膜分离过程没有相的变化(渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作。由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此膜分离过程在食品、医药等行业使用具有独特的优点。膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。由于上述优点，近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。

5.1.1 膜分离技术概述

5.1.1.1 膜分离技术原理及特点

在某种推动力作用下，选择性地让混合液中的某种组分透过，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的，而保留其他组分的薄层材料均可认为是膜，利用这种半透膜作为选择障碍层进行组分分离的，总称为膜分离技术。膜分离技术是近些年来迅速崛起的一项高新技术，已发展成产业化的高效节能分离过程和先进的单元操作过程。目前已经成熟和不断研发出来的微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析、膜蒸馏等现代膜技术正广泛用于石油、化工、环保等行业中，并产生了巨大的经济和社会效益。纳滤、超滤、微滤能有效地去除水中悬浮物、胶体、大分子有机物、细菌与病毒，但不能去除水中的小分子有机物。反渗透系统能够有效地去除水中的重金属离子、有机污染物、细菌与病毒，并能将对人体有益的微量元素、矿物质(如钙、磷、镁、铁、碘等)一并去除干净。同传统的水处理方法相比，在小水量方面，膜分离水厂具有明显的优势。随着我国改革开放的不断深入，人民生活水平的不断提高，农村和小城镇的自来水开始普及。由于传统的处理工艺无法适应小水量规模，农村和小城镇水厂的自来水水质差是普遍存在的问题。目前采用的方式是集中供水，但管网建设费用以及日常电费必然增加，导致制水成本增加。膜技术无疑为农村和小城镇水厂提供了很好的处理工艺选择。

与常规水处理方法相比，膜分离技术具有工艺设施简单、节约用地、出水品质好、能耗低、自动化程度高等特点，因而在大规模的节水和水回用领域发挥着极其重要的作用。几种主要的膜分离过程及传递机理如表5-1所示。

表5-1 几种主要膜分离过程及传递机理

5.1.1.2 膜材料与膜组件

(1)膜材料用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料，原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。根据不同的分类标准对膜材料有以下分类。

①按膜分离孔径的大小。根据膜孔径的大小，可分微滤(MF)膜、超滤(UF)膜、纳滤(NF)膜和反渗透(RO)膜。微滤膜用于分离0.2～1um的大颗粒、细菌、血清和大分子物质，操作压力一般在0.01～0.2MPa。超滤膜所分离的颗粒大小为0.002～0.2um，一般分子量大于5000的大分子和胶体，操作压力为0.1～0.5MPa。纳滤膜用于分离分子量为数百至1000的分子。反渗透膜用于分离相对分子质量在数百以下的分子和离子。它们的分离范围如图5-1所示。

图5-1 压力推动膜的分类与分离范围

②按膜分离机理。有多孔膜、致密膜和离子交换膜。

③按膜材质。分为有机膜和无机膜。有机膜采用合成高分子材料，种类很多。常见的高分子膜材料包括纤维素类、聚酰胺类、聚烯烃类、含氟高分子类、芳香烃类等。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53%，聚酰膜占33.3%，聚酰胺膜占11.7%，其他材料的膜占2%，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。高分子膜材料制造成本相对便宜，应用广泛，但在使用中易污染，寿命短。无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和碳分子筛膜。与有机膜材料相比，无机膜材料特别是陶瓷膜可以弥补有机膜的不足，因其化学性质稳定，抗污染能力强，耐高温和酸碱，能在恶劣的环境下使用，机械强度高，寿命长等。但制作成本偏高，受到了限制。

④按物态。有固膜、液膜和气膜三类，目前广泛应用于固膜，液膜和气膜也在不断研究中。

⑤按膜结构。分对称膜和非对称膜。对称膜可分为致密膜或微孔膜，但在其膜截面方向(即渗透方向)的结构都是均匀的。非对称膜则相反，膜截面方向结构式非对称的，其表面为极薄的、起分离作用的致密表皮层，或具有一定的孔径的细孔表皮层，皮层下面是多孔的支撑层。

(2)膜组件为便于工业化的生产和安装，提高膜的工作效率，在单位体积内实现最大的膜面积，通常将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，在一定的驱动力作用下，完成混合液中各组分的分离，这类装置称为膜组件或称组件(module)。膜组件除了包括膜本身以外，一般还有压力支撑体、料液进口、流体分配器、浓缩液出口和透过液出口等。目前已有工业应用的膜组件，主要有板框式膜、管式膜、卷式膜和中空纤维式膜，如图5-2所示。各种膜组件的优缺点列于表5-2。

表5-2 各种膜组件的特点

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文章来源：《水处理新技术、新工艺与设备》

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