我国膜分离技术发展迅速

中国产业研究网讯

    膜分离技术起步于本世纪六十年代，至今不过三十多年，但由于它具有分离过程无相态变化，基本在常温下进行，特别适用对热敏感物质的分离过程属物理变化或物化变化，分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；分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、萃取等分离方法比较，节能效果显著，因此受到各工业发达国家的高度重视。不少国家把膜分离技术纳入国家计划和关键技术。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，膜分离技术产业，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发达国家５～１０年。 
    膜技术快速发展引来巨大商机 
    随着全球水资源短缺情况的加剧，水资源开发、工业和饮水处理、废水处理及再利用成为各国研究开发的热点，而膜分离技术正是目前国内外普遍采用的净化技术。有专家预言，膜技术及与其它技术集成的技术将在很大程度上取代目前采用的传统分离技术。现在，膜技术已与光纤、超导技术等一起成为21世纪十大高科技产业之一。 
    膜分离技术是指利用具有特殊选择分离性的有机高分子材料或无机材料，制成不同形态结构的膜，在一定驱动力作用下，使双元或多元组份的特定组份因透过膜的速率不同而达到分离或密集的目的。由于这种技术是采用物理方法分离组份，因而清洁无污染、操作及设备简单、能量损耗少，并可广泛应用于石油、化工、电子电力、食品、医疗、环保等领域，因此近年来发展十分迅速。 
    作为一门新兴的高技术产业，膜分离产业在全球都保持了超过8％的增长率，在我国也有着相当广阔的应用前景。据预测，2030年中国人口将达到16亿，届时人均水资源量仅有1750立方米，预计用水总量为7000亿～8000亿立方米，要求供水能力比现在增长1300亿～2300亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，因此开发新的水资源如进行海水淡化势在必行，而目前采用反渗透膜进行海水淡化是最经济而又清洁的方法。 
    另外，近年来我国废水、污水排放量以每年18亿吨的速度增加，全国工业废水和生活污水每天的排放量近1．64亿吨，其中约80％未经处理直接排入水域。可见，我国环保水处理方面对膜应用的需求量将很大，这一领域也被业界认为是增长潜力最大的领域。在生物医药和食品生产过程中，微滤膜发挥了重要作用。目前全球以血液渗析膜的市场最大，约占总销售额的50％。近几年来，膜技术在生物工程、医疗和血液渗析治疗领域的应用增速惊人，仅美国的年增速就超过了13％。 
    由于其广泛的用途及极好的市场应用前景，膜技术及膜材料的开发应用在全球范围内受到了前所未有的高度重视，‘谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来‘已成为业界的共识。各发达国家都在积极部署，投巨资发展该技术及产业，抢夺制高点。一直以来，美、日、欧始终处于世界膜技术的前沿，主导世界膜技术发展的方向，基本上垄断了世界膜市场。他们的特点是研发实力强、产品品种多、系列化。目前我国的膜材料以进口产品为主，拥有自主知识产权的产品很少，80％以上为引进产品及技术，膜产业整体处于技术水平较低、研发实力较弱的阶段，与发达国家相比有较大的差距。 
    尽管如此，我国膜市场的需求量增长却很快，业内专家预计到2015年，我国的膜市场需求可望超过200亿元，届时将占世界膜市场总需求量的10％～15％。在意识到了巨大的市场需求与研发的差距后，国家已投资建设了多个膜产业示范基地，如废水处理用膜组件及系统处理装置产业化示范工程、建立复合反渗透膜国产化及水工业成套技术装备生产基地等，这对于促进我国膜材料、膜技术的国产化，提高我国膜产业的整体水平有着重要的推动作用，为我国的膜行业在世界膜行业占有一席之地打下了良好的基础。 
    令人瞩目的膜分离技术 
    膜分离技术是一项新兴的分离技术，自60年代逐渐开始大量工业化应用之后发展十分迅速，其品种日益丰富，应用领域不断扩展，每年的销售额以14％～30％的速度增长，被专家认为是20世纪末到21世纪最有发展前途的高科技之一。据有关文献估计，目前膜分离技术世界市场规模已达到每年200亿美元以上。除了透析膜主要用于医疗用途以外，几乎所有的膜分离技术均可用于石油、天然气及石油化工和环保行业中。反渗透膜和纳滤膜作为主要用于水及其他液体分离膜，在分离膜领域占有重要地位。 
    膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜，操作压力也扩展到高压（海水淡化）膜、中压（醋酸纤维素）膜、低压（复合）膜和超低压（复合）膜，80年代以来又开发出多种材质的纳滤膜。 
    膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势，除了传统的中空纤维式、卷式、管式及板框式以外，又开发出回转平膜式和浸渍平膜式等。工业上应用最多的是卷式膜，它占据了绝大多数陆地水脱盐和越来越多的海水淡化市场，中空纤维膜在海水淡化应用中仍占有很高的份额。 
    膜分离技术除了目前已普遍应用于化工、电子、纺织、轻工、冶金、石油等工业领域外，还将在节能技术、环保技术、清洁生产等领域发挥重要作用。例如，高效的膜分离技术可以取代传统的能耗较高的技术，在我国可持续发展战略中具有重要意义，也是工业技术的主要措施之一。我国水资源十分紧张，水污染极为严重，随着对环境的要求不断提高，膜分离技术在工业废水处理方面将进一步发挥更大的作用。由于膜技术能在治理污染的同时回收有用的物质，变废为宝，甚至可以实现闭路循环，因此在清洁生产工艺中也具有广阔的应用前景。此外，在饮用水净化中膜分离技术的应用更是十分普遍。 
    一、在制定我国膜分离技术及产业发展规划时，应充分重视膜分离技术在环保产业中的应用。 
    二、加强膜产业与环保产业的有机结合。 
    三、通过多种形式，大力宣传膜分离技术在环保产业中大有作为的应用前景，要使领导部门、科研单位、膜产业部门和潜在用户都有所了解和认识。 
    四、大力支持和推动科研设计部门开展深入的应用研究，建立膜分离技术在环保产业中的各项生产性示范设备与工程。 
    五、将引进国外先进技术和设备与国内自己研究开发的技术和设备相结合；科研、设计、生产部门与环保部门相结合；注意多种技术的组合运用。 
    六、制定生产标准，加强行业自律，规范行业行为，引进竞争机制，推荐先进技术和优质产品，坚决淘汰落后技术和劣质产品。 
    膜市场需求空间大 
    据中国膜工业协会根据近几年膜工业发展速度和经济建设的需求分析预测：2005年，我国膜市场需求将达50亿元以上，2015年，膜市场需求可望超过200亿元，将占到世界总量的10～15％———
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、安全地用水。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服务。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分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，而达到分离或特定组分密集的目的。浅显地说，大家所知道的肾透析、饮用的纯净水都是膜的功绩。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，可分为分离膜和反应膜。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不凡，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分离技术，达到节能降耗，提高产品质量之目的。对推动人类科学技术进步，促进社会发展，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，率先创建了膜工业，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发展，使制碱工业发生了革命性变化。 
    20世纪80年代中期以来，膜技术进入全面发展阶段，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；用于有机溶剂分离的渗透汽化技术和用于微滤和超滤的无机膜分离技术等，这一切为膜分离技术产业发展奠定了坚实基础。 
    随着膜分离技术研究的不断深入，应用市场的不断扩大，新的膜分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分离技术，以膜反应和反应分离为目的的膜技术，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，可以说膜分离技术是对社会发展有着长远持久影响的高新战略性技术，是环境保护的最佳“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，与国际基本同步，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发展时代。 
    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基础上发展起来的，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，达到技术、资产、人力等资源的优化配置，提升产业水平和规范市场，加快与国际接轨的步伐。否则，国外发达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有限公司。拟组建“中蓝膜技术有限公司杭州膜科技工业园”，北方以蓝星水处理公司为核心的“中蓝膜技术有限公司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、产业化项目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。 
    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，成为许多国家优先发展的产业。 
    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14亿元则完全是“舶来品”。 
    据中国工程院《21世纪中国可持续发展水资源战略研究》报告，到2010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发展的方向。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，给膜的应用与发展创造了前所未有的良机。 
    对解决水处理和水回用的问题，我国高层领导十分重视，国务院副总理*就曾对城市污水回用问题做过批示：“污水处理和回用，不仅是城市环境建设的基础性工程，而且是水资源综合利用和节水的重要措施。必须把污水处理和回用作为城市建设的重点，立足当前，着眼长远，统筹规划，分布实行，从我国具体实际出发，借鉴国外经验。首先，要研究制定污水处理和回用的技术规范和技术政策。其次，要通过改革建立合理的价格形成机制。第三要搞好试点示范工程。” 
    我国是一个发展中的大国，经济建设正处于全面发展时期，国家将可持续发展、高新技术产业发展、传统产业改造与提升、西部大开发、海洋经济发展等作为发展的重点，这就意味着膜工业不仅拥有广阔的现有市场，更存在着巨大的潜在市场。据中国膜工业协会根据近几年膜工业发展速度和经济建设的需求分析预测：2005年，我国膜市场需求在50亿元以上，年均增速继续保持在15％左右，2015年，膜市场需求可望超过200亿元，将占到世界总量的10～15％。应该指出的是，目前，我国一些地区和部门，在水处理技术的使用方面，仍沿袭着传统方法。已经没有太多的时间来供我们走弯路了，新技术在前，此时如不抓住，造成的后果将是整体落后。 
    为了推动我国膜工业的进一步发展，促进中外学者与企业间的交流合作，中国膜工业协会将于2002年9月27～29日在北京举办“第二届膜技术应用国际会议”，届时，“第四届国际膜与水处理技术暨设备展览会”也将同期举行。 
    膜技术是清洁生产的理想载体 
    ——访湖北工业大学膜技术研究所所长万端极教授 
    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，这是源头治污的最佳选择。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。膜分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分离、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则实施工艺改造，达到清洁生产的目的。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。膜分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，从而降低成本、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发展的具体实践。 
    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，它在涉及分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，在广大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，才能达到既提高企业效益，又解决污染的目的。实际上，对传统工业企业而言，膜分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。 
    膜技术成为可持续发展技术保证 
    谈到国内对膜技术应用的问题上，万端极教授深有感触。膜技术在发达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则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、社会可持续发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应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。 
    膜分离技术的后起之秀 — 纳滤 
    纳滤是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在200-1000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性，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净水，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。而纳滤技术则只脱除掉形成水硬度的Ca、Mg离子，而保留了部分盐类和微量元素。此外，纳滤还可以脱除掉绝大部分农药、化肥、清洗剂等化工产品残留物，避免其对人体的危害。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，二是使产品的成本加大。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留住。纳滤还可脱除掉焦糖色素中的亚铵盐和不良气味。 
    4、分离单糖、双糖：目前功能性甜味剂—低聚糖的发展速度非常快，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、双糖进行分离，从而提高低聚糖的纯度。 
    5、回收大豆低聚糖：在用酸碱法生产大豆分离蛋白中，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净水，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留了鲜果汁的成分。 
    7、分离氨基酸：利用纳滤的荷电性可对分子量相差无几的氨基酸进行分离。 
    8、调节酿酒发酵液组分：为了提高低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则可脱除95%以上的NaCI，使低聚糖的含量达到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。