膜分离技术是利用特殊制造的薄膜对混合物中各组分的选择渗透作用的差异,以外界能量或化学位差为推动力对双组分或多组分混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的方法。其原理主要基于以下几个方面:
膜的选择透过性:膜是膜分离技术的核心,具有选择性透过的特性。膜可以是均匀的,也可以由两个或两个以上部分构成,但无论厚度如何,都有两个界面分别与两侧流体相接触。膜仅允许某些特定的物质通过,而阻止其他物质通过,这种选择透过性是基于膜的孔径大小、化学性质以及被分离物质的特性等因素。例如,微滤膜和超滤膜主要基于孔径筛分原理,根据物质的大小进行分离,微孔和超滤膜的孔径分别为 0.1-10 微米和 0.001-0.1 微米,微滤膜可以截留细菌、微粒等,超滤膜可截留大分子物质、胶体等。而反渗透膜和纳滤膜大多为无孔膜,其对物质的分离行为不仅与孔径有关,还与膜的化学、物理性质以及溶质和膜之间的相互作用密切相关,如反渗透膜利用其选择性只能通过溶剂(通常是水)而截留离子物质的性质,实现对液体混合物的分离。
推动力的作用:为了使物质通过膜进行分离,需要施加一定的推动力。常见的推动力有压力差、浓度差、电场力等。例如,在反渗透、超滤、微滤等以压差为驱动力的膜分离过程中,通过泵将料液加压,使料液以一定流速沿膜表面流动,在压力作用下,溶剂和小于膜孔径的溶质粒子透过膜,而大于膜孔径的粒子则被截留,从而实现分离。在电渗析过程中,以电场力为推动力,利用离子交换膜对不同离子的选择性透过性,使溶液中的离子在电场作用下发生定向迁移,从而实现离子的分离。
在膜分离过程中,由于膜的选择性,某种组分在膜表面的浓度可能高于或低于主体溶液,形成浓度梯度,进而产生浓差极化现象。浓差极化会影响膜分离过程的效率和性能,可能导致膜通量下降、分离效果变差等问题。