膜分离技术的现状及展望

膜分离技术是近几十年发展起来的高新技术，这些年发展尤为迅速。１９５３年，Ｒｅｉｄ等人第一次提出用反渗透技术进行海水淡化，１９６０年Ｌｏｅｄ和Ｓｏｕｒｉｒａｊｉｎ研制出了第一张具有实用价值的反渗透膜，这标志着现代膜科学技术的诞生。中国对膜的研究开发和使用已经有４０多年的历史。目前微滤、渗析、电渗析、人工肾、反渗透、超滤、纳滤、气体分离、无机膜、渗透汽化、液膜、控制释放以及膜接触和膜择应器等技术正在广泛用于石油、化工、环保、能源、电子、重工、轻工、食品、饮料、医药和生物工程等行业中，并产生了明显的经济效益、社会效益和环境效益，目前应用越来越广，作用也越来越大。然而对于许多人来说，膜还是一个陌生的字眼，其实膜就在我们身边。
   膜作为一种先进的分离技术，有许多优点。例如分离精度高，选择性强；在常温下操作无相态变化；能耗低；自动化程度高；污染小等。膜分离作为一种分离手段能否得到广泛的应用，主要取决于它分离的有效性和工艺的经济性。
我国政府对膜分离技术的研究和开发工作十分重视，自“六五”以来，已连续四个五年计划都把膜分离技术作为重点项目进行支持，并先后资助成立了国家液体分离膜工程技术研究中心和膜技术国家工程研究中心。我国在２０００年将膜材料和膜产业列为国家重点支持的２２项化工产业之一。２００１年２月１４日国家计委在《科技日报》上发布了《国家计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告》，这充分体现了国家对发展膜工业的高度重视。
   膜分离技术的应用  
   １、膜分离技术在水处理中的应用
水是我们生命中最重要的物质之一，从生命的开始到结束，都离不开水。在烈日炎炎的夏日，一瓶清醇爽口的纯净水远远胜过一顿美味佳肴。殊不知这众多的纯净水，超纯水，太空水绝大部分都是膜的杰作。全世界有５０多亿人口，每一张口都渴望洁净的水，这种需求给膜提供了极大的市场。
   膜是饮用水净化和纯化的最佳手段，使用膜可以去除水中的悬浮物、细菌、有毒金属物质和有机物，大大提高人们饮用水的质量。在城市供水中生产用水占９０％，居民生活用水占９％，而饮用水仅占１％。分质供水就是把这１％的水使用膜技术进行深度处理，使之达到饮用水标准。目前我国沈阳、上海等地已建成分质供水的住宅小区。反渗透是海水渗化和苦咸水淡化最经济的方法，是解决广大干旱地区饮用水和工业用水最有效的方法。
   城市污水是一个重要的潜在水资源，使用膜生物反应器进行城市污水处理，可以生产出不同用途的再生水，是解决水资源匮乏的重要方法。以北京为例，目前已建成的城市污水处理厂有３座，正在建造的有４座，近年将建成１５座，到２００６年城市污水处理率将达到８０％。北京每天有２００多万吨废水排出，这些废水若使用膜及相关技术进行深度处理，处理水可作为工业冷却水、绿化用水和城市杂用水，这样既可以极大地缓解城市用水需求，同时城市水资源也可以得到充分利用。仅此一项北京市每天至少可以排出１００多万吨污水，同时可以节约１００多万吨水资源，每年可以节约用水３．６亿多吨。工业生产过程产生的废水、污水和废渣，其面大、量广、危害深。如含油废水、电镀废水、含酚废水、食品加工废水等，若处理回用，既回收了资源，也保护了环境，在这方面膜技术的作用也是非常引人注目的。反渗透法使电镀废水循环再用，荷电超滤膜使汽车等行业广为采用的电泳漆工艺实现了清洁生产，无机膜和电渗析结合是钛白废水回收再用的好途径，离子交换电渗析（ＥＤＩ）技术部分代替离子交换而不要酸碱再生，双极膜技术使各种废酸、废碱、废盐水重新再用，超滤法成功地将尼龙纺织上浆的ＰＶＡ废液浓缩回用，印染废水的膜法处理使染料和水同时回用，反渗透法成功地将尼龙的单体己内酰胺浓缩回用，超滤可能成为每年数亿吨含油废水回注的关键技术……近年来光催化降解工业废水的研究备受重视，若能利用太阳光实现这一高级氧化过程，则对环保有非常重要的战略意义。
   膜在水处理中的市场十分巨大，“九五”期间，仅瓶装水的市场就达２０亿元人民币。２１世纪初，我国膜工业在饮用水、工业用水和废水处理方面的产值将达到１０亿元人民币。另外，我国的多数油田已进入二次、三次采油期，并出现一些低渗透油田，油田回注水处理已成为制约我国石油工业发展的重要技术问题，其市场在１０亿元人民币以上。
   ２．膜分离技术在食品工业中的应用
   膜分离技术在食品工业中的应用始于６０年代末，先是用于乳品加工和啤酒无菌过滤，并逐渐用于果汁饮料加工、酒类精制、饮用纯水生产等方面。近年来已扩展到发酵和生物工程的应用，各种动、植物蛋白的加工等行业。目前应用较多的是饮料用水的处理技术，其次是酶制剂的浓缩和精制。
   此外微滤和超滤技术在白酒的除浊增香，啤酒的除菌保鲜，果酒、黄酒、保健酒的精制，果汁的澄清，尤其是苹果汁的澄清等方面应用较多。速溶茶的生产已开始用超滤和反渗透技术进行提纯和浓缩。采用超滤技术及反渗透技术可以实现葡萄酒的除菌、澄清、脱醇。
   ３．膜分离技术在医药领域中的应用
膜分离技术在医药领域中的应用可以说是膜对人类的最大贡献。它不仅提高了人民的健康水平，减少了许多疾病，同时每年挽救着数以万计病人的生命。安徽天长市风景秀丽人杰地灵。全市人民的生活用水都是来自于地下水。这里的地下水水质很好，接近于矿泉水。然而由于水中钙、镁离子含量太高，使得当地许多人患有结石病，发病率高达１０％，令许多人忧心忡忡。但是若使用膜技术进行处理，水的硬度问题就会迎刃而解，并且费用也不高。目前国际上已有许多公司生产这类产品，中国也是其中的一个。膜的使用可以帮助治疗许多疾病。在我国，以膜为核心的人工肾、人工肺以及用于血液透析和腹水透析的透析器已广泛地用于许多大医院，其用量为６０万只／年，每只售价１２０-１３０元人民币。随着对透析器使用次数的限制等，估计不久其用量钭达到１０００万只／年，年产值将超过１０亿元人民币。带有膜过滤器的注射器目前已不是新鲜东西，如查我国每人每年平均使用１只，则年销售量就达数１０亿元人民币。此外，在血浆分离、腹水处理、人工肺和药物缓释胶囊等领域，膜技术也都有较大的潜在市场。作为膜技术的另一个创新，人工脑正在研究之中。
   膜分离技术在环境检测和生化分析样品的预处理方面有着很大的应用前景将支撑液膜用于分析前样品的预处理，有许多优点，例如选择性强，富集系数高，分离彻底，与分析仪器连接方便，几乎没有有机溶剂污染等。
有些分析样品，如尿液、血液、生物组织，成分比较复杂，干扰比较大。使用支撑液膜可以将溶液中含量极低的成分，分离富集到上百倍或上千倍，然后再进行分析检测，这样可以大大提高检测效果。将支撑液膜和分析仪器结合起来可以实现全自动化的检测分析。还可以使用不同的支撑液膜同时分离富集不同形态，从而方便、快捷、有效地进行分析。
   发展中的膜分离技术  
   近年来膜分离技术发展十分迅速，相继出现了不同材料和不同用途的膜，例如无机膜、渗透蒸发膜、气体分离膜、纳滤膜、液膜、膜生物反应器等，其经济效益、社会效益和环境效益越来越大，市场前景也越来越广阔。膜分离技术正在和其他生产工艺集成起来，成为许多生产工艺中不可缺少的一部分。
   １．无机膜分离技术
无机膜主要包括陶瓷器，金属氧化物膜和金属膜等。它适合在高温、高压、高黏度、高固体含量、高氯化物含量和苛刻的ｐＨ值条件下使用，能较好地解决石油、化工、石化、医药、环保、轻工等领域的特殊分离问题。对于腐蚀性气体过滤、脱湿，生物发酵液过滤，生物活性物质分离，结晶母液过滤，超细粒子回收，强酸或强碱性金属清洗液净化，高色度、高浊度的有机废水处理等有着很好的效果。
   我国的无机膜经过５年的努力，陶瓷微滤膜和超滤膜从无到有，已经实现了工业化生产，膜材料的技术指标和膜装置的规模与自控水平均已达到国际先进水平。根据有关部门预测，到２０１０年仅无机盐生产中结晶母液过滤、超细粒子回收等对陶瓷膜装备的需求量就在５亿元人民币以上。特种油水体系分离净化，如钢厂大型轧机冷轧乳液净化、金属清洗液净化、油田回注水处理等过程所需的无机膜装备亦在５亿元人民币左右。无机膜技术与反应工艺过程集成，可能对石油化工、化学工业、生物技术的发展带来变革性影响。
   ２．渗透汽化膜分离技术
   渗透汽化膜分离技术是利用溶解扩散的机理进行组分的分离，对共沸物的分离特别有效，主要用于有机溶剂脱水，水中少量溶剂的脱除和有机／有机混合物的分离。我国的渗透汽化研究开始于８０年代中期。９０年代建立了渗透汽化制无水乙醇、苯脱水和渗透汽化与酯化反应耦合过程的中试装置，以及相应的渗透汽化膜分析与检测手段。
我国是能源短缺大国，节能是一项基本国策。然而在化工、石化、轻工、医药生产过程中蒸馏消耗了很大能源，尤其是共沸物分离以及产物浓缩对能源的消耗更大。渗透汽化技术有可能在２１世纪替代传统的蒸馏技术。目前我国酯产品有３００多种，年产量８万-１０万吨，产值约１０多亿元人民币，若采用渗透汽化技术，每年可节省能源开支约３０００万元人民币。
   清华大学在２０世纪即将结束的时候，完成了苯脱水的工业化中试，预计不久将实现工业化应用。１９９８年，全球渗透汽化膜和组件的销售额已超过１０００多万美元。随着渗透汽化技术的发展，其应用范围也将快速扩大。作为某些精馏过程的替代和补充技术，特别是对于有机混合物的分离，渗透汽化技术在石化行业中会有广阔的应用前景。
   ３．气体膜分离技术
   气体膜分离技术主要有膜法提氢、膜法富氧、膜法富氮、工业气体脱湿、天然气脱湿、提氦以及脱除有机蒸气、二氧化碳和硫化氢等。膜法提氢技术在化肥厂中应用十分成功，并已取得了明显的经济效益。目前国产中空纤维氮／氢膜分离器已在全国上百家化肥厂成功地用于合成氨弛放气中氢的回收，其氢的回收率和纯度均在８５％以上，而后开发的二级膜法新工艺，可使氢的纯度提高到９９％，完全可以满足多种生产的需要，年产值达２０００万-３０００万元人民币。２１世纪初，中空纤维氮／氢膜分离器的年产值将达到５０００万元人民币以上。
   国产螺旋卷式富氧器也是一种气体膜分离装置，已在２０家玻璃窑炉上得到了应用，富氧浓度达到２８％-３０％，节油率为６％-８％。该项技术可广泛用于以煤、炭、天然气、煤气、重油等为燃料的所有工业窑炉中，平均节能１１．８％，增产１０．２％。经验表明，分别用２３％、２５％和２７％的富氧空气助燃，相应可以节能１０％-２５％、２０％-４０％和３０％-５０％。富氧膜技术的推广应用，不仅可提高燃料的利用率，而且可以保护环境。膜法富氧还可用于医疗保健。膜法富氧也可用于富氧制硫酸，可缩短焙烧时间，强化转化过程，可使４万吨／年的硫酸装置减少４００万元总投资，投资回收期缩短１．１年。膜法富氧技术在柴油发动机上的使用，将是柴油机史上的一次革命，将降低油耗４％-７％，功率增加４０％，使废气排放量降低６０％。
   近年来，在三次采油中，注油田注氮气成为一项高新技术，该技术可提高采收率８％-１０％，减少对设备的腐蚀。氮气气源丰富，安全可靠，价格低廉，可直接从空气中分离得到。目前国产撬装富氮车已投入使用。我国有油井上千口，对富氮车的需求量为１５０-２００台，产值可达３亿-５亿元人民币。另外，膜法富氮在冶金、制药和食品保鲜等方面都有很大的潜在市场。
   ２１世纪中国膜工业展望  
   国际上的膜技术产业已初具规模，１９９８年国外上网的膜和膜设备的生产厂家及经营公司达４５２家。１９９４年世界膜市场的销售总额为３０亿美元，１９９７年达到４０亿美元，１９９８年为４４亿美元，１９９９年为４７亿美元，年平均增长速率为１０％左右。由此可以推测，到２００４年，世界分离膜的市场销售额将达到８０亿-１００亿美元。到２０１０年将达到１１０亿-１３５亿美元。
   国外的分离膜销售市场以美国、日本、西欧为主，１９９７年美国为１１亿美元，日本超过１０亿美元，欧洲９．７亿美元，年平均增长速度为８％-１０％。据推测，２００４年前，年平均增长速率将达到１５％。气体分离膜的应用也将以每年８％的速度增长，到２００１年其产值将达到１．３５亿美元。
据中国膜工业协会的统计资料表明，我国膜工业产值１９９８年为１２亿元人民币，１９９９年为２０亿元人民币，２０００年为２８亿元人民币。从发展速度看远远高于任何一个发达国家。按照我国当前的膜技术水平和市场开拓情况，今后每年按１０％-１５％的增长速度发展是完全可能的，到２０１０年我国膜工业的产值将达５０亿-８０亿元人民币，约占世界膜市场的５％，其中液体分离膜市场为２５亿-４０亿元人民币，气体分离膜市场为１５亿-２４亿元人民币，生物医学和其他市场为１０亿-１６亿元人民币。
   随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，膜技术的应用领域将不断扩大，预计在５年内，国内膜技术市场需求可达到２００亿元人民币。以油田污水和回注水市场为例，在多种处理技术中，只有采用膜技术方可以达到使用指标，仅辽河油田注水站约４５个，每个站处理的规模至少为１万吨／天，仅此一项市场需求就在２０亿元人民币左右。１９９５年中国膜工业协会宣告成立，标志着我国的膜技术产业已基本形成。但与国际先进水平相比，我国膜工业的整体技术水平尚存在５-１０年的差距。
   迈入新世纪，我国的膜技术和膜产业将围绕水资源开发、水处理、气体分离、天然气净化、回收有用物质和人类健康等市场需求，建立工业新技术、节能新技术、环保新技术和生物工程新技术，迎接知识经济的新时代。在我国现已经成熟并工业化的膜过程，如微滤、超滤、反渗透、电渗析和气体分离仍将占有相当的市场份额；正在进行中试放大的膜过程，如无机膜、渗透汽化、纳滤以及膜生物反应器将有较大的发展，其市场份额将接近已成熟的膜过程。到２０１０年我国的膜科学与技术水平将达到国外９０年代后期的水平，膜分离技术市场的产值将达到５０亿-８０亿元人民币，年增长速度为１０％-１５％；到２０２０年，将达到１００亿-２００亿元民币，年增长速度为１５％，并将进入世界膜工业强国，产值约占世界膜工业的１／１０。
   随着膜科学与技术的发展，膜的分离功能将获得更多的实际应用，如人体器官、闸膜（或称孔径可变膜，智能型分离膜）以及活性输送膜等。目前膜已不再是简单的分离手段，它已和其他技术融合在一起，如催化技术、生物工程技术等，在许多领域中起着十分重要的作用，正成为清洁生产和保证工业可持续发展的重要手段。中国的膜市场是巨大的，前景是广阔的，要进一步扩大膜在各行各业中的应用，一是要加快推广膜技术，二是要研制开发新的膜。