探秘“膜”界

编者按

说到膜，大家可能会立刻想到手机贴膜、保鲜膜、塑料薄膜等，总之就是薄薄的、透明的那种。不过，今天我们要说的可不是这些膜，而是一种充满着神秘感的科技之膜。从外观看，它长得跟普通的薄膜差不多，但它内在有着无可限量的强大本领，是科学家竞相研究的对象。那么，它究竟神奇在哪里？请随我们进入“膜”界一探究竟。

这里所说的“膜”界可没有什么妖魔鬼怪，而是指有着无数个小孔的膜——一种有选择性分离功能的材料。如果把膜放在高倍电子显微镜下，我们便可以直观地看到不同的膜上存在着大大小小的“孔”，有的孔径甚至不到头发丝的百万分之一。各种膜正是根据不同的孔径大小来实现对料液不同组分的分离、纯化和浓缩，这就是近年来在我国快速发展起来的膜分离技术。膜分离技术的原理是：在外力的作用下，比孔小的分子物质通过薄膜，比孔大的分子物质则被截留在膜的另一侧，从而达到物质分离的效果。不过，纳滤除了可以截留筛分外，因其表面分离层由聚电解质构成，与离子可产生静电相互作用，因此具有更佳的选择分离性。

“膜”界历史

其实，“膜”界早在270多年前就已发端萌芽。1748年，耐克特发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，由此发现了渗透现象。1861年，施密特首先提出了超滤的概念。1961年，米切利斯等人用高分子电介质混合物制成了可截留不同分子的超滤膜，随后得到了商业化应用。1967年，中空纤维反渗透膜组件和平板式反渗透膜组件研制成功，并开始工业化。

我国从20世纪60年代开始探索膜技术，70年代逐渐对电渗析、超濾、反渗透等进行研究开发，80年代进入推广应用阶段。随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。经过多年的努力，目前我国在膜分离技术的研究方面涌现出了一批具有实用价值、接近或达到国际先进水平的研究成果，我国自主研发的膜分离技术已逐渐在各个行业开花结果。

“膜”界成员

膜从形态上来说可以是固态的、液态的甚至是气态的，也可以是带电的或中性的，目前使用的绝大多数是固相膜。按膜的结构可分为对称膜、非对称膜，非对称膜是最广泛的一种分离膜，分为相转化膜、复合膜两类。膜分离技术根据膜孔径的大小，一般可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等。微滤可以将直径为0.05～10µm的粒子与其他溶液分离，超滤分离的是大分子或直径大于0.10µm的微粒，反渗透膜用于截留溶液中的盐及其他小分子物质，纳滤则介于超滤和反渗透之间，可以分离分子量为几百到几千的溶质。随着膜孔径减小，膜阻力越来越大，筛分作用越来越小，操作压力越来越高，膜通量越来越小。

常见的膜材料有纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类、芳香杂环类、离子性聚合物、乙烯基聚合物等，其中聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）等因其优越的机械、化学性能越来越受到行业的关注。除了膜材料外，其制备工艺对分离膜的性能也十分重要。即便是同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别也很大。目前国内外制膜方法中最常用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合法。工业上常用的膜组件形式主要有板框式、螺旋卷式、圆管式、毛细管式和中空纤维式5种，前两种使用平板膜，后三者均使用管式膜。

“膜”界魔法

别看它们只是薄薄的一层膜，本领可是堪比各路神仙，储电、净水、制作美食、医疗、石油化工、生物工程、环保行业都有它在大显身手。与传统的精馏、蒸发、萃取、结晶等分离工艺相比，膜分离技术具有高效、节能、工艺过程简单、投资少、绿色安全、污染小等优点，可以说是对传统分离方法的一次革命，被公认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前景的高新技术之一，也是国际上公认的最具效益技术之一。

不过膜分离技术也有自身的缺点，如膜面易受污染而形成附着层，使透水率降低，从而形成浓差极化现象。另外，具有优越性能的膜材料种类还比较少，膜产品价格相对较高。虽然我国的膜分离技术在许多方面的应用离产业化要求还有一定距离，但是随着新型膜材料的不断开发，以及高效膜分离技术研究的不断深入，膜分离技术必将在产业化道路上获得长足发展。