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膜分离技术介绍 一 膜分离技术的基本原理 膜分离技术以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分 离、分级、提纯或富集的技术。 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体相开隔开 来成为两部分，那么这一薄层物质就是膜。膜具备下述两个特性，第一，膜不管 薄到什么程度，至少必须具有两个界面。膜正是通过这两个界面分别与被膜分开 于两侧的流体物质互相接触。第二，膜应具有选择透过性。膜可以是完全透过性 的，也可以是半透过性的，但不应是完全不透过性的。 膜是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，是膜过程的核心，膜 材料的化学性质和膜的结构对膜过程的性能起着决定性影响。 物质通过膜的传递时，根据膜的结构和性质等的不同，其机理也不相同。任 一组分通过膜的传递都受到该组分在膜两侧自由能差或化学位差所推动。这些推 动力可能是位于膜两侧间的压强差、浓度差、电位差或这些因素综合差异。膜的 传递模型可分为两在类，第一类以假定的传递机理为基础，其中包含了被分离物 的物化性质和传递特性。这类模型又可分为两种不同情况：一是通过多孔型膜的 流动，主要有孔模型、优先吸附-毛细管流动模型、筛分模型等；二是通过非多孔 型膜的渗透，有溶解-扩散模型、不完全的溶解-扩散模型、孔隙开闭模型等。第二 类以不可逆热力学为基础，称为不可逆热力学模型，它从不可逆热力学唯象理论 出发，统一关联了压强差、浓度差、电位差等对渗透速率的关系，以线性维象方 程描述伴生效应的过程，并以唯象系数来描述伴生效应的影响。 上述各种传递机理和模型均有其特定的适用场合和范围。此外，对于无机电 解质的分离有一些专门的理论。 二 四种膜过程 反渗透（RO）是液体/液体分离过程中最可能使用的膜分离过程。原则上水是 唯一通过膜的物质；特别是所有的溶解和悬浮的物质被截留。有时一些开放类型 1 的RO 膜和纳滤（NF）膜会产生混淆。 真正的纳滤只截留超过一价的负电荷离子，如硫酸盐、磷酸盐,而能通过单价 的负离子。根据分子的大小和形状，纳滤也能截留不带电荷、溶解性物质和正电 荷离子。纳滤对氯化纳0～50 ％的截留率主要决定于进水的浓度。纳滤属于“宽松 的反渗透”，是一种减少了盐截留率的反渗透膜。由于盐截留率的减少可以降低压 力和能耗，因此在有些项目上也是可以被接受的。 一般认为超滤（UF）的分离机理为筛孔分离过程，在静压差（0.1~0.5MPa ） 为推动力的作用下，原料液中溶剂及小溶质粒子由高压的料液侧透过膜到低压侧， 而大粒子组分被膜所阻挡，使它们再滤剩液中的浓度增大。由于UF 可截留的粒子 比微滤（MF）小，实际上已是大分子组分(HMWC)，如蛋白质、悬浮固体被截留， 因此常用切割分子量或切割相对分子质量MWCO 来表征超滤膜的分离性能，认为 超滤的MWCO 范围为5,000~100,000，可分离的粒子或大分子包括病毒、蛋白质、 多糖、胶粒等。超滤通常采用切向过滤，随着过滤的进行，膜孔会逐渐被堵塞， 导致滤液流量的下降，到一定程度必须停下来进行清洗。 迄今为止，还无法用显微镜从RO 膜和NF 膜中观察到小孔，但水还是透过了 膜而盐被截留了。这意味着自从制造出第一张膜后的35 年来研究膜的科学家并不 真正了解膜是怎样的或为什么有这些功能的，或至少他们并不了解其中的细节。 而第一张膜是有人亲眼看到脱盐水通过膜而产生的。如果他只是通过显微镜来观 察膜，则他可能会拒绝接受这个事实，因为显微镜中根本无法看到小孔，因此也 不可能透过水。 微滤(MF)过程理论上只有悬浮固体被截留，而其它甚至蛋白质都可以自由通 过膜。但是实际情况和理想状态有一定的差距。 下图形象表示了4 种膜过程的分离、浓缩特点。 细菌、病毒等 微滤（MF） 蛋白质、酶、多肽等 超滤（UF） 抗生素、合成药、染料、 纳滤（NF）