1 膜技術簡介

膜分離技術是利用膜對混合物中各組分的選擇滲透性能的差異來實現分離、提純和濃縮的新型分離技術。膜工藝過程的共同優點是成本低、能耗少、效率高、無污染并可回收有用物質，特別適合于性質相似組分、同分異構體組分、熱敏性組分、生物物質組分等混合物的分離，因而在某些應用中能代替蒸餾、萃取、蒸發、吸附等化工單元操作。實踐證明，當不能經濟地用常規的分離方法得到較好的分離時，膜分離作為一種分離技術往往是非常有用的，并且膜技術還可以和常規的分離方法結合起來使用，使技術投資更為經濟。正因為膜分離過程具有極大的吸引力，膜技術越來越廣泛地應用于化工、環保、食品、醫藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領域。具有廣闊的發展前景。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機理如表1所示。

表1：幾種主要的膜分離過程

2 我國膜技術的應用現狀

2.1 概述

近30年來，以分離膜為基礎的膜技術取得了令人矚目的飛速發展。八十年代以來，我國膜產業獲得了較大的發展。1997年全 膜市場已經達到40億美元以上，當年中國膜產業的總產值也已超過6億元人民幣。膜技術已廣泛地應用于我國經濟的許多部門。微濾膜的應用近年來增長較快，我國每年需要微濾膜的產值大約7800萬元人民幣。超濾技術是應用較為廣泛的膜過程，產值約占整個膜產業的25%以上。納濾技術的開發與應用在我國還處于初始階段，尚未形成產業。反滲透技術是幾種膜技術中在中國開發應用較早的一種，主要用于海水淡化、苦咸水脫鹽、鍋爐補給水的處理和飲用水的制備，此外在食品、醫藥和廢水處理方面也有廣泛應用。電滲析技術主要用于苦咸水脫鹽、鍋爐水軟化，在醫藥、化工、食品飲料行業及廢水處理方面也得到了廣泛應用。氣體膜分離技術和滲透汽化膜技術近年來也擴大了應用范圍。

2.2 膜分離技術在化工中的應用

在化工領域，膜技術發揮了其獨特的作用。它作為新型分離技術，過程大多無相變，可在常溫下操作，具有高效、節能、工藝簡便和投資省等特點。膜技術在化工中可用于某些液體混合物及氣體混合物的分離。對氣體混合物的膜分離已廣泛用于天然氣的分離、石油化工煉廠氣中的氫氣回收、酸性氣體的脫除、合成氨廠氫氣的循環使用等方面。1986年我國大連化物所與上海吳涇化工廠研制出國產的中空纖維膜氫氮分離裝置，達到美國80年代初期的水平。目前我國有100多家合成氨廠和石化企業已采用氣體膜分離技術回收H₂，產生十分顯著的經濟效益。我國也已經用膜分離法富集氧氣，用于富氧燃燒、有色金屬冶煉、玻璃熔融和油田集輸加熱爐等方面，經濟效益顯著。此外，氣體膜分離技術在空氣富氮、脫濕，天然氣脫CO₂、H₂S和水，水中溶解氧的脫除，三次采油用CO₂的回收利用等方面，近幾年我國也陸續有報道。如大連化物所開發適于稠油區塊三次采油應用的移動式膜法富氮車，具有裝置體積小，啟動快，操作方便等特點，可提供O₂濃度小于2%的富氮氣。滲透汽化技術被認為是工業上能取代蒸餾技術的較有希望的一種方法。清華大學化工系開發的新型滲透汽化膜已經應用在北京燕山石化總廠。我國已經有許多氯堿工廠采用了離子膜制堿新工藝，不僅降低了電耗，而且減少了污染。

2.3 膜技術在環保中的應用

工業廢水的回收再用，既節省了資源，又保護了環境。在這方面膜技術的應用是令人矚目的。早在20世紀70年代反滲透法就使電鍍廢水循環再用。荷電膜超濾技術使目前汽車等行業廣為采用的電泳漆工藝實現了水的閉路循環和電泳漆回收，基本達到了“清潔生產工藝”的要求。無機膜和滲析技術結合使鈦白廢水回收再用。超濾法使紡織業上漿的PVA廢液濃縮回用。膜技術處理印染廢水使染料和水同時回用。反滲透法成功地將尼龍的單體己內酰胺濃縮回用。超濾技術已經在某油田成為每年數億噸含油廢水回注的關鍵技術。此外，膜技術還可用于垃圾處理所產生的廢水，如廈門市新建垃圾焚燒處理廠將采用膜技術處理垃圾滲瀝水。

2.4 膜技術在海水和苦咸水淡化、軟化中的應用

反滲透技術已成為海水淡化較經濟的手段，自20世紀80年代以來呈迅速增長趨勢。在與其他淡化方法對比中，海水反滲透淡化有如下主要優勢：投資費較低；能耗較低；淡化水成本較低；建造周期短。1997年在浙江省舟山市嵊山500噸/日反滲透海水淡化示范工程投入運行，工程總投資616萬元，每噸淡化成本7.78元，工程經濟技術指標具有國際 水平。大連長海1000噸/日反滲透海水淡化裝置1999年也已投入運行。同樣地，反滲透和電滲析也是苦咸水淡化較經濟的方法，在我國已經為廣大缺乏淡水地區提供了飲用水。 海洋局杭州水處理技術開發中心開發的集裝式水處理移動車，適用于苦咸水、海水淡化、流動性作業的行業，已經在全國推廣。

目前國內利用納濾進行高硬度海島苦咸水軟化已獲得成功。納濾是介于反滲透和超濾之間的一種新型膜分離過程，利用納濾膜的特殊分離性能，可以實現二價離子與一價離子的相對有效分離，從而去除水中的硬度。 已把納濾技術的研究和開發列入攻關項目。為加速納濾工藝過程的推廣應用， 海洋局水處理技術開發中心于1997年在山東省長島南隍城建成144m3/d高硬度海島苦咸水軟化示范工程，其中的技術關鍵是納濾。整個系統連續正常運行27個月，所產的軟化水優于 規定的飲用水標準。

2.5 膜技術在電子工業和發電鍋爐用水中的應用

在電子工業上，電子元件的清洗需用大量的超純水。發電工業中鍋爐需用大量的軟水。在這些領域我國已經大量采用反滲透技術和電滲析技術。通常是根據所需水的不同純度，采用各種不同的工藝，如單用電滲析、反滲透制一般純水，膜技術與離子交換技術結合制超純水，等等。在反滲透工藝研究和工程應用方面， “七五”科技攻關期間，電子工業用18MΩ-cm大型工業化超純水系統、高壓鍋爐補給水用大型反滲透裝置和海島苦咸水反滲透淡化制取飲用水等三項示范工程獲得成功，并在全國范圍內大力推廣應用。九十年代后期，國內已有一些大、中型發電廠的鍋爐用水采用了納濾技術，不僅工藝簡單，軟化效率高，而且消除了以往離子交換法造成的酸堿污染。

2.6 膜技術在生物技術及醫藥行業中的應用

膜技術可在常溫條件下進行封閉式操作，且不需要化學試劑。抗生素、氨基酸等是熱敏性物質，用膜技術進行分離、濃縮或精制均很適宜。超濾和微濾膜技術在我國已經用于發酵液的分離、酶的精制濃縮、動植物蛋白的提取、生物制品中雜菌和熱原的脫除、血液制品的濃縮精制、激素和疫苗的精制。例如上海天廚味精廠與上海原子核所應用超濾膜技術去除氨基酸產品中的熱源，已投入生產，產品質量很好。我國某大型抗生素廠采用納濾技術改進了6-氨基青霉烷酸的生產工藝，不僅大大節省后工段的溶劑耗量，而且提高了收率。

水的質量控制是醫藥中一個重要環節。以反滲透為核心技術的膜法生產醫藥用水的節能效果及優良水質已經為人們所認可，將寫入我國新版藥典。目前國內越來越多的廠家已經使用以反滲透為主的膜技術制備醫藥用純水，該法能耗比以往的蒸餾法低50～70%。東北制藥集團公司采用中空纖維超濾膜工藝制備無菌除熱原水，水質符合注射用水標準，而且設備投資比同等規模的重蒸餾設備減少20～30%。

分離膜是一類重要的醫藥功能高分子材料，人工腎、人工肝、膜式人工肺和人工角膜等人工臟器均與膜技術有密切聯系。國內許多醫院已經采用膜技術制成的血液滲析器來治療腎衰竭病人，以從血液中脫除尿酸、尿素等代謝廢物。據估計，我國每年血液滲析器的需求量有80～100萬支。另外，我國已經生產出小型富氧器，滲透氣中氧濃度達30%，用于醫療保健效果很好。

3 我國膜技術的應用前景

人類面臨的健康、能源、資源、環境四大問題，加上傳統技術的改造這個亟待解決的問題，將是我國科技發展的強大推動力，膜技術將在其中扮演重要的角色。膜分離技術作為綠色和節能的高科技技術，其高效、潔凈、節能的優點越來越為人們所認可。以下三個因素將極大地促進膜技術在我國的應用。

3.1 膜技術的發展

新型膜材料的開發和膜過程的改進將為膜技術開創許多新的應用領域。分離膜是膜技術的基礎，新型膜材料有的能夠在苛刻的條件下（強酸性、強堿性、高溫下、強溶劑）使用，有的能在更低的壓力下操作，這將對傳統技術的改造有極大的推動作用。如新型的納濾膜技術在飲用水凈化、鍋爐用水軟化、軟料、抗生素、多肽、多糖等化工和生物工程產物的分級和濃縮等方面，其成本遠遠低于其他技術。我國對納濾膜技術的開發和應用將越來越廣泛。膜過程是膜技術的關鍵，優化設計膜過程將獲得更好的經濟效益和環境效益。新型膜技術不僅可以替代某些單元操作，而且可以與許多單元操作相結合，以取得更好的分離效果。例如利用膜技術把催化反應和分離過程結合起來，把催化劑包含在膜中既可以提高轉化率和產品純度，又可減低成本。膜技術與生物反應器相結合的新工藝，能夠大規模提高發酵生產率，并且能耗低，將工業化應用于乳酸、檸檬酸等生產之中。中科院開發的某種新型滲透汽化膜及其工藝過程，將變革MTBE（一種無鉛汽油添加劑）的生產工藝，產生可觀的經濟效益。專家預計在2010年左右，包含膜技術的人工器官、智能分離膜、活性輸送膜等將獲得實際應用；2020年之后，這些新一代膜產品的銷售額將超過現有的膜產品。

3.2 能源價格

我國人均資源短缺，能源價格不可避免地上漲，因而在許多分離過程中一些能耗大的單元操作（如精餾）將失去成本的競爭性。滲透汽化技術被認為是工業上能取代蒸餾技術的較有希望的一種方法。今后5-10年，反滲透技術將取代多效蒸發、壓氣蒸餾等方法成為海水淡化的主要工藝。食品、醫藥等領域所用的無菌水等，也將基本上采用膜技術來制備。膜技術由于其低能耗和容易改造多數分離過程的特點，應用范圍將不斷擴大。

3.3 可持續發展的國策

可持續發展是我國經濟與社會發展的重要戰略，為此我國將繼續制定各種環保法規、所有環保法規的總方向是朝著“零排放”發展。這意味著目前應用的一些成本低的處理方法將不能使用。企業界不得不進行傳統技術的改造，以降低甚至消除“三廢”排放量，這將促進膜技術的大規模推廣。例如，利用微濾膜的膜基氣體吸收過程在工業廢水和城市污水處理方面有其獨到之處，可用于脫除廢水中的氨，從而改造傳統的化肥工藝；也可用于脫除混合氣體中的CO2、H2S等，變革某些生產流程。EDI（離子交換樹脂填充床電滲析）技術將部分代替離子交換而不要用酸堿再生，可消除酸堿污染。雙極膜技術可使各種廢酸、廢堿、廢鹽水重新再用。我國對廢水處理問題越來越重視，這方面的市場總需求將超過100億元，反滲透、超濾、微濾和其他新興膜技術將大展宏圖。

總之，隨著21世紀的到來，隨著國民經濟的進一步發展，膜技術在我國各個行業中的應用將更飛速地發展。我們要看到這個樂觀的前景，積極研究和推廣新型膜技術，創造更好的經濟效益與環境效益。