膜分離是在20世紀初出現，20世紀60年代后迅速崛起的一門分離新技術。膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征。

因此，目前已廣泛應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，已成為當今分離科學中最重要的手段之一。

1膜分離技術應用

典型的膜分離技術有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發( PV)等。

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微孔過濾技術

微孔過濾技術始于十九世紀中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網狀過濾介質膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。

微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90～150 mm左右，過濾粒徑在0.025～10mm之間，操作壓在0.01～0.2MPa。

到目前為止，國內外商品化的微孔膜約有13類，總計400多種。

微孔膜的主要優、缺點：

優點：

①孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；

②孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為10⁷孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規過濾介質快幾十倍；

③無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之間，因而吸附量很少，可忽略不計。

④無介質脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。

缺點：

① 顆粒容量較小，易被堵塞；

② 使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。

微孔過濾技術應用領域

（1）微粒和細菌的過濾。可用于水的高度凈化、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發酵工業的空氣凈化和除菌等。

（2）微粒和細菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細菌的富集器，從而進行微粒和細菌含量的測定。

（3）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。

（4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進行過濾，可除去食糖中的雜質、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產品變味。

（5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優點，經過微孔膜過濾后，細菌被截留，無細菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。

2超濾技術

超濾技術始于 1861 年，其過濾粒徑介于微濾和反滲透之間，約5～10 nm，在 0.1～0.5 MPa 的靜壓差推動下截留各種可溶性大分子，如多糖、蛋白質、酶等相對分子質量大于500的大分子及膠體，形成濃縮液，達到溶液的凈化、分離及濃縮目的。

      超濾技術的核心部件是超濾膜，其均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。

超濾膜的結構一般由三層結構組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。

中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結構，管內外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內表面積很大，能有效提高滲透通量。

制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH = 3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH = 2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH = 5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。

超濾膜裝置

超濾技術的應用領域

超濾技術主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，它的應用領域涉及化工、食品、醫藥、生化等。

（1）純水的制備。超濾技術廣泛用于水中的細菌、病毒和其他異物的除去，用于制備高純飲用水、電子工業超凈水和醫用無菌水等。

（2）汽車、家具等制品電泳涂裝淋洗水的處理。汽車、家具等制品的電泳涂裝淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物質），用超濾裝置可分離出清水重復用于清洗，同時又使涂料得到濃縮重新用于電泳涂裝。

（3）食品工業中的廢水處理。在牛奶加工廠中用超濾技術可從乳清中分離蛋白和低分子量的乳糖。

（4）果汁、酒等飲料的消毒與澄清。應用超濾技術可除去果汁的果膠和酒中的微生物等雜質，使果汁和酒在凈化處理的同時保持原有的色、香、味，操作方便，成本較低。

（5）在醫藥和生化工業中用于處理熱敏性物質，分離濃縮生物活性物質，從生物中提取藥物等。

（6）造紙廠的廢水處理。

3反滲透技術

滲透是自然界一種常見的現象。

目前，反滲透技術已經發展成為一種普遍使用的現代分離技術。在海水和苦咸水的脫鹽淡化、超純水制備、廢水處理等方面，反滲透技術有其他方法不可比擬的優勢。

滲透與反滲透原理示意圖

反滲透技術所分離的物質的分子量一般小于500，操作壓力為 2～100MPa。

用于實施反滲透操作的膜為反滲透膜。反滲透膜大部分為不對稱膜，孔徑小于0.5nm，可截留溶質分子。

制備反滲透膜的材料主要有醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。

反滲透與微孔過濾、超濾的比較

分離技術類型	反滲透	超濾	微孔過濾
膜的形式	表面致密的非對稱膜、復合膜等	非對稱膜，表面有微孔	微孔膜
膜材料	纖維素、聚酰胺等	聚丙烯腈、聚砜等	纖維素、PVC等
操作壓力 /MPa	2～100	0.1～0.5	0.01～0.2
分離的物質	分子量小于500的小分子物質	分子量大于500的大分子和細小膠體微粒	0.1～10μm的粒子
分離機理	非簡單篩分，膜的物化性能對分離起主要作用	篩分，膜的物化性能對分離起一定作用	篩分，膜的物理結構對分離起決定作用
水的滲透通量 /(m3.m-2.d-1)	0.1～2.5	0.5～5	20～200

反滲透技術應用領域

反滲透膜最早應用于苦咸水淡化。隨著膜技術的發展，反滲透技術已擴展到化工、電子及醫藥等領域。

（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水軟化制備鍋爐用水，高純水的制備。近年來，反滲透技術在家用飲水機及直飲水給水系統中的應用更體現了其優越性。

（2）在醫藥、食品工業中用以濃縮藥液、果汁、咖啡浸液等。與常用的冷凍干燥和蒸發脫水濃縮等工藝比較，反滲透法脫水濃縮成本較低，而且產品的療效、風味和營養等均不受影響。

（3）印染、食品、造紙等工業中用于處理污水，回收利用廢業中有用的物質等。

工業中的反滲透裝置

4納濾技術

納濾膜是八十年代在反滲透復合膜基礎上開發出來的，是超低壓反滲透技術的延續和發展分支，早期被稱作低壓反滲透膜或松散反滲透膜。目前，納濾膜已從反滲透技術中分離出來，成為獨立的分離技術。

納濾膜的孔徑為納米級，介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間，因此稱為“納濾“，彌補了兩者之間的空白。

納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多，但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關鍵是合理調節表層的疏松程度，以形成大量具納米級的表層孔。

納濾膜主要用于截留粒徑在0.1～1nm，分子量為1000左右的物質，可以使一價鹽和小分子物質透過，具有較小的操作壓（0.5～1MPa）。

納濾技術的應用領域

納濾技術最早也是應用于海水及苦咸水的淡化方面。由于該技術對低價離子與高價離子的分離特性良好，因此在硬度高和有機物含量高、濁度低的原水處理及高純水制備中頗受矚目；在食品行業中，納濾膜可用于果汁生產，大大節省能源；在醫藥行業可用于氨基酸生產、抗生素回收等方面；在石化生產的催化劑分離回收等方面更有著不可比擬的作用。

5離子交換膜

離子交換膜的分類

1、按可交換離子性質分類

離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應為陽離子、陰離子和陰陽離子。

2、按膜的結構和功能分類

按膜的結構與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。

普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區組成，主要用于高壓滲析進行鹽的濃縮、有機物質的分離等。

電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來。

電滲析原理示意圖

電滲析的特點：

無化學添加劑、環境污染小

對原水含鹽量變化適應性強

操作簡單，易于實現機械化和自動化

設備緊湊耐用，預處理簡單

水利用率高

能耗低

電滲析應用領域

工業上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理。

生物分離中可用于氨基酸和有機酸等小分子的脫鹽和分離純化。

電滲析器

6滲透蒸發

滲透蒸發是指液體混合物在膜兩側組分的蒸氣分壓差的推動力下，透過膜并部分蒸發，從而達到分離目的的一種膜分離方法。可用于傳統分離手段較難處理的恒沸物及近沸點物系的分離。具有一次分離度高、操作簡單、無污染、低能耗等特點。

滲透蒸發示意圖

制備滲透蒸發膜的主要材料

用于制備滲透蒸發膜的材料包括天然高分子物質和合成高分子物質。

天然高分子膜主要包括醋酸纖維素（CA）、羧甲基纖維素（CMC）、膠原、殼聚糖等。

用于制備滲透蒸發膜的合成高分子材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PSt）、聚四氟乙烯（PTFE）等非極性材料和聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等極性材料。

7氣體分離膜

氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質膜和多孔膜。它們的分離機理各不相同。

（1）非多孔均質膜的溶解擴散機理

該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質膜分四步進行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進行活性擴散，分子在膜的另一側逸出。

（2）多孔膜的透過擴散機理

用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細孔時產生的速度差來進行的。

影響氣體分離膜性能的因素

1、化學結構的影響

通過對不同化學結構聚合物所制備的氣體分離膜的氣體透過率P、擴散系數D和溶解系數S的考察，可得出化學結構對透氣性影響的定性規律。      

2、形態結構的影響

一般情況下，聚合物中無定型區的密度小于晶區的密度。因此氣體透過高聚物膜主要經由無定形區，而晶區則是不透氣的。這可以通過自由體積的差別來解釋。但對某些聚合物可能出現例外，如4-甲基戊烯（PNP）晶區的密度反而小于非晶區的密度，故其晶區可能對透氣性能也有貢獻。

制備氣體分離膜的主要材料

1、H₂的分離

美國Monsanto公司1979年首創Prism中空纖維復合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞胺是近年來新開發的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機械性能高等優點。

2、O₂的分離富集

制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產品和含三甲基硅烷基的高分子材料。  

PDMS是目前工業化應用的氣體分離膜中P_氧氣最高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。