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膜分离技术

用隔膜从溶质或颗粒中分离溶剂(通常是水)的技术，包括电渗析、扩散渗析、反渗透和超滤。膜分离技术广泛应用于海水和微咸水的淡化、废水的深度处理、废液和废水中有用物质的浓缩和回收、高纯水的生产等方面。这项技术在过去的30年里发展得非常迅速。

中国于1958年开始研究电渗析，1966年开始研究反渗透，均已成功投入生产。

用隔膜分离溶液时，使溶质通过膜的方法称为透析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。溶质或溶剂通过膜的驱动力是电动势(电渗析)、浓度差(扩散透析)或压差(反渗透、过量过滤和压力透析)。隔膜是膜分离技术的关键部件。它一般由高分子材料制成。膜的种类很多，可以根据需要进行选择。

离子选择渗透膜是用于电渗析的膜，也可用于反渗透，简称离子交换膜。选择性透射率一般由双层理论和Donnan膜平衡理论来解释。形成离子交换膜的聚合物链与活性基团相连。膜在水中膨胀后，活性基团被水相包围，因此电离成固定基团和可交换活性离子。在电解质溶液中带电荷的固定基团和带相反电荷的离子附近，形成双电层。当活性基团的浓度大于外膜溶液的浓度时，固定基团会吸引外膜溶液中带不同电荷的离子，使其能通过膜，而排斥相同数目的离子，使其不能通过膜，这就是选择性离子渗透性。根据Donnan的膜平衡理论，当活性基团的浓度高于胞外溶液的浓度，且溶液中相同数目的离子浓度高于膜相时，不同数目的离子受到不可移动的固定基团的约束，不能向胞外膜移动。溶液中的离子不能进入膜。但在浓度差的作用下，会有少量离子进行扩散，扰乱电中性状态，从而在膜相和液相界面处产生电位差，这种电位差称为唐南电位。这种电位差倾向于拉回膜相的不同离子，并将相同的离子排斥到溶液中，以恢复中性状态。这样，浓度梯度产生的离子扩散趋势被相反方向的Donnan电位作用趋势所抵消，建立了浓度不均匀的平衡状态，称为Donnan膜平衡。因此，膜相的离子浓度大于液相，膜相的离子浓度小于液相。也就是说，在膜内保持电中性状态的条件下，溶液中的离子通过膜，但离子不易通过。因此，离子交换膜对离子具有较高的选择性透性。

离子交换膜按选择性通透性分为阴离子交换膜、阳离子交换膜、复合膜、两性膜、表面涂层膜、镶嵌膜和无机离子交换膜。根据制膜工艺和膜结构的不同，有非均质膜、均质膜和半均质膜。按用途分，有一般离子交换膜和特殊用途膜(如电极室膜、防有机污染膜、防极化膜)。

对离子交换膜的要求是：膜阻低、离子选择性渗透性好、透水性小、机械强度和化学稳定性好。

半透膜只通过溶剂，或只通过溶剂和小分子的溶质而截留大分子，表现为半透膜，称为半透膜，主要用于反渗透和超滤。当应用于反渗透过程时，称为反渗透膜。它是一种具有亲水性基团的薄膜，其传递机理仍有不同，通常用氢键理论或优先吸附-毛细流动机制来解释。以醋酸纤维素膜为例。根据氢键理论，膜上的羰基可以与水分子形成氢键。在压力的推动下，水分子可以打破一个氢键，转移到另一个位置形成氢键。当氢键形成和断裂时，水流经膜。根据优先吸附-毛细流动机制，醋酸纤维素膜多孔亲水表面可以优先吸附一层水分子，厚度约为2个水分子(10A)，而排斥盐溶质。离子的价电子越高，斥力越远。当膜的孔径为纯水层(20A)厚度的两倍时，称为临界孔径。在临界孔径范围内，孔隙周围的水分子在反渗透压的驱动下，通过膜向外流动，达到分离的目的。有机物的去除原理是筛选，分子量小于200的小分子通过膜，分子量大于200的有机物，基本上可以全部切断。对半透膜的要求是：单位膜面积的水渗透(通量)大，脱盐率高，机械强度和化学稳定性好，结构均匀，易于制造，价格低廉。目前常用的反渗透膜有醋酸纤维素膜、芳香族聚酰胺膜、耐高温聚苯并咪唑膜、耐水解、耐生物降解的玻璃中空纤维膜和氧化石墨膜、耐碱磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜、耐酸碱聚四氟乙烯接枝膜等。根据膜的结构可分为对称膜、非对称膜和动态成型膜。20世纪60年代末，研制出了一种醋酸纤维超薄复合膜，并已用于该膜的生产，该膜可通过单级将海水淡化成饮用水。所述半透膜可制成板、管、中空纤维，分别用于安装各类反渗透装置，也可用于扩散透析工艺。

超滤采用大孔径半透膜，称为超滤膜。它在0.7 ~ 7 kg力/cm2的压力下工作，用于分离直径在10微米以内的分子和颗粒，其渗透机理为筛分原理，膜孔径是分离的主要控制因素，已用于电泳涂料废液和其他工业废水的处理。

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