1 引言

膜分离技术是借助膜的选择渗透作用，以外界能量或化学位差为推动力，对混合物中溶质和溶剂进行分离，分级，提纯和富集的方法。与传统的分离操作（如蒸发、萃取、沉淀、混凝和离子交换等）相比较，膜分离技术作为一种新的分离净化和浓缩方法，具有能耗低、效率高、工艺简单、投资小和污染轻等优点。由于其自身的优点，膜分离技术的发展相当迅速，在污水处理、食品生产、医药合成和化工生产等领域有广泛的应用。而近几十年，将膜分离技术应用到水处理领域，形成了新的水处理方法，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、电渗析（ED）和反渗透（RO）、渗透蒸发（PV）、液膜（LM）等膜分离技术，为水处理提供了新的出路和研究方向。

2 发展概况

人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布（Loeb）和索里拉简（Souriringan） 研制成 上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。

其发展的历史大致为：20世纪30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程也日益得到重视和发展。

3 膜分离技术概述

3.1 膜分离技术类型

目前已经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。正在开发研究中新的膜过程有：膜蒸馏、制成液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。

3.2 膜分离技术特点

膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，由于其多学科性特点，膜技术可应用于大量的分离过程。各种膜过程具有不同的机理，适用于不同的对象和要求，但有其共同的优点。

（1）膜分离技术能耗低。因为膜分离过程不发生相变化，其中以反渗透耗能较低，这对于克服 的能源危机有相当的意义。

（2）膜分离过程是在常温下进行的，因而特别适于对热敏感的物质，如对废水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。而用膜法处理饮用水，其出水水质只取决于膜自身的性质，如膜孔径、膜的选择性等，与原水水质无关。

（3）膜分离技术适用的范围广，反应过程不会改变物质的属性，不需要添加剂参加反应，不会带来新的污染物和浪费其它物质，可用于多种类型的废水处理过程。

（4）膜分离法费装置简单，操作容易且易控制，便于维修且分离效率高。与常规水处理方法相比，具有占地面积小，处理效率高等特点。

（5）膜分离技术设备可实现定型化，自控性强，便于管理和运行，也有利于产业化发展。

4 膜分离技术的应用

膜分离技术已经在国民经济各个领域得到广泛的应用。尤其在一些发达 。据统计，全 膜和膜组件的销售额每年以14%～30%的幅度递增，并膜与光纤、超导等技术一样将成为主导未来工业的六大新技术之一。显示出这一新兴产业的广阔前景。其工业应用见表1。

表1：膜分离技术的工业应用

目前，环境问题日趋严重，其中较为突出的是废水的处理。尽管废水治理达标排放的方法很多。但不容置疑，膜技术应用是较为常用的一种。我国水资源很贫乏，不少城市都存在用水严重紧张的问题，同时随着人民生活水平的提高，对水质也提出更高的要求，希望能够引用到更优质的水。此外，海水的淡化处理和高纯水的生产，这些都是社会发展的需要，以上问题都可以通过膜分离技术来解决。

4.1 废水处理

废水处理一直是我国乃至 在环保方面一直关注和亟待解决的问题，而利用膜技术处理废水，既能得到可达标的水源，又能有效地利用废水中的有价成分。

4.1.1 重金属废水的处理

金属加工废水中含有浓度相当高的镍、铁和锌等重金属离子。采用纳滤技术，不仅可以使90%以上的废水纯化，而且可同时使重金属离子含量浓缩10倍，浓缩后的重金属具有回收利用的价值。

纳滤膜处理重金属废水具有操作压力低、水通量大等优势，因而在废水处理领域得到逐步的应用。但是由于目前我国的纳滤膜大部分还依赖于进口，限制了其大批量应用。随着我国材料科学、分析检测手段和制备工艺等的发展和改进，当一些关键技术得到很好的解决后，我国的纳滤膜分离技术将在废水处理中发挥更大的作用。

4.1.2 印染废水的处理

纺织印染业工艺过程中会产生大量高盐度（＞5%）、高色度（数万至十几万）、高化学需氧量（CODcr数万至十几万）、可生化性差的废水，经过超滤只能部分去除色度、不能被去除小分子有机染料。所以超滤处理后还不能循环使用，不过经过超滤后的渗透液可以达标排放。但如果再通过纳滤处理就可以使废水达到回用标准，纳滤处理后，水在硬度、有机物浓度和色度等可以接近地下水的水平。

4.1.3 含油废水的处理

在钢铁工业的压延、金属切削、研磨以及石油炼制及管道运输等产业经常产生含油废水，其特点是数量大，杂质多。处理含油废水的目的主要是除油同时去除COD及BOD。对含油废水的膜处理主要是采用不同材质的超滤膜和微滤膜进行。唐燕辉等设计、组装的膜处理装置，考察了多种制膜方法，实验表明用加压制膜法制备的超滤膜（A4膜），分离机械加工排放的含油污水时，可以使COD及BOD从728.64mg/L降至87.8mg/L，含油质量浓度从5000mg/L降至2.5mg/L，脱除率分别达到87.95%和99.95%，分离后排水已达到 规定的排放标准。

4.2 海水淡化

海水淡化主要是去除海水中所含的无机盐，通过一系列的过程转变为低盐度的淡水。利用海水淡化技术从海水中制取淡水。缓解日趋严重的 性水危机，不仅已在全球科技界形成共识，成为人们取得淡水的一种重要手段，也已成为各临海 的政府主张与开发新水源的对策。

我国研究海水淡化技术起步较早，也是 上少数几个掌握海水淡化等资源利用 技术的 之一。海水淡化使用较多的是反渗透技术，而反渗透技术也是海水淡化较经济的一种方法。反渗透分离法是一种光谱脱除法，在淡化过程中不仅把海水中大部分的盐截留在浓缩海水中，而且也把水中大部分的致畸致癌致突变的有机物和氯气消毒过程产物的卤代烃、病毒、细菌等均截留下来，淡化水中也无农药、除草剂、洗涤剂等。因而淡化水水质非常优良，由于一般的自来水水质。黄英等人报道了用反渗透法将海水和苦咸水淡化的技术，通过该方法，使反渗透系统回收率达75%。将NaCl含量从13000mg/L左右的苦咸水脱盐至500mg/L。淡水质量符合 标准。

4.3 超纯水制备

超纯水在电子工业主要是用于电子元器件的生产，其品质已成为影响电子元器件产品质量、生产成品率及生产成本的重要因素之一。膜技术，特别是反渗透技术在纯水、超纯水系统的应用成功，大大地改进了以往单一离子交换纯水系统的复杂性，降低了制造成本，水质更纯更稳定，节省酸碱95%以上，缓解污染得到极大改善。

海洋局二所与中科院上海冶金研究所合作开发的采用反渗透技术制备超纯水，使超纯水水质由7×10⁶～7×10⁷Ω·cm提高到1.5×10⁶～1.7×10⁷Ω·cm，达到了 ASTM-EM级水质标准。电去离子（简称EDI）技术是国际上20世纪90年代才逐步成熟的纯水生产技术，是一项纯水生产领域具有革命性的技术突破。王冬云等人在制备高纯水过程中通过EDI的实验研究，表明提高EDI膜堆的操作电流可以得到高质量的纯水。EDI膜堆进水电导率越低，产水水质越好。

5 有待研究问题探讨

在用膜技术处理水的应用过程中，产生膜的污染是在所难免的，产生膜的污染的原因很多。膜污染原因比较复杂，但究其主要原因是浓差极化和膜污染。浓差极化是膜表面局部浓度增加引起边界层流体阻力增加，导致传质推动力下降的现象，而膜污染是指料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子由于与膜之间存在物理化学作用而在膜表面及膜孔中沉积，使膜孔堵塞或变小，膜组增大，膜的渗透速率下降的现象。

多年来，国内外在膜污染的理论研究和应用实践的基础上，积累了不少行之有效的经验和方法，主要有以下几种方法。

5.1 改变膜材料质量及其表面性能

研究发现膜的亲水性越好，膜污染越轻。因此选择亲水性强膜组件可以减轻膜污染。

5.2 减小水中盐浓度

水中溶解度小的金属氢氧化物或盐会直接在膜表面沉积，引起膜污染；由铁锰等引起的污染，用HCl等酸性药剂进行清洗，可使膜通量得到较好的恢复效果。

5.3 改变水的pH值

研究发现，原水偏酸性（pH＜6）或偏碱性（pH=9）条件下，膜污染比中性条件下轻。把原水调到适当的pH值进行处理也是减轻膜污染的措施之一。

5.4 减少水中有机物种类

Lin等人研究发现天然有机物中腐殖酸是UF膜的主要污染源，并且发现腐殖酸的羧基基团的含量越高越容易导致膜的污染。可以通过在超滤前采用适当的预处理工艺减轻这类膜污染。由有机物引起的膜污染可以用NaClO或NaOH进行化学清洗恢复膜通量。

6 膜分离技术应用前景展望

膜分离技术在水处理中的主要方向为饮用水的制取（包括以地表水为水源生产高品质的饮用水、海水淡化、苦咸水脱盐等）、城市废水治理与回用、工业用水中物质的回收与水资源再利用、工业废水的治理等。与此同时，对膜及相关过程的规模化、膜污染的监测与控制、杂化膜过程的研究、操作条件的优化都是研究的主要方向。

膜分离技术在环保领域的应用将成为国内外重点发展的前沿课题。因此对膜材料提出了更高的要求，尤其是要制备出适应于环保行业高强度、长寿命、抗污染、高通量的膜材料。

膜分离技术发展迅速，同其他工程科学的结合也越来越紧密，诸如同传感器相结合构成膜传感器等。膜分离技术得到越来越广泛地应用，不但用于常规的水处理，还用于杀菌等多个领域。膜分离技术的研究也可谓与时俱进，可以预料在新世纪，随着法规标准的日益提高和膜技术的不断成熟、成本不断降低，水价的日趋上涨等，膜法水处理技术将会出现一个技术上进一步提高，应用上更加普及的高潮。