一、膜分离技术原理
膜分离技术是指在一定温度甚至常温下，以外界能量或化学位差为推动力，将分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，从而达到分离、分级、浓缩、纯化和精制、富集等目的。其原理可用图15-7来表示。
图15-7 膜分离工作原理示意图
在实现分离过程中，最关键的是离不开半透膜，该膜又称为分离膜或滤膜，通常是天然或人工合成的高分子薄膜。
二、膜分离技术的特点
与传统的蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等分离技术相比，膜分离技术很好地利用了材料科学与介质分离技术的交叉结合。之所以发展迅速，主要是由于其具有以下特点：
（1）分离效率高、选择性好，可实现相对分子量为几千甚至几百的分子级物质的分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能。
（2）可常温或低温操作，既大大降低能耗，又减少有效成分的破坏或损失，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩。
（3）既无相态变化，又无化学变化，是典型的物理分离过程，能避免产品受到污染，保持原有的风味，适合果汁加工。
（4）适应性强，处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，易于自动化。
（5）膜分离设备的运动部件少，结构简单，占地少，操作容易，控制、维修方便。而且从开动到得到目标产品的时间很短，可以在频繁的启、停下工作。适用范围广。
但是膜分离技术也有不足之处，有的膜成本高，膜易堵塞，易被污染造成使用寿命不长，或需要定期将膜进行化学清洗前处理。个别情况下，膜处理设备一次投资比传统方法稍高点。
三、膜分类及膜组件
1.膜的定义
膜组件是指由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器所构成的一个单元，又称膜装置，它是膜分离装置的核心。
最通用的广义定义是：“膜”为两相之间的一个不连续区间。因而，膜可为气相、液相和固相，或是他们的组合。简单地说，膜是将两种流体分隔开的一个薄的阻挡层；形象地说，膜就像一张筛网，可以拦下大的粒子、透过小的粒子。但这张筛网特殊的是：它的孔径很小很小，进行的是大、小分子的分离。只要选择合适孔径的膜，就可以进行所需的分子级分离。
2.膜的分类
膜的形态结构决定其分离机理及应用方式。一般根据结构的不同，膜可分为固膜和液膜，固膜又可分为对称膜（柱状孔膜、多孔膜、均质膜）和不对称膜（多孔膜、具有皮层的多孔膜、复合膜），液膜可分为存在于固体多孔支撑层中的液膜和以乳液形式存在的液膜两种。根据膜材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物，等等。根据孔径大小可以分为：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等，错流膜工艺中，各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别。膜的分类可用图15-8来表示。
不管何种膜，他都具有两个特征：一是无论厚度多少都必须有两个界面，两个界面分别与两侧流体相接触，二是要具有选择透过性，可允许一侧流体中一种或几种物质通过，而不允许其他物质通过。
3.膜组件
在化工操作过程中，膜都需制成组件形式来作为膜分离装置的分离单元，工业上常用的膜组件形式有板框式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。后三种皆为管状膜，差别主要是直径不同：直径大于10mm的为管式膜，直径在0.5～10mm之间的是毛细管式膜，直径小于0.5mm的为中空纤维膜。管状膜直径越小则单位体积里的膜面积越大。其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同，又分为内压式和外压式。图15-9至图15-15系列图示是一些常见的膜组件。
图15-8 膜的分类
图15-9 板框式膜组件
图15-10 圆管式膜组件
图15-11 螺旋卷式膜件
图15-12 毛细管式膜组件
图15-13 中空纤维式膜组件
图15-14 内压式膜组件
图15-15 外压式膜组件
四、膜分离过程的基本参数
为了评价各种膜分离操作，通常需要通过几个参数来描述膜的分离透过特性，这几个参数分别为膜的截留率、透过通量、截留分子量等。
1.截留率R
指料液中分离前后被分离物质的截留百分数。有的又称分离效率或脱除率，可表示为
式中 c1——料液主体中被分离物质（如盐、微粒和大分子等）的浓度
c2——透过液中被分离物质（如盐、微粒和大分子等）的浓度(www.xing528.com)
2.透过速率（膜通量）J
透过速率指单位时间内通过单位膜面积上的透过物的量，常用的单位为kmol/（m2·s）或m3/（m2·s）。由于操作过程中膜的压密、堵塞等原因，膜的透过速率将随时间减少。所以，任何时候膜的透过速率与时间的关系一般可表示为：
式中 J——透过液通量
Vp——透过液体积
S——膜面积
J0——初始操作时的透过速率
t——操作时间
m——衰减指数
透过速率（膜通量）的影响因素主要有：膜管孔径，操作压差（膜管内外的压差即跨膜压差），膜面流速（在膜管内流动的实际流体流速），料浆浓度、温度、酸碱性（pH）等。
3.截留物的分子量
若对溶液中的大分子物质进行分离，截留物的分子量在一定程度上反映膜孔径的大小，但由于多孔膜孔径大小不尽相同，被截留物的分子量将在一定范围内分布。所以，一般取截留率为90%的物质的分子量作为膜的截留分子量。截留率大、截留分子量小的膜往往透过速率（或膜通量）低，故在选择时需在两者之间权衡。
4.固体颗粒的粒径分离效率
若对悬浮液中的固体颗粒进行分离，粒径大于膜孔径的固体颗粒被截留，粒径小于膜孔径的固体颗粒部分透过膜孔进入透过液，部分依然被截留，测定悬浮液和透过液中的固体颗粒的粒径分布和浓度，即可计算出粒径分离效率。
五、膜分离的种类和特征
由于膜的种类比较多，各自的分离原理和被分离物质的分子大小也不一样，根据溶质或溶剂透过膜的推动力和膜种类不同，因此膜分离过程通常分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、气体分离、渗透汽化等。为了对比，见表15-1用表的形式简要介绍几个常见的膜分离操作过程的特征。
表15-1 膜分离的种类及特征
续表
六、影响膜分离的有关因素
1.操作压力
操作压力对膜分离过程的影响十分重要。用膜分离技术处理含油污水的过程中存在一个临界操作压力，在达到临界操作压力之前，膜通量随操作压力的增加而增加，当操作压力超过这个临界压力后膜通量就会随操作压力的增加而下降。这是由于油滴具有可压缩性，当操作压力过高时，油滴被挤压变形，造成膜孔阻塞和浓差极化，从而导致膜通量下降。
2.操作时间
操作时间对膜分离效率的影响也是十分显著的。在膜分离过程中，随着时间的增加，膜通量会下降。这是由于膜表面受到污染或者膜表面出现浓缩溶液或胶体层。
3.温度
温度对膜分离过程的影响主要是由于温度对黏性的影响。温度上升时油的黏性降低，扩散系数增加，减少了浓差极化的影响，有利于提高膜通量。此外，温度的改变也会影响膜面及膜孔与料液中可引起污染的成分的作用力，这些都会使膜通量下降。
4.料液浓度
料液浓度对分离效率也有很大的影响。膜分离过程是一个料液的浓缩过程，存在着浓缩的极限。当料液浓度较小时，膜面不易形成覆盖层，随浓度的增大，膜面阻力增大，膜通量显著降低；当料液浓度较大时，油滴粒径变大，在膜表面形成薄层覆盖层，阻挡了细小颗粒进入膜孔，减缓了膜阻塞，膜通量基本不变。
5.膜孔径
膜的孔径是膜的基本特性之一，一般认为孔径增加，膜通量会大幅提高；孔隙率越大，膜通量越大；膜孔的曲折率越小，膜通量越大。
6.膜厚度
膜厚度对分离效率的影响具有双重作用。膜厚度的增加会减少膜通量，但却会使分离效率提高。因此，需要通过试验来选择膜的厚度，从而使膜的分离效率提高同时通量不降低。
7.膜面流速
膜通量随膜表面流速的增加而增加并会达到一个最大值，流速再增加时膜通量反而下降。一个原因是过高的流速会增大背压（回压），使膜透过压力下降；另一个原因是过高的流速使混合物中油离开膜的速率远大于油进入膜的速率，导致膜通量下降。因此选择膜面流速时，并不是膜面流速越大越好，当膜面流速超过临界值后，将不会对膜分离效果有明显改善。
此外，研究表明膜制作过程、制膜添加剂的种类和用量、电解质以及表面活性剂等都会对膜分离过程产生影响。
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