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膜分离技术是用半透膜分离均相混合物中不同组分的一种方法。由于膜分离过程无相变,故相对于其他常见化工分离过程—如蒸发,分馏等,具有能耗低、选择性好、适应性强、易于控制、无污染等一系列优点。自20世纪初出现开始,便得到了世界的广泛关注,得到快速发展。膜分离的优点使其在制药、环保、能源、冶金、电子、食品、化工、生物等领域迅速得到应用,效果十分显著,产生了巨大的经济效益。
微滤是一种始于19世纪中叶,是以静压差为推动力,利用筛网微滤膜的筛分作用进行分离的膜分离过程[19]。微滤的颗粒截留粒径范围在0.1~1 之间,大分子有机物和无机盐能在膜两侧运行压差的推动下通过微滤膜,但悬浮物、细菌、胶体等则会被截留下来,从而实现原料液中微粒和溶剂的分离。微滤广泛应用于微电子行业超纯水的处理,也是科学实验的一个重要工具。微滤孔膜颗粒容量较小,易被堵塞,造成其在工业生产中必须要有前端过滤的配合,且微滤膜需定期检查更换;膜的更换费用不菲造成其设备技术投资较大。
超滤是一种压力差为推动力的膜分离过程[20],在0.1~0.5 MPa的压差下,其非对称式超滤膜能够截留分子量为500以上的大分子与胶体微粒。超滤膜表面的活性层上,孔的大小与形状决定了超滤过程的截留效果。由于超滤的膜通量远高于反渗透等过程,故其浓差极化现象极其明显,易在相界面形成一层凝胶层。为了减小浓差极化的影响,超滤过程流程采用错流操作,常用的主要有三种:单短间歇式、单段连续操作和多段连续操作;在食品工业、水处理,化工和医药等领域已经得到广泛的应用。
纳滤又称为低压反渗透,是一种分离效果介于超滤和反渗透之间的膜分离技术。纳滤膜是荷电膜,能进行电性吸附,其工作压力小于反渗透所需压力。由于纳滤膜的孔径和其表面的荷电效果,在纳滤过滤过程中,其物理孔径大小造成的筛分效应和膜面电荷产生的道南效应同时发生作用,使其对水中大多数有机物和多价盐离子具有很高的截留率。
使用半透膜将低盐度和高盐度的溶液分隔开来,在自然情况下,水总是在渗透压的作用下,透过膜从低盐度的溶液向高盐度的溶液扩散的,为了将溶液浓缩,在高盐度的溶液侧施加压力,当此压力大于渗透压时,水分子会在压力的作用下,逆着渗透压梯度的方向往低盐度的溶液扩散,这个过程称为反渗透。基于这个原理,发展了反渗透分离技术,该技术具有能耗低,运行成本低等特点,在海水淡化和苦盐水脱盐方面得到了广泛应用。但是该技术需要的高压设备,在工程应用上产生了很多问题;而且其原水利用率低、反渗透膜寿命和抗污能力有限等问题也亟需解决。
膜蒸馏是一种利用水蒸气分压差作为传质推动力,使水蒸汽从水蒸气分压高的一侧通过膜孔传质到水蒸气分压低的一侧后富集,实现对物料的浓缩或净化。由于该过程与化工蒸馏过程类似又是基于膜技术开发的,故被称为膜蒸馏。作为近年倍受研究人员关注的新型膜分离技术,与传统蒸馏和反渗透的技术相比,膜蒸馏的操作温度和压力较低,其设备简单占地面积小,并且分离程度高,在分离过程中具有良好的化学稳定性,同时还易于其他分离过程耦合,可处理高浓度和热敏性废水。这些优点大大的刺激了学者们对膜蒸馏技术的研究和开发。
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