膜分离技术在高端领域的应用研究

膜分离技术在高端领域的应用研究

作者：孔健

来源：《科协论坛·下半月》2012年第11期

摘要：膜分离技术是基于膜材料形成的分离边界的分离技术，最初应用于军事、航空航天、人工器官医疗、生命科学、原子能等高端领域，随着其在民用领域应用日趋广泛，被公认为是20世纪末到21世纪最有发展前途的高新科技之一。膜分离技术在高端领域应用广泛，其主要作用是实现无热相变条件下的料液纯化浓缩、高精度分离，将目标物质高精度浓缩或分离加以利用，具有优异的分离提纯操作性能。膜分离技术在高端领域的应用主要涉及军事国防、航空航天、生命科学、人工器官医疗、原子能等高科技项目，实现单兵饮用水处理、航天水处理、生化制剂的无损失提纯、血液透析和人工肺、核燃料浓缩等特殊功能，对于军事国防、空天技术、生命科学、医疗卫生、原子能工业的顺利发展提供了技术保障。

关键词：膜分离技术高端领域应用研究

中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）011-030-02

膜分离技术是基于膜材料形成的分离边界的分离技术，最初应用于军事、航空航天、原子能等高端领域，随着其在民用领域应用日趋广泛，被公认为是20世纪末到21世纪最有发展前途的高新科技之一。

1 膜分离技术在高端领域的应用

膜是具有选择性分离功能的材料。膜分离技术是指利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程。它与传统过滤的不同在于膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。基于膜分离技术的这些特点和优势，可实现料液的无热相变分离，高精度分离过滤及浓缩提纯。

2 膜分离技术在军事上的应用

军事战争是一个国家国防的重要手段，单兵作为军事战争的最小战斗单元，在整个战争的过程中具有举足轻重的作用。战争的战场危险丛生、环境恶劣，单兵的生存维持和体力保障是单兵作战保障的头等大事。饮用水保障是单兵战场生存维持和体力保障的重要课题，但是战场环境往往没有任何的可以供单兵利用水源，比如海湾战争中的伊拉克和科威特，大片的沙漠没有水源可以利用，这在水处理技术层面上称为水量型缺水。另外的情况即使有水源，但是由于敌方投毒甚至各种污染导致无法正常饮用，即水质型缺水。无论哪种形式的缺水，都对单兵战场生存构成威胁。为了应对战场中的饮水问题，单兵携带大量的饮用水参加战斗显然是不现实的解决方案。膜技术与其它水处理技术的优化组合，为单兵在战场环境下的饮水问题提供了良好的解决方案。

如图2所示，膜分离技术与物化沉淀技术相结合，以单兵的尿液为水源，经过处理后可产生供士兵饮用的纯净水，且纯净水的水质达到饮用纯净水的水质标准，妥善科学的解决了单兵战场生存中饮水供应的首要难题。该技术通过一套简单的单兵供水装置得以实现，膜分离过滤的压力通过手动施压机械装置实现，操作简便、灵活高效，具有良好的战地实用性，有力的保障了单兵的战场生存能力。

3 膜分离技术在航空航天上的应用

航空航天工程是现代社会人类文明的的重要标志，而载人航天技术是航空航天技术的关键环节。载人航天空间站技术是实现人类太空生存的关键技术，国际上美国、俄罗斯在此方面创造过连续两年载人太空空间站生活的记录。连续长时间的载人太空生活，生命维持所需的各种资源和生存环境维持是必须解决的关键问题。供航天员生存所需的空气、水、食物以及航天员代谢的尿液、粪便等排泄物的处理，以及空间站环境中的空气质量控制等一系列问题的解决，是载人航天工程取得成功的关键环节。这些关键问题的解决，一方面靠从地球发射航天飞机补充给养，另一方面是靠空间站内相关设备设施工作来处理废物维持空间生存环境的品质。

当今世界最前沿的航空水处理技术，如图3所示，将航天员在空间站中所排泄的尿液、汗液、呼出的水蒸汽收集作为水源，通过化学沉淀、蒸发、冷凝、膜单元过滤等操作单元，最终产生纯净的水供给航天员使用，满足长时间持续的生存对于水的需求。

4 膜分离技术在人工器官医疗上的应用

人类疾病与医疗卫生贯穿人类发展的整个历史，不同的疾病致病机理的阐明为医学寻找可靠的治疗方法提供了坚实的基础保证。在人类的众多疾病中，呼吸系统的疾病往往危及人类的生命，因为血液循环和氧气供给为生命的支撑提供了最重要的氧与二氧化碳的代谢，将人体中的部分代谢产物通过呼吸系统排出体外，保证了人体体液系统的酸碱平衡以及其他的体液成分稳定。重要的人体器官肺在整个呼吸系统中占据不可替代的位置，其中的数以亿计的微小肺泡为人体完成呼吸功能提供了必备场所，但是由于诸多疾病可以造成人体肺部功能丧失，在这样的情况下人体呼吸功能无法完成，带来一系列生理机能障碍将会直接威胁生命。无独有偶，人体血液中各个组织器官的无数细胞都在进行新陈代谢，尿素、尿素等对人体有害的物质将在人体肾脏肾小球细胞的收下形成尿液排出体外，这样可以避免人体体液中由于尿素、尿酸等有害物质不断积累导致的中毒症状。由于肾脏炎症造成的肾脏功能损伤，直接导致尿素、尿酸收集效率降低，尿中出现蛋白质和血液，身体浮肿，情况严重可危及生命，这就是“尿毒症”。

基于膜分离技术的特点和优势，使用特殊的气体膜分离单元，可实现人体中氧气和二氧化碳的有效交换，为肺功能缺失的病人提供肺部的功能，以人造器官代替人体器官，这就是“人工肺”。

如图4所示，结合膜分离技术与其它技术优化组合，可实现人体血液中不同成分的相互交换，专业名称定义为血液透析。经过血液透析之后，可以将血液中的尿素、尿酸等有毒有害物

质排出体外，而血细胞、蛋白质等有用成分继续保留在人体血液中，为肾脏功能缺失的病人提供正常的肾脏功能，这种技术就是“人工肾”。

5 膜分离技术在原子能方面的应用

原子能的开发和利用是人类文明进程中的重大事件，原子弹和原子核反应堆的制造成功并发挥巨大的威力，原子能科技研究方面是每个国家都非常重视的高端领域。原子能的开发利用离不开原子核燃料，纯度高的浓缩铀燃料是制造原子弹和原子核反应堆必不可少的核燃料，没有它们原子能的开发利用只能是纸上谈兵。天然铀矿分布在自然界中，有效铀的含量非常低。通常自然状况下的铀由于低浓度而无法进行核裂变的持续进行，所以浓缩铀技术是关系到原子能开发利用的关键环节。