膜分離技術

　　利用隔膜使溶劑(通常是水)同溶質或微粒分離的技術，包括電滲析、擴散滲析、反滲透和超過濾法等。膜分離技術廣泛地用於海水和苦咸水淡化，廢水深度處理，廢液和廢水中有用物質的濃縮回收，並用於制取高純水等方面。這一技術近30多年來發展非常迅速。

　　中國於1958年開始實驗研究電滲析法，1966年開始研究反滲透技術，均已成功地用於生產。

　　用隔膜分離溶液時，使溶質通過膜的方法稱為滲析，使溶劑通過膜的方方法稱為滲透。溶質或溶劑透過膜的推動力是電動勢（電滲析）、濃度差（擴散滲析）或壓力差（反滲透、超過濾和壓滲析）。隔膜是膜分離技術的關鍵部分，一般是用高分子材料制成的薄膜，種類很多，可根據需要選用。

　　離子選擇性透過膜　是電滲析法所應用的隔膜，也可用於反滲透，簡稱離子交換膜。它的選擇透過性一般是用雙電層理論和唐南膜平衡理論來解釋。構成離子交換膜基膜的高分子鏈上，連接有活性基團，膜在水中溶脹後，活性基團被水相包圍，因而電離成固定基團和可交換的活動離子，帶有電荷的固定基團附近與電解質溶液中帶相反電荷的離子就形成雙電層。當活性基團濃度大於膜外溶液濃度時，固定基團就會吸引膜外溶液中帶異號電荷的離子，使之通過膜，排斥同號離子，使之不能通過膜，這就是離子選擇透過性。唐南膜平衡理論認為，當活性基團濃度高於膜外溶液濃度、同號離子在溶液中的濃度高於在膜相內的濃度時，異號離子受不可移動的固定基團約束，不能移至膜外；溶液中的同號離子也不能進入膜內。但在濃度差作用下，會有少量離子進行擴散，擾亂電中性狀態，從而在膜相和液相界面上將產生電勢差，這一電勢差稱為唐南電勢。這種電勢差趨向於把膜相的異號離子拉回而把同號離子仍排斥到溶液中去，以恢復電中性狀態。這樣由濃度梯度產生的離子擴散趨勢就被反方向的唐南電勢作用趨勢所抵銷，建立起一種濃度不均勻的平衡狀態，這種平衡稱為唐南膜平衡。結果使膜相中的異號離子濃度大於液相中的異號離子濃度，使膜相中的同號離子濃度小於液相中的同號離子濃度，也就是在保持膜內電中性狀態下，溶液中的異號離子通過膜而同號離子則不易通過，所以離子交換膜對異號離子有高的選擇透過性。

　　離子交換膜按選擇透過性分為陰離子交換膜、陽離子交換膜、復合膜、兩性膜、表面塗層膜、鑲嵌膜和無機離子交換膜。按制膜工藝和膜結構分，有異相膜、均相膜和半均相膜。按用途分，有通用離子交換膜和特殊用途膜（如電極室隔膜、防有機污染膜、防極化膜）。

　　對離子交換膜的要求是：膜電阻低、離子選擇透過性好、水的滲透量小、機械強度和化學穩定性好。

　　半透膜　隻透過溶劑，或隻透過溶劑和小分子溶質而截留大分子溶質，顯示半透性的膜稱半透膜，主要用於反滲透和超過濾。應用於反滲透過程時，稱反滲透膜。它是具有親水性基團的薄膜，其透過機理現在還有不同看法，通常是用氫鍵理論或優先吸附-毛細管流動機理來解釋。以醋酸纖維素膜為例，氫鍵理論認為，膜上的羰基能與水分子形成氫鍵，在壓力的推動下，水分子可由一個氫鍵斷裂而轉到另一個位置形成氫鍵。通過氫鍵的形成與斷裂的移動過程，水就通過膜源源流出。優先吸附－毛細管流動機理認為醋酸纖維素膜的多孔的親水性表面，能優先吸附一層水分子，約有兩個水分子厚度（為10Å），鹽類溶質則被排斥，化合價越高的離子，被排斥愈遠。膜的孔隙為純水層厚度的一倍(20Å)時，稱為臨界孔徑。在臨界孔徑范圍內，孔隙周圍的水分子在反滲透壓推動下，通過膜流出，從而達到分離目的。有機物的脫除屬篩分原理，分子量小於200的小分子可通過膜，分子量大於200的有機物，基本上可全部截除。對半透膜的要求是：單位膜面積透水量（通量）大，脫鹽率高，機械強度和化學穩定性好，結構均勻，制造容易，價格低廉。目前反滲透常用的膜有：醋酸纖維素膜，芳香聚酰胺膜，能耐高溫的聚苯並咪唑膜，能耐水解和生物降解的玻璃中空纖維膜和氧化石墨膜，耐堿的磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜，耐酸耐堿的聚四氟乙烯接枝膜等。按膜的結構可分為對稱性膜、不對稱性膜和動態形成膜。60年代後期，研制成醋酸纖維超薄復合膜，已用於生產，這種膜可將海水經單級脫鹽成為飲用水。半透膜可制成板狀、管狀和中空纖維狀，分別用來裝置各種型式的反滲透器，也應用於擴散滲析過程。

　　孔徑較大的半透膜應用於超過濾，稱為超過濾膜。它在0.7～7千克力／厘米²的壓力下工作，用於分離直徑10微米以內的分子和微粒，其透過性機理屬篩分原理，膜的孔徑是分離作用的主要控制因素，已用於電泳塗漆廢液等工業廢水的處理。