高速发展的膜分离技术

1高速开展的膜别离技术膜别离技术起步于本世纪六十年代，至今不过三十多年，但由于它具有别离过程无相态变化，根本在常温下进行，特别适用对热敏感物质的别离过程属物理变化或物化变化，别离范围可以从小分子到大分子；从细菌到病毒；从蛋白质、胶体到多糖；别离过程仅仅是简单的加压输送，易自控、占地面积小等特点，特别是与其它如蒸馏、冷冻、萃取等别离方法比拟，节能效果显著，因此受到各工业兴旺国家的高度重视。不少国家把膜别离技术纳入国家方案和关键技术。１９９１年世界膜市场总产值约１９.４１亿美元，膜装置产值约８０～９０亿美元，１９９６年估计膜产值达３０亿、膜装置产值可达１３０～１４０亿美元，如果进一步推算到膜工程，产值将比膜装置增进３～５倍，由此而带来巨大的经济效益。我国膜技术研究起步于１９６６年，７０年代末开始步入工业化，并不断扩大研究应用领域，目前已形成一支相当规模的膜及膜应用技术的研究队伍和膜产业基地。１９９６年估算，膜别离技术产业，总产值约３.５～４亿人民币，与国家市场相比仍然有很大差距。与国际市场的差距主要在于：一是对膜技术这一高新技术的认识，二是膜技术推广应用领域亟待进一步扩大，并建立相应的示范工程，三是面临一些国外膜及膜装置，膜工程的大企业进入我国，以独资或合资企业形式加大竞争，四是国内膜技术膜产品质量、品种与国外尚存在较大差距。从总体水平上约落后兴旺国家５～１０年。当前膜别离技术的应用几乎涉及到国民经济各生产、研究部门以及国防建设领域，其中主要有利用反渗透过滤及微孔过滤技术进行海水、苦咸水的脱盐淡化、低盐度水、自来水的脱盐、纯化、无菌化及制备微电子工业所需的纯水、高纯水，医药工业的精制无菌水、注射用水，食品工业用的无菌水、软化水、锅炉用软化水，化学工业及分析化验室所需纯水高纯水等。在医疗、医药领域用于疫苗的浓缩与纯化，菌体的去除，分类与化验。中草药口服液的澄明与无菌化，中药针剂的制备、抗生素的浓缩与精制，肝腹水的去除等。在生物工程领域如啤酒的无热除菌过滤、低度酒澄清处理，味精生产中发酵液菌体与氨基酸的别离，醋的除浊与澄清，酱油的除菌与澄清，无菌空气、无菌水的制备。在食品工业领域有果蔬汁的澄清与无热灭菌及浓缩，食品的结构重组和由山楂制取浓缩山楂汁、山楂果珍、山楂果胶，速溶茶的制取，卵蛋白的浓缩，乳制品的浓缩，动物胶的浓缩等。在环境工程领域主要有：电镀、电泳漆废水、轧钢、切削等乳化油废水的处理，从洗毛废水中回收羊毛脂，从ＰＶＡ上浆废水回收ＰＶＡ浆料，高层建筑生活废水的处理与回收，食品加工废水的处理及有价值成分的回收等。在气体膜别离方面，已在工业领域应用的有富氧、富氮空气的制备，从合成氨尾气中进行氮、氢别离以回收氢等。总之膜别离技术作为一门新兴的化工别离单元，已显示出它的极好的应用前景，并将产生巨大的经济与社会效益，它将推动产业部门的技术改造和建立新的生产工艺促进高新技术研究的开展。外膜技烧术快诊速发寺展引鼻来巨粮大商塘机尊随着医全球意水资压源短配缺情禽况的积加剧街，水颠资源驰开发染、工匪业和拐饮水忌处理自、废庆水处碑理及添再利睛用成肿为各抖国研缘究开浅发的朗热点义，而高膜分穴离技攻术正换是目遮前国核内外盟普遍合采用意的净笋化技虹术。牧有专惭家预狸言，属膜技渡术及拣与其飘它技克术集步成的础技术俊将在仆很大着程度尘上取与代目鹊前采队用的崭传统妹别离拼技术移。现伴在，锣膜技抗术已谁与光某纤、夹超导锻技术春等一期起成优为2脾1世厕纪十慎大高拐科技睛产业晕之一裹。刊

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我们无法去追究是工业文明还是人口无休止的增长，还是我们对自然资源索取的贪婪，反正我们已面临着水的危机：早在70年代中期，由于众多的河流遭到严重污染，全世界有70％的人无法保证卫生、平安地用水。淡水资源的日益匮乏，使人们一再把目光投向浩瀚的海洋，地中海中部的马耳他，成功地去除导致海水又苦又咸的盐类物质，从中获得了淡水，为岛上的3万居民和前来观光的旅游者提供忠实的效劳。是什么迫使海水在这里乖乖的缴械投降了？是膜！在这里，马耳他利用反渗透膜建设了世界上最大的反渗透海水淡化厂。有资料说，反渗透技术已成为海水、苦咸水淡化和纯水、超纯水制造最经济的手段，采用此技术改造的海水已为世界上1亿多人口解决了吃水问题。

21世纪的“魔〞

有人在谈到膜的时候，根本不说膜，而是直接用“魔〞来称呼。膜真的有那么神气吗？就让我们先认识一下什么是膜？

其实膜就存在于我们的生活里，理论上讲，膜就是利用具有特殊选择别离性的有机高分子材料或无机材料，制成的不同形态结构的膜，在一定驱动力的作用下，使双元或多元组分的特定组分因透过膜的速率不同，而到达别离或特定组分密集的目的。浅显地说，大家所知道的肾透析、饮用的纯洁水都是膜的功绩。生物体内，膜是不同组织间的屏障。物质交换时，它只允许其中的某些物质通过，而排斥其他物质。用形象一点的话来讲，任何肮脏不堪的水，经过膜技术的处理，流淌出来的就是可以饮用的清洁水。从材料上分，可分为有机膜和无机膜；按功能分，可分为别离膜和反响膜。有研究说，仅可用作有机膜材料的就有几百种。由于它的种类繁多，组合的多变，在环保、医药、化工、食品、电子、冶金、纺织等众多领域里都身手非凡，被公认为是当代最有前途的高新技术之一。

有专家预言，21世纪，膜技术及其与其他技术集成的技术将在很大程度上取代目前采用的传统别离技术，到达节能降耗，提高产品质量之目的。对推动人类科学技术进步，促进社会开展，将起到极大的作用。

有关机构也指出：膜技术与光纤、超导等技术将成为主导未来工业的六大高新技术之一，也将是新世纪十大高科技产业之一。

目前，膜技术在全球范围内受到了前所未有的高度重视，特别是“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来〞已成为大家的共识。

世界有膜已“成长〞

20世纪50年代末，以离子交换膜为代表的渗析和电渗析技术，率先创立了膜工业，在脱盐和浓缩等方面得到了普遍应用，尤其是离子交换膜技术的开展，使制碱工业发生了革命性变化。

20世纪80年代中期以来，膜技术进入全面开展阶段，研究开发出了以空气为气源的膜法富氧技术；用于低分子切割的纳滤膜技术；高通量、高脱盐率的反渗透复合膜技术；用于有机溶剂别离的渗透汽化技术和用于微滤和超滤的无机膜别离技术等，这一切为膜别离技术产业开展奠定了坚实根底。

随着膜别离技术研究的不断深入，应用市场的不断扩大，新的膜别离技术也正不断推出。如工业气体膜法脱湿技术、工业气体酸性组分〔二氧化硫、二氧化碳〕膜法脱除有机蒸汽脱除与回收、天然气膜法净化、膜法废水资源化、城市中水回用、水中溶解气体脱除等技术已陆续投入中试和工业试验。而以有机物分子切割为目标的膜别离技术，以膜反响和反响别离为目的的膜技术，以高温、耐腐蚀、高强度的无机膜、生物膜技术将成为21世纪的主流高新技术。因此，可以说膜别离技术是对社会开展有着长远持久影响的高新战略性技术，是环境保护的最正确“拍档〞。

打造自己的“膜航空母舰〞

那么，我国在膜技术方面处于什么状况呢？据中国膜工业协会秘书长郭有智介绍：应该说，我们在膜技术领域的研究和开发是有显著成就的。中国膜技术至今已走过近40年历程，作为一项高新技术，我国在研究方面并不落后，制作水平和工业化能力也正在前进之中，与国际根本同步，成为仅次于欧美、日本的膜技术大国，其市场化的工业体系已经形成，并成功地建立了一批示范工程。形成大、中、小相关企业的技术梯队，并组成了中国膜工业协会，已从投入期走向成长期，我国膜工业迎来了一个新的开展时代。

但是，由于我国的膜工业是在科研院所成果自身转化和原乡镇企业根底上开展起来的，存在经济实力不强、技术创新能力弱、产业化水平不高、经营规模小等问题。再加上企业分属于不同地区、部门管辖，行业内在的技术经济联系容易受到损害，出现了“行业前景看好，企业举步为艰〞的被动局面。因此，进入成长期后，急需按市场经济规律进行整合，到达技术、资产、人力等资源的优化配置，提升产业水平和标准市场，加快与国际接轨的步伐。否那么，国外兴旺国家的厂商就会凭着他们的技术优势、产品质量、规模经营，抢滩中国的膜市场。

整合国内具有一定技术优势和规模的企业、研究单位以及其他一切优势资源，形成合力。去年3月，国有重点骨干企业中国蓝星〔集团〕总公司通过收购、兼并、控股、联营、重组和改制等方式投资组建了中蓝膜技术。拟组建“中蓝膜技术杭州膜科技工业园〞，北方以蓝星水处理公司为核心的“中蓝膜技术北京空港科技园膜产业基地〞南北两个基地。从整体上形成科研开发、新产品制造、水处理工程、产业化工程和商贸五位一体的经营格局，并通过资本运作和引入风险投资等方式，最终实现膜技术科技板块上市的目标，从而推动我国膜技术产业化进程。

中蓝膜公司组建以来，坚持以膜技术为核心，努力开发膜品种、组件、设备、系统及环保产品和其他清洁生产技术的产品，在短时期内成为中国膜技术行业中技术水平最高、规模最大、业务能力最全的专业化集团公司。扩大应用推广领域，推动国际间技术交流与合作。2001年，中蓝膜技术在短短8个月内实现销售4000余万元，2002年预计实现销售1.36亿元。

中蓝膜这一招，不但使他们增强了财力，广聚人才，也使他们占尽了市场先机。他们申报的国家“万吨级反渗透苦咸水淡化产业化示范工程〞，已通过了国家计委的审批，这对于突破大型苦咸水淡化系统的生产及应用设计的关键技术，形成具有自主知识产权的膜法苦咸水淡化技术软件，建设具有国际先进水平的苦咸水淡化设备生产、加工制造和应用开发基地奠定了坚实的根底；名膜超市的经营工作很快就进入了角色，初步建立了销售网络，形成了以膜元件为龙头，膜外壳、上下压泵等其他配件为辅的销售体系。经过与美国陶氏化学公司的屡次接触，最后终于达成协议：从2002年起，中蓝膜公司将成为其生产的FILMTEC膜在中国系列产品销售的总代理。而更让人兴奋的是虽然正式运转时间不长，但其产品就已经出口到了印度和韩国，实现了国产膜产品出口零的突破。不久前又和一家韩国公司签订了30万元的膜出口合同。据介绍，随着新生产线的建设投产，他们生产的膜产品，将大举向海外市场进军。

广阔的市场前景

作为一项高新清洁生产技术，膜正广泛应用于环保及人们的日常生活等诸多领域，受到各国的高度重视和支持，成为许多国家优先开展的产业。

据统计，1998年，全球膜产品销售额达44亿美元，由此形成的膜工业总产值约120亿美元；1999年，我国膜工业总产值约28亿元。但遗憾的是，这28亿元中，仅有4亿元是纯粹的国产货，而10亿元是用进口膜元件进行成套组合的，而另外的14亿元那么完全是“舶来品〞。

据中国工程院?21世纪中国可持续开展水资源战略研究?报告，到2021年，我国需水量7300亿立方米，可供水量6200～6500立方米，缺水量1000亿立方米。缺水最严重的当属沿海地区、内陆苦咸水地区和内陆大中型城市。海水淡化、苦咸水淡化以及污水淡化，正是膜技术的强项。此外，分质供水也将是未来几年里国内饮用水开展的方向。无论是家庭过滤系统、城市饮水、工艺水处理，还是污水处理系统以及相应的维护、技术支持，都是推动膜科学与技术的产业化进步和提高竞争力的契机，给膜的应用与开展创造了前所未有的良机。

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日前，记者采访了多年来致力于采用膜技术、生物技术、化学技术集成工艺的湖北工业大学膜技术研究所所长万端极教授。万教授认为，通过科学地使用膜技术技术能够实现源头治污，膜技术是清洁生产的理想载体。

万端极教授指出，工业“三废〞治理与生态环保的落脚点在工业企业的源头预防，在工艺设计或工艺改造中不产生污染，企业就不需要再建污水处理厂，这是源头治污的最正确选择。社会进步到今天，特别是先进技术的广泛应用，人们已经有能力把污水的产生消灭在工艺设计之中，解决始终困扰我们的环境问题。而这也对企业提出更高的要求：废料最小化，污染预防，能源削减，无废工艺。膜别离技术由于具有设备易于放大、操作方便、常温无相变、无化学变化、处理效率高、省能、“三废〞少等优点，从而使其能在工业企业产品别离、提纯和纯化过程中发挥重大作用，成为实施源头治污清洁生产的理想载体。

他介绍说，清洁生产的方法就是采用先进的技术对企业按照清洁生产的原那么实施工艺改造，到达清洁生产的目的。而“先进〞的概念是一个宏观的具有时间性和空间性的大概念，对企业来讲是实用程度，先进的技术包括一切适用本企业工艺改造的技术。膜别离技术集成工艺是实施工业企业工艺改造、完成清洁生产的支撑技术，适用于几乎所有的工业企业，尤其是食品饮料、发酵、化工、制药、中成药等行业的工艺改造，从而降低本钱、减少能耗、提高质量、减少或杜绝污染。这些其实就是现今社会追求的可持续开展的具体实践。

膜集成技术完成的工艺革命

万端极教授介绍说，膜技术是全球公认的绿色、节能的高新科技产业技术，它在涉及别离及其相关领域所带来的革命堪与计算机对人类的影响相媲美。尤其是无机膜耐高温、耐生物污染的特点，日益受到产业界和科技界的瞩目，在广阔工业企业实施清洁生产的工艺改造中更是大有用武之地。膜的应用，几乎涉及所有的工业领域，将带来一次工业企业的工艺革命。万端极教授指出，膜技术集成工艺改造对每个企业都是个性化的过程，由于每一个行业、每一个企业乃至每一个产品应用膜时，配套选型、工艺参数及维护方法都不一样，采用生物技术、化学技术的结合也不一样，而且应用膜技术的工艺改造绝不是在原有工艺上的小修小补，需要对原有工艺流程进行再造，这就需多学科、多专业的技术支持才能完成。因此，也对膜技术的应用人员知识面提出了近乎苛刻的要求，通俗地讲，从源头解决企业污染问题，绝不能简单地“脚疼治脚〞，而可能需要“脚疼治头〞，从工艺的关键部位入手，才能到达既提高企业效益，又解决污染的目的。实际上，对传统工业企业而言，膜别离过程是一个高效的过程，膜技术集成的应用是一场工艺革命。

膜技术成为可持续开展技术保证

谈到国内对膜技术应用的问题上，万端极教授深有感触。膜技术在兴旺国家已经得到广泛应用并取得巨大效益，而国内特别是内地不少企业对膜技术的认识那么还停留在单纯的技术层面，较少从企业长远利益角度来认识，甚至无法从企业找到一位膜技术专业工程师。因此，让企业领导了解膜技术应用的好处往往就不是一件容易的事，因为这需要企业领导具有长远眼光，并从企业、社会可持续开展的角度来考虑问题。

万端极教授指出，工业企业的不同车间排出废水的化学成分往往是不一样的，当它们混杂一起发生化学反响又会生成其它的物质，必然给末端治理带来困难，尤其是制药类的企业的污水中含有大量杀灭微生物的药物，采用末端生化法治理是非常困难的。如果我们在各个车间就把它回收成为产品，不但提高了经济效益，重要的是污水没有了。事实上，大多数情况下，产生污染的，往往是混杂在生产用水中的产品或者说其它有用的物质。我们采取生物技术、化学技术和膜技术集成工艺，用于工序之中，企业效益提高了，污水也在创新工艺改造中悄无声息的消失了。膜别离技术的后起之秀—纳滤纳滤是介于超滤与反渗透之间的一种膜别离技术，其截留分子量在200-1000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤别离技术的优越特性，其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。

1、水处理：众所周知，用反渗透技术可生产出纯洁水，但反渗透技术耗能高，产水量低，且去掉了几乎所有对人体有效力的微量元素。而纳滤技术那么只脱除掉形成水硬度的Ca、Mg离子，而保存了局部盐类和微量元素。此外，纳滤还可以脱除掉绝大局部农药、化肥、清洗剂等化工产品残留物，防止其对人体的危害。美国、日本等国已有效地采用纳滤技术脱除了水中87%~98~的THM的前驱物。

2、浓缩乳清及牛奶：日本最早将纳滤用于乳清和牛奶的浓缩。用纳滤技术浓缩牛奶，不但可脱除牛奶中的盐分，而且可脱除一些水分子的杂味物质，使得这种浓缩牛奶口感较好。

3、调味脱色：将纳滤用于调味液的脱色。调味液中的动物水解蛋白和植物水解蛋白通常用离子交换树脂和活性碳进行脱色，一是影响植物水解蛋白的香气，二是使产品的本钱加大。而纳滤只截留分子量较大的色素，使植物蛋白、动物蛋白中的氨基酸和香气成分较好地保存住。纳滤还可脱除掉焦糖色素中的亚铵盐和不良气味。

4、别离单糖、双糖：目前功能性甜味剂—低聚糖的开展速度非常快，便这种作为双歧杆菌增殖因子的非消化性糖，在产品中夹杂着不少的单糖和双糖。用纳滤就可以有效地对单糖、双糖进行别离，从而提上下聚糖的纯度。

5、回收大豆低聚糖：在用酸碱法生产大豆别离蛋白中，会产生大量的乳清废液。用纳滤技术来回收大豆低聚糖是处理乳清废液十分有效的途径。其纳滤的透过液经反渗透后成为纯洁水，大大提高了水的利用率并减少了污染排放。

6、浓缩果蔬汁：果蔬汁经采用反渗透为第一级浓缩，纳滤为第二级浓缩后，可把果蔬汁的浓度提高到40°Bx，从而使膜法高度浓缩果蔬汁成为现实。这种膜法浓缩果蔬汁全保存了鲜果汁的成分。

7、别离氨基酸：利用纳滤的荷电性可对分子量相差无几的氨基酸进行别离。

8、调节酿酒发酵液组分：为了提上下糖度葡萄汁酿酒的发酵效果，可用纳滤技术调节各组分的含量，提高葡萄酒质量。

9、脱除低聚木糖中的NaCI：：在酶法生产低聚木糖中，低聚糖含量低，且含有3%左右的NaCI，采用传统的离子交换脱盐及真空浓缩技术，需耗大量的酸、碱等，并造成环境污染。而采用纳滤加洗滤的方法那么可脱除95%以上的NaCI，使低聚糖的含量到达80%以上，且大大降低了耗能和污染排放。

纳滤技术在食品工业、制药工业等领域的应用很广，希望各行业的科技人员能够根据纳滤的特性，并结合自己所从事的研究或生产工作加以推广应用。什么是膜别离技术膜别离技术膜别离是一种很新的别离方法，至少在35年前膜过滤还没有被视为一种很重要的别离过程。然而目前它的应用早已从早期的脱盐〔海水淡化〕开展成为一重要的化工单元操作。其具有能耗低，单级别离效率高，过程简单，不污染环境等优点，是解决当代能源，资源和环境问题的重要新技术，并将对21世纪的工业技术改造起着深远的影响。一什么是膜？尽管膜过程千差万别，所依据的别离原理也不尽相同，而且别离的物质可以从颗粒一直到分子，但任一膜过程的核心部件都是膜。它可以看作是两相之间一个具有透过选择性的屏障，或看作是两相之间的一个界面。原料在膜的上游，而渗透物在膜的下游，由于原料中各组分与膜的物理化学性质不同，从而原料混合物中某一组分可以比其他组分更快地通过膜，于是实现别离。二如何对膜刻化和描述？某一特定膜的性能或效率通常用两个参数表征，即流动性和选择性。〔1〕流动性也称通量或渗透速率，表示单位时间通过单位膜面积的体积流量。〔2〕膜对于一个混合物的选择性可用截留率R或别离因子α表示，其中：对于包括溶剂和溶质的稀溶液，以Cf表示原料中溶质的浓度，以Cp表示渗透物中溶质的浓度，那么R=(Cf-Cp)/Cf对于气体混合物，以X表示原