4 陶瓷膜分離技術研究現狀與應用前景

陶瓷膜分離技術是一種“錯流過濾”形式的液體分離過程，原料液在膜管內高速流動，在壓力驅動下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過膜，含大分子組分的混濁液濃縮液被膜截留，從而使流體達到分離、濃縮、純化的目的。陶瓷膜具有化學穩定性好，耐酸、耐堿、耐有機溶劑、機械強度大等特點，其不足表現在價格昂貴、制造過程復雜等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的構形主要有平板、管式和多通道3種。

4.1 在水處理中的應用

微孔陶瓷膜分離技術在給水處理中的應用始于20世紀80年代初期，其缺點是能夠保證更好和更可靠的水質，不用化學物質，特別適合于高附加值產品。無機陶瓷膜在廢水處理中的應用主要包括處理含油廢水、紡織廢水、化工廢水、對放射性廢水、含重金屬廢水、城市生活污水和造紙廢水等。

4.2 食品的除菌過濾

陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、飲料、白酒、啤酒、飲用水等的除菌過濾，效果十分顯著，其特別之處在于可以采用蒸汽對整個設備進行消毒，使產品質量得到保證。陶瓷微濾膜和陶瓷超濾膜處理地表水制備飲用水已在歐洲應用多年，陶瓷膜與吸附集成凈水技術在我國已應用8年，以陶瓷膜為核心的集團式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進行消毒處理，具有廣闊的發展前景。

4.3 其他方面的應用

陶瓷膜的應用領域還包括：氣體分離、滲透氣化、催化反應、生物化工等。陶瓷膜滲透氣化工藝具有高通量、高穩定性等優點，有著極強的競爭力和巨大的市場需求；陶瓷膜在生物化工領域的應用研究是近期的熱點之一，涉及領域包括細胞脫除、無菌水生產以及低分子有機物的澄清和生物膜反應器等。

4.4 陶瓷膜技術研究進展

目前陶瓷膜技術的發展方向主要有以下幾個方面：

（1）新型陶瓷膜制備工藝的開發。從發展趨勢來看，目前陶瓷膜制備技術的主要發展方向為：

①在多孔膜研究方面，需進一步完善已商品化的無機超濾膜和微濾膜，發展具有分子篩功能的納濾膜、氣體分離膜和滲透氣化膜。

②在致密膜研究中，超波金屬及其合金膜和具有離子電子混合傳導能力的固體電解質膜是研究的熱點。

（2）陶瓷膜的改性研究。

首先是提高膜的熱穩定性，其次是提高膜的抗污染性，由于膜污染問題成本較高，一直限制了它的應用，因此應開發出抗污染的膜。

（3）復合陶瓷膜的制備。有機膜和無機膜具有各自的優點和缺點，應該研究出一種復合材料的膜，使其兼具兩者的優點，如在無機膜中摻加一些有機組分，使其增加孔隙率，提高滲透通量。這是今后發展的主要方向。

（4）開發新材料。目前，已經商品化的陶瓷膜材質主要有Al₂O₃膜、TiO₂膜、SiO₂膜等。它們的不足之處主要是成本高，有必要開發一種新型材料，在保證一定的機械強度和膜通量的前提下，能夠大大簡化制備陶瓷膜的工藝步驟和減少成本。

（5）集成處理技術的開發。在某些場合采用的單一的無機膜技術處理廢水很難達到滿意的結果，而將無機膜與其他技術的集成，則可以達到降低成本，提高處理效率的目的。無機膜與其他技術的集成處理技術將是今后的重要發展方向。

5 納濾在制藥及食品中的應用進展

納濾是在反滲透基礎上發展的一種以壓力為驅動的液體膜分離過程，是膜分離技術的一個新興領域。納濾膜是20世紀80年代末期問世的一種分離膜，其截留的分子量約為100～1000，推測該膜可能有1nm左右的微孔結構，故稱之為“納濾”。

5.1 納濾在制藥及食品提取純化中的應用

納濾分離過程無化學反應，無相變，不破壞生物活性，適用于分子量1000以下的活性物質的濃縮純化。如納濾可代替傳統的薄膜蒸發等方法，縮短濃縮時間，有較高的回收率，且成本較低。因而納濾在制藥工業中應用正日益廣泛，如中藥提取物、生物制品、化學藥物等的濃縮和純化；在食品中主要是功能性低聚糖的分離，其他還有乳品加工、果汁濃縮等。

制藥工業中的溶液大多成分復雜，不易分離、濃縮和凈化。近年來膜分離技術已廣泛應用于生物制藥領域，如血透、腎析、藥品濃縮、發酵液與培養液的澄清等領域。

5.1.1 中藥提取物的分離純化

中藥中許多有效成分受熱易發生氧化、水解等結構改變，可能影響藥效。傳統的濃縮溶液易產生沉淀，影響藥物穩定性。納濾在常溫下操作，有利于保留中藥或復方中的有效成分，提高藥物的穩定性。此外，納濾還具有節能、環保等特點，具有工業化應用的可行性。

5.1.2 銀杏葉提取物的濃縮

銀杏葉提取物的濃縮

銀杏葉提取物是從銀杏科植物銀杏葉中提取到的活性物質，主要含有銀杏黃酮苷類和萜烯酯類，具有捕獲自由基、抗脂質過氧化、抗血小板活化因子等多種藥理活性。

5.1.3 七葉參皂苷的提取

超濾膜能有效去除色素等大分子物質，選擇適當的截留分子量的納濾膜可制得純度為42%以上的七葉參皂苷。

5.1.4 制備麻黃堿

麻黃是我國的傳統中藥，可治療風寒感冒、水腫及哮喘等疾病，其中麻黃堿為活性成分。姚仕仲等采用超濾-納濾-反滲透膜組合工藝改造了麻黃堿生產工藝。在該工藝中超濾作為二級預處理，主要去除一級預處理尚未完全除去的色素、液體和雜質蛋白，特別是麻黃油。納濾主要去除無機鹽，特別是高價離子。反滲透主要是麻黃堿濃縮。采用該膜組合工藝麻黃堿的收率可達到96%，而傳統的苯提法只有80%。

5.1.5 提取梔子黃色素

以梔子黃色素萃取液為原料，微濾和納濾聯用能夠在常溫下純化和濃縮梔子黃色素液，藏花素損失率較低，避免了有機溶劑的使用，是梔子黃色素工業化生產較為理想的工藝。

5.1.6 類甜菜堿的分離

類甜菜堿是從植物中提取的一種分子結構類似于甜菜堿的天然藥物。采用過濾除雜、電滲析除鹽、納濾濃縮的集成工藝提取類甜菜堿。其中納濾過程的操作壓力、運行時間和濃縮倍數明顯影響類甜菜堿的分離效果，該結果可應用于類甜菜堿的工業生產。

5.1.7 甘草酸的提取

甘草酸是甘草甜味的主要成分，可用于防治病毒性肝炎、高脂血癥和癌癥等疾病。其傳統提取工藝采用堿溶酸沉法，收率低，且酸沉時耗酸量大，產生大量酸性廢液，對環境造成污染。采用微濾膜除雜，納濾膜濃縮后再除雜酸沉，可得到60%的甘草酸產品，且收率較高。

5.1.8 涼茶中草藥提取液的濃縮

涼茶是由金銀花、夏枯草、甘草、仙草等組成，其中許多有效成分對熱不穩定。根據涼茶中的有機物組成及分子量，選用納濾膜，在28℃，壓力3.3MPa的操作條件下，水提取液經納濾濃縮，提取液可溶性固形物從1.5%～2%達到了15%，加水稀釋復原后風味、色澤、有效成分含量基本沒有變化，優化了工藝，提高了產品的收率和質量，降低了成本。

5.2 生物制品的分離純化

由于納濾分離過程具有防止細菌污染和熱敏性物質失活等特點，在生化生產流程中的作用正日益增大。

5.2.1 多肽的純化與濃縮

多肽是由蛋白質水解或氨基酸合成制得的。生產中通常采用色譜柱從有機溶液或水溶液中純化多肽或多肽化合物，然后進行蒸發濃縮。采用納濾膜技術代替蒸發，優點是濃縮和純化可一步完成，并可低溫操作，效率高，操作簡便。

5.2.2 氨基酸的分離純化

納濾分離氨基酸主要靠電荷效應起作用。納濾膜對于處于等電點狀態的氨基酸的截留率幾乎為零。調整溶液的pH值，使不同的氨基酸在不同的pH值時帶上不同的電荷，利用膜的電荷效應分離和純化分子量接近的氨基酸。

5.2.3 核苷酸的濃縮

采用納濾有效地將經超濾和離子交換后的核苷酸原液進行濃縮。這種方法工藝成熟、設備可靠、操作簡便，可滿足藥液生產的要求。

5.3化學藥物制劑的分離純化

目前納濾在化學藥物制劑中應用主要是抗生素的濃縮純化以及少許的其他藥物的提取等。納濾濃縮抗生素發酵液工藝已成功用于青霉素、克拉維酸、頭孢霉素和螺旋霉素等多種抗生素的濃縮和純化過程中。

5.4 功能性低聚糖的分離和精制

5.4.1 大豆低聚糖的濃縮

先用超濾從大豆乳清中去除蛋白質等大分子物質，透過液再用納濾或反滲透濃縮，可使低聚糖的濃度由1%提高到12%。但不論在透過通量上，還是在后續處理中對于鹽的去除效果上以及操作成本上，納濾都要優于反滲透，采用納濾更為經濟。

5.4.2 分離純化異麥芽低聚糖

異麥芽低聚糖是由葡萄糖、麥芽糖、異麥芽低聚糖組合成的混合糖漿或粉末。其中具有生理功能的成分主要集中在二糖和三糖，四糖以上組分功能活性相對較弱。采用納濾技術科提高產品中二糖和三糖的含量。

5.4.3 低聚木糖的分離純化

在酶法生產低聚木糖的過程中，低聚木糖含量低（小于2%）且含有3%左右的氯化鈉，采用傳統的離子交換脫鹽及真空濃縮，需耗費大量的酸、堿和再生樹脂。而采用納濾四級串聯方式則可脫除大量的氯化鈉，使低聚木糖的含量達到20%以上，且降低了能耗和污染。

5.5 納濾膜分離技術在水處理中應用

5.5.1 納濾膜在生活污水處理中的應用

生活污水一般用生物降解和化學氧化法相結合處理，氧化劑的浪費很大，且殘留物多。因此可以在它們之間加納濾環節，被微生物降解的小分子透過（Mw＜100）納濾膜，而截留住不能生物降解的大分子（Mw＞100），再進化學氧化器后再去生物降解，這樣就可充分利用生物降解作用，節約氧化劑或活性炭用量，降低殘留物含量。

5.5.2 納濾膜在飲用水凈化中的應用

飲用水的污染問題愈來愈受到人們的關注，歐、美、日等發達 都有改善水質的計劃，如日本的MAC-21和新MAC-21計劃，將膜技術作為水凈化的較有效的手段。歐、美等國也支持了許多膜法（納濾）水凈化實驗，效果明顯。地下水或地表中的污染物主要是分子質量為幾百的殺蟲劑、除草劑以及因消毒而造成的過量有機鹵化物，這些物質都是有毒甚至致癌的。納濾膜分離法可以去除消毒過程中產生的副產物、痕量除草劑、殺蟲劑、重金屬、天然有機物、硫酸鹽及硝酸鹽等。同時能保留大多數人體必須的無機離子，出水效率高，符合飲用水的要求。因而是一個技術和經濟可行，有望代替傳統活性炭吸附分離法的有效方法。

5.5.3 納濾膜在工業水處理中的應用

納濾膜可以處理來自鈾礦加工廠的含有放射性元素如鐳、鈾等的弱輻射性洗滌廢水；NF膜對紡織廠廢水中的疏水性染料和親水性染料都有很好的分離效果，對高價離子和微污染物質等都有很高的去除率；NF膜也可以處理填埋垃圾瀝出液，處理后其COD值低于環境排放標準。

5.5.4 納濾在農業水處理中的應用

目前去除水中農藥的傳統方法是活性炭吸附過濾和臭氧或過氧化氫氧化，但活性炭失效很快，需要頻繁再生和更換，處理費用偏高，且在水中由于競爭吸附會使農藥的吸附效率下降；而氧化法將農藥大分子氧化成小分子后會促進水中細菌的繁衍。納濾膜則因其對低分子量中性溶質分子的篩分作用，對水中的農藥殘留物具有良好的截留效果，處理農藥污染廢水更為經濟可行。

納濾膜技術對San Joaquin谷的重度污染水可以截留95%以上的硒和90%以上的其他多價陰離子。納濾膜法為處理含硒廢水提供了突破性的方法。

納濾膜分離技術作為一種新型膜分離技術和分離手段，在新型的膜分離過程中具有很高的潛在應用價值，如含催化劑的溶劑中催化劑回收的應用、對糖脫色樹脂再生液進行再處理以及過程中水的回用、廢液中回收酸堿、從含重金屬離子的鹽水中回收溴、電廠冷卻水的處理、納濾膜膜生物反應器、有機化工廢液處理等。伴隨新的低分子質量中性及電解質溶質分離體系的出現，NF有望作為重要的膜分離技術應用于水資源的凈化、生化工程，下游產品的分離精制等領域，進而帶來巨大的經濟效益和社會效益。