1 引言

膜分離技術是借助膜的選擇滲透作用，以外界能量或化學位差為推動力，對混合物中溶質和溶劑進行分離，分級，提純和富集的方法。與傳統的分離操作（如蒸發、萃取、沉淀、混凝和離子交換等）相比較，膜分離技術作為一種新的分離凈化和濃縮方法，具有能耗低、效率高、工藝簡單、投資小和污染輕等優點。由于其自身的優點，膜分離技術的發展相當迅速，在污水處理、食品生產、醫藥合成和化工生產等領域有廣泛的應用。而近幾十年，將膜分離技術應用到水處理領域，形成了新的水處理方法，包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、電滲析（ED）和反滲透（RO）、滲透蒸發（PV）、液膜（LM）等膜分離技術，為水處理提供了新的出路和研究方向。

2 發展概況

人類對于膜現象的研究源于1748年，然而認識到膜的功能并用于為人類服務，卻經歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。1950年W.Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。1960年洛布（Loeb）和索里拉簡（Souriringan） 研制成 上具有歷史意義的非對稱反滲透膜，這在膜分離技術發展中是一個重要的突破，使膜分離技術進入了大規模工業化應用的時代。

其發展的歷史大致為：20世紀30年代微孔過濾，40年代透析；50年代電滲析；60年代反滲透；70年代超濾和液膜；80年代氣體分離；90年代滲透汽化。此外以膜為基礎的其它新型分離過程以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程也日益得到重視和發展。

3 膜分離技術概述

3.1 膜分離技術類型

目前已經深入研究和開發的膜分離技術有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透汽化和氣體分離等。正在開發研究中新的膜過程有：膜蒸餾、制成液膜、膜萃取、膜生物反應器、控制釋放膜、仿生膜以及生物膜等過程。

3.2 膜分離技術特點

膜分離技術作為一門新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術，由于其多學科性特點，膜技術可應用于大量的分離過程。各種膜過程具有不同的機理，適用于不同的對象和要求，但有其共同的優點。

（1）膜分離技術能耗低。因為膜分離過程不發生相變化，其中以反滲透耗能較低，這對于克服 的能源危機有相當的意義。

（2）膜分離過程是在常溫下進行的，因而特別適于對熱敏感的物質，如對廢水中有價值的重金屬、化學藥品、生產原料等的分離、分級、濃縮與富集過程。而用膜法處理飲用水，其出水水質只取決于膜自身的性質，如膜孔徑、膜的選擇性等，與原水水質無關。

（3）膜分離技術適用的范圍廣，反應過程不會改變物質的屬性，不需要添加劑參加反應，不會帶來新的污染物和浪費其它物質，可用于多種類型的廢水處理過程。

（4）膜分離法費裝置簡單，操作容易且易控制，便于維修且分離效率高。與常規水處理方法相比，具有占地面積小，處理效率高等特點。

（5）膜分離技術設備可實現定型化，自控性強，便于管理和運行，也有利于產業化發展。

4 膜分離技術的應用

膜分離技術已經在國民經濟各個領域得到廣泛的應用。尤其在一些發達 。據統計，全 膜和膜組件的銷售額每年以14%～30%的幅度遞增，并膜與光纖、超導等技術一樣將成為主導未來工業的六大新技術之一。顯示出這一新興產業的廣闊前景。其工業應用見表1。

表1：膜分離技術的工業應用

目前，環境問題日趨嚴重，其中較為突出的是廢水的處理。盡管廢水治理達標排放的方法很多。但不容置疑，膜技術應用是較為常用的一種。我國水資源很貧乏，不少城市都存在用水嚴重緊張的問題，同時隨著人民生活水平的提高，對水質也提出更高的要求，希望能夠引用到更優質的水。此外，海水的淡化處理和高純水的生產，這些都是社會發展的需要，以上問題都可以通過膜分離技術來解決。

4.1 廢水處理

廢水處理一直是我國乃至 在環保方面一直關注和亟待解決的問題，而利用膜技術處理廢水，既能得到可達標的水源，又能有效地利用廢水中的有價成分。

4.1.1 重金屬廢水的處理

金屬加工廢水中含有濃度相當高的鎳、鐵和鋅等重金屬離子。采用納濾技術，不僅可以使90%以上的廢水純化，而且可同時使重金屬離子含量濃縮10倍，濃縮后的重金屬具有回收利用的價值。

納濾膜處理重金屬廢水具有操作壓力低、水通量大等優勢，因而在廢水處理領域得到逐步的應用。但是由于目前我國的納濾膜大部分還依賴于進口，限制了其大批量應用。隨著我國材料科學、分析檢測手段和制備工藝等的發展和改進，當一些關鍵技術得到很好的解決后，我國的納濾膜分離技術將在廢水處理中發揮更大的作用。

4.1.2 印染廢水的處理

紡織印染業工藝過程中會產生大量高鹽度（＞5%）、高色度（數萬至十幾萬）、高化學需氧量（CODcr數萬至十幾萬）、可生化性差的廢水，經過超濾只能部分去除色度、不能被去除小分子有機染料。所以超濾處理后還不能循環使用，不過經過超濾后的滲透液可以達標排放。但如果再通過納濾處理就可以使廢水達到回用標準，納濾處理后，水在硬度、有機物濃度和色度等可以接近地下水的水平。

4.1.3 含油廢水的處理

在鋼鐵工業的壓延、金屬切削、研磨以及石油煉制及管道運輸等產業經常產生含油廢水，其特點是數量大，雜質多。處理含油廢水的目的主要是除油同時去除COD及BOD。對含油廢水的膜處理主要是采用不同材質的超濾膜和微濾膜進行。唐燕輝等設計、組裝的膜處理裝置，考察了多種制膜方法，實驗表明用加壓制膜法制備的超濾膜（A4膜），分離機械加工排放的含油污水時，可以使COD及BOD從728.64mg/L降至87.8mg/L，含油質量濃度從5000mg/L降至2.5mg/L，脫除率分別達到87.95%和99.95%，分離后排水已達到 規定的排放標準。

4.2 海水淡化

海水淡化主要是去除海水中所含的無機鹽，通過一系列的過程轉變為低鹽度的淡水。利用海水淡化技術從海水中制取淡水。緩解日趨嚴重的 性水危機，不僅已在全球科技界形成共識，成為人們取得淡水的一種重要手段，也已成為各臨海 的政府主張與開發新水源的對策。

我國研究海水淡化技術起步較早，也是 上少數幾個掌握海水淡化等資源利用 技術的 之一。海水淡化使用較多的是反滲透技術，而反滲透技術也是海水淡化較經濟的一種方法。反滲透分離法是一種光譜脫除法，在淡化過程中不僅把海水中大部分的鹽截留在濃縮海水中，而且也把水中大部分的致畸致癌致突變的有機物和氯氣消毒過程產物的鹵代烴、病毒、細菌等均截留下來，淡化水中也無農藥、除草劑、洗滌劑等。因而淡化水水質非常優良，由于一般的自來水水質。黃英等人報道了用反滲透法將海水和苦咸水淡化的技術，通過該方法，使反滲透系統回收率達75%。將NaCl含量從13000mg/L左右的苦咸水脫鹽至500mg/L。淡水質量符合 標準。

4.3 超純水制備

超純水在電子工業主要是用于電子元器件的生產，其品質已成為影響電子元器件產品質量、生產成品率及生產成本的重要因素之一。膜技術，特別是反滲透技術在純水、超純水系統的應用成功，大大地改進了以往單一離子交換純水系統的復雜性，降低了制造成本，水質更純更穩定，節省酸堿95%以上，緩解污染得到極大改善。

海洋局二所與中科院上海冶金研究所合作開發的采用反滲透技術制備超純水，使超純水水質由7×10⁶～7×10⁷Ω·cm提高到1.5×10⁶～1.7×10⁷Ω·cm，達到了 ASTM-EM級水質標準。電去離子（簡稱EDI）技術是國際上20世紀90年代才逐步成熟的純水生產技術，是一項純水生產領域具有革命性的技術突破。王冬云等人在制備高純水過程中通過EDI的實驗研究，表明提高EDI膜堆的操作電流可以得到高質量的純水。EDI膜堆進水電導率越低，產水水質越好。

5 有待研究問題探討

在用膜技術處理水的應用過程中，產生膜的污染是在所難免的，產生膜的污染的原因很多。膜污染原因比較復雜，但究其主要原因是濃差極化和膜污染。濃差極化是膜表面局部濃度增加引起邊界層流體阻力增加，導致傳質推動力下降的現象，而膜污染是指料液中的微粒、膠體粒子或溶質分子由于與膜之間存在物理化學作用而在膜表面及膜孔中沉積，使膜孔堵塞或變小，膜組增大，膜的滲透速率下降的現象。

多年來，國內外在膜污染的理論研究和應用實踐的基礎上，積累了不少行之有效的經驗和方法，主要有以下幾種方法。

5.1 改變膜材料質量及其表面性能

研究發現膜的親水性越好，膜污染越輕。因此選擇親水性強膜組件可以減輕膜污染。

5.2 減小水中鹽濃度

水中溶解度小的金屬氫氧化物或鹽會直接在膜表面沉積，引起膜污染；由鐵錳等引起的污染，用HCl等酸性藥劑進行清洗，可使膜通量得到較好的恢復效果。

5.3 改變水的pH值

研究發現，原水偏酸性（pH＜6）或偏堿性（pH=9）條件下，膜污染比中性條件下輕。把原水調到適當的pH值進行處理也是減輕膜污染的措施之一。

5.4 減少水中有機物種類

Lin等人研究發現天然有機物中腐殖酸是UF膜的主要污染源，并且發現腐殖酸的羧基基團的含量越高越容易導致膜的污染。可以通過在超濾前采用適當的預處理工藝減輕這類膜污染。由有機物引起的膜污染可以用NaClO或NaOH進行化學清洗恢復膜通量。

6 膜分離技術應用前景展望

膜分離技術在水處理中的主要方向為飲用水的制取（包括以地表水為水源生產高品質的飲用水、海水淡化、苦咸水脫鹽等）、城市廢水治理與回用、工業用水中物質的回收與水資源再利用、工業廢水的治理等。與此同時，對膜及相關過程的規模化、膜污染的監測與控制、雜化膜過程的研究、操作條件的優化都是研究的主要方向。

膜分離技術在環保領域的應用將成為國內外重點發展的前沿課題。因此對膜材料提出了更高的要求，尤其是要制備出適應于環保行業高強度、長壽命、抗污染、高通量的膜材料。

膜分離技術發展迅速，同其他工程科學的結合也越來越緊密，諸如同傳感器相結合構成膜傳感器等。膜分離技術得到越來越廣泛地應用，不但用于常規的水處理，還用于殺菌等多個領域。膜分離技術的研究也可謂與時俱進，可以預料在新世紀，隨著法規標準的日益提高和膜技術的不斷成熟、成本不斷降低，水價的日趨上漲等，膜法水處理技術將會出現一個技術上進一步提高，應用上更加普及的高潮。