膜分离技术应用于环境工程中的分析
杨志辉
摘要：膜分离技术具有工艺精简、低能高效、生产过程无化学污染及变化等显著特点，它相比于传统分离工艺更加灵活和实用。本文就围绕该技术与环境保护工程展开话题，探讨它在环境工程中的各方面具体应用，证明它之于传统分离技术的优越性。
关键词：膜分离技术；环境工程；微滤；反渗透；超滤；适用性
环境问题是目前各国都会关注的主要课题，它在工业化生产中表现尤其突出，人类逐渐学会处理生产过程排出物质回收利用来维持自然生态系统平衡，免遭破坏。就目前来看，膜分离技术已经在全球迅速崛起，它的分离净化与浓缩方法相比于传统分离技法更加先进，分离效率高且没有二次污染，所以在诸如饮用水处理、食品医药工业、石油化工、生物工程乃至核工业都有被广泛应用。
一、膜分离技术与环境保护
1.膜分离技术的基本内涵
膜分离技术采用的是天然或人工合成膜，它主要以化学位差与外界能量作为主要推动力，实现了对双组分与多组分溶剂与溶质的相互分离、分级，最后提纯富集。如果按照分离过程来看，膜分离技术主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、液膜、集成膜等等分支技术。这些技术都秉承了一点原则，那就是通过对固液态废物实施处理而降低处理过程向环境的排放量，同时达到物质分离回收效果，做到工业的减量化、无害化和资源化目的，最终祈祷环境保护作用。具体来说，围绕目前常见的3种典型环境污染物来分析膜分离技术的适用性特征，如表1。
由上表1可以看出，由于膜分离技术所针对的对象以流体为主，所以它只适用于对废水、废液、废气的相关技术处理。
2.膜分离技术与传统过滤技术的简要对比
相比于传统过滤，膜分离技术在技术应用过程中完全不需要任何助剂来进行物理分离，它所运用到的是混合物中不同的物理特性，甚至还考虑到了分离膜不同的分离速度。作为目前最流行的新技术，膜分离可以基于不同环境、不同机理来实现膜分离过程，无需在传统技术所要求的苛刻温度环境下操作，只在常温环境下就能实现低能高效过程，且分离绝对不产生任何污染。另外，与传统过滤不同的是它非常适用于某些热敏性物质的分离过程，就这一点特征让它可以更加灵活的应用于各个工业生产领域，突破传统技术规制，实现新技术创新思路。
3.膜分离技术与环境保护工程的关系
膜分离技术由于拥有双组分与多组分溶质溶剂分离功能，所以该技术可以对物质实施等级区分和物质提纯收集，针对固液态物质与气体中的废物来实现处理功能，达到企业及社会所要求的安全排放标准。如此一来膜分离技术就辅助生产工程实现了对物质的二次回收目的，对环境保护作用也相当明显。
二、膜分离技术在环境工程中的实际应用分析
如上文所述，膜分离技术主要分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、液膜（LM）。下文将对这5种分离技术在环境工程中的应用作出针对性分析。
1.微滤技术的应用
微滤（microfiltmtion，MF）又被称为微孔过滤，它属于精密过滤技术，MF也是目前所有膜分离技术中最为常见且广泛的应用技术之一，它所能过滤的对象很多，包括从0.1-10μm的细菌、胶体、颗粒等等。它的过滤原理和普通过滤非常类似，都采用筛网过滤。但是MF过滤的操作压力相对偏低，不大于0.2MPa。而且MF对水质的适应性极强，且占地面积小，总体来看MF的经济适用性很高，目前在饮用水处理方面起到了很大作用，逐渐取代了传统中的常规澄清过滤与二沉池技术。当水质处于大波动状态时，MF依然可以实施对各类废水废液的预处理工作，进而降低水质浊度和悬浮物，满足水质处理转换需求。MF过滤一般包括错流过滤和死端过滤两种，其中死端过滤采用的是低能高产过滤模式，它的滤饼层能够根据过滤时间增加而厚度逐渐增加，降低溶液的透过量，所以它能够及时清洗滤饼，恢复水通量，这也是死端过滤方法的关键；另外就是错流过滤，在水质过滤过程中，错流过滤会让一部分浓缩液体从滤膜另一端排除。随着原液在过滤过程中被截留物质浓度越来越高，膜本身的过滤阻力增长也会越来越快，所以错流过滤具有较高的微滤过滤效率，在目前环境工程应用中也很常见。
2.超滤技术的应用
超滤（Ultrafiltration，UF）技术中所涉及的超滤膜是典型的压力驱动膜，它的分离原理主要为筛分，UF的孔径范围也从0.05-1nm不等，它的主要任务就是清除各种固态悬浮物、颗粒物，实现对溶液中大分子物质及胶体的有效分离。在我国的汽车及电器工业中，UF的超滤膜多用来实现电泳涂漆废水的环保处理，它充分采用超滤膜分离特性来分离金属离子杂质电泳漆，并将它们从废水中回收再加以二次利用。通常情况下，超滤膜运行对羊毛脂的截留率能达到95%甚至以上，而对悬浮物的截留率则超过99%，精度非常高。这就使得废水中的COD大幅度下降，对废水的可生化性改进相当有效，这对废水处理的经济效益提升与环境效益保护都非常有好处。UF技术的关键就在于其膜通量随运行时间延长会不断降低，所以在技术改进方面应该以改进膜通量为主，主要开发高强度达通量UF过滤膜，使其能够适应当前的高温高污染生产环境，具备一定的抗氧化能力，并同时延长UF过滤膜的生命周期。上述也是未来UF技术进化的主要方向。
3.纳滤技术的应用
纳滤（Nanofiltration，NF）技术中的纳滤膜也被称为超低压反渗透膜，该技术是介于超滤与反渗透之间的新型分子级膜分离技术。NF技术属于压力驱动型技术，它的操作压力要求范围为0.5-1MPa，纳滤膜的最大优势就在于它拥有例子选择性，可以有效去除水质中的二价离子，去除率达到95%以上，而对一价离子也有50-80%的去除率。在城镇农村，NF技术可以有效去除河水及地下水中的三卤甲烷THM中间体、农药、硝酸盐等有机有害物质，尤其能够对废水进行脱色和有机物分级浓缩。纳滤膜可以在低压操作下实现高通量需求，所在许多环境工程中，它的反渗透操作成本较低。但纳滤膜非常容易受污染，所以它对水质要求也照比其它膜分离技术更高，必须经过复杂的预处理才能实现技术应用，这也限制了纳滤膜的推广使用范围。在未来，只有提高水质预处理技术才能凸显NF技术特点，但总体来看它在环境工程中的发展潜质依然很值得期待。
4.反渗透技术的应用
反渗透（Reverse Osmosis，RO）技术的基本机理就是自然界中的渗透现象，它是指水从浓度低溶液透过半透膜转向浓度高溶液，并形成膜两边的高度差，这就是渗透压，而这一半透膜也被叫做反渗透膜。反渗透膜对所有溶质都具有相当高的脱除率，且它的出水水质很高，目前在水处理的除盐处理环节中非常常见。从环保领域的基本理念来看，反渗透对城市饮用水、城市污水、垃圾渗透液以及工业废水的处理相当有效，它不仅能够解决废水中的高浓度氨氮、重金属有机物，也能够解决由膜污染所导致的浓差极化问题。总体来看，RO技术在开发方面成本较低，且低压耐污染耐高温，并且拥有极强的抗氧化能力，是环境工程中必不可少的技术之一。
5.液膜技术的应用
液膜（Liquid Membrane，LM）技术所采用的是液体材料膜，它还分为乳状液膜和支撑液膜，其中最为常见的是乳状液膜。乳状液膜是悬浮于液体中极薄的乳液颗粒，它主要是基于选择性渗透作为其膜分离机理的。相比于固膜，液膜的传质速度更快、分离效率和选择性也更高，因此在环境工程中常常会应用到LM技术，尤其是溶液中有机离子和有机物的分离相当有效。就目前实用层面来看，LM技术常常会在医药化工、废水处理、湿法冶金等环保工程中出现。例如在废水处理工程中，LM技术所采用的表面活性剂液膜处理模式就能去除约99%以上的含酚废水酚率。另外它废水中的氨、苯胺类物质去除率也能超过97%，而且对废水中有机物质的回收利用率也相当可观，实现了对废水的资源化再利用处理过程。总结：除本文所描述的5种膜分离技术以外，还有渗透气化（PVAP）和集成膜（IMT）技术，它们也在环保环境工程领域中发挥了极大的作用，有效控制了水污染及大气污染，对城市水质提高起到很大作用。就目前发展形势来看，我国在膜技术应用于环境工程领域已经逐渐达到世界领先水平，真正实现了针对不同污染源采用相对应的膜分离技术及配套工艺，为技术投资与运营成本带来了良性循环，创造了更好的企业发展前景。
