4 陶瓷膜分离技术研究现状与应用前景

陶瓷膜分离技术是一种“错流过滤”形式的液体分离过程，原料液在膜管内高速流动，在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜，含大分子组分的混浊液浓缩液被膜截留，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。陶瓷膜具有化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐有机溶剂、机械强度大等特点，其不足表现在价格昂贵、制造过程复杂等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道3种。

4.1 在水处理中的应用

微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于20世纪80年代初期，其缺点是能够保证更好和更可靠的水质，不用化学物质，特别适合于高附加值产品。无机陶瓷膜在废水处理中的应用主要包括处理含油废水、纺织废水、化工废水、对放射性废水、含重金属废水、城市生活污水和造纸废水等。

4.2 食品的除菌过滤

陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、饮料、白酒、啤酒、饮用水等的除菌过滤，效果十分显著，其特别之处在于可以采用蒸汽对整个设备进行消毒，使产品质量得到保证。陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜处理地表水制备饮用水已在欧洲应用多年，陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国已应用8年，以陶瓷膜为核心的集团式净水器和家用净水器可以采用加热的方法进行消毒处理，具有广阔的发展前景。

4.3 其他方面的应用

陶瓷膜的应用领域还包括：气体分离、渗透气化、催化反应、生物化工等。陶瓷膜渗透气化工艺具有高通量、高稳定性等优点，有着极强的竞争力和巨大的市场需求；陶瓷膜在生物化工领域的应用研究是近期的热点之一，涉及领域包括细胞脱除、无菌水生产以及低分子有机物的澄清和生物膜反应器等。

4.4 陶瓷膜技术研究进展

目前陶瓷膜技术的发展方向主要有以下几个方面：

（1）新型陶瓷膜制备工艺的开发。从发展趋势来看，目前陶瓷膜制备技术的主要发展方向为：

①在多孔膜研究方面，需进一步完善已商品化的无机超滤膜和微滤膜，发展具有分子筛功能的纳滤膜、气体分离膜和渗透气化膜。

②在致密膜研究中，超波金属及其合金膜和具有离子电子混合传导能力的固体电解质膜是研究的热点。

（2）陶瓷膜的改性研究。

首先是提高膜的热稳定性，其次是提高膜的抗污染性，由于膜污染问题成本较高，一直限制了它的应用，因此应开发出抗污染的膜。

（3）复合陶瓷膜的制备。有机膜和无机膜具有各自的优点和缺点，应该研究出一种复合材料的膜，使其兼具两者的优点，如在无机膜中掺加一些有机组分，使其增加孔隙率，提高渗透通量。这是今后发展的主要方向。

（4）开发新材料。目前，已经商品化的陶瓷膜材质主要有Al₂O₃膜、TiO₂膜、SiO₂膜等。它们的不足之处主要是成本高，有必要开发一种新型材料，在保证一定的机械强度和膜通量的前提下，能够大大简化制备陶瓷膜的工艺步骤和减少成本。

（5）集成处理技术的开发。在某些场合采用的单一的无机膜技术处理废水很难达到满意的结果，而将无机膜与其他技术的集成，则可以达到降低成本，提高处理效率的目的。无机膜与其他技术的集成处理技术将是今后的重要发展方向。

5 纳滤在制药及食品中的应用进展

纳滤是在反渗透基础上发展的一种以压力为驱动的液体膜分离过程，是膜分离技术的一个新兴领域。纳滤膜是20世纪80年代末期问世的一种分离膜，其截留的分子量约为100～1000，推测该膜可能有1nm左右的微孔结构，故称之为“纳滤”。

5.1 纳滤在制药及食品提取纯化中的应用

纳滤分离过程无化学反应，无相变，不破坏生物活性，适用于分子量1000以下的活性物质的浓缩纯化。如纳滤可代替传统的薄膜蒸发等方法，缩短浓缩时间，有较高的回收率，且成本较低。因而纳滤在制药工业中应用正日益广泛，如中药提取物、生物制品、化学药物等的浓缩和纯化；在食品中主要是功能性低聚糖的分离，其他还有乳品加工、果汁浓缩等。

制药工业中的溶液大多成分复杂，不易分离、浓缩和净化。近年来膜分离技术已广泛应用于生物制药领域，如血透、肾析、药品浓缩、发酵液与培养液的澄清等领域。

5.1.1 中药提取物的分离纯化

中药中许多有效成分受热易发生氧化、水解等结构改变，可能影响药效。传统的浓缩溶液易产生沉淀，影响药物稳定性。纳滤在常温下操作，有利于保留中药或复方中的有效成分，提高药物的稳定性。此外，纳滤还具有节能、环保等特点，具有工业化应用的可行性。

5.1.2 银杏叶提取物的浓缩

银杏叶提取物的浓缩

银杏叶提取物是从银杏科植物银杏叶中提取到的活性物质，主要含有银杏黄酮苷类和萜烯酯类，具有捕获自由基、抗脂质过氧化、抗血小板活化因子等多种药理活性。

5.1.3 七叶参皂苷的提取

超滤膜能有效去除色素等大分子物质，选择适当的截留分子量的纳滤膜可制得纯度为42%以上的七叶参皂苷。

5.1.4 制备麻黄碱

麻黄是我国的传统中药，可治疗风寒感冒、水肿及哮喘等疾病，其中麻黄碱为活性成分。姚仕仲等采用超滤-纳滤-反渗透膜组合工艺改造了麻黄碱生产工艺。在该工艺中超滤作为二级预处理，主要去除一级预处理尚未完全除去的色素、液体和杂质蛋白，特别是麻黄油。纳滤主要去除无机盐，特别是高价离子。反渗透主要是麻黄碱浓缩。采用该膜组合工艺麻黄碱的收率可达到96%，而传统的苯提法只有80%。

5.1.5 提取栀子黄色素

以栀子黄色素萃取液为原料，微滤和纳滤联用能够在常温下纯化和浓缩栀子黄色素液，藏花素损失率较低，避免了有机溶剂的使用，是栀子黄色素工业化生产较为理想的工艺。

5.1.6 类甜菜碱的分离

类甜菜碱是从植物中提取的一种分子结构类似于甜菜碱的天然药物。采用过滤除杂、电渗析除盐、纳滤浓缩的集成工艺提取类甜菜碱。其中纳滤过程的操作压力、运行时间和浓缩倍数明显影响类甜菜碱的分离效果，该结果可应用于类甜菜碱的工业生产。

5.1.7 甘草酸的提取

甘草酸是甘草甜味的主要成分，可用于防治病毒性肝炎、高脂血症和癌症等疾病。其传统提取工艺采用碱溶酸沉法，收率低，且酸沉时耗酸量大，产生大量酸性废液，对环境造成污染。采用微滤膜除杂，纳滤膜浓缩后再除杂酸沉，可得到60%的甘草酸产品，且收率较高。

5.1.8 凉茶中草药提取液的浓缩

凉茶是由金银花、夏枯草、甘草、仙草等组成，其中许多有效成分对热不稳定。根据凉茶中的有机物组成及分子量，选用纳滤膜，在28℃，压力3.3MPa的操作条件下，水提取液经纳滤浓缩，提取液可溶性固形物从1.5%～2%达到了15%，加水稀释复原后风味、色泽、有效成分含量基本没有变化，优化了工艺，提高了产品的收率和质量，降低了成本。

5.2 生物制品的分离纯化

由于纳滤分离过程具有防止细菌污染和热敏性物质失活等特点，在生化生产流程中的作用正日益增大。

5.2.1 多肽的纯化与浓缩

多肽是由蛋白质水解或氨基酸合成制得的。生产中通常采用色谱柱从有机溶液或水溶液中纯化多肽或多肽化合物，然后进行蒸发浓缩。采用纳滤膜技术代替蒸发，优点是浓缩和纯化可一步完成，并可低温操作，效率高，操作简便。

5.2.2 氨基酸的分离纯化

纳滤分离氨基酸主要靠电荷效应起作用。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸的截留率几乎为零。调整溶液的pH值，使不同的氨基酸在不同的pH值时带上不同的电荷，利用膜的电荷效应分离和纯化分子量接近的氨基酸。

5.2.3 核苷酸的浓缩

采用纳滤有效地将经超滤和离子交换后的核苷酸原液进行浓缩。这种方法工艺成熟、设备可靠、操作简便，可满足药液生产的要求。

5.3化学药物制剂的分离纯化

目前纳滤在化学药物制剂中应用主要是抗生素的浓缩纯化以及少许的其他药物的提取等。纳滤浓缩抗生素发酵液工艺已成功用于青霉素、克拉维酸、头孢霉素和螺旋霉素等多种抗生素的浓缩和纯化过程中。

5.4 功能性低聚糖的分离和精制

5.4.1 大豆低聚糖的浓缩

先用超滤从大豆乳清中去除蛋白质等大分子物质，透过液再用纳滤或反渗透浓缩，可使低聚糖的浓度由1%提高到12%。但不论在透过通量上，还是在后续处理中对于盐的去除效果上以及操作成本上，纳滤都要优于反渗透，采用纳滤更为经济。

5.4.2 分离纯化异麦芽低聚糖

异麦芽低聚糖是由葡萄糖、麦芽糖、异麦芽低聚糖组合成的混合糖浆或粉末。其中具有生理功能的成分主要集中在二糖和三糖，四糖以上组分功能活性相对较弱。采用纳滤技术科提高产品中二糖和三糖的含量。

5.4.3 低聚木糖的分离纯化

在酶法生产低聚木糖的过程中，低聚木糖含量低（小于2%）且含有3%左右的氯化钠，采用传统的离子交换脱盐及真空浓缩，需耗费大量的酸、碱和再生树脂。而采用纳滤四级串联方式则可脱除大量的氯化钠，使低聚木糖的含量达到20%以上，且降低了能耗和污染。

5.5 纳滤膜分离技术在水处理中应用

5.5.1 纳滤膜在生活污水处理中的应用

生活污水一般用生物降解和化学氧化法相结合处理，氧化剂的浪费很大，且残留物多。因此可以在它们之间加纳滤环节，被微生物降解的小分子透过（Mw＜100）纳滤膜，而截留住不能生物降解的大分子（Mw＞100），再进化学氧化器后再去生物降解，这样就可充分利用生物降解作用，节约氧化剂或活性炭用量，降低残留物含量。

5.5.2 纳滤膜在饮用水净化中的应用

饮用水的污染问题愈来愈受到人们的关注，欧、美、日等发达 都有改善水质的计划，如日本的MAC-21和新MAC-21计划，将膜技术作为水净化的较有效的手段。欧、美等国也支持了许多膜法（纳滤）水净化实验，效果明显。地下水或地表中的污染物主要是分子质量为几百的杀虫剂、除草剂以及因消毒而造成的过量有机卤化物，这些物质都是有毒甚至致癌的。纳滤膜分离法可以去除消毒过程中产生的副产物、痕量除草剂、杀虫剂、重金属、天然有机物、硫酸盐及硝酸盐等。同时能保留大多数人体必须的无机离子，出水效率高，符合饮用水的要求。因而是一个技术和经济可行，有望代替传统活性炭吸附分离法的有效方法。

5.5.3 纳滤膜在工业水处理中的应用

纳滤膜可以处理来自铀矿加工厂的含有放射性元素如镭、铀等的弱辐射性洗涤废水；NF膜对纺织厂废水中的疏水性染料和亲水性染料都有很好的分离效果，对高价离子和微污染物质等都有很高的去除率；NF膜也可以处理填埋垃圾沥出液，处理后其COD值低于环境排放标准。

5.5.4 纳滤在农业水处理中的应用

目前去除水中农药的传统方法是活性炭吸附过滤和臭氧或过氧化氢氧化，但活性炭失效很快，需要频繁再生和更换，处理费用偏高，且在水中由于竞争吸附会使农药的吸附效率下降；而氧化法将农药大分子氧化成小分子后会促进水中细菌的繁衍。纳滤膜则因其对低分子量中性溶质分子的筛分作用，对水中的农药残留物具有良好的截留效果，处理农药污染废水更为经济可行。

纳滤膜技术对San Joaquin谷的重度污染水可以截留95%以上的硒和90%以上的其他多价阴离子。纳滤膜法为处理含硒废水提供了突破性的方法。

纳滤膜分离技术作为一种新型膜分离技术和分离手段，在新型的膜分离过程中具有很高的潜在应用价值，如含催化剂的溶剂中催化剂回收的应用、对糖脱色树脂再生液进行再处理以及过程中水的回用、废液中回收酸碱、从含重金属离子的盐水中回收溴、电厂冷却水的处理、纳滤膜膜生物反应器、有机化工废液处理等。伴随新的低分子质量中性及电解质溶质分离体系的出现，NF有望作为重要的膜分离技术应用于水资源的净化、生化工程，下游产品的分离精制等领域，进而带来巨大的经济效益和社会效益。