1.1　膜和膜分离过程的特征

膜技术是一门多学科交叉的高新技术。膜材料涉及高分子化学、无机化学和材料科学等；膜的制备、过程的分离特性、传递性质和传递机理属于物理化学和数学的研究范畴；膜分离过程中涉及的流体力学、传热、传质、化工动力学以及过程的设计，主要属于化学工程研究范畴；从其主要的应用领域来看，还涉及生物学、医学以及与食品、石油、环境保护等行业有关的学科。在各学科发展和相互渗透的基础上，膜科学技术有了迅速的发展。同时，膜科学技术的研究和应用，也促进了有关学科的开拓和发展。

膜技术被认为是不断发展的战略性新兴产业之一和重大的共性技术之一。膜过程已成为工业上气体分离、水溶液分离、化学产品和生化产品的分离与纯化的重要过程，广泛应用于食品生产、饮料加工、工业污水处理、大规模空气和工业气体分离、湿法冶金、气体和液体燃料的生产以及石油化工制品生产等领域。

膜从广义上可定义为两相之间的一个不连续区间。这个区间的三维量度中的一维和其余两维相比要小得多。膜一般很薄，厚度从几纳米、几微米至几百微米之间，而长度和宽度要以米来计量。

膜可以是固相、液相，甚至是气相的。用各种天然材料或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学和生物性质上呈现出各种各样的特性。本手册将集中叙述具有分离功能的膜，即不同物质可选择透过的膜。从这个意义上，膜可以定义为：膜是一种具有选择透过性的介质，即它允许某些物质通过，而截留另一些物质，这些物质可以是分子、离子或微粒。膜有两个特点：①膜必须有两个界面，分别与两侧的流体相接触；②膜必须有选择透过性，它可以使流体相中的一种或多种物质透过，而阻止其他物质透过。膜可以是均相的或非均相的、对称的或非对称的、中性的或荷电性的，可对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集，因而对人类的生产和生活具有极为重要的作用［1］。

目前，无论从产量、产值、品种、功能或应用对象来讲，绝大多数的分离膜都是固体膜。液膜分离技术诞生于20世纪60年代，其后陆续有些相关的研究和应用报道。气体在原则上可构成分离膜，但研究它的人很少。

膜从材料上可分为无机膜、有机膜、有机-无机复合膜等。一般来说，膜追求高分离性能、高稳定性、低成本和长寿命等，以满足工程化的应用需求［2，3］。

物质选择透过膜的推动力，其热力学实质是化学位差。常温下，这种推动力有两种情况：一种是由浓度差形成的化学位差，物质由高位侧向低位侧流动（渗透）；另一种是借助外加能量，使物质由原来的低位侧向原高位侧流动（反渗透）。表1-1中列出了主要膜分离过程的功能、推动力及所用膜类型［3］。

表1-1　膜分离过程的特性

表征分离膜的性能主要有两个参数。一个参数是各种物质透过膜的速率的比值，即渗透选择性（也可称为分离系数）。渗透选择性的大小表示了该体系分离的难易程度。它对被分离体系所能得到的浓度（或纯度）、分离过程的能耗（或功耗）都有决定性的影响，对分离设备的大小也有一定的影响。另一个参数是物质透过膜的速率，或称为通量，即单位面积膜上单位时间（和单位驱动力）内透过物质的数量。这个参数直接决定了分离设备的大小。当然，这两个参数在不同的膜分离过程中有不同的具体表示方法。

膜分离过程通常是一个高效的分离过程。例如，在按物质颗粒大小分离的领域，以重力为基础的分离技术的最小极限是微米（μm），而膜分离技术中却可以做到将分子量为几千，甚至几百（相应的颗粒大小为纳米级）的物质进行分离。又如，和扩散过程相比，蒸馏过程中物质的相对挥发度的数值大都是个位数，对难分离物质体系有时仅比1稍大一些，而膜分离的分离系数要大得多。如乙醇含量超过90%的水溶液已接近恒沸点，用蒸馏的方法很难分离，但渗透汽化的分离系数为几百甚至上万。再如，N2和H2的分离，蒸馏不仅要在深冷条件下进行，而且H2/N2的相对挥发度很小，用聚砜膜分离的分离系数为80左右，聚酰亚胺膜则超过120。蒸馏过程的分离系数主要决定于体系的物化性质，而膜分离过程中，加入了膜材料的物性、结构、形态等因数，因此显示了异乎寻常的高性能。并且，膜材料如此多样，这就为膜分离技术的发展提供了广阔的天地。

膜分离过程的能耗（功耗）通常比较低。能耗低主要有两个原因：一是膜分离过程中，被分离的物质大都不发生相变。对比之下，蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附等分离过程都伴随着从液相或吸附相至气相的变化，而相变的能耗往往很大。二是许多膜分离过程通常是在室温附近的温度下进行，被分离物料加热或冷却的过程能耗亦较小。

膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，可靠度较高，操作较简便，而且从启动到得到产品的时间很短，可以在频繁的启停下工作。由于分离效率高，通常设备的体积比较小，这也是一个突出的优点。

膜分离过程的另一个突出特点是它的规模和处理能力可在很大范围内变化，设备放大效应小。