21世紀(jì)高新技術(shù)展望

膜分離技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前摘要：綜述世界和中國膜分離技術(shù)的發(fā)展，并對膜分離技術(shù)的基本特性、技術(shù)特點(diǎn)、膜材料、分類及膜分離裝置進(jìn)行了簡單介紹；并介紹了膜分離法在化工及石油工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、生物技術(shù)和環(huán)境工程中的應(yīng)用，并分析了膜分離技術(shù)將會在膜材料、新的膜過程和集成膜過程3個方面的發(fā)展趨勢。同時指出如果能解決膜產(chǎn)品的價格、膜污染和膜分離性能的提高這3個膜的制約因素，膜分離技術(shù)將在人類社會的發(fā)展史上起到不可替代的作用。關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；發(fā)展趨勢；膜材料；膜過程引言膜分離技術(shù)是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動作用下對混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離，分級，提純和富集。膜分離現(xiàn)象早在250多年以前就被發(fā)現(xiàn)，但是膜分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用是在20世紀(jì)60年代［1］以后。其大致的發(fā)展史為：20世紀(jì)30年代微孔過(Micro-filtration);40年代滲析(Dialysis);50年代電滲析(Electro-dialysis);60年代反滲透(Reverse-osmosis);70年代超濾(Ultra-filtration);80年代氣體分離(Gasseparation);90年代滲透汽化(Per-vaporization)。數(shù)十年來，膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，特別是90年代以后，隨著膜(TFC膜)的研制成功，膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到人們生活和生產(chǎn)的各個方面。膜分離技術(shù)作為一種新興的高效分離技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、環(huán)保、電子、輕工、紡織、石油、食品、醫(yī)藥、生物工程、能源工程等。國外有關(guān)專家甚至把膜分離技術(shù)的發(fā)展稱為“第三次工業(yè)革命”。膜分離技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一［2?6］。中國的膜分離技術(shù)的發(fā)展是從1958年對離子交換膜的研究開始的，數(shù)十年來，取得了長足的進(jìn)步。目前中國研究所涉及的領(lǐng)域遍及膜科學(xué)與技術(shù)，從材料的應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)等方面。經(jīng)過20年的努力，中國在膜分離技術(shù)的研究開發(fā)方面已涌現(xiàn)出一批具有實(shí)用價值，接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平的成果。但從總體上講，中國的膜分離技術(shù)和世界先進(jìn)水平相比還有不小的差距，還有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。1膜分離技術(shù)概述1.1膜分離技術(shù)目前己經(jīng)深入研究和開發(fā)的膜分離技術(shù)有微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析、滲透汽化和氣體分離等。正在開發(fā)研究中新的膜過程有：膜蒸餾、支撐液膜、膜萃取、膜生物反應(yīng)器、控制釋放膜、仿生膜以及生物膜等過程。1.2膜分離技術(shù)特點(diǎn)膜分離技術(shù)作為一門新型的高效分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，由于其多學(xué)科性特點(diǎn)，膜技術(shù)可應(yīng)用于大量的分離過程。各種膜過程具有不同的機(jī)理，適用于不同的對象和要求。但有其共同的優(yōu)點(diǎn)。膜分離過程沒有相變，節(jié)能，高效，無二次污染。操作過程一般比較簡單，經(jīng)濟(jì)性好，可以直接放大，可專一配膜?？稍诔叵逻B續(xù)操作，特別適用于熱敏性物質(zhì)的處理，在食品加工、醫(yī)藥、生化技術(shù)領(lǐng)域有其獨(dú)特的適用性。一般來說，采用能透過氣體或液體的膜分離技術(shù)對下述體系進(jìn)行分離具有特殊的優(yōu)越性：化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)相似的化合物的混合物；結(jié)構(gòu)的或取代基位置的異構(gòu)物混合物；含有受熱不穩(wěn)定組分的混合物。當(dāng)利用常規(guī)分離方法不能經(jīng)濟(jì)、合理地進(jìn)行分離時，膜分離過程作為一種分離技術(shù)就特別適用。另外，它也可以和常規(guī)的分離單元結(jié)合起來作為單元操作來運(yùn)用。當(dāng)然，膜分離過程也有自身的缺點(diǎn)，如易濃差極化和膜污染、膜壽命有限等，而這些也正是需要我們克服或者需要解決的問題所在。1.3膜材料、分類及膜分離裝置膜材料分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)材料主要包括纖維素類、聚酰胺類、芳香雜環(huán)類、聚颯類、聚烯烴類、硅橡膠類、含氟高分子類等無機(jī)材料主要以金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃等為主。膜使分離過程的核心。由于膜的種類和功能繁多，分類方法有多種，比較通用的有4種方法，即按膜的性質(zhì)分類、按膜的結(jié)構(gòu)分類、按膜的用途分類以及按膜的作用機(jī)理分類。根據(jù)膜的形狀，膜分離裝置基本上可分為如下5類：板式結(jié)構(gòu)；管式結(jié)構(gòu)；卷式結(jié)構(gòu)；中空纖維結(jié)構(gòu)；旋葉式動態(tài)膜裝置。2膜分離技術(shù)的應(yīng)用2.1在化工及石油工業(yè)中的應(yīng)用在此領(lǐng)域已開發(fā)應(yīng)用的主要四大膜分離技術(shù)為反滲透、超濾、微濾、電滲，這些膜過程的裝置設(shè)計(jì)都較為成熟，已有大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用和市場。由于各國普遍重視環(huán)境保護(hù)和治理，因而微濾和超濾分離在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用非常常見，廣泛應(yīng)用于水中細(xì)小微粒，包括細(xì)菌、病毒及各種金屬沉淀物的去除等。例如：目前國內(nèi)一些磷肥生產(chǎn)企業(yè)采用微濾膜分離去除磷石膏廢水中含氟的化合物。氣體分離在化工和石油化工方面的應(yīng)用也頗具意義，例如：在合成氨工藝中回收H2;在3次石油回采中從甲烷中分離CO2;由膜分離氧和氮等。電滲析在化工中的應(yīng)用也較廣泛，例如：自然水的純化，海水脫鹽等。在石油化工中，膜技術(shù)廣泛用于有機(jī)廢氣的處理；脫除天然氣中的水蒸氣和酸性氣體;天然氣中的氦的提??；合成氨池放氣中回收氫氣;制取富氧空氣；催化裂化十氣的氫烴分離等。膜分離技術(shù)在化工、石油天然氣工業(yè)中具有十分廣闊的前景，它對于生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化及提高經(jīng)濟(jì)效益也都有著十分重要的作用。盡管此項(xiàng)技術(shù)有待于進(jìn)一步的探索研究,但作為一門新興科學(xué)在不遠(yuǎn)的將來終究會在化工及石油天然氣中發(fā)揮巨大的作用。2.2在食品工業(yè)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)開始于20世紀(jì)60年代末，首先是從乳品加工和啤酒的無菌過濾開始的，隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒精類精制等方面。全今，膜分離技術(shù)在食品加工中已得到廣泛應(yīng)用。主要用于以下幾個方面：（1）利用膜分離技術(shù)對植物蛋白進(jìn)行濃縮、提純和分離。（2）利用膜分離技術(shù)加工乳制品。（3）利用膜分離技術(shù)對卵蛋白驚醒濃縮。（4）利用膜分離技術(shù)對動物血漿進(jìn)行濃縮。（5）利用膜分離技術(shù)對明膠進(jìn)行提純。（6）在含酒精飲料加工中的應(yīng)用。（7）在非酒精飲料加工中的應(yīng)用。（8）膜分離技術(shù)在處理淀粉廢水中的應(yīng)用。（9）膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用。（10）膜分離技術(shù)在食用油加工中的應(yīng)用。（11）膜分離技術(shù)在食品添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用。膜分離技術(shù)用于食品加工有很多優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)方法相比，不會因加熱而產(chǎn)生色、香、營養(yǎng)成分等質(zhì)量指標(biāo)的惡化；節(jié)省能源、設(shè)備占地面積??；更重要的是由于分離膜性能的提高，能在很高精度水平下分離各種成分。在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用膜分離技術(shù)在這方面的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的歷史，現(xiàn)在微濾、超濾、反滲透和滲透等膜技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。在制藥工業(yè)中膜技術(shù)主要用于：（1）利用微濾技術(shù)進(jìn)行藥物澄清；（2）利用超濾和反滲透技術(shù)進(jìn)行藥液精制和濃縮；（3）利用分滲透技術(shù)制備滅菌水，除熱原水和注射水等；（4）滲析技術(shù)在醫(yī)藥科學(xué)中的典型應(yīng)用是人工模擬腎臟進(jìn)行血液的透析分離；（5）利用親合膜技術(shù)，通過在膜上固載特定的功能配位鍵。在醫(yī)療設(shè)備方面除了用于藥物控制釋放的膜技術(shù)外，膜式人工肺、人工腎也都應(yīng)用了膜分離技術(shù)。隨著新的膜材料的出現(xiàn)以及膜成本的降低，膜技術(shù)將會在醫(yī)藥和醫(yī)院中起到更重要的作用。2.4在生物技術(shù)中的應(yīng)用在生物技術(shù)方面，膜技術(shù)也有各種應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣泛的是微濾和超濾技術(shù)。例如：從植物或動物組織萃取液中進(jìn)行酶的精制；從發(fā)酵液或反應(yīng)液中進(jìn)行產(chǎn)物的分離、濃縮等。膜技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)加水分解或糖液生產(chǎn)，有助于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的收率和降低成本。由于應(yīng)用分離膜可以在室溫下進(jìn)行物理化學(xué)分離，所以它特別適合于熱敏性生物物質(zhì)的分離?？梢韵胂竽し蛛x技術(shù)在生物技術(shù)方面將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。但膜技術(shù)用于生物技術(shù)也有一些問題，其中最主要的是：與色譜法比較，分離精度不高。同時多組分分離做不到;膜上容易形成附著層，使膜的通量顯著下降；操作結(jié)束后，膜清洗困難；膜的耐用性差。這幾點(diǎn)是影響膜技術(shù)在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用的最主要的原因。因此，如何改進(jìn)和解決上述問題就成為膜分離技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用的主要研究方向。2.5在環(huán)境工程中的應(yīng)用隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，水源和大氣被污染更加嚴(yán)重，這就要求人們提高對它們進(jìn)行處理凈化的能力，因此膜分離技術(shù)在環(huán)境工程中的地位越來越突出。應(yīng)用膜分離技術(shù)來處理工業(yè)廢水、廢氣已經(jīng)被證明是卓有成效的，在不少廢水處理中膜分離技術(shù)能實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，在消除污染的同時變廢為寶，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。除了微濾、超濾、反滲透、電滲析的過程外滲透汽化的其他膜技術(shù)也將在21世紀(jì)的環(huán)境工程中發(fā)揮極其重要的作用。除了上述幾方面的應(yīng)用外，當(dāng)前膜分離技術(shù)的應(yīng)用幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個生產(chǎn)研究部門甚至是國防建設(shè)領(lǐng)域中。3膜分離技術(shù)的發(fā)展趨勢3.1膜材料眾所周知，生物膜具有驚人的分離效率。例如，海帶從海水中富集碘，其濃度比海水中碘大1000多倍；石毛（藻類）濃縮鈾的濃縮率達(dá)750倍。因此，仿生是分離膜的發(fā)展方向。生物膜是建立在分子有規(guī)則排列的基礎(chǔ)上，而目前使用的分離膜多是功能高分子膜，是不規(guī)則鏈排列的聚合物。仿生膜要克服這一根本差別，達(dá)到生物膜的分離水平，還是一個比較遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。當(dāng)前，分離膜材料發(fā)展的趨向是：(1)繼續(xù)開發(fā)功能高分子膜材料。一是根據(jù)現(xiàn)今對膜分離機(jī)理的認(rèn)識，繼續(xù)合成各種分子結(jié)構(gòu)的功能高分子，制成均質(zhì)膜，定量地研究分子結(jié)構(gòu)與分離性能之間的關(guān)系。這類工作主要結(jié)合氣體分離膜過程進(jìn)行。二是在膜的表面進(jìn)行改性。根據(jù)不同的分離對象引入不同的活化基團(tuán)，使其“活化”。一般的表面改性方法有：先將膜材料改性，然后成膜；過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行表面改性。三是發(fā)展高分子合金膜。兩種高分子混合一般情況下要比通過化學(xué)反應(yīng)合成新材料容易些。它還可以使膜具有性能不同甚至截然相反的基團(tuán)，在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其性能。技術(shù)上的難點(diǎn)是許多熱力學(xué)性質(zhì)不一致的高分子不容易達(dá)到真正互溶，需要選擇合適的高分子(polymerpair)和尋找能互溶的工藝條件。這一方面的工作主要結(jié)合水溶液分離膜進(jìn)行。(2)開發(fā)無機(jī)膜材料。無機(jī)膜的制備始于20世紀(jì)40年代，由于存在著不可塑、受沖擊易破損、成型性差以及價格較昂貴等弱點(diǎn)，長期以來發(fā)展不快。但是，隨著膜分離技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，在膜使用條件上提出愈來愈高的要求，不少膜催化反應(yīng)要求在幾百度高溫下進(jìn)行；膜用于食品及生物產(chǎn)品分離，要求具有耐高溫蒸汽多次清洗仍能保持分離性能不變。有些顯然是高分子膜材料所無法滿足的。3.2新的膜過程膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的分離技術(shù)或反應(yīng)過程相結(jié)合，發(fā)展出一些嶄新的膜過程。這些新的膜過程在不同程度上吸取了二者的優(yōu)點(diǎn)而避免了某些原有的弱點(diǎn)。膜蒸餾。將膜法與蒸餾法有機(jī)地結(jié)合起來的膜蒸餾，是最近幾年發(fā)展起來的一種新型膜分離技術(shù)。在膜蒸餾過程中既有常規(guī)蒸餾中的蒸汽傳質(zhì)冷凝過程,又有分離物質(zhì)擴(kuò)散透過膜的膜分離過程。它避免了蒸餾法易結(jié)垢、怕腐蝕和反滲透法需要高壓操作的缺點(diǎn)。用作膜蒸餾的高分子都是疏水性的，如聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、鹵化聚乙烯、含氟高分子等。普遍認(rèn)為聚四氟乙烯最好。膜蒸餾目前尚處于起步階段。用于海水脫鹽已建成中型試驗(yàn)裝置，以期由現(xiàn)場試驗(yàn)作出評價。提高通量是膜蒸餾技術(shù)目前主攻方向。當(dāng)技術(shù)進(jìn)一步成熟后，在制藥、生物工程等方面的應(yīng)用將會顯其特色。膜萃取。20世紀(jì)80年代初一個將膜分離與液-液萃取過程相結(jié)合的新過程膜萃取開始出現(xiàn)。膜萃取的傳質(zhì)過程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面進(jìn)行的，因此它不存在通常萃取過程中液滴的分散與聚合現(xiàn)象。膜萃取的優(yōu)點(diǎn)還在于：①沒有相的分散和聚結(jié)過程，可減少萃取劑在料液相中夾帶損失。②不形成直接接觸的液液二相流動，使選擇萃取劑范圍可大大放寬。③兩相在膜兩側(cè)分別流動，使過程免受“返混”的影響和“液泛”條件的限制。④可較好地發(fā)揮化工單元操作中的某些優(yōu)勢，提高傳質(zhì)效率。⑤料液相與萃取相在膜兩側(cè)的同時存在可避免膜內(nèi)溶劑的流失。膜萃取過程目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。常用的是中空纖維裝置。近年來正開展膜萃取的工藝過程研究，膜萃取器材料的浸潤性及過程傳質(zhì)機(jī)理研究，流體在膜器中流型分布研究以及膜器設(shè)計(jì)方法初探性研究等。膜反應(yīng)。與傳統(tǒng)的反應(yīng)技術(shù)相比，膜反應(yīng)具有3個特點(diǎn)：①反應(yīng)轉(zhuǎn)化率不受化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率的限制；②能提高復(fù)雜反應(yīng)的選擇性；③反應(yīng)、分離設(shè)施的同一化減少了設(shè)備投資和能耗。膜化學(xué)反應(yīng)的研究目前主要集中在膜催化反應(yīng)方面。一些有強(qiáng)酸性陽離子交換膜可用于酯化、?；人岽呋磻?yīng)過程，更多的研究在于用具有催化活性的絡(luò)合金屬高分子膜或各種類型無機(jī)膜開發(fā)相應(yīng)的催化反應(yīng)過程。膜反應(yīng)器對固定床反應(yīng)的取代具有重大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。石油化工中90%以上的催化反應(yīng)是在300°C以上進(jìn)行的。因此，無機(jī)膜和無機(jī)膜反應(yīng)器是當(dāng)前世界各國研究膜反應(yīng)的熱點(diǎn)。3.3集成膜過程在解決某一具體分離目標(biāo)時，綜合利用幾個膜過程，使之各盡所長，往往能達(dá)到最大限度的分離效果，取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。這是近年來膜分離技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的又一個趨向。例如，微電子工業(yè)用超純水要綜合反滲透、離子交換和超濾；造紙工業(yè)黑液回收木質(zhì)素磺酸鈉要用聚凝、超濾加反滲透;從生物發(fā)酵制無水乙醇要用膜反應(yīng)器、膜蒸餾、反滲透及滲透汽化；從蛋白質(zhì)混合物中分離單個高純蛋白質(zhì)要用截留分子量不同的超濾加滲析；廢水中去除有毒物質(zhì)用膜萃取及反萃將毒物濃縮再進(jìn)入膜生物反應(yīng)器凈化等等。集成膜過程的不斷發(fā)展和完善將使膜分離技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。4結(jié)論與討論膜分離作為一種新型的分離單元操作過程，在技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)省能源及污染防治方面日益顯示出其強(qiáng)大的生命力和