1.1　膜和膜分離過程的特征

膜技術是一門多學科交叉的高新技術。膜材料涉及高分子化學、無機化學和材料科學等；膜的制備、過程的分離特性、傳遞性質和傳遞機理屬于物理化學和數學的研究范疇；膜分離過程中涉及的流體力學、傳熱、傳質、化工動力學以及過程的設計，主要屬于化學工程研究范疇；從其主要的應用領域來看，還涉及生物學、醫學以及與食品、石油、環境保護等行業有關的學科。在各學科發展和相互滲透的基礎上，膜科學技術有了迅速的發展。同時，膜科學技術的研究和應用，也促進了有關學科的開拓和發展。

膜技術被認為是不斷發展的戰略性新興產業之一和重大的共性技術之一。膜過程已成為工業上氣體分離、水溶液分離、化學產品和生化產品的分離與純化的重要過程，廣泛應用于食品生產、飲料加工、工業污水處理、大規?？諝夂凸I氣體分離、濕法冶金、氣體和液體燃料的生產以及石油化工制品生產等領域。

膜從廣義上可定義為兩相之間的一個不連續區間。這個區間的三維量度中的一維和其余兩維相比要小得多。膜一般很薄，厚度從幾納米、幾微米至幾百微米之間，而長度和寬度要以米來計量。

膜可以是固相、液相，甚至是氣相的。用各種天然材料或人工材料制造出來的膜品種繁多，在物理、化學和生物性質上呈現出各種各樣的特性。本手冊將集中敘述具有分離功能的膜，即不同物質可選擇透過的膜。從這個意義上，膜可以定義為：膜是一種具有選擇透過性的介質，即它允許某些物質通過，而截留另一些物質，這些物質可以是分子、離子或微粒。膜有兩個特點：①膜必須有兩個界面，分別與兩側的流體相接觸；②膜必須有選擇透過性，它可以使流體相中的一種或多種物質透過，而阻止其他物質透過。膜可以是均相的或非均相的、對稱的或非對稱的、中性的或荷電性的，可對雙組分或多組分體系進行分離、分級、提純或富集，因而對人類的生產和生活具有極為重要的作用［1］。

目前，無論從產量、產值、品種、功能或應用對象來講，絕大多數的分離膜都是固體膜。液膜分離技術誕生于20世紀60年代，其后陸續有些相關的研究和應用報道。氣體在原則上可構成分離膜，但研究它的人很少。

膜從材料上可分為無機膜、有機膜、有機-無機復合膜等。一般來說，膜追求高分離性能、高穩定性、低成本和長壽命等，以滿足工程化的應用需求［2，3］。

物質選擇透過膜的推動力，其熱力學實質是化學位差。常溫下，這種推動力有兩種情況：一種是由濃度差形成的化學位差，物質由高位側向低位側流動（滲透）；另一種是借助外加能量，使物質由原來的低位側向原高位側流動（反滲透）。表1-1中列出了主要膜分離過程的功能、推動力及所用膜類型［3］。

表征分離膜的性能主要有兩個參數。一個參數是各種物質透過膜的速率的比值，即滲透選擇性（也可稱為分離系數）。滲透選擇性的大小表示了該體系分離的難易程度。它對被分離體系所能得到的濃度（或純度）、分離過程的能耗（或功耗）都有決定性的影響，對分離設備的大小也有一定的影響。另一個參數是物質透過膜的速率，或稱為通量，即單位面積膜上單位時間（和單位驅動力）內透過物質的數量。這個參數直接決定了分離設備的大小。當然，這兩個參數在不同的膜分離過程中有不同的具體表示方法。

膜分離過程通常是一個高效的分離過程。例如，在按物質顆粒大小分離的領域，以重力為基礎的分離技術的最小極限是微米（μm），而膜分離技術中卻可以做到將分子量為幾千，甚至幾百（相應的顆粒大小為納米級）的物質進行分離。又如，和擴散過程相比，蒸餾過程中物質的相對揮發度的數值大都是個位數，對難分離物質體系有時僅比1稍大一些，而膜分離的分離系數要大得多。如乙醇含量超過90%的水溶液已接近恒沸點，用蒸餾的方法很難分離，但滲透汽化的分離系數為幾百甚至上萬。再如，N2和H2的分離，蒸餾不僅要在深冷條件下進行，而且H2/N2的相對揮發度很小，用聚砜膜分離的分離系數為80左右，聚酰亞胺膜則超過120。蒸餾過程的分離系數主要決定于體系的物化性質，而膜分離過程中，加入了膜材料的物性、結構、形態等因數，因此顯示了異乎尋常的高性能。并且，膜材料如此多樣，這就為膜分離技術的發展提供了廣闊的天地。

膜分離過程的能耗（功耗）通常比較低。能耗低主要有兩個原因：一是膜分離過程中，被分離的物質大都不發生相變。對比之下，蒸發、蒸餾、萃取、吸收、吸附等分離過程都伴隨著從液相或吸附相至氣相的變化，而相變的能耗往往很大。二是許多膜分離過程通常是在室溫附近的溫度下進行，被分離物料加熱或冷卻的過程能耗亦較小。

膜分離設備本身沒有運動的部件，工作溫度又在室溫附近，可靠度較高，操作較簡便，而且從啟動到得到產品的時間很短，可以在頻繁的啟停下工作。由于分離效率高，通常設備的體積比較小，這也是一個突出的優點。

膜分離過程的另一個突出特點是它的規模和處理能力可在很大范圍內變化，設備放大效應小。