膜分离技术的发展与现状和挑战与机遇

膜分离技术的发展与现状和
挑战与机遇
张明礼
摘要本文简述了膜分离技术的发展过程，提出了作者本人对液体膜分离技术和当前市场的看法。

关键词液体膜分离技术工艺设备装置自控绿色化工
膜分离、树脂吸附与交换、色谱、超临界萃取、分子蒸馏等化工分离技术被称为当代新型分离技术。

其中膜分离技术是发展最快应用最广的新型分离高技术之一，亦属于绿色化工技术。

本文拟对该技术的发展与现状，存在的挑战与机遇进行简述以供决策者参考。

1.膜分离技术的发展和现状
膜分离是人们所掌握的最节能的物质分离（包括分级、纯化、精制、浓缩）技术之一。

近三十年来发展极其迅速，已从单纯的海水与苦咸水脱盐、纯水及超纯水的制备、工业用水的回用，逐步拓展到环保、化工、医药、食品、航天等领域中，以每年大于10%的速率递增，发展前景备受关注。

自20世纪60年代Loeb和Saurirajan研制成功了世界第一张非对称型醋酸纤维素反渗透膜以来，大规模海水淡化就变成了现实；20世纪70～80年代开发的超滤、气体分离膜等也已进入工业应用；80～90年代建成无水酒精渗透气化装置，现已大规模推广应用于有机物的回收和脱水；90年代以来被称之为膜接触器（membrane contactor）的膜萃取、膜吸收、膜汽提（membrane-based striping）、膜蒸馏（membrane distillation）
等，为膜技术全面溶入大化工(流程工业：包括石油化工、化工、精细化工、制药、食品、发酵工程)领域提供了技术支持；近几
年来膜促进传递（facilitated transport）、膜反应器（membrane-reactor）、膜传感器（membrane sensor）、控制释
放（controlled release）等膜技术发展很快，膜式燃料电池（membrane fuel cell）则成为当今发达国家探索研究的热点。

目前膜分离技术已被广泛地用于水处理领域如海水淡化、苦咸水脱盐、超纯水制取；医药工业，人工脏器如人工肾（artificial kidney）、膜式氧合器（membrane oxygenator）、人工肝的制备，以及药剂的浓缩、提纯；食品工业，如果汁和果肉等的浓缩、饮料的灭菌和纯清、从家畜等动物的血液中提取蛋白质；石油化学工业，如天然气中回收氦，合成氨厂尾气中回收氢、石油伴生气二氧化碳的回收、轻烃气流中脱除硫化氢等；环境保护，如废水（电镀废水、印染废水、石油化工废水、食品制药工业废水）中有用物质的回收，以及城市生活污水和放射性废水的处理等。

膜与膜技术的应用领域十分广阔，在当今世界高技术竞争中，也占有极其重要的位置，特别是载人航天、大洋深海探索研究与开发中离不开它，因而深受发达国家的关注。

欧盟、日本、美国等早年在膜材料的基础研究和应用开发方面投入大量人力、物力，加拿大、意大利、荷兰和英国等也在膜的基础研究和开发应用上做出了大量的贡献。

这些国家（如美国的KOCH、GE、DOW、DuPont;
荷兰的norit等公司）在膜元件的制备技术上处于绝对领先的地位。

中国膜科学技术开始于1958年离子交换膜的研究；20世纪60年代研究反渗透膜，曾组织全国海水淡化会战，大大促进我国膜科学技术的发展；70年代就已开发出反渗透（reverse osmosis）、超滤（ultrafiltration）、微滤（microfiltration）和电渗析（electrodialysis）等器件设备，随后投入工业应用；80年代起除继续发展液体分离之外，气体膜分离和渗透气化等已走过了开发和研究阶段，现在已进入工业应用阶段，其它新技术也在不断研究开发之中。

膜科学与技术的发展与应用可分为膜元件的制造、膜设备的研制、膜软件的研发、膜应用四个环节。

膜制造商只保证膜本身的标准分离性能，即在规定测试条件下的分离性能；膜硬件与膜软件是膜分离工程公司的工作，膜分离工程公司首先根据市场需求和用户要求分离的物料性状和目标产物标准进行实验研究，在满足用户要求的条件下确定膜元件的种类和数量，膜分离稳定运行的条件和清洗恢复条件，这就是膜软件；膜硬件就是膜元件和膜设备，膜设备实质上是机电一体化设备，膜元件是膜分离设备的核心，设备的其它部分都是为膜元件分离功能的发挥提供运行条件（温度，压力，流速流量等）的；膜软件是靠膜硬件来运行的，膜硬件的设计制作基础是膜软件；膜用户只能按照与膜分离工程公司达成的一致严格执行《膜分离设备运行规范》的要求，
将膜分离设备与自己流程的前后工序连接运行以达到自己对膜
分离工序所确定的运行目标。

近年来膜过程（膜软件、膜硬件）的国内市场已经进入成熟期（高速增长，价格稳定）。

2.膜技术的主要分离过程
国际理论与应用化学联合会（IUPAC）将膜定义为:一种三维结构，三维中的一度（如厚度方向）尺寸要比其余两度小得多，并可通过多种推动力进行质量传递。

这样膜过程就应该被定义为以膜为介质进行质量传递的一种化工单元过程或化工单元操作；很显然膜分离属于化工单元操作。

膜分离技术按传质推动力可分为压力差、浓度差、温度差、电位差等推动力膜；按膜组件结构可分为平板（盒式）膜、螺旋卷式膜、中空纤维膜、管式膜等；按功能层材料可分为无机膜（陶瓷膜、金属膜、碳分子筛膜等）和有机膜。

微滤、超滤、纳滤（nanofiltration）与反渗透都是以压力差为推动力的液体膜过程，当膜两侧存在一定压力差时，可使一部分溶剂及小分子的组分透过膜，而微粒、大分子、盐的离子等被膜截留下来，从而达到分离目的。

四个过程的透过机理基本相同，主要是被分离物颗粒或分子、离子的大小和所采用膜的结构与性能有所差异。

按照国际理论与应用化学联合会（IUPAC）对这四种膜过程的定义，微滤（MF）是指大于0.1μm的颗粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程;超滤（UF）是指不大于0.1μm 大于2nm的颗粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程；反渗透
（RO）是指高压下溶剂逆着其渗透压而选择性透过的膜过程；纳滤是指不大于2nm的颗粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程。

微滤的压差范围为0.10～0.20MPa;超滤的压差范围为0.10～0.50MPa; 反渗透被用于截留溶液中的盐或其它小分子物质（分子量小于200），所施加的压力在2MPa左右，也可高达10MPa；纳滤用以分离分子量约为几百至几千的溶液组分，其压差范围为0.5～2.0MPa。

电渗析是在电场作用下使溶液中的阴、阳离子选择性地分别透过阴、阳离子交换膜，进行定向迁移的分离过程。

该过程主要用于苦咸水脱盐、饮用水制备、工业用水处理等。

近十多年来，开始应用于有机酸脱盐与纯化、废酸碱回收等；膜电解过程中，在两电极上存在电化学反应，并有气体产生，主要在氯碱工业中用于大规模生产离子膜级氢氧化钠。

气体分离膜是指在压力差下，利用气体中各组分在膜中渗透速率的差异，达到各组分分离的过程。

气体分离膜已大规模用于合成氨厂的氮、氢分离，空气富氧、富氮，天然气中二氧化碳与甲烷的分离等。

渗透气化与蒸汽渗透（vaper permeation）均是利用待分离混合物中某组分具有优先选择性透过膜的特点，使料液侧优先渗透组分以溶解-扩散透过膜而实现分离的过程。

两者的差异在于渗透汽化过程采用负压操作，进料物流为液态，优先透过膜的组分在膜下游侧汽化，并在冷凝器中冷凝和收集；而蒸汽渗透采用
正压操作，进料物流为气相，常为对膜具有相互作用的有机分子透过膜。

渗透气化主要用于有机物脱水（亲水膜）、水中有机物的脱除（疏水膜）、有机混合物分离等方面的应用，被认为是最有希望取代高能耗精馏技术的膜过程，其中有机溶剂脱水及水中有机物脱除已有工业装置；蒸汽渗透适用于空气中有机溶剂的回收，随着环保意识的增强，蒸汽渗透将会获得较大的推广应用。

另外还有两类正在开发与推广应用的新型膜技术：一类是目前称之为膜接触器，包括膜基吸收、膜级萃取、膜蒸馏、膜基汽提等。

在这些过程中，膜介质本身对待处理的混合物无分离作用，主要利用膜的多孔性、亲水性或疏水性，为两相传递提供较大而稳定的相接触面，可克服常规分离中的液泛、返混等影响，因而近十余年来，深受化工界的关注；另一类是以膜为关键技术的集成分离过程，包括膜与蒸馏、膜与吸附、膜与反应等相结合的集成过程，具有常规分离过程所不能及的优点，也正在受到重视和发展。

随着科学技术的发展，人们模仿生物膜的某些功能，研制出各种功能的合成膜，应用于日常生活与工业生产过程中。

可以认为，膜产业已成为21世纪发展最快的高新技术产业之一。

3.市场的挑战与机遇
离子交换膜除用于离子膜烧碱等电化学工业外，电渗析脱盐技术已经被更具优势的反渗透和纳滤所代替；以大连化物所为依托的膜技术国家工程研究中心研发的气体分离膜几乎垄断了国
内气体膜分离市场；以清华大学为技术支撑的蓝景膜在渗透汽化膜技术和市场占有无可争议绝对优势；以上三种膜分离技术市场对于受技术、资金限制的一般的膜分离技术工程公司存在的机会不多。

液体膜分离技术可应用于多数的流程工业（精细化工、有机合成、发酵工程、造纸、食品和制药等），在这些方面国内某些大学借助于其所拥有的优越的实验研究条件做了大量的研究工作。

笔者曾经做过的一些案例有：荧光增白剂的脱盐浓缩，陕西石化研究设计院精细化工研究所的超强增白剂母液浓缩，无锡晶海氨基酸缬氨酸发酵液的分离，南通左旋乳酸发酵液的分离，茶多酚项目茶叶水的分离，鞍山中兴生物的菊苣提取液的分离等。

液体膜分离技术比较成熟市场比较大的应用在水处理，包括饮用水、纯化水制备和废水处理。

饮用水制备在比较高档的住宅工程中存在着很大的潜在市场；以荷兰norit公司的气浮(air-lift)管式膜为支撑的外置式膜生物反应器（MBR）在垃圾渗沥液处理和生活污水生化处理中在系统运行的稳定性和低能耗等方面具
有绝对优势。

最具优势的液体物料膜分离市场的现状是膜分离虽然重要，在有些流程中必不可少，如菊粉生产中脱单糖和二糖工艺，除非用膜，其它技术是无能为力的，但膜分离只是作为配套，如甘肃定西乳品厂，白银煦瑞生物，山西偏关的菊粉项目，这些项目仅在主要工序用了膜分离技术，致使整个生产装置的技术先进性大
打折扣，有些该降的费用降不下来，该回收的产品（高果糖浆）不能回收，这样就导致了所有者的投资效率不是最理想的。

还有像从去年开始重新热起来的甜菊糖项目如果用超声逆流提取，膜分离，树脂吸附分离，喷雾干燥做成生产装置，产品可满足出口标准，生产过程符合绿色化工要求，技术绝对优于现在投产的湖南菊隆的甜菊糖项目，该项目现在的投资额大概是3000～4000万元（甜菊糖～300t/a）。

这个价格还是很有诱惑力的！有些项目不是起步早的就效益好，起步早，技术上摸索时间长导致费用高。

适时介入，让别人把不通的路、弯路走完再投入，将各种有效的先进技术进行集成与整合，走技术最先进，投资效率最高的工艺路线，选最可靠的设备建成安全、自控程度高的生产装置生产出符合先进标准的产品才能保证投资者和建设者的双赢。

这些应该是膜分离市场的挑战，也是有关工程公司的机遇。

当然小项目的机会会更多一些，像笔者最近接触到的米酒纯清分离项目和大米精蛋白分离项目也是很好的项目。

市场要求多项新技术互补进行集成与整合，有能力发挥各项新技术的优势，进行设备配套，建设装置和运行装置就是机遇！市场要求按标准（合同）做好是挑战，有能力按标准（合同）做好就是机遇！
参考文献
1.王静康主编. 化工过程设计. 北京：化学工业出版社，2006
2.陈欢林主编. 新型分离技术. 北京：化学工业出版社,2005
3.胡小玲,管萍主编. 化学分离原理与技术. 北京: 化学工业出版
社,2006
4.徐铜文编著.高从堦,莫剑雄审订.膜化学与技术教程. 合肥:中
国科学技术大学出版社,2003
5.任建新主编.膜分离技术及其应用. 北京:化学工业出版社，2003
6.中国膜工业协会标准化尔委员会，中国标准出版社第五编辑室编.
膜技术标准汇编. 北京：中国标准出版社，2007
注：本文还在修改中，仅供参考。

2011.4.26.于宝鸡。