无机膜与有机膜的一些性能比较
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• 1、材质特点
• 根据相似相容原理，一般的有机膜材料与大多数 有机溶剂有机污染物等均具有非极性或弱极性特 点，这就造成未经改性处理的有机膜易受到有机 料液和化学试剂吸附侵蚀甚至溶解，影响到膜抗 污能力分离效果和适用范围，降低使用寿命 。虽 然随着有机膜制备技术的不断改进，多种工程高 分子膜表现出非疏水性或亲水性，对反应体系污 染程度和pH值等具有较宽的适应范围。但是，仍 无法比拟无机膜。
• 解体前的苏联十分重视无机刚性膜的开发 与研究，它有着广阔的开发前景。当时有 学者预言，虽然它的制造成本要比目前常 用的高分子膜贵2~4倍，但未来的无机膜将 取代大部分有机高分子聚合膜。这是膜材 料的发展趋势。也可以称无机膜为“未来 膜”，这是因为无机膜具有有高分子膜无 法比拟的优点。
二、无机膜与有机膜的一些性能比较
无机膜与有机膜
杨彬彬
一、膜的发展史
• 膜分离现象的揭示可以追溯到200多年以前。 1748年阿培诺来发现动物膀胱里充满酒精，然后 浸入水中，膀胱就逐渐胀大，甚至破裂。相反， 膀胱中充满水，再把它浸入酒精中，则情况相反， 膀胱中的水会向外渗透，膀胱收缩。还发现，凡 是和膀胱同类性质的薄膜，都具有这种渗透功能。 又经过100多年，于1886年范特荷甫从现象提高到 理论，归纳了范特荷甫渗透定律（对稀溶液来说， 渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常 数就是气体状态方程式中的常数R ）。但膜分离 技术在工业上获得重要应用并取得高速发展却是 近四、五十年的事。
• 与有机膜相比，无机膜的材质特点及优良性能主 要体现在： • （1）优良的化学稳定性；（2）温度适用范围广； （3）耐污染能力强，由于无机材料具有较强极性， 使油类蛋白等非极性污染物对膜表面与膜孔内部 的粘附功较小；（4）机械强度高，更适用于高黏 度高固含量含硬性颗粒的复杂流体物料的分离， 对物料的预处理要求相对较低；（5）分离效率高， 孔径分布窄和非对称膜结构可显著提高对特征污 染物或特定分子量范围溶质的去除率；（6）易于 实现膜再生，无机膜元件使用寿命长达有机高分 子膜的3~5倍以上。
• 膜分离的关键是膜材料。根据成膜材料不 同，膜技术可分为有机膜和无机膜两大类， 其中，有机膜也称为高分子分离膜。 • 国际上无机膜的研制起始于20世纪40年代， 在上世纪上半叶，高分子膜和电渗析膜的 研发应用占据很大比重，而无机膜主要用 于早期核工业燃料铀的浓缩工艺。至上世 纪80年代才由于其独特性能得以在更广泛 的领域发展起来。
4、经济成本
• 从投资成本来看，相同处理规模的国产无机膜比 国产有机膜造价偏高，但考虑到无机膜在苛刻处 理条件下的广泛适用性及更长的使用寿命，故国 产无机膜在投资成本方面与国产有机膜相差不多。 对于膜系统运行成本，由于错流过滤操作比死端 过滤消耗更多的单位滤液能耗，较高的膜面流速 会在一定程度上消减膜污染程度，且无机膜往往 具备更高的过滤操作压力和反冲洗压力，因此， 无机膜系统的单位处理成本一般不低于或略高于 有机膜分离系统。
6、膜污染控制方法比较
• （1）原料液预处理 • 无机膜对原料液进行预处理的目的在于去 除大粒径悬浮物和硬性颗粒，使微小悬浮 物和溶解性污染物生成易碎而无黏聚力的 絮凝物，而有机膜预防污染的特殊性在于 防止膜的生物性劣化防止料液温度和pH值 超出适当范围等。
（2）膜面改性与修饰
• 通过采取各种方法形成亲水性的聚合物表面，削 弱膜表面结构对蛋白质、油类、菌体等污染物的 吸附作用。在无机膜领域，一方面选用TiO2、 ZrO2等具有催化活性和亲水特质的成膜改性材料 提高膜分离性能，另一方面无机膜表面的官能团 可与其他官能团、高分子链接或反应而得到修饰； 与无机膜面改性不同的是，高能射线辐射接枝可 通过紫外光、等离子体使有机膜分子发生氧化、 刻蚀、裂解、交联等作用，在不改变截流率的条 件下增加膜透水性和耐污染性能。
• 综合起来，我国膜技术发展的趋势应该往 以下3方面发展： • (1)开发新型高通量无机膜(如金属膜); • (2)进行有机膜的改性,以提高通量及抗污 损性能; • (3)制造有机-无机混合膜,使之兼具有机膜 及无机膜的长处。
• 在膜清洗操作条件方面，两大类膜有所区别并由 此导致对膜清洗效果产生不同程度的影响。无机 膜的高机械强度使其可采用较高的跨膜压差（TMP） 进行膜清洗，有研究表明，TMP在一定范围内升高 会使膜通量随之增加，但过高的TMP使得膜面污染 层受渗透曳力压缩而致密，继而造成渗透通量下 降。有机膜清洗应在较低的操作压力（0.1 MPa左 右）下进行，以免引起膜丝断裂等膜结构损坏。 作为无机膜清洗独特的方法之一，热清洗（可达 130 ℃ ）甚至高温灼烧（可耐250 ℃ ）可以对膜 面附着的细菌、蛋白等生物质型污染物进行彻底 消毒和清除，但应考虑膜组件密封材料的耐热性 能和受热形变匹配等问题。
（3）膜组件及流道设计和优化
• 通过改变进料液的流动状态形成良好的操 作条件、改善膜分离效率和减小膜过程污 染，常采用自然对流、紊流、脉冲流、螺 旋流等流动状态部分有机膜类型（如板式 膜、中空纤维膜）在设计动态膜结构、改 变流道形状和加设激湍构件时存在困难， 而管式陶瓷膜却非常适合组件和流道方面 的优化设计。
5、膜的保存条件
• 保存条件是影响膜元件使用寿命的重要因素之一， 无机膜和有机膜在保养方法上存在较大差异。无 机陶瓷膜管应进行干态保存，放置在阴凉干燥通 风的环境中，在保存及运输过程中应防止碰撞有 机膜可进行湿法保存和干法保存，主要目的是防 止膜水解、微生物滋生及膜收缩变形等。相比较 而言，无机膜保存方式较为简便，不会受到膜体 水解微生物侵蚀等危害，而有机膜对存储温度、 相对湿度、pH值以及湿膜转为干法保存的处理方 法均具有较严格的要求。
三、小结
• 由以上的比较可知，无机膜有它更多有机 膜不具备的特点。目前，国际上的无机膜 技术产业已初具规模，随着无机膜在新的 领域（如燃料电池膜催化反应器）中的应 用，市场份额必然会有所增加。世界各国 都对无机膜的研究及应用技术开发给予了 很大的重视，将其作为一门新兴的高技术 前沿学科进行研究。
• 随着催化、生物技术在解决全球经济可持续发展中发挥着 越来越重要的作用，尤其是对环境生态保护、高效能源与 资源优化利用及改善人类健康与生活质量的重大作用，无 机膜技术的研究将会受到更广泛的重视,并在更多领域得 到应用。当然随着膜技术的发展，高分子有机膜有它可观 的一面，如在水处理领域的应用也越来越广泛。但是有时 单一高分子聚合物物制成的膜材料往往难以满足分离的要 求，需要对聚合物进行改性处理，使所制备膜材料具有优 良的性能。可以通过无机共混改性，有机与无机材料优势 互补，来提高改性膜的性能，提高膜的机械强度等，通过 有机共混改性，使两相体系（部分相容）共混物的性能有 可能超出（甚至大大超出）各组分单独存在时的性能共混 对化学稳定性的影响，通过加入有机物进行共混改性以提 高稳定性等性能。
7、膜再生和清洗方法比较
• 膜的使用寿命不仅指膜的微观形貌和机械构造保 持完好，更重要的是指膜的有效过滤时间。膜再 生和清洗方法基本可分为物理清洗和化学清洗两 大类，前者包括正反双向清洗、气液混洗、脉冲 清洗、静置浸泡、机械刮除等，后者涉及的清洗 剂包括强酸、强碱、有机酸、表面活性剂、强氧 化剂、配位剂和酶清洗剂等，不同种类的清洗剂 具有相应的去除机理和作用效果。无机膜在强化 学清洗的条件下通常可以达到70%~90%的再生效率， 而有机膜需根据膜材料的耐受能力选择适当强度 的清洗剂和清洗方式。
• 反观无机膜分离技术，无机膜系统具有较 高的膜渗透通量及分离效率，在受到高浓 度物料污染后可采用多种化学清洗剂进行 正向清洗和反向脉冲在线清洗，或进行高 温消毒清除生物型污染物，同时具备回收 酸碱高腐蚀性物料表面活性剂重金属离子 以及热能的功能特点，可显著降低资源和 能源消耗。
3、过滤方式
• 膜工艺过滤方式基本可分为死端过滤和错 流过滤。 • 由于错流过滤操作比膜过滤消耗更多的单 位滤液能耗，较高的膜面流速会在一定程 度上消减膜污染程度，且无机膜往往具备 更高的过滤操作压力和反冲洗压力，所以 无机膜过滤效果会好一点。
8、其他性能比较
• 在装填密度和占地面积大小方面，有机膜具有较 为显著的优势，尤其是常见的平板式膜、卷式膜、 中空纤维膜等，装填密度范围可达到500~30000 m2/m3。但无机膜在这方面就逊色了。对于已达到 使用寿命或失去分离功能的离子交换膜、反渗透 膜等有机膜元件，国内已有研究者在废弃膜材料 回用或高等级膜的低端化应用方面进行研发和市 场开拓。关于废弃无机膜的回用尚未见到相关报 道。
Leabharlann Baidu
2、应用领域
• 膜分离技术广泛应用于石油化工生物医药食 品加工和环保工程等众多领域，但由于膜特性的 区别，有机膜适用范围往往局限于浓度较低或微 污染等相对简单的反应体系中当原料体系具有强 酸强碱强腐蚀性高温及高浓度有机溶剂的污染特 征时，有机膜易发生膜孔堵塞且难以恢复，与高 腐蚀性物料通过化学反应会大幅度缩减使用寿命， 溶于有机废液后还将引入二次污染问题。
• 经过50多年的发展，我国膜产业已经步入 快速成长期。超滤、微滤、反渗透等膜技 术在能源电力、有色冶金、海水淡化、给 水处理、污水回用及医药食品等领域的工 程应用规模迅速扩大，多个具有标志性意 义的大型膜法给水工程、污水回用工程及 海水淡化工程已经相继建成。我国膜产业 总产值已经从1994年2亿元上升到2011年近 400亿元。
• 根据相似相容原理，一般的有机膜材料与大多数 有机溶剂有机污染物等均具有非极性或弱极性特 点，这就造成未经改性处理的有机膜易受到有机 料液和化学试剂吸附侵蚀甚至溶解，影响到膜抗 污能力分离效果和适用范围，降低使用寿命 。虽 然随着有机膜制备技术的不断改进，多种工程高 分子膜表现出非疏水性或亲水性，对反应体系污 染程度和pH值等具有较宽的适应范围。但是，仍 无法比拟无机膜。
• 解体前的苏联十分重视无机刚性膜的开发 与研究，它有着广阔的开发前景。当时有 学者预言，虽然它的制造成本要比目前常 用的高分子膜贵2~4倍，但未来的无机膜将 取代大部分有机高分子聚合膜。这是膜材 料的发展趋势。也可以称无机膜为“未来 膜”，这是因为无机膜具有有高分子膜无 法比拟的优点。
二、无机膜与有机膜的一些性能比较
无机膜与有机膜
杨彬彬
一、膜的发展史
• 膜分离现象的揭示可以追溯到200多年以前。 1748年阿培诺来发现动物膀胱里充满酒精，然后 浸入水中，膀胱就逐渐胀大，甚至破裂。相反， 膀胱中充满水，再把它浸入酒精中，则情况相反， 膀胱中的水会向外渗透，膀胱收缩。还发现，凡 是和膀胱同类性质的薄膜，都具有这种渗透功能。 又经过100多年，于1886年范特荷甫从现象提高到 理论，归纳了范特荷甫渗透定律（对稀溶液来说， 渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常 数就是气体状态方程式中的常数R ）。但膜分离 技术在工业上获得重要应用并取得高速发展却是 近四、五十年的事。
• 与有机膜相比，无机膜的材质特点及优良性能主 要体现在： • （1）优良的化学稳定性；（2）温度适用范围广； （3）耐污染能力强，由于无机材料具有较强极性， 使油类蛋白等非极性污染物对膜表面与膜孔内部 的粘附功较小；（4）机械强度高，更适用于高黏 度高固含量含硬性颗粒的复杂流体物料的分离， 对物料的预处理要求相对较低；（5）分离效率高， 孔径分布窄和非对称膜结构可显著提高对特征污 染物或特定分子量范围溶质的去除率；（6）易于 实现膜再生，无机膜元件使用寿命长达有机高分 子膜的3~5倍以上。
• 膜分离的关键是膜材料。根据成膜材料不 同，膜技术可分为有机膜和无机膜两大类， 其中，有机膜也称为高分子分离膜。 • 国际上无机膜的研制起始于20世纪40年代， 在上世纪上半叶，高分子膜和电渗析膜的 研发应用占据很大比重，而无机膜主要用 于早期核工业燃料铀的浓缩工艺。至上世 纪80年代才由于其独特性能得以在更广泛 的领域发展起来。
4、经济成本
• 从投资成本来看，相同处理规模的国产无机膜比 国产有机膜造价偏高，但考虑到无机膜在苛刻处 理条件下的广泛适用性及更长的使用寿命，故国 产无机膜在投资成本方面与国产有机膜相差不多。 对于膜系统运行成本，由于错流过滤操作比死端 过滤消耗更多的单位滤液能耗，较高的膜面流速 会在一定程度上消减膜污染程度，且无机膜往往 具备更高的过滤操作压力和反冲洗压力，因此， 无机膜系统的单位处理成本一般不低于或略高于 有机膜分离系统。
6、膜污染控制方法比较
• （1）原料液预处理 • 无机膜对原料液进行预处理的目的在于去 除大粒径悬浮物和硬性颗粒，使微小悬浮 物和溶解性污染物生成易碎而无黏聚力的 絮凝物，而有机膜预防污染的特殊性在于 防止膜的生物性劣化防止料液温度和pH值 超出适当范围等。
（2）膜面改性与修饰
• 通过采取各种方法形成亲水性的聚合物表面，削 弱膜表面结构对蛋白质、油类、菌体等污染物的 吸附作用。在无机膜领域，一方面选用TiO2、 ZrO2等具有催化活性和亲水特质的成膜改性材料 提高膜分离性能，另一方面无机膜表面的官能团 可与其他官能团、高分子链接或反应而得到修饰； 与无机膜面改性不同的是，高能射线辐射接枝可 通过紫外光、等离子体使有机膜分子发生氧化、 刻蚀、裂解、交联等作用，在不改变截流率的条 件下增加膜透水性和耐污染性能。
• 综合起来，我国膜技术发展的趋势应该往 以下3方面发展： • (1)开发新型高通量无机膜(如金属膜); • (2)进行有机膜的改性,以提高通量及抗污 损性能; • (3)制造有机-无机混合膜,使之兼具有机膜 及无机膜的长处。
• 在膜清洗操作条件方面，两大类膜有所区别并由 此导致对膜清洗效果产生不同程度的影响。无机 膜的高机械强度使其可采用较高的跨膜压差（TMP） 进行膜清洗，有研究表明，TMP在一定范围内升高 会使膜通量随之增加，但过高的TMP使得膜面污染 层受渗透曳力压缩而致密，继而造成渗透通量下 降。有机膜清洗应在较低的操作压力（0.1 MPa左 右）下进行，以免引起膜丝断裂等膜结构损坏。 作为无机膜清洗独特的方法之一，热清洗（可达 130 ℃ ）甚至高温灼烧（可耐250 ℃ ）可以对膜 面附着的细菌、蛋白等生物质型污染物进行彻底 消毒和清除，但应考虑膜组件密封材料的耐热性 能和受热形变匹配等问题。
（3）膜组件及流道设计和优化
• 通过改变进料液的流动状态形成良好的操 作条件、改善膜分离效率和减小膜过程污 染，常采用自然对流、紊流、脉冲流、螺 旋流等流动状态部分有机膜类型（如板式 膜、中空纤维膜）在设计动态膜结构、改 变流道形状和加设激湍构件时存在困难， 而管式陶瓷膜却非常适合组件和流道方面 的优化设计。
5、膜的保存条件
• 保存条件是影响膜元件使用寿命的重要因素之一， 无机膜和有机膜在保养方法上存在较大差异。无 机陶瓷膜管应进行干态保存，放置在阴凉干燥通 风的环境中，在保存及运输过程中应防止碰撞有 机膜可进行湿法保存和干法保存，主要目的是防 止膜水解、微生物滋生及膜收缩变形等。相比较 而言，无机膜保存方式较为简便，不会受到膜体 水解微生物侵蚀等危害，而有机膜对存储温度、 相对湿度、pH值以及湿膜转为干法保存的处理方 法均具有较严格的要求。
三、小结
• 由以上的比较可知，无机膜有它更多有机 膜不具备的特点。目前，国际上的无机膜 技术产业已初具规模，随着无机膜在新的 领域（如燃料电池膜催化反应器）中的应 用，市场份额必然会有所增加。世界各国 都对无机膜的研究及应用技术开发给予了 很大的重视，将其作为一门新兴的高技术 前沿学科进行研究。
• 随着催化、生物技术在解决全球经济可持续发展中发挥着 越来越重要的作用，尤其是对环境生态保护、高效能源与 资源优化利用及改善人类健康与生活质量的重大作用，无 机膜技术的研究将会受到更广泛的重视,并在更多领域得 到应用。当然随着膜技术的发展，高分子有机膜有它可观 的一面，如在水处理领域的应用也越来越广泛。但是有时 单一高分子聚合物物制成的膜材料往往难以满足分离的要 求，需要对聚合物进行改性处理，使所制备膜材料具有优 良的性能。可以通过无机共混改性，有机与无机材料优势 互补，来提高改性膜的性能，提高膜的机械强度等，通过 有机共混改性，使两相体系（部分相容）共混物的性能有 可能超出（甚至大大超出）各组分单独存在时的性能共混 对化学稳定性的影响，通过加入有机物进行共混改性以提 高稳定性等性能。
7、膜再生和清洗方法比较
• 膜的使用寿命不仅指膜的微观形貌和机械构造保 持完好，更重要的是指膜的有效过滤时间。膜再 生和清洗方法基本可分为物理清洗和化学清洗两 大类，前者包括正反双向清洗、气液混洗、脉冲 清洗、静置浸泡、机械刮除等，后者涉及的清洗 剂包括强酸、强碱、有机酸、表面活性剂、强氧 化剂、配位剂和酶清洗剂等，不同种类的清洗剂 具有相应的去除机理和作用效果。无机膜在强化 学清洗的条件下通常可以达到70%~90%的再生效率， 而有机膜需根据膜材料的耐受能力选择适当强度 的清洗剂和清洗方式。
• 反观无机膜分离技术，无机膜系统具有较 高的膜渗透通量及分离效率，在受到高浓 度物料污染后可采用多种化学清洗剂进行 正向清洗和反向脉冲在线清洗，或进行高 温消毒清除生物型污染物，同时具备回收 酸碱高腐蚀性物料表面活性剂重金属离子 以及热能的功能特点，可显著降低资源和 能源消耗。
3、过滤方式
• 膜工艺过滤方式基本可分为死端过滤和错 流过滤。 • 由于错流过滤操作比膜过滤消耗更多的单 位滤液能耗，较高的膜面流速会在一定程 度上消减膜污染程度，且无机膜往往具备 更高的过滤操作压力和反冲洗压力，所以 无机膜过滤效果会好一点。
8、其他性能比较
• 在装填密度和占地面积大小方面，有机膜具有较 为显著的优势，尤其是常见的平板式膜、卷式膜、 中空纤维膜等，装填密度范围可达到500~30000 m2/m3。但无机膜在这方面就逊色了。对于已达到 使用寿命或失去分离功能的离子交换膜、反渗透 膜等有机膜元件，国内已有研究者在废弃膜材料 回用或高等级膜的低端化应用方面进行研发和市 场开拓。关于废弃无机膜的回用尚未见到相关报 道。
Leabharlann Baidu
2、应用领域
• 膜分离技术广泛应用于石油化工生物医药食 品加工和环保工程等众多领域，但由于膜特性的 区别，有机膜适用范围往往局限于浓度较低或微 污染等相对简单的反应体系中当原料体系具有强 酸强碱强腐蚀性高温及高浓度有机溶剂的污染特 征时，有机膜易发生膜孔堵塞且难以恢复，与高 腐蚀性物料通过化学反应会大幅度缩减使用寿命， 溶于有机废液后还将引入二次污染问题。
• 经过50多年的发展，我国膜产业已经步入 快速成长期。超滤、微滤、反渗透等膜技 术在能源电力、有色冶金、海水淡化、给 水处理、污水回用及医药食品等领域的工 程应用规模迅速扩大，多个具有标志性意 义的大型膜法给水工程、污水回用工程及 海水淡化工程已经相继建成。我国膜产业 总产值已经从1994年2亿元上升到2011年近 400亿元。