我國膜技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景
行業(yè)動態(tài)
1 膜技術(shù)簡介
膜分離技術(shù)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(xiàn)分離、提純和濃縮的新型分離技術(shù)。膜工藝過程的共同優(yōu)點是成本低、能耗少、效率高、無污染并可回收有用物質(zhì)，特別適合于性質(zhì)相似組分、同分異構(gòu)體組分、熱敏性組分、生物物質(zhì)組分等混合物的分離，因而在某些應(yīng)用中能代替蒸餾、萃取、蒸發(fā)、吸附等化工單元操作。實踐證明，當不能經(jīng)濟地用常規(guī)的分離方法得到較好的分離時，膜分離作為一種分離技術(shù)往往是非常有用的，并且膜技術(shù)還可以和常規(guī)的分離方法結(jié)合起來使用，使技術(shù)投資更為經(jīng)濟。正因為膜分離過程具有極大的吸引力，膜技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、電子、電力、冶金、輕紡、海水淡化等領(lǐng)域。具有廣闊的發(fā)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
膜過程 | 推動力 | 傳遞機理 | 透過物 | 截留物 | 膜類型 |
微濾（MF） | 壓力差 | 顆粒大小 形狀 | 水、溶劑 溶解物 | 懸浮物 顆粒纖維 | 多孔膜 |
超濾（UF） | 壓力差 | 分子特性大小形狀 | 水、溶劑 小分子 | 膠體和超過截留分子量的分子 | 非對稱性膜 |
納濾（NF） | 壓力差 | 離子大小及電荷 | 水、一價離子 | 多價離子 有機物 | 復合膜 |
反滲透（RO） | 壓力差 | 溶劑的擴散傳遞 | 水、溶劑 | 溶質(zhì)、鹽 | 非對稱性膜 復合膜 |
滲析（D） | 濃度差 | 溶質(zhì)的擴散傳遞 | 低分子量物、離子 | 溶劑 | 非對稱性膜 離子交換膜 |
電滲析（ED） | 電位差 | 電解質(zhì)離子的選擇傳遞 | 電解質(zhì)離子 | 非電解質(zhì) 大分子物質(zhì) | 離子交換膜 |
氣體分離（GP） | 壓力差 | 氣體和蒸汽的擴散滲透 | 滲透性的氣體或蒸汽 | 難滲透性的氣體或蒸汽 | 均相膜、復合膜 非對稱性膜 |
滲透蒸發(fā)（PV） | 壓力差 | 選擇傳遞 | 易滲的溶質(zhì)或溶劑 | 難滲的溶質(zhì)或溶劑 | 均相膜、復合膜 非對稱性膜 |
液膜分離（LM） | 化學反應(yīng)和濃度差 | 反應(yīng)促進和擴散傳遞 | 雜質(zhì) | 溶劑 | 乳狀液膜 支撐液膜 |
膜蒸餾（MD） | 膜兩側(cè)蒸汽壓力差 | 組分的揮發(fā)性 | 揮發(fā)性較大的組分 | 揮發(fā)性較小的組分 | 疏水性膜 |
2 我國膜技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1 概述
近30年來，以分離膜為基礎(chǔ)的膜技術(shù)取得了令人矚目的飛速發(fā)展。八十年代以來，我國膜產(chǎn)業(yè)獲得了較大的發(fā)展。1997年全 膜市場已經(jīng)達到40億美元以上，當年中國膜產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值也已超過6億元人民幣。膜技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于我國經(jīng)濟的許多部門。微濾膜的應(yīng)用近年來增長較快，我國每年需要微濾膜的產(chǎn)值大約7800萬元人民幣。超濾技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的膜過程，產(chǎn)值約占整個膜產(chǎn)業(yè)的25%以上。納濾技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用在我國還處于初始階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)。反滲透技術(shù)是幾種膜技術(shù)中在中國開發(fā)應(yīng)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(yī)藥和廢水處理方面也有廣泛應(yīng)用。電滲析技術(shù)主要用于苦咸水脫鹽、鍋爐水軟化，在醫(yī)藥、化工、食品飲料行業(yè)及廢水處理方面也得到了廣泛應(yīng)用。氣體膜分離技術(shù)和滲透汽化膜技術(shù)近年來也擴大了應(yīng)用范圍。
2.2 膜分離技術(shù)在化工中的應(yīng)用
在化工領(lǐng)域，膜技術(shù)發(fā)揮了其獨特的作用。它作為新型分離技術(shù)，過程大多無相變，可在常溫下操作，具有高效、節(jié)能、工藝簡便和投資省等特點。膜技術(shù)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(huán)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(chǎn)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(yè)已采用氣體膜分離技術(shù)回收H2，產(chǎn)生十分顯著的經(jīng)濟效益。我國也已經(jīng)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(jīng)濟效益顯著。此外，氣體膜分離技術(shù)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(xù)有報道。如大連化物所開發(fā)適于稠油區(qū)塊三次采油應(yīng)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(shù)被認為是工業(yè)上能取代蒸餾技術(shù)的較有希望的一種方法。清華大學化工系開發(fā)的新型滲透汽化膜已經(jīng)應(yīng)用在北京燕山石化總廠。我國已經(jīng)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(shù)在環(huán)保中的應(yīng)用
工業(yè)廢水的回收再用，既節(jié)省了資源，又保護了環(huán)境。在這方面膜技術(shù)的應(yīng)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(huán)再用。荷電膜超濾技術(shù)使目前汽車等行業(yè)廣為采用的電泳漆工藝實現(xiàn)了水的閉路循環(huán)和電泳漆回收，基本達到了“清潔生產(chǎn)工藝”的要求。無機膜和滲析技術(shù)結(jié)合使鈦白廢水回收再用。超濾法使紡織業(yè)上漿的PVA廢液濃縮回用。膜技術(shù)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(nèi)酰胺濃縮回用。超濾技術(shù)已經(jīng)在某油田成為每年數(shù)億噸含油廢水回注的關(guān)鍵技術(shù)。此外，膜技術(shù)還可用于垃圾處理所產(chǎn)生的廢水，如廈門市新建垃圾焚燒處理廠將采用膜技術(shù)處理垃圾滲瀝水。
2.4 膜技術(shù)在海水和苦咸水淡化、軟化中的應(yīng)用
反滲透技術(shù)已成為海水淡化較經(jīng)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(yōu)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(jīng)濟技術(shù)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(jīng)濟的方法，在我國已經(jīng)為廣大缺乏淡水地區(qū)提供了飲用水。 海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)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(yè)的行業(yè)，已經(jīng)在全國推廣。
目前國內(nèi)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(xiàn)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(shù)的研究和開發(fā)列入攻關(guān)項目。為加速納濾工藝過程的推廣應(yīng)用， 海洋局水處理技術(shù)開發(fā)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(shù)關(guān)鍵是納濾。整個系統(tǒng)連續(xù)正常運行27個月，所產(chǎn)的軟化水優(yōu)于 規(guī)定的飲用水標準。
2.5 膜技術(shù)在電子工業(yè)和發(fā)電鍋爐用水中的應(yīng)用
在電子工業(yè)上，電子元件的清洗需用大量的超純水。發(fā)電工業(yè)中鍋爐需用大量的軟水。在這些領(lǐng)域我國已經(jīng)大量采用反滲透技術(shù)和電滲析技術(shù)。通常是根據(jù)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(shù)與離子交換技術(shù)結(jié)合制超純水，等等。在反滲透工藝研究和工程應(yīng)用方面， “七五”科技攻關(guān)期間，電子工業(yè)用18MΩ-cm大型工業(yè)化超純水系統(tǒng)、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(nèi)大力推廣應(yīng)用。九十年代后期，國內(nèi)已有一些大、中型發(fā)電廠的鍋爐用水采用了納濾技術(shù)，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(shù)在生物技術(shù)及醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用
膜技術(shù)可在常溫條件下進行封閉式操作，且不需要化學試劑?？股亍被岬仁菬崦粜晕镔|(zhì)，用膜技術(shù)進行分離、濃縮或精制均很適宜。超濾和微濾膜技術(shù)在我國已經(jīng)用于發(fā)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(yīng)用超濾膜技術(shù)去除氨基酸產(chǎn)品中的熱源，已投入生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量很好。我國某大型抗生素廠采用納濾技術(shù)改進了6-氨基青霉烷酸的生產(chǎn)工藝，不僅大大節(jié)省后工段的溶劑耗量，而且提高了收率。
水的質(zhì)量控制是醫(yī)藥中一個重要環(huán)節(jié)。以反滲透為核心技術(shù)的膜法生產(chǎn)醫(yī)藥用水的節(jié)能效果及優(yōu)良水質(zhì)已經(jīng)為人們所認可，將寫入我國新版藥典。目前國內(nèi)越來越多的廠家已經(jīng)使用以反滲透為主的膜技術(shù)制備醫(yī)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(zhì)符合注射用水標準，而且設(shè)備投資比同等規(guī)模的重蒸餾設(shè)備減少20～30%。
分離膜是一類重要的醫(yī)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(shù)有密切聯(lián)系。國內(nèi)許多醫(yī)院已經(jīng)采用膜技術(shù)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(jù)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(jīng)生產(chǎn)出小型富氧器，滲透氣中氧濃度達30%，用于醫(yī)療保健效果很好。
3 我國膜技術(shù)的應(yīng)用前景
人類面臨的健康、能源、資源、環(huán)境四大問題，加上傳統(tǒng)技術(shù)的改造這個亟待解決的問題，將是我國科技發(fā)展的強大推動力，膜技術(shù)將在其中扮演重要的角色。膜分離技術(shù)作為綠色和節(jié)能的高科技技術(shù)，其高效、潔凈、節(jié)能的優(yōu)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(shù)在我國的應(yīng)用。
3.1 膜技術(shù)的發(fā)展
新型膜材料的開發(fā)和膜過程的改進將為膜技術(shù)開創(chuàng)許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。分離膜是膜技術(shù)的基礎(chǔ)，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(tǒng)技術(shù)的改造有極大的推動作用。如新型的納濾膜技術(shù)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(chǎn)物的分級和濃縮等方面，其成本遠遠低于其他技術(shù)。我國對納濾膜技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用將越來越廣泛。膜過程是膜技術(shù)的關(guān)鍵，優(yōu)化設(shè)計膜過程將獲得更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。新型膜技術(shù)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(jié)合，以取得更好的分離效果。例如利用膜技術(shù)把催化反應(yīng)和分離過程結(jié)合起來，把催化劑包含在膜中既可以提高轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品純度，又可減低成本。膜技術(shù)與生物反應(yīng)器相結(jié)合的新工藝，能夠大規(guī)模提高發(fā)酵生產(chǎn)率，并且能耗低，將工業(yè)化應(yīng)用于乳酸、檸檬酸等生產(chǎn)之中。中科院開發(fā)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(chǎn)工藝，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。專家預計在2010年左右，包含膜技術(shù)的人工器官、智能分離膜、活性輸送膜等將獲得實際應(yīng)用；2020年之后，這些新一代膜產(chǎn)品的銷售額將超過現(xiàn)有的膜產(chǎn)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(shù)被認為是工業(yè)上能取代蒸餾技術(shù)的較有希望的一種方法。今后5-10年，反滲透技術(shù)將取代多效蒸發(fā)、壓氣蒸餾等方法成為海水淡化的主要工藝。食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域所用的無菌水等，也將基本上采用膜技術(shù)來制備。膜技術(shù)由于其低能耗和容易改造多數(shù)分離過程的特點，應(yīng)用范圍將不斷擴大。
3.3 可持續(xù)發(fā)展的國策
可持續(xù)發(fā)展是我國經(jīng)濟與社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略，為此我國將繼續(xù)制定各種環(huán)保法規(guī)、所有環(huán)保法規(guī)的總方向是朝著“零排放”發(fā)展。這意味著目前應(yīng)用的一些成本低的處理方法將不能使用。企業(yè)界不得不進行傳統(tǒng)技術(shù)的改造，以降低甚至消除“三廢”排放量，這將促進膜技術(shù)的大規(guī)模推廣。例如，利用微濾膜的膜基氣體吸收過程在工業(yè)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(tǒng)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(chǎn)流程。EDI（離子交換樹脂填充床電滲析）技術(shù)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(shù)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(shù)將大展宏圖。
總之，隨著21世紀的到來，隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，膜技術(shù)在我國各個行業(yè)中的應(yīng)用將更飛速地發(fā)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(shù)，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。
