２１世紀中國膜技術在化工等行業的應用與展望

時間：2006-11-14 來源： 作者：

    膜分離技術是近幾十年發展起來的高新技術，這些年發展尤為迅速。１９５３年，Ｒｅｉｄ等人第一次提出用反滲透技術進行海水淡化，１９６０年Ｌｏｅｄ和Ｓｏｕｒｉｒａｊｉｎ研制出了第一張具有實用價值的反滲透膜，這標志著現代膜科學技術的誕生。中國對膜的研究開發和使用已經有４０多年的歷史。目前微濾、滲析、電滲析、人工腎、反滲透、超濾、納濾、氣體分離、無機膜、滲透汽化、液膜、控制釋放以及膜接觸和膜擇應器等技術正在廣泛用于石油、化工、環保、能源、電子、重工、輕工、食品、飲料、醫藥和生物工程等行業中，并產生了明顯的經濟效益、社會效益和環境效益，目前應用越來越廣，作用也越來越大。然而對于許多人來說，膜還是一個陌生的字眼，其實膜就在我們身邊。

    膜作為一種先進的分離技術，有許多優點。例如分離精度高，選擇性強；在常溫下操作無相態變化；能耗低；自動化程度高；污染小等。膜分離作為一種分離手段能否得到廣泛的應用，主要取決于它分離的有效性和工藝的經濟性。

    我國政府對膜分離技術的研究和開發工作十分重視，自“六五”以來，已連續四個五年計劃都把膜分離技術作為重點項目進行支持，并先后資助成立了國家液體分離膜工程技術研究中心和膜技術國家工程研究中心。我國在２０００年將膜材料和膜產業列為國家重點支持的２２項化工產業之一。２００１年２月１４日國家計委在《科技日報》上發布了《國家計委關于組織實施膜技術及其應用產業化專項公告》，這充分體現了國家對發展膜工業的高度重視。

膜分離技術的應用

１、膜分離技術在水處理中的應用

    水是我們生命中最重要的物質之一，從生命的開始到結束，都離不開水。在烈日炎炎的夏日，一瓶清醇爽口的純凈水遠遠勝過一頓美味佳肴。殊不知這眾多的純凈水，超純水，太空水絕大部分都是膜的杰作。全世界有５０多億人口，每一張口都渴望潔凈的水，這種需求給膜提供了極大的市場。

    膜是飲用水凈化和純化的最佳手段，使用膜可以去除水中的懸浮物、細菌、有毒金屬物質和有機物，大大提高人們飲用水的質量。在城市供水中生產用水占９０％，居民生活用水占９％，而飲用水僅占１％。分質供水就是把這１％的水使用膜技術進行深度處理，使之達到飲用水標準。目前我國沈陽、上海等地已建成分質供水的住宅小區。反滲透是海水滲化和苦咸水淡化最經濟的方法，是解決廣大干旱地區飲用水和工業用水最有效的方法。

    城市污水是一個重要的潛在水資源，使用膜生物反應器進行城市污水處理，可以生產出不同用途的再生水，是解決水資源匱乏的重要方法。以北京為例，目前已建成的城市污水處理廠有３座，正在建造的有４座，近年將建成１５座，到２００６年城市污水處理率將達到８０％。北京每天有２００多萬噸廢水排出，這些廢水若使用膜及相關技術進行深度處理，處理水可作為工業冷卻水、綠化用水和城市雜用水，這樣既可以極大地緩解城市用水需求，同時城市水資源也可以得到充分利用。僅此一項北京市每天至少可以排出１００多萬噸污水，同時可以節約１００多萬噸水資源，每年可以節約用水３.６億多噸。工業生產過程產生的廢水、污水和廢渣，其面大、量廣、危害深。如含油廢水、電鍍廢水、含酚廢水、食品加工廢水等，若處理回用，既回收了資源，也保護了環境，在這方面膜技術的作用也是非常引人注目的。反滲透法使電鍍廢水循環再用，荷電超濾膜使汽車等行業廣為采用的電泳漆工藝實現了清潔生產，無機膜和電滲析結合是鈦白廢水回收再用的好途徑，離子交換電滲析（ＥＤＩ）技術部分代替離子交換而不要酸堿再生，雙極膜技術使各種廢酸、廢堿、廢鹽水重新再用，超濾法成功地將尼龍紡織上漿的ＰＶＡ廢液濃縮回用，印染廢水的膜法處理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，超濾可能成為每年數億噸含油廢水回注的關鍵技術……近年來光催化降解工業廢水的研究備受重視，若能利用太陽光實現這一高級氧化過程，則對環保有非常重要的戰略意義。

    膜在水處理中的市場十分巨大，“九五”期間，僅瓶裝水的市場就達２０億元人民幣。２１世紀初，我國膜工業在飲用水、工業用水和廢水處理方面的產值將達到１０億元人民幣。另外，我國的多數油田已進入二次、三次采油期，并出現一些低滲透油田，油田回注水處理已成為制約我國石油工業發展的重要技術問題，其市場在１０億元人民幣以上。

２.膜分離技術在食品工業中的應用

    膜分離技術在食品工業中的應用始于６０年代末，先是用于乳品加工和啤酒無菌過濾，并逐漸用于果汁飲料加工、酒類精制、飲用純水生產等方面。近年來已擴展到發酵和生物工程的應用，各種動、植物蛋白的加工等行業。目前應用較多的是飲料用水的處理技術，其次是酶制劑的濃縮和精制。

    此外微濾和超濾技術在白酒的除濁增香，啤酒的除菌保鮮，果酒、黃酒、保健酒的精制，果汁的澄清，尤其是蘋果汁的澄清等方面應用較多。速溶茶的生產已開始用超濾和反滲透技術進行提純和濃縮。采用超濾技術及反滲透技術可以實現葡萄酒的除菌、澄清、脫醇。

３.膜分離技術在醫藥領域中的應用

    膜分離技術在醫藥領域中的應用可以說是膜對人類的最大貢獻。它不僅提高了人民的健康水平，減少了許多疾病，同時每年挽救著數以萬計病人的生命。安徽天長市風景秀麗人杰地靈。全市人民的生活用水都是來自于地下水。這里的地下水水質很好，接近于礦泉水。然而由于水中鈣、鎂離子含量太高，使得當地許多人患有結石病，發病率高達１０％，令許多人憂心忡忡。但是若使用膜技術進行處理，水的硬度問題就會迎刃而解，并且費用也不高。目前國際上已有許多公司生產這類產品，中國藍星的膜公司就是其中的一個。膜的使用可以幫助治療許多疾病。在我國，以膜為核心的人工腎、人工肺以及用于血液透析和腹水透析的透析器已廣泛地用于許多大醫院，其用量為６０萬只／年，每只售價１２０－－１３０元人民幣。隨著對透析器使用次數的限制等，估計不久其用量鈄達到１０００萬只／年，年產值將超過１０億元人民幣。帶有膜過濾器的注射器目前已不是新鮮東西，如查我國每人每年平均使用１只，則年銷售量就達數１０億元人民幣。此外，在血漿分離、腹水處理、人工肺和藥物緩釋膠囊等領域，膜技術也都有較大的潛在市場。作為膜技術的另一個創新，人工腦正在研究之中。

膜分離技術在環境檢測和生化分析樣品的預處理方面有著很大的應用前景將支撐液膜用于分析前樣品的預處理，有許多優點，例如選擇性強，富集系數高，分離徹底，與分析儀器連接方便，幾乎沒有有機溶劑污染等。

有些分析樣品，如尿液、血液、生物組織，成分比較復雜，干擾比較大。使用支撐液膜可以將溶液中含量極低的成分，分離富集到上百倍或上千倍，然后再進行分析檢測，這樣可以大大提高檢測效果。將支撐液膜和分析儀器結合起來可以實現全自動化的檢測分析。還可以使用不同的支撐液膜同時分離富集不同形態，從而方便、快捷、有效地進行分析。

發展中的膜分離技術

近年來膜分離技術發展十分迅速，相繼出現了不同材料和不同用途的膜，例如無機膜、滲透蒸發膜、氣體分離膜、納濾膜、液膜、膜生物反應器等，其經濟效益、社會效益和環境效益越來越大，市場前景也越來越廣闊。膜分離技術正在和其他生產工藝集成起來，成為許多生產工藝中不可缺少的一部分。

１.無機膜分離技術

    無機膜主要包括陶瓷器，金屬氧化物膜和金屬膜等。它適合在高溫、高壓、高黏度、高固體含量、高氯化物含量和苛刻的ｐＨ值條件下使用，能較好地解決石油、化工、石化、醫藥、環保、輕工等領域的特殊分離問題。對于腐蝕性氣體過濾、脫濕，生物發酵液過濾，生物活性物質分離，結晶母液過濾，超細粒子回收，強酸或強堿性金屬清洗液凈化，高色度、高濁度的有機廢水處理等有著很好的效果。

我國的無機膜經過５年的努力，陶瓷微濾膜和超濾膜從無到有，已經實現了工業化生產，膜材料的技術指標和膜裝置的規模與自控水平均已達到國際先進水平。根據有關部門預測，到２０１０年僅無機鹽生產中結晶母液過濾、超細粒子回收等對陶瓷膜裝備的需求量就在５億元人民幣以上。特種油水體系分離凈化，如鋼廠大型軋機冷軋乳液凈化、金屬清洗液凈化、油田回注水處理等過程所需的無機膜裝備亦在５億元人民幣左右。無機膜技術與反應工藝過程集成，可能對石油化工、化學工業、生物技術的發展帶來變革性影響。

２.滲透汽化膜分離技術

    滲透汽化膜分離技術是利用溶解擴散的機理進行組分的分離，對共沸物的分離特別有效，主要用于有機溶劑脫水，水中少量溶劑的脫除和有機／有機混合物的分離。我國的滲透汽化研究開始于８０年代中期。９０年代建立了滲透汽化制無水乙醇、苯脫水和滲透汽化與酯化反應耦合過程的中試裝置，以及相應的滲透汽化膜分析與檢測手段。

    我國是能源短缺大國，節能是一項基本國策。然而在化工、石化、輕工、醫藥生產過程中蒸餾消耗了很大能源，尤其是共沸物分離以及產物濃縮對能源的消耗更大。滲透汽化技術有可能在２１世紀替代傳統的蒸餾技術。目前我國酯產品有３００多種，年產量８萬－－１０萬噸，產值約１０多億元人民幣，若采用滲透汽化技術，每年可節省能源開支約３０００萬元人民幣。

清華大學在２０世紀即將結束的時候，完成了苯脫水的工業化中試，預計不久將實現工業化應用。１９９８年，全球滲透汽化膜和組件的銷售額已超過１０００多萬美元。隨著滲透汽化技術的發展，其應用范圍也將快速擴大。作為某些精餾過程的替代和補充技術，特別是對于有機混合物的分離，滲透汽化技術在石化行業中會有廣闊的應用前景。

３.氣體膜分離技術

    氣體膜分離技術主要有膜法提氫、膜法富氧、膜法富氮、工業氣體脫濕、天然氣脫濕、提氦以及脫除有機蒸氣、二氧化碳和硫化氫等。膜法提氫技術在化肥廠中應用十分成功，并已取得了明顯的經濟效益。目前國產中空纖維氮／氫膜分離器已在全國上百家化肥廠成功地用于合成氨弛放氣中氫的回收，其氫的回收率和純度均在８５％以上，而后開發的二級膜法新工藝，可使氫的純度提高到９９％，完全可以滿足多種生產的需要，年產值達２０００萬－－３０００萬元人民幣。２１世紀初，中空纖維氮／氫膜分離器的年產值將達到５０００萬元人民幣以上。

    國產螺旋卷式富氧器也是一種氣體膜分離裝置，已在２０家玻璃窯爐上得到了應用，富氧濃度達到２８％－－３０％，節油率為６％－－８％。該項技術可廣泛用于以煤、炭、天然氣、煤氣、重油等為燃料的所有工業窯爐中，平均節能１１.８％，增產１０.２％。經驗表明，分別用２３％、２５％和２７％的富氧空氣助燃，相應可以節能１０％－－２５％、２０％－－４０％和３０％－－５０％。富氧膜技術的推廣應用，不僅可提高燃料的利用率，而且可以保護環境。膜法富氧還可用于醫療保健。膜法富氧也可用于富氧制硫酸，可縮短焙燒時間，強化轉化過程，可使４萬噸／年的硫酸裝置減少４００萬元總投資，投資回收期縮短１.１年。膜法富氧技術在柴油發動機上的使用，將是柴油機史上的一次革命，將降低油耗４％－－７％，功率增加４０％，使廢氣排放量降低６０％。

    近年來，在三次采油中，注油田注氮氣成為一項高新技術，該技術可提高采收率８％－－１０％，減少對設備的腐蝕。氮氣氣源豐富，安全可靠，價格低廉，可直接從空氣中分離得到。目前國產撬裝富氮車已投入使用。我國有油井上千口，對富氮車的需求量為１５０－－２００臺，產值可達３億－－５億元人民幣。另外，膜法富氮在冶金、制藥和食品保鮮等方面都有很大的潛在市場。

２１世紀中國膜工業展望

    國際上的膜技術產業已初具規模，１９９８年國外上網的膜和膜設備的生產廠家及經營公司達４５２家。１９９４年世界膜市場的銷售總額為３０億美元，１９９７年達到４０億美元，１９９８年為４４億美元，１９９９年為４７億美元，年平均增長速率為１０％左右。由此可以推測，到２００４年，世界分離膜的市場銷售額將達到８０億－－１００億美元。到２０１０年將達到１１０億－－１３５億美元。

    國外的分離膜銷售市場以美國、日本、西歐為主，１９９７年美國為１１億美元，日本超過１０億美元，歐洲９.７億美元，年平均增長速度為８％－－１０％。據推測，２００４年前，年平均增長速率將達到１５％。氣體分離膜的應用也將以每年８％的速度增長，到２００１年其產值將達到１.３５億美元。

    據中國膜工業協會的統計資料表明，我國膜工業產值１９９８年為１２億元人民幣，１９９９年為２０億元人民幣，２０００年為２８億元人民幣。從發展速度看遠遠高于任何一個發達國家。按照我國當前的膜技術水平和市場開拓情況，今后每年按１０％－－１５％的增長速度發展是完全可能的，到２０１０年我國膜工業的產值將達５０億－－８０億元人民幣，約占世界膜市場的５％，其中液體分離膜市場為２５億－－４０億元人民幣，氣體分離膜市場為１５億－－２４億元人民幣，生物醫學和其他市場為１０億－－－１６億元人民幣。

    隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高，膜技術的應用領域將不斷擴大，預計在５年內，國內膜技術市場需求可達到２００億元人民幣。以油田污水和回注水市場為例，在多種處理技術中，只有采用膜技術方可以達到使用指標，僅遼河油田注水站約４５個，每個站處理的規模至少為１萬噸／天，僅此一項市場需求就在２０億元人民幣左右。１９９５年中國膜工業協會宣告成立，標志著我國的膜技術產業已基本形成。但與國際先進水平相比，我國膜工業的整體技術水平尚存在５－－１０年的差距。

    邁入新世紀，我國的膜技術和膜產業將圍繞水資源開發、水處理、氣體分離、天然氣凈化、回收有用物質和人類健康等市場需求，建立工業新技術、節能新技術、環保新技術和生物工程新技術，迎接知識經濟的新時代。在我國現已經成熟并工業化的膜過程，如微濾、超濾、反滲透、電滲析和氣體分離仍將占有相當的市場份額；正在進行中試放大的膜過程，如無機膜、滲透汽化、納濾以及膜生物反應器將有較大的發展，其市場份額將接近已成熟的膜過程。到２０１０年我國的膜科學與技術水平將達到國外９０年代后期的水平，膜分離技術市場的產值將達到５０億－－８０億元人民幣，年增長速度為１０％－－１５％；到２０２０年，將達到１００億－－２００億元民幣，年增長速度為１５％，并將進入世界膜工業強國，產值約占世界膜工業的１／１０。

    隨著膜科學與技術的發展，膜的分離功能將獲得更多的實際應用，如人體器官、閘膜（或稱孔徑可變膜，智能型分離膜）以及活性輸送膜等。目前膜已不再是簡單的分離手段，它已和其他技術融合在一起，如催化技術、生物工程技術等，在許多領域中起著十分重要的作用，正成為清潔生產和保證工業可持續發展的重要手段。中國的膜市場是巨大的，前景是廣闊的，要進一步擴大膜在各行各業中的應用，一是要加快推廣膜技術，二是要研制開發新的膜。