膜分離技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的高新技術(shù)，這些年發(fā)展尤為迅速。１９５３年，Ｒｅｉｄ等人第一次提出用反滲透技術(shù)進行海水淡化，１９６０年Ｌｏｅｄ和Ｓｏｕｒｉｒａｊｉｎ研制出了第一張具有實用價值的反滲透膜，這標志著現(xiàn)代膜科學(xué)技術(shù)的誕生。中國對膜的研究開發(fā)和使用已經(jīng)有４０多年的歷史。目前微濾、滲析、電滲析、人工腎、反滲透、超濾、納濾、氣體分離、無機膜、滲透汽化、液膜、控制釋放以及膜接觸和膜擇應(yīng)器等技術(shù)正在廣泛用于石油、化工、環(huán)保、能源、電子、重工、輕工、食品、飲料、醫(yī)藥和生物工程等行業(yè)中，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，目前應(yīng)用越來越廣，作用也越來越大。然而對于許多人來說，膜還是一個陌生的字眼，其實膜就在我們身邊。

膜作為一種先進的分離技術(shù)，有許多優(yōu)點。例如分離精度高，選擇性強；在常溫下操作無相態(tài)變化；能耗低；自動化程度高；污染小等。膜分離作為一種分離手段能否得到廣泛的應(yīng)用，主要取決于它分離的有效性和工藝的經(jīng)濟性。

我國政府對膜分離技術(shù)的研究和開發(fā)工作十分重視，自“六五”以來，已連續(xù)四個五年計劃都把膜分離技術(shù)作為重點項目進行支持，并先后資助成立了國家液體分離膜工程技術(shù)研究中心和膜技術(shù)國家工程研究中心。我國在２０００年將膜材料和膜產(chǎn)業(yè)列為國家重點支持的２２項化工產(chǎn)業(yè)之一。２００１年２月１４日國家計委在《科技日報》上發(fā)布了《國家計委關(guān)于組織實施膜技術(shù)及其應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化專項公告》，這充分體現(xiàn)了國家對發(fā)展膜工業(yè)的高度重視。

膜分離技術(shù)的應(yīng)用

１、膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

水是我們生命中最重要的物質(zhì)之一，從生命的開始到結(jié)束，都離不開水。在烈日炎炎的夏日，一瓶清醇爽口的純凈水遠遠勝過一頓美味佳肴。殊不知這眾多的純凈水，超純水，太空水絕大部分都是膜的杰作。全世界有５０多億人口，每一張口都渴望潔凈的水，這種需求給膜提供了極大的市場。

膜是飲用水凈化和純化的最佳手段，使用膜可以去除水中的懸浮物、細菌、有毒金屬物質(zhì)和有機物，大大提高人們飲用水的質(zhì)量。在城市供水中生產(chǎn)用水占９０％，居民生活用水占９％，而飲用水僅占１％。分質(zhì)供水就是把這１％的水使用膜技術(shù)進行深度處理，使之達到飲用水標準。目前我國沈陽、上海等地已建成分質(zhì)供水的住宅小區(qū)。反滲透是海水滲化和苦咸水淡化最經(jīng)濟的方法，是解決廣大干旱地區(qū)飲用水和工業(yè)用水最有效的方法。

城市污水是一個重要的潛在水資源，使用膜生物反應(yīng)器進行城市污水處理，可以生產(chǎn)出不同用途的再生水，是解決水資源匱乏的重要方法。以北京為例，目前已建成的城市污水處理廠有３座，正在建造的有４座，近年將建成１５座，到２００６年城市污水處理率將達到８０％。北京每天有２００多萬噸廢水排出，這些廢水若使用膜及相關(guān)技術(shù)進行深度處理，處理水可作為工業(yè)冷卻水、綠化用水和城市雜用水，這樣既可以極大地緩解城市用水需求，同時城市水資源也可以得到充分利用。僅此一項北京市每天至少可以排出１００多萬噸污水，同時可以節(jié)約１００多萬噸水資源，每年可以節(jié)約用水３．６億多噸。工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢水、污水和廢渣，其面大、量廣、危害深。如含油廢水、電鍍廢水、含酚廢水、食品加工廢水等，若處理回用，既回收了資源，也保護了環(huán)境，在這方面膜技術(shù)的作用也是非常引人注目的。反滲透法使電鍍廢水循環(huán)再用，荷電超濾膜使汽車等行業(yè)廣為采用的電泳漆工藝實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，無機膜和電滲析結(jié)合是鈦白廢水回收再用的好途徑，離子交換電滲析（ＥＤＩ）技術(shù)部分代替離子交換而不要酸堿再生，雙極膜技術(shù)使各種廢酸、廢堿、廢鹽水重新再用，超濾法成功地將尼龍紡織上漿的ＰＶＡ廢液濃縮回用，印染廢水的膜法處理使染料和水同時回用，反滲透法成功地將尼龍的單體己內(nèi)酰胺濃縮回用，超濾可能成為每年數(shù)億噸含油廢水回注的關(guān)鍵技術(shù)……近年來光催化降解工業(yè)廢水的研究備受重視，若能利用太陽光實現(xiàn)這一高級氧化過程，則對環(huán)保有非常重要的戰(zhàn)略意義。

膜在水處理中的市場十分巨大，“九五”期間，僅瓶裝水的市場就達２０億元人民幣。２１世紀初，我國膜工業(yè)在飲用水、工業(yè)用水和廢水處理方面的產(chǎn)值將達到１０億元人民幣。另外，我國的多數(shù)油田已進入二次、三次采油期，并出現(xiàn)一些低滲透油田，油田回注水處理已成為制約我國石油工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)問題，其市場在１０億元人民幣以上。

２．膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用始于６０年代末，先是用于乳品加工和啤酒無菌過濾，并逐漸用于果汁飲料加工、酒類精制、飲用純水生產(chǎn)等方面。近年來已擴展到發(fā)酵和生物工程的應(yīng)用，各種動、植物蛋白的加工等行業(yè)。目前應(yīng)用較多的是飲料用水的處理技術(shù)，其次是酶制劑的濃縮和精制。

此外微濾和超濾技術(shù)在白酒的除濁增香，啤酒的除菌保鮮，果酒、黃酒、保健酒的精制，果汁的澄清，尤其是蘋果汁的澄清等方面應(yīng)用較多。速溶茶的生產(chǎn)已開始用超濾和反滲透技術(shù)進行提純和濃縮。采用超濾技術(shù)及反滲透技術(shù)可以實現(xiàn)葡萄酒的除菌、澄清、脫醇。

３．膜分離技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用可以說是膜對人類的最大貢獻。它不僅提高了人民的健康水平，減少了許多疾病，同時每年挽救著數(shù)以萬計病人的生命。安徽天長市風(fēng)景秀麗人杰地靈。全市人民的生活用水都是來自于地下水。這里的地下水水質(zhì)很好，接近于礦泉水。然而由于水中鈣、鎂離子含量太高，使得當?shù)卦S多人患有結(jié)石病，發(fā)病率高達１０％，令許多人憂心忡忡。但是若使用膜技術(shù)進行處理，水的硬度問題就會迎刃而解，并且費用也不高。目前國際上已有許多公司生產(chǎn)這類產(chǎn)品，中國也是其中的一個。膜的使用可以幫助治療許多疾病。在我國，以膜為核心的人工腎、人工肺以及用于血液透析和腹水透析的透析器已廣泛地用于許多大醫(yī)院，其用量為６０萬只／年，每只售價１２０-１３０元人民幣。隨著對透析器使用次數(shù)的限制等，估計不久其用量鈄達到１０００萬只／年，年產(chǎn)值將超過１０億元人民幣。帶有膜過濾器的注射器目前已不是新鮮東西，如查我國每人每年平均使用１只，則年銷售量就達數(shù)１０億元人民幣。此外，在血漿分離、腹水處理、人工肺和藥物緩釋膠囊等領(lǐng)域，膜技術(shù)也都有較大的潛在市場。作為膜技術(shù)的另一個創(chuàng)新，人工腦正在研究之中。

膜分離技術(shù)在環(huán)境檢測和生化分析樣品的預(yù)處理方面有著很大的應(yīng)用前景將支撐液膜用于分析前樣品的預(yù)處理，有許多優(yōu)點，例如選擇性強，富集系數(shù)高，分離徹底，與分析儀器連接方便，幾乎沒有有機溶劑污染等。

有些分析樣品，如尿液、血液、生物組織，成分比較復(fù)雜，干擾比較大。使用支撐液膜可以將溶液中含量極低的成分，分離富集到上百倍或上千倍，然后再進行分析檢測，這樣可以大大提高檢測效果。將支撐液膜和分析儀器結(jié)合起來可以實現(xiàn)全自動化的檢測分析。還可以使用不同的支撐液膜同時分離富集不同形態(tài)，從而方便、快捷、有效地進行分析。

發(fā)展中的膜分離技術(shù)

近年來膜分離技術(shù)發(fā)展十分迅速，相繼出現(xiàn)了不同材料和不同用途的膜，例如無機膜、滲透蒸發(fā)膜、氣體分離膜、納濾膜、液膜、膜生物反應(yīng)器等，其經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益越來越大，市場前景也越來越廣闊。膜分離技術(shù)正在和其他生產(chǎn)工藝集成起來，成為許多生產(chǎn)工藝中不可缺少的一部分。

１．無機膜分離技術(shù)

無機膜主要包括陶瓷器，金屬氧化物膜和金屬膜等。它適合在高溫、高壓、高黏度、高固體含量、高氯化物含量和苛刻的ｐＨ值條件下使用，能較好地解決石油、化工、石化、醫(yī)藥、環(huán)保、輕工等領(lǐng)域的特殊分離問題。對于腐蝕性氣體過濾、脫濕，生物發(fā)酵液過濾，生物活性物質(zhì)分離，結(jié)晶母液過濾，超細粒子回收，強酸或強堿性金屬清洗液凈化，高色度、高濁度的有機廢水處理等有著很好的效果。

我國的無機膜經(jīng)過５年的努力，陶瓷微濾膜和超濾膜從無到有，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，膜材料的技術(shù)指標和膜裝置的規(guī)模與自控水平均已達到國際先進水平。根據(jù)有關(guān)部門預(yù)測，到２０１０年僅無機鹽生產(chǎn)中結(jié)晶母液過濾、超細粒子回收等對陶瓷膜裝備的需求量就在５億元人民幣以上。特種油水體系分離凈化，如鋼廠大型軋機冷軋乳液凈化、金屬清洗液凈化、油田回注水處理等過程所需的無機膜裝備亦在５億元人民幣左右。無機膜技術(shù)與反應(yīng)工藝過程集成，可能對石油化工、化學(xué)工業(yè)、生物技術(shù)的發(fā)展帶來變革性影響。

２．滲透汽化膜分離技術(shù)

滲透汽化膜分離技術(shù)是利用溶解擴散的機理進行組分的分離，對共沸物的分離特別有效，主要用于有機溶劑脫水，水中少量溶劑的脫除和有機／有機混合物的分離。我國的滲透汽化研究開始于８０年代中期。９０年代建立了滲透汽化制無水乙醇、苯脫水和滲透汽化與酯化反應(yīng)耦合過程的中試裝置，以及相應(yīng)的滲透汽化膜分析與檢測手段。

我國是能源短缺大國，節(jié)能是一項基本國策。然而在化工、石化、輕工、醫(yī)藥生產(chǎn)過程中蒸餾消耗了很大能源，尤其是共沸物分離以及產(chǎn)物濃縮對能源的消耗更大。滲透汽化技術(shù)有可能在２１世紀替代傳統(tǒng)的蒸餾技術(shù)。目前我國酯產(chǎn)品有３００多種，年產(chǎn)量８萬-１０萬噸，產(chǎn)值約１０多億元人民幣，若采用滲透汽化技術(shù)，每年可節(jié)省能源開支約３０００萬元人民幣。

清華大學(xué)在２０世紀即將結(jié)束的時候，完成了苯脫水的工業(yè)化中試，預(yù)計不久將實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。１９９８年，全球滲透汽化膜和組件的銷售額已超過１０００多萬美元。隨著滲透汽化技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也將快速擴大。作為某些精餾過程的替代和補充技術(shù)，特別是對于有機混合物的分離，滲透汽化技術(shù)在石化行業(yè)中會有廣闊的應(yīng)用前景。

３．氣體膜分離技術(shù)

氣體膜分離技術(shù)主要有膜法提氫、膜法富氧、膜法富氮、工業(yè)氣體脫濕、天然氣脫濕、提氦以及脫除有機蒸氣、二氧化碳和硫化氫等。膜法提氫技術(shù)在化肥廠中應(yīng)用十分成功，并已取得了明顯的經(jīng)濟效益。目前國產(chǎn)中空纖維氮／氫膜分離器已在全國上百家化肥廠成功地用于合成氨弛放氣中氫的回收，其氫的回收率和純度均在８５％以上，而后開發(fā)的二級膜法新工藝，可使氫的純度提高到９９％，完全可以滿足多種生產(chǎn)的需要，年產(chǎn)值達２０００萬-３０００萬元人民幣。２１世紀初，中空纖維氮／氫膜分離器的年產(chǎn)值將達到５０００萬元人民幣以上。

國產(chǎn)螺旋卷式富氧器也是一種氣體膜分離裝置，已在２０家玻璃窯爐上得到了應(yīng)用，富氧濃度達到２８％-３０％，節(jié)油率為６％-８％。該項技術(shù)可廣泛用于以煤、炭、天然氣、煤氣、重油等為燃料的所有工業(yè)窯爐中，平均節(jié)能１１．８％，增產(chǎn)１０．２％。經(jīng)驗表明，分別用２３％、２５％和２７％的富氧空氣助燃，相應(yīng)可以節(jié)能１０％-２５％、２０％-４０％和３０％-５０％。富氧膜技術(shù)的推廣應(yīng)用，不僅可提高燃料的利用率，而且可以保護環(huán)境。膜法富氧還可用于醫(yī)療保健。膜法富氧也可用于富氧制硫酸，可縮短焙燒時間，強化轉(zhuǎn)化過程，可使４萬噸／年的硫酸裝置減少４００萬元總投資，投資回收期縮短１．１年。膜法富氧技術(shù)在柴油發(fā)動機上的使用，將是柴油機史上的一次革命，將降低油耗４％-７％，功率增加４０％，使廢氣排放量降低６０％。

近年來，在三次采油中，注油田注氮氣成為一項高新技術(shù)，該技術(shù)可提高采收率８％-１０％，減少對設(shè)備的腐蝕。氮氣氣源豐富，安全可靠，價格低廉，可直接從空氣中分離得到。目前國產(chǎn)撬裝富氮車已投入使用。我國有油井上千口，對富氮車的需求量為１５０-２００臺，產(chǎn)值可達３億-５億元人民幣。另外，膜法富氮在冶金、制藥和食品保鮮等方面都有很大的潛在市場。

２１世紀中國膜工業(yè)展望

國際上的膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，１９９８年國外上網(wǎng)的膜和膜設(shè)備的生產(chǎn)廠家及經(jīng)營公司達４５２家。１９９４年世界膜市場的銷售總額為３０億美元，１９９７年達到４０億美元，１９９８年為４４億美元，１９９９年為４７億美元，年平均增長速率為１０％左右。由此可以推測，到２００４年，世界分離膜的市場銷售額將達到８０億-１００億美元。到２０１０年將達到１１０億-１３５億美元。

國外的分膜銷售市場以美國、日本、西歐為主，１９９７年美國為１１億美元，日本超過１０億美元，歐洲９．７億美元，年平均增長速度為８％-１０％。據(jù)推測，２００４年前，年平均增長速率將達到１５％。氣體分離膜的應(yīng)用也將以每年８％的速度增長，到２００１年其產(chǎn)值將達到１．３５億美元。

據(jù)中國膜工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計資料表明，我國膜工業(yè)產(chǎn)值１９９８年為１２億元人民幣，１９９９年為２０億元人民幣，２０００年為２８億元人民幣。從發(fā)展速度看遠遠高于任何一個發(fā)達國家。按照我國當前的膜技術(shù)水平和市場開拓情況，今后每年按１０％-１５％的增長速度發(fā)展是完全可能的，到２０１０年我國膜工業(yè)的產(chǎn)值將達５０億-８０億元人民幣，約占世界膜市場的５％，其中液體分離膜市場為２５億-４０億元人民幣，氣體分離膜市場為１５億-２４億元人民幣，生物醫(yī)學(xué)和其他市場為１０億-１６億元人民幣。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大，預(yù)計在５年內(nèi)，國內(nèi)膜技術(shù)市場需求可達到２００億元人民幣。以油田污水和回注水市場為例，在多種處理技術(shù)中，只有采用膜技術(shù)方可以達到使用指標，僅遼河油田注水站約４５個，每個站處理的規(guī)模至少為１萬噸／天，僅此一項市場需求就在２０億元人民幣左右。１９９５年中國膜工業(yè)協(xié)會宣告成立，標志著我國的膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)已基本形成。但與國際先進水平相比，我國膜工業(yè)的整體技術(shù)水平尚存在５-１０年的差距。

邁入新世紀，我國的膜技術(shù)和膜產(chǎn)業(yè)將圍繞水資源開發(fā)、水處理、氣體分離、天然氣凈化、回收有用物質(zhì)和人類健康等市場需求，建立工業(yè)新技術(shù)、節(jié)能新技術(shù)、環(huán)保新技術(shù)和生物工程新技術(shù)，迎接知識經(jīng)濟的新時代。在我國現(xiàn)已經(jīng)成熟并工業(yè)化的膜過程，如微濾、超濾、反滲透、電滲析和氣體分離仍將占有相當?shù)氖袌龇蓊~；正在進行中試放大的膜過程，如無機膜、滲透汽化、納濾以及膜生物反應(yīng)器將有較大的發(fā)展，其市場份額將接近已成熟的膜過程。到２０１０年我國的膜科學(xué)與技術(shù)水平將達到國外９０年代后期的水平，膜分離技術(shù)市場的產(chǎn)值將達到５０億-８０億元人民幣，年增長速度為１０％-１５％；到２０２０年，將達到１００億-２００億元民幣，年增長速度為１５％，并將進入世界膜工業(yè)強國，產(chǎn)值約占世界膜工業(yè)的１／１０。

隨著膜科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，膜的分離功能將獲得更多的實際應(yīng)用，如人體器官、閘膜（或稱孔徑可變膜，智能型分離膜）以及活性輸送膜等。目前膜已不再是簡單的分離手段，它已和其他技術(shù)融合在一起，如催化技術(shù)、生物工程技術(shù)等，在許多領(lǐng)域中起著十分重要的作用，正成為清潔生產(chǎn)和保證工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。中國的膜市場是巨大的，前景是廣闊的，要進一步擴大膜在各行各業(yè)中的應(yīng)用，一是要加快推廣膜技術(shù)，二是要研制開發(fā)新的膜。