引言

在今年的膜分離領(lǐng)域，6月份舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)無疑是最受矚目的盛事，其中三項(xiàng)與膜分離相關(guān)的項(xiàng)目榮獲表彰：

一是“新型膜法水處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；

二是“氣體凈化膜材料的創(chuàng)制及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；

三是涵蓋多項(xiàng)膜分離技術(shù)的“飲用水安全保障技術(shù)體系創(chuàng)建與應(yīng)用”項(xiàng)目同樣榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

一次性獲得三項(xiàng)國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，這在膜分離領(lǐng)域尚屬首次，不僅彰顯了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力達(dá)到了新的高度，也體現(xiàn)了膜分離技術(shù)在環(huán)保和資源利用等方面日益重要的作用。

（圖片來源  pixabay）

與其他分離方法相比，膜分離技術(shù)具有眾多優(yōu)勢：

操作可在常溫下進(jìn)行，是一種物理過程，無需添加化學(xué)試劑；

一般情況下不發(fā)生相變化（膜蒸餾和滲透汽化除外），因此能耗較低；濃縮和純化過程可以在一個(gè)步驟內(nèi)完成；

易于放大，支持分批或連續(xù)操作；

易于與其他工藝集成，適應(yīng)性強(qiáng)；

環(huán)境友好，運(yùn)行成本低。

這些優(yōu)點(diǎn)使得膜分離技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要包括物質(zhì)的分離、檢測、控制釋放以及反應(yīng)的控制與強(qiáng)化。正因如此，膜分離技術(shù)長期以來受到國家的高度重視，在“十三五”期間，國家出臺(tái)了23個(gè)涉及分離膜的政策專項(xiàng)文件，“十四五”以來，國家各部委陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策文件，對(duì)包括分離膜及其下游重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展提出了相應(yīng)政策支持和發(fā)展規(guī)劃。

水處理-高端&有奇效

水處理是膜分離技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，其中海水/苦咸水淡化、飲用水凈化是膜分離技術(shù)應(yīng)用最廣泛也最成熟的領(lǐng)域，這也是我國乃至全球分離膜種類中反滲透膜占比最高的原因。經(jīng)過多年的發(fā)展，膜分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用也在不斷向技術(shù)要求更為苛刻的領(lǐng)域拓展。例如，今年在國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上受到表彰的“新型膜法水處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，其中就包括了“實(shí)現(xiàn)芯片超純水分離膜的國產(chǎn)化”和“開發(fā)核沾染水處理裝備，以應(yīng)對(duì)突發(fā)核泄漏風(fēng)險(xiǎn)”的突破。

（圖片來源  pixabay）

超純水在多個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用，但是不同行業(yè)對(duì)超純水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求各不相同，其中半導(dǎo)體（芯片）行業(yè)代表了超純水使用的最高等級(jí)，這對(duì)用于超純水制備的分離膜提出了更高的要求。相關(guān)技術(shù)之前僅由少數(shù)國外公司掌握，近年來，國內(nèi)一些公司如沃頓科技股份有限公司突破相關(guān)技術(shù)壁壘，成功研發(fā)UE系列超純水膜，并已應(yīng)用于多個(gè)微電子領(lǐng)域項(xiàng)目。并且中國膜工業(yè)協(xié)會(huì)在2023年發(fā)布了系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)：

《半導(dǎo)體行業(yè)超純水制備終端用超濾膜組件產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》（T/ZGM 011—2023）

《半導(dǎo)體行業(yè)超純水制備用卷式反滲透膜元件產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》（T/ZGM 012—2023）

《半導(dǎo)體行業(yè)超純水制備用電去離子膜堆產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》（T/ZGM 013—2023）

《半導(dǎo)體行業(yè)超純水制備用脫氣膜組件產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》（T/ZGM 013—2023）

為促進(jìn)國內(nèi)超純水用膜技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品認(rèn)證提供有效依據(jù)，助力相關(guān)企業(yè)及產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步；另一方面將有助于鼓勵(lì)超純水制備用膜產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)，以高標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)中國膜行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

GB/T 33087-2016 儀器分析用高純水規(guī)格和試驗(yàn)方法
-儀器分析用高純水規(guī)格

半導(dǎo)體行業(yè)超純水規(guī)格
（圖片來源  Veolia Water Purification Systems Ltd trading as Purite ）

廢水/污水的處理與資源化也是膜分離技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。隨著國家環(huán)保政策的不斷推進(jìn)，對(duì)廢水/污水處理的要求也日益嚴(yán)格。然而，高昂的處理費(fèi)用給企業(yè)帶來了沉重負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致部分企業(yè)為降低成本而選擇偷排。如果不能實(shí)現(xiàn)資源回收，廢水/污水處理對(duì)企業(yè)來說只會(huì)增加成本。高昂的處理費(fèi)用不僅加重了企業(yè)的負(fù)擔(dān)，也成為部分企業(yè)違規(guī)排放的驅(qū)動(dòng)因素之一。

（圖片來源  pixabay）

如果能夠有效利用膜分離技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)廢水/污水達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用，對(duì)于企業(yè)而言，尤其是傳統(tǒng)高污染行業(yè)，是能夠發(fā)揮起死回生的功效的。以中國工程院院士徐南平指導(dǎo)、邢衛(wèi)紅教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)為例，他們的“面向制漿廢水零排放的膜制備與集成技術(shù)”項(xiàng)目建成“膜法制漿廢水零排放技術(shù)與示范工程”，于2014年實(shí)施了4萬噸/日的全球首套膜法制漿廢水零排放示范工程，讓陷入絕境的南通王子造紙百億元項(xiàng)目重新煥發(fā)生機(jī)。

此外，寧夏石嘴山市平羅工業(yè)園區(qū)的“一園三區(qū)”中的精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)曾因嚴(yán)重的污染隱患多次被中央生態(tài)環(huán)保督察點(diǎn)名，園區(qū)發(fā)展面臨著污水排放難題和用水供需矛盾，嚴(yán)重制約了園區(qū)的發(fā)展。2022-2023年該園區(qū)建成西北首個(gè)精細(xì)化工園區(qū)廢水分鹽零排放項(xiàng)目（由美富特環(huán)保集團(tuán)核心子公司美峰環(huán)境實(shí)施），實(shí)現(xiàn)了廢水全部回用不外排，極大降低對(duì)周邊水生態(tài)環(huán)境的影響。項(xiàng)目中，廢水中的鹽經(jīng)過分離提純后，達(dá)到工業(yè)級(jí)產(chǎn)品鹽的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了再利用，大幅節(jié)約了雜鹽的處置費(fèi)用。

寧夏石嘴山市平羅工業(yè)園區(qū)精細(xì)化工園區(qū)廢水分鹽零排放項(xiàng)目
-項(xiàng)目鳥瞰（圖片來源 新華網(wǎng)）

該零排項(xiàng)目應(yīng)用的MFT－MORE工藝采用“預(yù)處理+特種膜濃縮+MVR蒸發(fā)”技術(shù)，其核心膜濃縮系統(tǒng)為特種高壓反滲透膜和特種高壓納濾膜。通過極致濃縮分鹽后，極少量的濃鹽水蒸發(fā)結(jié)晶得到高品質(zhì)工業(yè)級(jí)氯化鈉和硫酸鈉，膜系統(tǒng)總回收率高達(dá)98.6%，雜鹽量較傳統(tǒng)零排工藝減少近95%。出水優(yōu)于再生水利用標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目日廢水處理量達(dá)到10000噸，除滿足園區(qū)生產(chǎn)用水，還作為景觀綠化、城市雜用水循環(huán)利用。

寧夏石嘴山市平羅工業(yè)園區(qū)精細(xì)化工園區(qū)廢水分鹽零排放項(xiàng)目
-項(xiàng)目內(nèi)景（圖片來源 新華網(wǎng)）

氣體凈化/分離-創(chuàng)新&高效

除水處理外，膜分離技術(shù)在氣體凈化領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。傳統(tǒng)的氣體凈化技術(shù)在去除粉塵方面，主要采用布袋除塵、旋風(fēng)除塵和靜電除塵等方法，但這些技術(shù)難以有效去除超細(xì)粉塵；在揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）去除方面，通常采用吸附、冷凝、燃燒和化學(xué)吸收等方法。然而，處理工業(yè)廢氣時(shí)，這些技術(shù)存在明顯不足，特別是在應(yīng)對(duì)廢氣成分復(fù)雜、資源回收需求高的情況下表現(xiàn)欠佳。相比之下，膜分離技術(shù)不僅高效、節(jié)能，還能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢氣達(dá)標(biāo)排放與資源回收，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

（圖片來源  pixabay）

南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院教授金萬勤帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)主持完成的“氣體凈化膜材料的創(chuàng)制及應(yīng)用”項(xiàng)目，在工業(yè)煙氣中去除超細(xì)粉塵（亞微米級(jí)）和有機(jī)物，以及回收高附加值粉體和有機(jī)溶劑方面取得了重大突破。

團(tuán)隊(duì)提出了一種面向氣固分離的膜材料設(shè)計(jì)方法，并建立了膜結(jié)構(gòu)性能與控制參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與國際先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品相比，所制備的氣體凈化膜透氣速率提高了30%以上，機(jī)械性能提升了198%，對(duì)0.3微米超細(xì)粉塵的去除率遠(yuǎn)超國際標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了99.99%以上。針對(duì)工業(yè)煙氣中油性氣溶膠易在濾材表面吸附、形成污染層，進(jìn)而影響膜結(jié)構(gòu)和透氣性能的國際性難題，團(tuán)隊(duì)提出了表面疏水疏油改性的熱輔助原位功能化方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜界面結(jié)合性與表面浸潤性的有序調(diào)控，成功開發(fā)出具有雙疏性能的氣體凈化膜材料，大幅提升了膜的抗污染性能和長期服役性能。

（圖片來源  pixabay）

基于上述技術(shù)開發(fā)的氣體凈化膜技術(shù)已在中石化、恒逸石化、江蘇華昌化工等企業(yè)的200余套工程中應(yīng)用，覆蓋全國25個(gè)省、市、自治區(qū)，率先實(shí)現(xiàn)了膜技術(shù)在含氯氣體和含油煙塵處理領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用，累計(jì)處理工業(yè)氣體超過3000億立方米，新增高附加值粉體和有機(jī)溶劑的回收價(jià)值超過10億元，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

氣體分離膜技術(shù)利用膜兩側(cè)混合氣體各組分的分壓差作為驅(qū)動(dòng)力，不同氣體分子通過膜的速率存在差異，滲透速率較快的氣體分子會(huì)富集在滲透側(cè)，而滲透速率較慢的氣體分子則富集在原料側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。與深冷法、變壓吸附法和化學(xué)吸附法等傳統(tǒng)氣體分離方法相比，氣體分離膜技術(shù)具有常溫操作、高效節(jié)能、設(shè)備簡單、模塊化設(shè)計(jì)且易于擴(kuò)展的優(yōu)勢，適用于多種氣體的分離應(yīng)用。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于合成氨工業(yè)中的氫氣回收、石化行業(yè)的含烴尾氣處理以及富氮和富氧系統(tǒng)，且取得了成功的實(shí)際應(yīng)用效果。

氣體透過膜的相對(duì)滲透速率（圖片來源 互聯(lián)網(wǎng)）

氦氣廣泛應(yīng)用于軍工、石化、制冷、醫(yī)療、半導(dǎo)體、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和深海潛水等領(lǐng)域，是高科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的稀有戰(zhàn)略性資源，許多行業(yè)的發(fā)展離不開氦氣，因此氦氣也被譽(yù)為“黃金氣體”。作為一種稀有戰(zhàn)略資源，我國的氦氣儲(chǔ)量極為有限，95%以上依賴進(jìn)口。據(jù)估算，我國氦氣資源總量約為11億立方米，其中可直接開采的僅約0.5億立方米，占全球儲(chǔ)量的比例不到0.1%。如果能夠研發(fā)出針對(duì)貧氦天然氣（氦氣含量0.1~0.3%）的高效、低成本提取技術(shù)，將這些氦氣資源加以利用，有望滿足我國40%以上的需求。低溫精餾法在提取高純度氦氣和提升回收率方面具有顯著優(yōu)勢，但其生產(chǎn)成本高、設(shè)備投資大、能耗較高。將膜分離技術(shù)與低溫精餾法和變壓吸附法等方法相結(jié)合，能夠有效降低設(shè)備投資和分離過程中的能耗，已成為天然氣提氦的重要研究方向，并在國內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

2022年11月，中國石化成功試車了西南地區(qū)首個(gè)氦氣提純項(xiàng)目——中國石化重慶石油分公司涪陵LNG工廠氦氣提純項(xiàng)目。該項(xiàng)目中使用的氦氣提純膜為國內(nèi)首次自主研發(fā)，打破了美國和日本在氦氣分離膜專用高分子材料領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。

（圖片來源  pixabay）

此外，中國煤炭科學(xué)研究總院與窯街煤電集團(tuán)合作，在含氦煤層氣提取方面，首創(chuàng)了“變壓吸附+膜分離+精制純化”的一體化工藝，成功攻克了多組分煤層氣的變壓吸附脫碳、濃縮、提氦關(guān)鍵技術(shù)，以及膜分離與高效精制純化耦合的核心技術(shù)，氦氣純度最高可達(dá)99.9999%以上。2023年，由中國煤炭科學(xué)研究總院承建的全球首套3.6萬Nm3/d含氦煤層氣提取高純氦裝置成功投產(chǎn)，氦氣純度達(dá)到99.999%以上，標(biāo)志著我國已完全掌握了含氦煤層氣提氦的成套工藝及工程化技術(shù)。

今年年初，中國有研集團(tuán)有研工程技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)的氫氦分離提純裝置成功應(yīng)用于山西呂梁的天然氣閃蒸氣（BOG）提氦項(xiàng)目。該裝置在長時(shí)間低溫運(yùn)行考核中表現(xiàn)優(yōu)異，成功產(chǎn)出99.999%以上純度的高純氦氣。該項(xiàng)目集成了“變壓吸附+膜分離+吸附脫氫”的BOG提氦新技術(shù)，不僅可以在常溫下完成氦氣的粗分、精制和提純，氦氣純度可提高至99.999%以上，還能夠產(chǎn)出純度高于99.999%的高純氫氣產(chǎn)品。