一文看懂膜分离及膜法水处理

8月18日，以膜产业著称的山东省桓台县被中国石油和化学工业联合会授予“中国膜谷”的称号。据了解，桓台县多种膜产品处于世界领先水平，如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯产能居国内第一，氯碱离子膜、燃料电池膜两大产品均属国内唯一、世界前列。预计到2025年，桓台县膜及相关产业年产值将达到1200亿元。

膜技术作为一种新兴分离技术已在化工领域得到了广泛应用。常规的膜分离过程包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等，这几种分离过程均以压力差作为组分分离的推动力，但分离特性各有不同。

微滤技术

微孔膜过滤技术是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm，过滤粒径在0.1～10μm，操作压力为0.01～0.2MPa。一般微孔膜的孔密度为10⁷孔/cm²，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度是常规介质的几十倍。到目前为止，国内外已商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。

微滤技术应用领域包括：

01 | 微粒和细菌的过滤

可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。

02 | 气体、溶液和水的净化

大气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌等，以及溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物都可借助微孔膜去除。

03 | 食糖与酒类的精制

微孔膜可以对食糖溶液和啤酒、黄酒等酒类进行过滤，去除食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物。

04 | 药物的除菌和除微粒

经过微孔膜过滤后，细菌被截留，使药物中无细菌尸体残留（相对于热压法而言）。同时，微滤的常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。

超滤技术

超滤截留粒径介于微滤和纳滤之间，约10～100nm。在0.05～0.5MPa的静压差推动下，超滤膜可截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于1000的大分子及胶体，达到溶液净化、分离及浓缩的目的。

超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理是筛分机理，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。超滤膜均为不对称膜，可分为平板式、卷式、管式和中空纤维式等。超滤膜一般由三层结构组成，最上层是表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径可达10nm；中间是过渡层，厚度为1～10μm，具有大于10nm的细孔；最下面是支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。其中，支撑层起支撑作用，提高膜的机械强度。截留分子量是超滤膜最重要的分离参数，是指截留率达到90%时对应高分子化合物的分子量。

超滤技术主要用于含分子量1000～500000的微粒溶液的分离，是目前应用最广泛的膜分离过程之一，在反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、电泳漆的生产、再生水回用等众多领域发挥着重要作用。

纳滤技术

纳滤膜是20世纪80年代在反渗透复合膜的基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤技术已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。

纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜和超滤膜之间，因此得名。纳滤膜的表层较反渗透膜的表层要疏松得多，但较超滤膜的表层要致密得多。纳滤膜的制膜关键是合理调节表层的疏松程度，形成大量具有纳米级的表层孔。纳滤过程具有较小的操作压力（0.5～1MPa），主要用于截留粒径在1～100nm、分子量为200～1000的物质；对单价离子盐的截留率低，可以使一价盐和小分子物质部分透过，对二价及多价离子盐的截留率高(＞90%)。

纳滤技术最早应用于海水及苦咸水淡化。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高的水处理中得到了广泛应用；在氯碱行业用于脱硝，减少盐泥废渣；在食品行业用于果汁生产，能大大节省能源；在医药行业用于氨基酸生产、抗生素回收等；在石化工业中用于催化剂分离回收等。

反渗透技术

反渗透膜截留物质的分子量一般小于350，操作压力一般为1～8MPa。反渗透膜一般为不对称膜或复合膜，孔径小于1nm，可截留溶质分子。制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、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。

反渗透技术应用领域包括：

01 | 海水、苦咸水淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，以及制备高纯水。

近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用体现出其优越性。

02 | 在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁等。

与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺相比，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、营养和风味等均不受影响。

03 | 在染料、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废液中的有用物质等。

反渗透（纳滤属于低压反渗透）、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，表1比较了反渗透、超滤和微滤技术在原理、分离物质、操作上的不同。

表1 反渗透、超滤、微滤过程特性比较

膜法水处理工艺

作为一种高效分离技术，膜分离过程因具有操作简单、分离效率高、无相变、能耗低等优点，已在水处理、化工、制药、食品等许多行业领域得到广泛应用。膜分离技术与传统水处理技术不断交叉渗透，形成了一门新型的交叉学科——膜法水处理技术，其应用多集中在给水处理、市政污水处理、工业废水处理、净水、纯水制备等领域。

01 | 给水处理

在给水处理领域，膜分离技术常与砂滤、活性炭过滤等技术结合用于受污染地下水、河水的深度净化，优质工业水的制备等工艺过程。图1是受污染地下水活性炭—纳滤膜净化工艺过程流程图。

图1 地下水活性炭—纳滤膜净化工艺流程

地下水，尤其是浅层地下水中的污染物以悬浮物、有机物、细菌为主，高价盐含量往往也比较高。悬浮物可通过砂滤去除，有机物可通过活性炭去除，细菌、高价盐和部分一价盐可通过纳滤过程去除。采用膜分离技术处理受污染的地下水、河流等淡水，可减少消耗化学药剂，能耗低，运行费用低，得到的净化水水质优良、稳定。原水浊度在5～20 NTU之间，经石英砂过滤和活性炭吸附后可降至1.0 NTU以下。原水COD约5mg/L时，通过活性炭可脱除70%左右，后经纳滤分离后可降至0.5 mg/L以下。原水中一般含有SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺及重金属离子，通过纳滤过程可基本脱除这些离子（纳滤膜对离子团和多价离子的脱除率可达90%以上）。原水中的细菌和病毒通常可分别通过微滤和超滤过程去除，纳滤膜的孔径范围比超滤更小，足以彻底截留原水中的细菌和病毒。

02 | 市政污水处理

城市生活废水多为洗涤废水，处理量大，其中的污染物主要以悬浮物、有机物、细菌为主，经双膜法处理后可作为中水用于冲厕、绿化、锅炉等对水质要求不高的场合。膜分离技术于2000年以后开始较大规模应用于城市污水的深度及再生处理。目前许多城市都已建立了中水处理站和中水管道系统，其来水多为城市生活污水经膜法深度处理后的产水。图2为典型的市政污水双膜法处理回用技术的工艺流程图。

图2 市政污水双膜法回用技术工艺流程

原水经沉淀处理后主要污染指标：COD为50～150 mg/L、浊度为5～50NTU、阴离子洗涤剂（LAS）为1～5 mg/L、总硬度为100～1000 mg/L。经自清洗过滤器、机械过滤器后，出水浊度可控制在3NTU以下，满足超滤膜的进水水质要求。超滤膜对原水中COD的去除率可达30%以上。保安过滤器出水经高通量反渗透膜处理后，各种污染含量均可降至较低水平，满足我国城市杂用水水质标准（GB/T 18920—2002）的要求。

03 | 工业物料分离及废水处理

工业废水量大、水质差，不同废水的成分差别大，对环境污染严重，必须处理后才可以排放或回用。近年来，膜分离技术已在工业废水处理领域得到了广泛的应用。图3为膜技术处理工业大豆乳清废液的工艺流程图。

图3 大豆乳清废液膜法回用技术工艺流程

大豆乳清废液是大豆分离蛋白的过程中产生的富含乳清蛋白、大豆低聚糖、异黄酮等营养物质的废水，营养和经济价值较高，直接排放会造成资源浪费和环境污染。采用上述工艺过程不仅可以回收废水中有价值的营养物质并实现不同成分的分离提取，还可回用产水。