膜分离技术现在已经得到世界各国的普遍重视，所以应用范围较广，但其中在环境保护和水资源再生方面异军突起，特别是废水处理和中水回用方面应用较多。下面就几个最为主要的膜分离操作：微滤、超滤、反渗透、电渗析分别进行介绍。
一、微滤
1.原理
微滤（MF）又称微孔过滤，它属于以膜材料为过滤介质的一种精密过滤，其基本原理属于筛孔分离过程。具体是通过以下四个途径来实现，首先是机械截留，即在静压作用下，小于膜孔的粒子通过过滤膜，大于膜孔的粒子被截留筛分作用；其次是吸附截留，是利用膜表面的吸附作用截留杂质粒子；再次是架桥截留，类似表面过滤，由于架桥作用使小于膜孔的粒子被截留；最后是依靠膜内部网络中截留，杂质微粒不仅在膜表面被截留，在网络内部也被截留。
2.操作工艺
微滤有两种操作工艺：死端过滤和错流过滤。死端过滤，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒被截留后通常堆积在膜表面，形成额外透过阻力。操作压差不变的条件下，随操作时间的增长，膜表面堆积的颗粒越来越多，过滤阻力越来越大，膜的渗透速率下降。错流过滤，原料平行于膜表面流动，流经膜面时产生的剪切力可把膜面上滞留的颗粒带走，使沉积层保持在一个较薄的水平。
微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。
微滤膜通常膜孔整齐均匀，保证了比膜孔大的粒子全部被截留在膜表面上，过滤精度高，同时微滤膜的孔隙率大，一般在70%～80%，过滤速度快，其通量比具有同等截留能力的滤纸至少高40倍。微滤膜的厚度薄为150μm左右，流动阻力小，驱动压力就低，一般只需较低压力即可。但微滤膜使用寿命较短。
对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1um，故微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物。可作为一般料液的澄清、过滤、空气除菌。具体涉及领域主要有：医药工业、食品工业（明胶、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高纯水、城市污水、工业废水、饮用水、生物技术、生物发酵等。
二、超滤
超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜分离过程，且三者之间无明显的分界线。一般来说，膜孔径在0.05μm～1nm之间。操作压力为0.1～0.5MPa。超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。
超滤膜分离的工作效率以膜通量和物料截流率为衡量指标，两者与膜结构、体系性质以及操作条件等密切相关。影响膜分离的主要因素有：
（1）膜材料。指膜的亲疏水性和电荷性会影响膜与溶质之间的作用力大小；
（2）膜孔径。膜孔径的大小直接影响膜通量和膜的截流率，一般来说在不影响截流率的情况下尽可能选取膜孔径较大的膜，这样有利于提高膜通量；
（3）操作条件（压力和流量）。
另外料液本身的一些性质如溶液pH、盐浓度、温度等都对膜通量和膜的截流率有较大的影响。
对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化。另超滤在净水设备中应用非常之普及，是解决饮用水二次污染的常用方法之一，他能虑过水质大分子物质（如细菌）和胶体，保证终端饮用水安全。
超滤过程没有相变，无需加热，因此不仅节能，而且设备简单，占地面积小，操作压力低，能量消耗少。由于超滤膜的分离特性，能将水中绝大多数大于截留分子量的物质包括细菌，病毒等阻止在膜内外，滤除性能优异，特别是超滤设备在工作一段时间后，设备中存在较多的胶体状物质，利用超滤膜极好的截留胶体物质特性，使黏附在胶体的微粒上的更多小分子有机物随着胶体物质的被阻挡分离而截留。图15-16是净水器超滤膜过滤的示意图。
图15-16 净水器超滤膜过滤的示意图
三、反渗透
1.原理
用膜法分离溶液时，使溶剂通过膜的方法称为渗透。水通过膜由稀溶液进入浓溶液的过程称为自然渗透。在浓溶液一侧施加压力，使浓溶液中的水通过膜进入稀溶液的过程称为反渗透（RO）。所以反渗透是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。
反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子。因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便、运行可靠等诸多优点，故在海水和苦咸水淡化，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理、医药、电子、化工、食品等诸多行业。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，已成为现代工业中首选的水处理技术。(www.xing528.com)
2.反渗透膜结构与性能
（1）结构。是一种只允许水分子通过的半透膜，厚度一般为100～200nm，具有不对称的断面结构，主要包括三层：表面致密层，孔径约0.8～1nm，厚度约为1～10μm，脱盐主要在这一层，另一面为多孔支撑层，结构疏松，孔径约100～400nm，两者之间为中间过渡层，孔径约20nm。
（2）性能。反渗透分离的关键是要求反渗透膜具有较高的透水速度和脱盐性能，则反渗透膜所应具有的性能为：①单位膜面积的透水速度快，脱盐率高；②机械强度好；③化学稳定性好，耐酸碱、耐高温和微生物的侵蚀，耐污染；④使用寿命长，性能衰降小，原料充沛，价格低，制膜工艺较简单。
3.反渗透处理的工艺参数
（1）原液状态参数。包括总含盐量、各组分含量、pH、温度、悬浮物、黏度和微生物量等。
（2）膜性能参数。包括膜的脱盐性能、机械强度、pH稳定范围和耐热性等。
（3）化学工程参数。包括产水量、产水水质、操作压力、原液流速、膜清洗、膜更换和能耗等。
4.反渗透法处理工艺的优缺点
（1）优点。分离过程不需加热、无相变、耗能较少，无需添加化学试剂，无污染，设备体积少，操作简单，适用性强等。在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。
（2）缺点。需在高压下运行，需配备高压泵和耐高压的管路；反渗透膜分离装置对进水指标有较高的要求，易产生膜污染，需定期对膜进行清洗。且反渗透与一般单纯的筛分离过程不同，无法像过滤那样可以无限浓缩（反渗透有浓差极化问题）。
四、电渗析原理及操作
1.原理
电渗析（ED）是在外加直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，使水中的阴、阳离子作定向迁移，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。
电渗析的原理是在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直流电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时，在两电极上也发生着氧化还原反应，即电极反应，其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢，阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因此，在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力及电极反应。图15-17为电渗析原理示意图。
电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基团，如磺酸基（—SO3H）等酸性阳离子交换基和季铵基（—N+R3）等碱性阴离子交换基团。键合阳离子交换基的膜称作阳离子交换膜，在电场作用下，选择性透过阳离子；键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜，在电场作用下，选择性透过阴离子。
图15-17 电渗析原理示意图
2.电渗析装置
电渗析器的构造包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、浓水隔板、淡水隔板等部件。将这些部件按一定顺序组装并压紧，组成一定形式的电渗析器。此外，还包括辅助设备如水泵、整流器等。如图15-18所示。
图15-18 电渗析装置图
3.电渗析处理工艺的优缺点
电渗析膜分离处理工艺的优点是能耗低，占地面积小。操作方便，噪音低，不需要消耗化学药品，出水水质稳定，在脱盐过程中无相的变化，污染环境小。适用范围较广。但是也存在一些缺点，如安装较为复杂。脱盐效果不太彻底，一般为75%。水回收率低，一般为50%。电渗析处理技术的耗电量、耗水量都很高，而且对进水的浊度要求也很严格，以防止堵塞水路，造成制水困难。运行过程中阴极和膜上容易结垢，从而影响出水水质，并缩短仪器的使用时间，为避免这种现象的发生，必须采取一定的措施，包括控制工作电流、定期倒换电极、定期酸洗、定期拆洗等。
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