4 陶瓷膜分離技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

陶瓷膜分離技術(shù)是一種“錯流過濾”形式的液體分離過程，原料液在膜管內(nèi)高速流動，在壓力驅(qū)動下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁液濃縮液被膜截留，從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑、機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，其不足表現(xiàn)在價格昂貴、制造過程復(fù)雜等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的構(gòu)形主要有平板、管式和多通道3種。

4.1 在水處理中的應(yīng)用

微孔陶瓷膜分離技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初期，其缺點(diǎn)是能夠保證更好和更可靠的水質(zhì)，不用化學(xué)物質(zhì)，特別適合于高附加值產(chǎn)品。無機(jī)陶瓷膜在廢水處理中的應(yīng)用主要包括處理含油廢水、紡織廢水、化工廢水、對放射性廢水、含重金屬廢水、城市生活污水和造紙廢水等。

4.2 食品的除菌過濾

陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、飲料、白酒、啤酒、飲用水等的除菌過濾，效果十分顯著，其特別之處在于可以采用蒸汽對整個設(shè)備進(jìn)行消毒，使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。陶瓷微濾膜和陶瓷超濾膜處理地表水制備飲用水已在歐洲應(yīng)用多年，陶瓷膜與吸附集成凈水技術(shù)在我國已應(yīng)用8年，以陶瓷膜為核心的集團(tuán)式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進(jìn)行消毒處理，具有廣闊的發(fā)展前景。

4.3 其他方面的應(yīng)用

陶瓷膜的應(yīng)用領(lǐng)域還包括：氣體分離、滲透氣化、催化反應(yīng)、生物化工等。陶瓷膜滲透氣化工藝具有高通量、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，有著極強(qiáng)的競爭力和巨大的市場需求；陶瓷膜在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究是近期的熱點(diǎn)之一，涉及領(lǐng)域包括細(xì)胞脫除、無菌水生產(chǎn)以及低分子有機(jī)物的澄清和生物膜反應(yīng)器等。

4.4 陶瓷膜技術(shù)研究進(jìn)展

目前陶瓷膜技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

（1）新型陶瓷膜制備工藝的開發(fā)。從發(fā)展趨勢來看，目前陶瓷膜制備技術(shù)的主要發(fā)展方向?yàn)椋?/span>

①在多孔膜研究方面，需進(jìn)一步完善已商品化的無機(jī)超濾膜和微濾膜，發(fā)展具有分子篩功能的納濾膜、氣體分離膜和滲透氣化膜。

②在致密膜研究中，超波金屬及其合金膜和具有離子電子混合傳導(dǎo)能力的固體電解質(zhì)膜是研究的熱點(diǎn)。

（2）陶瓷膜的改性研究。

首先是提高膜的熱穩(wěn)定性，其次是提高膜的抗污染性，由于膜污染問題成本較高，一直限制了它的應(yīng)用，因此應(yīng)開發(fā)出抗污染的膜。

（3）復(fù)合陶瓷膜的制備。有機(jī)膜和無機(jī)膜具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)該研究出一種復(fù)合材料的膜，使其兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，如在無機(jī)膜中摻加一些有機(jī)組分，使其增加孔隙率，提高滲透通量。這是今后發(fā)展的主要方向。

（4）開發(fā)新材料。目前，已經(jīng)商品化的陶瓷膜材質(zhì)主要有Al₂O₃膜、TiO₂膜、SiO₂膜等。它們的不足之處主要是成本高，有必要開發(fā)一種新型材料，在保證一定的機(jī)械強(qiáng)度和膜通量的前提下，能夠大大簡化制備陶瓷膜的工藝步驟和減少成本。

（5）集成處理技術(shù)的開發(fā)。在某些場合采用的單一的無機(jī)膜技術(shù)處理廢水很難達(dá)到滿意的結(jié)果，而將無機(jī)膜與其他技術(shù)的集成，則可以達(dá)到降低成本，提高處理效率的目的。無機(jī)膜與其他技術(shù)的集成處理技術(shù)將是今后的重要發(fā)展方向。

5 納濾在制藥及食品中的應(yīng)用進(jìn)展

納濾是在反滲透基礎(chǔ)上發(fā)展的一種以壓力為驅(qū)動的液體膜分離過程，是膜分離技術(shù)的一個新興領(lǐng)域。納濾膜是20世紀(jì)80年代末期問世的一種分離膜，其截留的分子量約為100～1000，推測該膜可能有1nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，故稱之為“納濾”。

5.1 納濾在制藥及食品提取純化中的應(yīng)用

納濾分離過程無化學(xué)反應(yīng)，無相變，不破壞生物活性，適用于分子量1000以下的活性物質(zhì)的濃縮純化。如納濾可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的薄膜蒸發(fā)等方法，縮短濃縮時間，有較高的回收率，且成本較低。因而納濾在制藥工業(yè)中應(yīng)用正日益廣泛，如中藥提取物、生物制品、化學(xué)藥物等的濃縮和純化；在食品中主要是功能性低聚糖的分離，其他還有乳品加工、果汁濃縮等。

制藥工業(yè)中的溶液大多成分復(fù)雜，不易分離、濃縮和凈化。近年來膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物制藥領(lǐng)域，如血透、腎析、藥品濃縮、發(fā)酵液與培養(yǎng)液的澄清等領(lǐng)域。

5.1.1 中藥提取物的分離純化

中藥中許多有效成分受熱易發(fā)生氧化、水解等結(jié)構(gòu)改變，可能影響藥效。傳統(tǒng)的濃縮溶液易產(chǎn)生沉淀，影響藥物穩(wěn)定性。納濾在常溫下操作，有利于保留中藥或復(fù)方中的有效成分，提高藥物的穩(wěn)定性。此外，納濾還具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，具有工業(yè)化應(yīng)用的可行性。

5.1.2 銀杏葉提取物的濃縮

銀杏葉提取物的濃縮

銀杏葉提取物是從銀杏科植物銀杏葉中提取到的活性物質(zhì)，主要含有銀杏黃酮苷類和萜烯酯類，具有捕獲自由基、抗脂質(zhì)過氧化、抗血小板活化因子等多種藥理活性。

5.1.3 七葉參皂苷的提取

超濾膜能有效去除色素等大分子物質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)慕亓舴肿恿康募{濾膜可制得純度為42%以上的七葉參皂苷。

5.1.4 制備麻黃堿

麻黃是我國的傳統(tǒng)中藥，可治療風(fēng)寒感冒、水腫及哮喘等疾病，其中麻黃堿為活性成分。姚仕仲等采用超濾-納濾-反滲透膜組合工藝改造了麻黃堿生產(chǎn)工藝。在該工藝中超濾作為二級預(yù)處理，主要去除一級預(yù)處理尚未完全除去的色素、液體和雜質(zhì)蛋白，特別是麻黃油。納濾主要去除無機(jī)鹽，特別是高價離子。反滲透主要是麻黃堿濃縮。采用該膜組合工藝麻黃堿的收率可達(dá)到96%，而傳統(tǒng)的苯提法只有80%。

5.1.5 提取梔子黃色素

以梔子黃色素萃取液為原料，微濾和納濾聯(lián)用能夠在常溫下純化和濃縮梔子黃色素液，藏花素?fù)p失率較低，避免了有機(jī)溶劑的使用，是梔子黃色素工業(yè)化生產(chǎn)較為理想的工藝。

5.1.6 類甜菜堿的分離

類甜菜堿是從植物中提取的一種分子結(jié)構(gòu)類似于甜菜堿的天然藥物。采用過濾除雜、電滲析除鹽、納濾濃縮的集成工藝提取類甜菜堿。其中納濾過程的操作壓力、運(yùn)行時間和濃縮倍數(shù)明顯影響類甜菜堿的分離效果，該結(jié)果可應(yīng)用于類甜菜堿的工業(yè)生產(chǎn)。

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、高脂血癥和癌癥等疾病。其傳統(tǒng)提取工藝采用堿溶酸沉法，收率低，且酸沉?xí)r耗酸量大，產(chǎn)生大量酸性廢液，對環(huán)境造成污染。采用微濾膜除雜，納濾膜濃縮后再除雜酸沉，可得到60%的甘草酸產(chǎn)品，且收率較高。

5.1.8 涼茶中草藥提取液的濃縮

涼茶是由金銀花、夏枯草、甘草、仙草等組成，其中許多有效成分對熱不穩(wěn)定。根據(jù)涼茶中的有機(jī)物組成及分子量，選用納濾膜，在28℃，壓力3.3MPa的操作條件下，水提取液經(jīng)納濾濃縮，提取液可溶性固形物從1.5%～2%達(dá)到了15%，加水稀釋復(fù)原后風(fēng)味、色澤、有效成分含量基本沒有變化，優(yōu)化了工藝，提高了產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，降低了成本。

5.2 生物制品的分離純化

由于納濾分離過程具有防止細(xì)菌污染和熱敏性物質(zhì)失活等特點(diǎn)，在生化生產(chǎn)流程中的作用正日益增大。

5.2.1 多肽的純化與濃縮

多肽是由蛋白質(zhì)水解或氨基酸合成制得的。生產(chǎn)中通常采用色譜柱從有機(jī)溶液或水溶液中純化多肽或多肽化合物，然后進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。采用納濾膜技術(shù)代替蒸發(fā)，優(yōu)點(diǎn)是濃縮和純化可一步完成，并可低溫操作，效率高，操作簡便。

5.2.2 氨基酸的分離純化

納濾分離氨基酸主要靠電荷效應(yīng)起作用。納濾膜對于處于等電點(diǎn)狀態(tài)的氨基酸的截留率幾乎為零。調(diào)整溶液的pH值，使不同的氨基酸在不同的pH值時帶上不同的電荷，利用膜的電荷效應(yīng)分離和純化分子量接近的氨基酸。

5.2.3 核苷酸的濃縮

采用納濾有效地將經(jīng)超濾和離子交換后的核苷酸原液進(jìn)行濃縮。這種方法工藝成熟、設(shè)備可靠、操作簡便，可滿足藥液生產(chǎn)的要求。

5.3化學(xué)藥物制劑的分離純化

目前納濾在化學(xué)藥物制劑中應(yīng)用主要是抗生素的濃縮純化以及少許的其他藥物的提取等。納濾濃縮抗生素發(fā)酵液工藝已成功用于青霉素、克拉維酸、頭孢霉素和螺旋霉素等多種抗生素的濃縮和純化過程中。

5.4 功能性低聚糖的分離和精制

5.4.1 大豆低聚糖的濃縮

先用超濾從大豆乳清中去除蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，透過液再用納濾或反滲透濃縮，可使低聚糖的濃度由1%提高到12%。但不論在透過通量上，還是在后續(xù)處理中對于鹽的去除效果上以及操作成本上，納濾都要優(yōu)于反滲透，采用納濾更為經(jīng)濟(jì)。

5.4.2 分離純化異麥芽低聚糖

異麥芽低聚糖是由葡萄糖、麥芽糖、異麥芽低聚糖組合成的混合糖漿或粉末。其中具有生理功能的成分主要集中在二糖和三糖，四糖以上組分功能活性相對較弱。采用納濾技術(shù)科提高產(chǎn)品中二糖和三糖的含量。

5.4.3 低聚木糖的分離純化

在酶法生產(chǎn)低聚木糖的過程中，低聚木糖含量低（小于2%）且含有3%左右的氯化鈉，采用傳統(tǒng)的離子交換脫鹽及真空濃縮，需耗費(fèi)大量的酸、堿和再生樹脂。而采用納濾四級串聯(lián)方式則可脫除大量的氯化鈉，使低聚木糖的含量達(dá)到20%以上，且降低了能耗和污染。

5.5 納濾膜分離技術(shù)在水處理中應(yīng)用

5.5.1 納濾膜在生活污水處理中的應(yīng)用

生活污水一般用生物降解和化學(xué)氧化法相結(jié)合處理，氧化劑的浪費(fèi)很大，且殘留物多。因此可以在它們之間加納濾環(huán)節(jié)，被微生物降解的小分子透過（Mw＜100）納濾膜，而截留住不能生物降解的大分子（Mw＞100），再進(jìn)化學(xué)氧化器后再去生物降解，這樣就可充分利用生物降解作用，節(jié)約氧化劑或活性炭用量，降低殘留物含量。

5.5.2 納濾膜在飲用水凈化中的應(yīng)用

飲用水的污染問題愈來愈受到人們的關(guān)注，歐、美、日等發(fā)達(dá) 都有改善水質(zhì)的計(jì)劃，如日本的MAC-21和新MAC-21計(jì)劃，將膜技術(shù)作為水凈化的較有效的手段。歐、美等國也支持了許多膜法（納濾）水凈化實(shí)驗(yàn)，效果明顯。地下水或地表中的污染物主要是分子質(zhì)量為幾百的殺蟲劑、除草劑以及因消毒而造成的過量有機(jī)鹵化物，這些物質(zhì)都是有毒甚至致癌的。納濾膜分離法可以去除消毒過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物、痕量除草劑、殺蟲劑、重金屬、天然有機(jī)物、硫酸鹽及硝酸鹽等。同時能保留大多數(shù)人體必須的無機(jī)離子，出水效率高，符合飲用水的要求。因而是一個技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性炭吸附分離法的有效方法。

5.5.3 納濾膜在工業(yè)水處理中的應(yīng)用

納濾膜可以處理來自鈾礦加工廠的含有放射性元素如鐳、鈾等的弱輻射性洗滌廢水；NF膜對紡織廠廢水中的疏水性染料和親水性染料都有很好的分離效果，對高價離子和微污染物質(zhì)等都有很高的去除率；NF膜也可以處理填埋垃圾瀝出液，處理后其COD值低于環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。

5.5.4 納濾在農(nóng)業(yè)水處理中的應(yīng)用

目前去除水中農(nóng)藥的傳統(tǒng)方法是活性炭吸附過濾和臭氧或過氧化氫氧化，但活性炭失效很快，需要頻繁再生和更換，處理費(fèi)用偏高，且在水中由于競爭吸附會使農(nóng)藥的吸附效率下降；而氧化法將農(nóng)藥大分子氧化成小分子后會促進(jìn)水中細(xì)菌的繁衍。納濾膜則因其對低分子量中性溶質(zhì)分子的篩分作用，對水中的農(nóng)藥殘留物具有良好的截留效果，處理農(nóng)藥污染廢水更為經(jīng)濟(jì)可行。

納濾膜技術(shù)對San Joaquin谷的重度污染水可以截留95%以上的硒和90%以上的其他多價陰離子。納濾膜法為處理含硒廢水提供了突破性的方法。

納濾膜分離技術(shù)作為一種新型膜分離技術(shù)和分離手段，在新型的膜分離過程中具有很高的潛在應(yīng)用價值，如含催化劑的溶劑中催化劑回收的應(yīng)用、對糖脫色樹脂再生液進(jìn)行再處理以及過程中水的回用、廢液中回收酸堿、從含重金屬離子的鹽水中回收溴、電廠冷卻水的處理、納濾膜膜生物反應(yīng)器、有機(jī)化工廢液處理等。伴隨新的低分子質(zhì)量中性及電解質(zhì)溶質(zhì)分離體系的出現(xiàn)，NF有望作為重要的膜分離技術(shù)應(yīng)用于水資源的凈化、生化工程，下游產(chǎn)品的分離精制等領(lǐng)域，進(jìn)而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。