膜是具有選擇性分離功能的材料,利用膜的選擇性分離實(shí)現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于,膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離,并且這過程是一種物理過程,不需發(fā)生相的變化和添加助劑。與過濾、精餾、萃取、蒸發(fā)等傳統(tǒng)分離技術(shù)相比,膜分離技術(shù)具有能耗低、分離效率高、設(shè)備簡單、無相變、無污染等優(yōu)點(diǎn),因此被稱為新型高效分離技術(shù)。
膜的孔徑一般為微米級,依據(jù)其孔徑的不同(或稱為截留分子量),可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜,根據(jù)材料的不同,可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜,無機(jī)膜主要是陶瓷膜和金屬膜,其過濾精度較低,選擇性較小。有機(jī)膜是由高分子材料做成的,如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。
微濾(MF)又稱微孔過濾,它屬于精密過濾,其基本原理是篩孔分離過程。鑒于微孔濾膜的分離特征,微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物,以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。對于微濾而言,膜的截留特性是以膜的孔徑來表征,通常孔徑范圍在 0.1~1 微米,故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)行分離,可作為一般料液的澄清、保安過濾、空氣除菌。
超濾(UF)是介于微濾和納濾之間的一種膜過程,膜孔徑范圍在 0.05 至 0.1 微米。超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程,超濾膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)物的截留分子量來表征,通常截留分子量范圍在 1000~300000Da,故超濾膜能對大分子有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、細(xì)菌)、膠體、懸浮固體等進(jìn)行分離,廣泛應(yīng)用于料液的澄清、大分子有機(jī)物的分離純化、除熱源。
納濾(NF)是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù), 其截留分子量在 80~1000Da 的范圍內(nèi),孔徑為幾納米。膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn) NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率來表征,通常截留率范圍在 60%~90%,相應(yīng)截留分子量范圍在 100~1000Da,故納濾膜能對小分子有機(jī)物等與水、無機(jī)鹽進(jìn)行分離,實(shí)現(xiàn)脫鹽與濃縮的同時(shí)進(jìn)行,其在制藥、生物化工、 食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
反滲透(RO)是利用反滲透膜只能透過溶劑(通常是水)而截留離子物質(zhì)或小分子物質(zhì)的選擇透過性,以膜兩側(cè)靜壓為推動(dòng)力,而實(shí)現(xiàn)的對液體混合物分離的膜過程。反滲透是膜分離技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,能夠去除可溶性的金屬鹽、有機(jī)物、細(xì)菌、膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì),也即能截留所有的離子,在生產(chǎn)純凈水、軟化水、無離子水、產(chǎn)品濃縮、廢水處理方面反滲透膜已經(jīng)應(yīng)用廣泛。
1、膜分離技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
高分子膜的分離功能很早就被發(fā)現(xiàn),1748 年,耐克特(A. Nelkt)發(fā)現(xiàn)水能自動(dòng)地?cái)U(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi),開創(chuàng)了膜滲透的研究。自 20 世紀(jì) 60 年代中期以來,膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離模式包括超過濾膜(UF 膜),微孔過濾膜(MF 膜)和反滲透膜(RO 膜),之后又開發(fā)了其他類型的分離膜,廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。
作為一種高新技術(shù),膜技術(shù)并不是高不可攀的,實(shí)際上,它就在我們身邊。比如,隨處可購買到的純凈飲用水絕大部分采用膜技術(shù)凈化得到;為保持乳品的營養(yǎng)價(jià)值及水果的風(fēng)味,牛奶、酸奶、奶酪等也可以采用膜技術(shù)進(jìn)行除菌、濃縮及雜質(zhì)去除。
2、兩大因素驅(qū)動(dòng)行業(yè)長期向好
(1)良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)給我國膜分離產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)、提供機(jī)遇
改革開放 40多年來,中國經(jīng)濟(jì)一直保持著良好的增長勢頭,這是中國膜分離產(chǎn)業(yè)能夠發(fā)展的基本動(dòng)力。2010 年我國 GDP 總量已經(jīng)超越日本成為全球第二,我國人均 GDP接近 4000 美元。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2019年中國 人均GDP首破1萬美。此外,受益于經(jīng)濟(jì)發(fā)展,目前我國企業(yè)實(shí)力大大增強(qiáng),居民收入提高,產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)升級對于膜分離產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域以及消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),為我國膜分離產(chǎn)業(yè)騰飛提供前所未有的機(jī)遇。
(2)政府開始大力推動(dòng)膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
膜技術(shù)的發(fā)展得到了全球范圍的高度重視,美國、日本、歐洲等多國政府將膜技術(shù)作為 21 世紀(jì)高新技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā),制定了相應(yīng)的研究開發(fā)計(jì)劃,促進(jìn)了膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁發(fā)展。我國政府對膜技術(shù)的研究和開發(fā)同樣十分重視,自“六五”以來,每個(gè)五年計(jì)劃都把膜技術(shù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行支持?!丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》、《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(2018)》、《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019)》以及《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019本)》的發(fā)布與實(shí)施均為為膜技術(shù)和膜產(chǎn)業(yè)的自身發(fā)展,膜應(yīng)用市場的培育帶來了前所未有的機(jī)遇。
3、行業(yè)主要進(jìn)入壁壘
(1)人才壁壘
膜分離行業(yè)在我國仍處于起步階段,我國尚未建立起專門的膜分離行業(yè)人才培養(yǎng)和教育體系,膜分離從業(yè)人員多是來自相關(guān)專業(yè),缺乏綜合性人才。業(yè)內(nèi)各企業(yè)基本上以自己培養(yǎng)為主,但由于膜分離行業(yè)應(yīng)用較廣,需要跨越多個(gè)學(xué)科的全面技術(shù)人才,這類人才培育周期較長,相對稀缺。新進(jìn)入者面臨人才壁壘。
(2)技術(shù)壁壘
一般純水處理的膜分離相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)壁壘較低,競爭者眾多。應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等專業(yè)領(lǐng)域膜分離系統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)難度高,其核心技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)的掌握需要長時(shí)間積累。企業(yè)不僅僅需要掌握各種類型膜分離設(shè)備的特性以及在組合時(shí)候不同的作用,同時(shí)必須積累相關(guān)的數(shù)據(jù)。新進(jìn)入者需要對行業(yè)發(fā)展方向和技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行把握,短期內(nèi)很難與先進(jìn)入者在核心技術(shù)層面和應(yīng)用技術(shù)層面展開競爭。