分离科学的前沿_膜分离技术[1].pdf

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1、2000年第12期化学教育·3·①分离科学的前沿——膜分离技术知识介绍邰超朱若华邹洪谷学新(首都师范大学化学系北京100037)摘要本文介绍了膜分离技术的基本原理、分类以及应用,简要回顾了膜分离技术的发展历史,对其发展趋势进行了展望。关键词膜分离环境保护节能用天然或人工合成的无机或有机薄膜,以外界膜分离技术获得了迅速的发展。1918年,Zsing2[3]能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分溶质mondy提出商品化微孔滤膜的制造法,1925年,和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法通称为膜在德国建立起了第一个专门经销和生产微孔滤膜的[1]分离法。在当代新技术革命的浪潮

2、中,膜分离作为公司。1935年,Teorell发明了具有离子选择透过性[4]分离新技术之一,已被列为开发的重点。随着人类文的离子交换膜。明的发展,能源短缺、水资源短缺和环境污染等问题20世纪60年代,膜科学发展进入了黄金时期,日趋严重,而膜分离的应用与节约能源、环境保护和各种各样的膜材料大量涌现,更重要的是膜分离进水资源的再利用密切相关,因此,膜分离技术正日益入了实用工业化,微滤、反渗透、超滤、透析及气体分显示其重要性。1987年,在日本东京召开的国际膜离相继得到迅速发展。1961年,美国Hevens公司首分离技术会议上,将“在21世纪的多数工业中,膜过先提出了管式膜组

3、件的制造法。1965年,美国的程所扮演的战略角色”列为专题进行了深入讨论。可DuPont公司首创了中空纤维及其分离装置,这一发以认为,膜分离技术将在本世纪工业生产的节能化、明大大促进了气体膜分离技术的发展。这一时期问绿色化的变革中将起到重要作用。世的液膜分离技术,发展速度惊人,经历了支撑体液膜、乳化液膜和流动载体乳化液膜3个阶段,目前,1膜分离技术的发展简史用液膜法去除载人宇宙飞船密封舱内CO2的技术膜分离技术的发展大致可分为3个阶段,1960已经成功地应用于宇宙空间技术中。年以前为奠定基础的阶段,主要是进行膜分离科学生命科学的发展,对生物体内活性物质的分离基础理论的研

4、究和初期的工业开发;1960年至1980纯化提出了更高的要求。20世纪80年代发展起来年为发展阶段,期间,许多膜分离技术实现了工业化的亲合膜技术,通过在膜上固载特定的功能配位基生产,并得到了广泛应用;1980年至今为发展深化如:氨基酸、酶、抗体等,利用这些功能配位基选择性阶段,主要是不断提高已实现工业化生产的膜分离地实现了物质的特异性分离,目前已应用于肝素、尿技术水平,解决了一些难度较大的膜分离技术问题,激酶、单克隆体、胰蛋白酶等生物大分子的纯化和分[5、6、7]并开发出了许多新的膜分离方法。离。将膜分离技术与其他化学过程结合起来的1748年,AbbleNelkt发现水

5、能自然扩散到装集成膜分离技术近年来也迅速发展起来。膜分离与有酒精溶液的猪膀胱内,首次揭示了膜分离现象。液-液萃取相结合的膜萃取技术将料液相与萃取相1846年,Schonbein用硝酸纤维素制作了具有实际用薄膜隔开,两相在膜两侧分别流动,传质过程在膜[2]意义的气体分离膜。其后的近一个世纪中,几乎所表面进行,克服了通常萃取过程中液滴的分散与聚有的膜科学方面的研究工作,都是以类似的改性纤合现象,而且可以实现连续操作;膜分离与化学反应维素为基本材料。直到20世纪20年代,高分子科学相结合,可以在化学反应进行的同时将产物分离出的兴起,为膜科学的发展提供了坚实的物质基础,使反应体

6、系,减少了副反应,提高了产品的收率。这些①本文为邰超硕士研究生论文部分工作·4·化学教育2000年第12期新型的膜分离技术目前大部分仍处于试验室规模,力差则需011至110MPa。一旦实现大规模的工业应用,将引起工业生产的重渗透和反渗透是基于渗透压的作用而实现分大变革。离。浓溶液比稀溶液具有较高的渗透压。如果用薄膜将一容器分为两部分,膜的两侧是不同浓度的溶2膜分离方法分类及特征液,则溶剂就会通过膜向高浓度一侧转移(图1根据分离过程中的推动力的不同,膜分离技术(a)),直到两侧渗透压相等,达到动态渗透平衡(图可以分为以压力差、浓度差、电位差、温度差和化学1(b))。当在浓

7、溶液一侧加一外界压力P,且此压力反应为推动力的各种分离方法。在此基础上,再按膜大于浓溶液与稀溶液的渗透压之差时,溶剂就会向的分离机理和结构形态进行细分,如以压力差为推相反的方向转移(图1(c))。动力的方法中,按膜的孔径大小又可细分为微孔过滤(Microfilration,“MF”)、超过滤(Ultrofiltration,“UF”)、反渗透(ReverseOsmosis,“RO”)等。表1列出了各种分离膜的基本分类及特征。表1几种主要膜分离方法分类及特征推动力分离方法膜类型透过物质截留物质多孔膜水,溶剂悬浮物图1(a)渗透(b)渗透平衡