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前程似锦的膜分离技术
2006年5月30日 18:13  来源:中国化工报  作者:周有恒  

    提起膜分离技术,许多人都会感到陌生。其实,“膜”与我们每个人都息息相关,而现代膜技术能够将海水制成淡水,使污水变为清水,已成为一项功效神奇、应用广泛的高新技术。

    人类对膜的认识历史已很久远。早在18世纪中叶,有人就发现自然界中存在半透膜(后称分离膜)。后来,人们又进一步认识到,人体与各种动植物体内广泛存在半透膜。食物与水进入人体并经过消化后,人体分离膜迅速分离出其中的有害物质,而将氧气、蛋白质、脂肪、无机盐等有益物质融进血液输往身体各部分。所以,人体的新陈代谢过程就是一种膜过程。

    进入20世纪之后,人们开始了对膜过程的系统研究。那么什么是膜?膜分离技术又是什么原理呢?

    所谓“膜”,实际上是一种具有特殊选择性分离功能的有机高分子或无机材料,它能把液体分隔成不相通的两部分,使其中一种或几种物质能透过,而将其它物质分离出来。目前商品化的膜品种有醋酸纤维、聚砜、聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚脂、多孔膜、陶瓷膜与金属复合膜等。膜的分离机理或者基于渗透物分子大小不同(筛分效应),或者基于被分离物质电荷上的差别(电化学效应),或者依赖于被分离物质的物理化学特征(溶解度效应)。用隔膜分离溶液时,使溶质通过膜的方法称为渗析,使溶剂通过膜的方法称为渗透。溶质或溶剂透过膜的推动力是电动势、浓度差或压力差等。例如,超滤是对溶液施加一定的压力后,高分子物质、胶体物质等就由半透膜阻止,而水和低分子物质透过膜,这与人体中的膜过程颇为相似;电渗析则是利用离子交换膜,在外加电场的作用下,使水中的离子作定向迁移,并有选择地通过带有不同电荷的离子交换膜,从而达到溶质和溶剂分离。将其用于海水淡化,就能使海水中的各种盐分在电场力的驱动下与水分离,最终得到淡水。

    20世纪早期,人们就已经初步认识到膜过程的作用,并开始了应用方面的尝试。比如应用纤维素膜或动物膀胱膜分离蛋白质和无机盐,在生物制品生产中用渗析技术从血清中除去硫酸铵,等等。但由于当时合成膜的渗透性低、选择性差和化学稳定性等方面的限制,所以膜技术应用范围十分有限,也未形成产品。自50年代膜技术进入工业应用之后,每10年就有一种新的膜技术得到工业应用。50年代是微滤膜和离子交换膜,60年代是反渗透膜,70年代为超滤膜,80年代是气体膜分离,90年代为渗透汽化膜。此外,以膜为基础的其他分离过程,如膜溶液萃取、膜气体吸收、膜蒸馏、膜反应器及膜分离与其他分离过程结合的集成膜过程也取得了长足进步。

    与常规分离方法相比,膜分离技术具有分离迅速、节约能耗、提高收率、减少污染、设备简单、连续操作等优点。20世纪最后几年,膜科技迅猛发展,膜技术广泛应用。在西方发达国家,70%以上的工业生产过程用上了膜技术,从而使产品质量不断上升,占领市场的能力越来越强。各种膜分离技术目前已普遍用于化工、电子、轻工、纺织、冶金食品、环保、石油化工、生物工程等领域。

    膜分离技术在人们现实生活中应用最早、前景最广阔的是在水处理领域。在人们追求饮用水净化和生产用水纯化的过程中,膜可以去除水中的悬浮物、细菌、病毒、热源、胶体、有毒金属物质和有机物等,大大提高人们饮用水的质量。如今市场上十分畅销的纯净水、矿泉水,均为膜技术产品。用反渗透膜技术进行海水和苦咸水淡化是解决岛屿、邻海城市、苦咸水地区饮用水和工业用水的最有效的方法。现在,许多地方的海水淡化成本已明显低于天然淡水。中东、南非等国家已经利用膜技术建成一万多个海水淡化工厂,解决了本国水资源缺乏问题。我国在这方面的研究也卓有成效。早在1981年,我国就在西沙建立了应用电渗析技术的海水淡化站,投产后,日产淡水200吨,有效缓解了西沙军民的用水困难。今年,全国最大的日产万吨级苦咸水淡化工程已在河北沧州正常运行,从而彻底改变了当地居民祖祖辈辈饮用苦咸水的历史。

    在化工和石油化工领域,膜分离技术也日益得到重视和发展,相继出现了许多不同材质和不同用途的膜。其中,无机膜分离技术可在高温、高压、高粘度、高固体含量和各种苛刻的PH条件下,较好地解决石油、化工领域的特殊分离问题。例如,新型全氟离子交换膜的成功应用和推广,在氯碱工业引起了深刻的变化。为满足电解食盐制碱的苛刻要求,开发出的全氟磺酸和全氟羧酸离子交换膜及两者的复合型膜,制得的烧碱质量与汞法相同,而能耗则大大低于汞法和常规隔膜法(比传统隔膜法节约总能耗30%,节约装置投资费20%),满足了各工业部门对高质量烧碱的需求而又不产生汞害,成为目前最节省能源和经济效益最好的烧碱生产方法。

    渗透汽化膜技术是80年代进入工业应用的重要膜分离技术,对共沸物的分离特别有效,可用于有机溶剂脱水、水中少量溶剂的脱除和有机混合物的分离。用该技术进行醇类近沸物、恒沸物的脱水,其能耗仅为常规恒沸精馏的1/3~1/2,且不使用苯等挟带剂,在取代恒沸精馏及其它脱水技术上具有很大的经济优势和社会效益。

    气体分离膜是在反渗透膜基础上发展起来的一类新型分离膜,包含膜法提氧、膜法富氧、膜法富氮、工业气体脱湿、提氦以及脱除有机蒸汽、二氧化碳和硫化氢等多种技术,在化肥厂、玻璃窑炉和油田生产等方面有着广泛的应用。例如,天津梅塞尔凯德气体系统有限公司与中国石油科学院合作,成功地将膜分离制氮、注氮设备用于油田的二次采油,可节省套管的消耗,目前已在国内几个油田使用,运转效果良好。

    膜分离技术还是环境保护和环境治理的首选产业技术。据有关部门统计,我国每年工业废水排放量已超过400亿吨。化工行业是我国的工业污染大户,其中农药、染料、医药和石化等生产废水又是最严重的污染源。这些废水具有面广、毒性大、浓度高、难生物降解等特点,长期以来成为我国工业废水治理的难题。膜分离技术的应用为解决这一难题开辟了有效途径。

    反渗透和超滤几乎在所有的工业污水和生活污水的处理中都获得了应用。应用方式有时单独使用。例如,用超滤和反渗透过程处理石油精制工业产生的含油废水,不需加入沉淀剂,不产生含油污泥,而且操作方便,设备费用和运转费用较低,特别适合于处理油分浓度几千个ppm以上的废水。用反渗透法处理合成橡胶、肥皂制造业和洗涤剂制造业产生的废水,能成功地除去废水中含有的表面活性剂,使其达到允许排放的浓度。用超滤法处理制革工业废水,可减少污染物负荷,并使脱毛液中相当部分的化学药品回收再用。我国科技工作者还首创了治理含氨工业废水的膜分离技术,利用疏水性微孔膜进行气/气、气/液分离的新方法,可直接从混合气中分离、回收氨,革除水洗工序,实现氨、氮零排放。

    许多工业发达国家已将膜分离技术用于环保领域。例如,德国、英国已用该技术治理莱茵河和泰晤士河。我国的厦门市也推出了一批应用膜技术的环保示范工程,成效显著,为我国应用膜技术治污做了有益的尝试。

    近几十年来,膜分离技术作为一种解决能源、资源和环境问题最有发展前途的高新技术,在世界范围内受到广泛的重视。我国已连续四个五年计划把膜分离技术作为重点项目进行支持。经过多年努力,已形成一支相当规模的膜及膜应用技术的研究队伍和膜产业基地,有些研究领域已走到了世界前列,特别是在无机膜和气体分离膜的生产方面取得了骄人的成绩。近年来,我国膜工业进入了飞速发展时期,年增长率在20%以上,年产值达到三十多亿元,在环境保护、清洁生产中创造了巨大效益。在未来的岁月中,蓬勃兴起的膜技术将在促进国民经济可持续发展中发挥更重要的作用。

 
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