表面；第二步，在擴散、對流、電泳移動性的共同作用下傳遞通過膜。
反滲透
溶劑與溶液被半透膜隔開，半透膜兩側壓力相等時，純溶劑通過半透膜進入溶液側使溶液濃度變低的現象稱為滲透。此時，單位時間內從純溶劑側通過半透膜進入溶液側的溶劑分子數目多於從溶液側通過半透膜進入溶劑側的溶劑分子數目，使得溶液濃度降低。當單位時問內，從兩個方向通過半透膜的溶劑分子數目相等時，滲透達到平衡。如果在溶液側加上一定的外壓，恰好能阻止純溶劑側的溶劑分子通過半透膜進入溶液側，則此外壓稱為滲透壓。滲透壓取決於溶液的系統及其濃度，且與溫度有關，如果加在溶液側的壓力超過了滲透壓，則使溶液中的溶劑分子進入純溶劑內，此過程稱為反滲透。
反滲透膜分離過程是利用反滲透膜選擇性地透過溶劑(通常是水)而截留離子物質的性質，以膜兩側的靜壓差為推動力，克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現對液體混合物進行分離的膜過程。因此，反滲透膜分離過程必須具備兩個條件：一是具有高選擇性和高滲透性的半透膜；二是操作壓力必須高於溶液的滲透壓。
反滲透膜分離過程可在常溫下進行，且無相變、能耗低，可用於熱敏感性物質的分離、濃縮；可以有效地去除無機鹽和有機小分子雜質；具有較高的脫鹽率和較高的水回用率；膜分離裝置簡單，操作簡便，易於實現自動化；分離過程要在高壓下進行，因此需配備高壓泵和耐高壓管路；反滲透膜分離裝置對進水指標有較高的要求，需對原水進行一定的預處理；分離過程中，易產生膜污染，為延長膜使用壽命和提高分離效果，要定期對膜進行清洗。
電滲析
人們很早就發現，一些動物膜如膀胱膜、羊皮紙(一種把羊皮刮薄做成的紙)，有分隔水溶液中某些溶解物質(溶質)的作用。例如，食鹽能透過羊皮紙，而糖、澱粉、樹膠等則不能。如果用羊皮紙或其他半透膜包裹一個穿孔杯，杯中滿盛鹽水，放在一個盛放清水的燒杯中，隔上一段時問．會發現燒杯內的清水帶有成味，表明鹽的分子已經透過羊皮紙或半透膜進入清水。如果把穿孔杯中的鹽水換成糖水，則會發現燒杯中的清水不會帶甜味。顯然，如果把鹽和糖的混合液放在穿孔杯內，並不斷地更換燒杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液內的食鹽基本上都分離出來，使混合液中的糖和鹽得到分離，這種方法稱為滲析法。滲析時外加直流電場常常可以加速小離子自膜內向膜外的擴散，稱為電滲析。
起滲析作用的薄膜，因其對溶質的滲透性有選擇作用，故稱為半透膜。近年來半透膜有很大的發展，出現很多由高分子化合物製造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的選擇滲析性。半透膜的滲析作用有三種類型：
1 依靠薄膜中孔道的大小分離大小不同的分子或粒子；
2 依靠薄膜的離子結構分離性質不同的離子，如用陽離子交換樹脂做成的薄膜可以透過陽離子，叫陽離子交換膜，用陰離子樹脂做成的薄膜可以透過陰離子，稱為陰離子交換膜；
3 依靠薄膜有選擇地溶解性分離某些物質，如醋酸纖維膜有溶解某些液體和氣體的性能，而使這些物質透過薄膜。一種薄膜只要具備上述三種作用之一，就能有選擇地讓某些物質透過而成為半透膜。在廢水處理中最常用的半透膜是離子交換膜。
滲透汽化
滲透汽化最先由Kober於本世紀初提出，是近年來發展比較迅速的一種膜技術，它是利用膜對液體混合物中各組分的溶解性不同，及各組分在膜中的擴散速度不同從而達到分離目的。原則上，滲透汽化適用於一切液體混合物的分離，具有一次性分離度高、設備簡單、無污染、低能耗等優點，尤其是對於共沸或近沸的混合體系的分離、純化具有特別的優勢，是最有希望取代精餾過程的膜分離技術。
按照形成膜兩側蒸氣壓差的方法，滲透汽化主要有以下幾種形式：
(1) 減壓滲透汽化。膜透過側用真空泵抽真空，以造成膜兩側組分的蒸氣壓差。在實驗室中若不需收集透過側物料，用該法最方便。
(2) 加熱滲透汽化。通過料液加熱和透過側冷凝的方法，形成膜兩側組分的蒸氣壓差。一般冷凝和加熱費用遠小於真空泵的費用，且操作也比較簡單，但傳質動力比減壓滲透汽化小。
(3) 吹掃滲透汽化。用載氣吹掃膜的透過側，以帶走透過組分，吹掃氣需經冷卻冷凝，以回收透過組分，載氣循環使用。
(4) 冷凝滲透汽化。當透過組分與水不互溶時，可用低壓水蒸氣作為吹掃載氣，冷凝後水與透過組分分層後，水經蒸發器蒸發重新使用。滲透汽化與反滲透、超濾及氣體分離等膜分離技術的最大區別在於物料透過膜時將產生相變。因此在操作過程中必須不斷加入至少相當於透過物汽化潛熱的熱量，才能維持一定的操作溫度。
