膜蒸馏水处理技术专利进展

刘雪梅 徐 冰

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300308）

0 引言

膜蒸馏（Membrane Distillation，MD）作为一种新的膜分离过程于20 世纪60 年代中期由M.E.indley 提出，是一种将膜分离与蒸发结合起来的新型、环境友好的膜分离技术，其发展始于80 年代初［1］。膜蒸馏采用疏水微孔膜为分隔介质，利用膜两侧的温差所产生的蒸汽压差作为驱动力，来实现溶质和溶剂分离的膜分离过程，因此该过程可看作是膜分离与蒸馏过程的集合［2］。根据透过侧水蒸气收集方式的不同膜蒸馏主要分为直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空式膜蒸馏及气扫式膜蒸馏四种［3］。由于膜蒸馏具有操作条件简单、对原水水质要求不高、可长期稳定运行等特点，其在高浓度难降解复杂体系的化工、印染、放射等废水的深度处理中显现出了独特的优势。国内外针对膜蒸馏处理废水进行了大量研究，涉及煤化工、染料、医药、矿业等行业的含油废水和高盐度、高有机物废水及放射性废水的处理［4］。

本研究结合膜蒸馏技术以及各数据库特点，选取CNABS、VEN 数据库作为检索库，以膜蒸馏、Membrane Distillation、DCMD、AGMD、VMD、SGMD、废水、污水等关键词及分类号C02F、B01D 作为检索要素，同时去重、合并同族后获得国内外有关膜蒸馏处理废水的相关专利申请，并从专利申请量、申请人构成、专利技术分布、技术发展趋势等方面进行了梳理及分析。

1 专利申请现状分析

1.1 专利申请的总体趋势

基于专利检索结果对膜蒸馏水处理相关专利的申请国别进行了统计分析，发现该技术主要在中国、美国、韩国、日本得到大力发展，专利申请量较高。全球及主要申请国膜蒸馏水处理专利申请量变化趋势如图1 所示。从整体上看，全球膜蒸馏处理废水的相关专利申请量基本呈增长态势，其变化趋势大致可以分为以下三个阶段。

图1 全球及主要国家膜蒸馏水处理专利申请量变化趋势

第一阶段：1972—2000 年的技术萌发阶段，该阶段全球专利申请总量主要受美国、日本申请量的影响。首篇专利由美国PACT 公司于1972 年提出（US3650905）。

第二阶段：2001—2006 年的缓慢发展阶段，该阶段申请量呈波动上升的趋势，全球专利申请总量主要受美国申请量的影响。除美国和日本以外，我国和韩国也逐渐出现膜蒸馏水处理的相关专利。

第三阶段：2007 年至今的快速增长阶段，该阶段全球申请总量主要受我国申请量的影响。我国膜蒸馏处理废水的研究呈现出井喷式发展的态势，自2007年起共计申请专利829件，占全球申请总量的57%。

1.2 重点申请人分析

对膜蒸馏水处理的全球专利申请人进行分析，相关申请人在该领域申请量的排名情况如图2 所示。从图2 可以看出，主要申请人中前5 位均为中国申请人。中国申请人包括企业和高校，可见膜蒸馏水处理技术在中国的理论研究和实际应用均得到了较好的发展。而美国、日本在膜蒸馏处理废水领域虽然起步较早，但其主要申请人的专利申请量并不多。

图2 膜蒸馏水处理相关专利全球前10位申请人排名

2 重点专利技术分布

全球重点申请人在膜蒸馏水处理领域的专利技术分布如图3 所示。从图3 可以看出，这些申请人在膜蒸馏水处理领域的研究方向主要集中于膜材料的改进、膜蒸馏设备结构的优化、膜蒸馏工艺路线的改良、与其他工艺的耦合以及膜蒸馏技术应用的扩展这五大方面。具体来说，对于目前申请量最多的中国申请人（中国石油化工集团有限公司、天津科技大学、天津工业大学、中国大唐集团有限公司、中国新奥科技发展有限公司），其主要研究方向为改良膜蒸馏处理废水的工艺路线，其次为优化设备结构和改进膜材料。美国申请人（美国膜蒸馏脱盐有限公司）的主要研究方向为膜材料性能的改进。日本申请人（日本住友电工公司）的研究重点则在于优化设备结构、膜材料的改进和工艺路线的改良。韩国（韩国科学技术院）、沙特（沙特阿卜杜拉国王科技大学）、荷兰（荷兰国家应用科学研究院）申请人的研究方向均重点关注膜蒸馏设备结构的优化。

图3 膜蒸馏水处理领域全球前10位申请人专利技术分布情况

对膜蒸馏处理废水领域全球前10位申请人在上述重点研究方向的具体专利技术构成进行了进一步分析。发现对于膜材料性能的方面，申请人研究的主要方向如下：①对聚丙烯纤维膜结构、制备方法的改进。中国石油化工集团有限公司提出了一种聚丙烯中空纤维分离膜及其制备方法（CN103657439A），稳定纯水通量在1 500～2 500 L/m2·h。②与其他膜材料组合形成复合型膜材料。美国膜蒸馏脱盐有限公司提供了一种用于膜蒸馏的复合膜及其制造方法（US2011/0031100A1），所制备的复合膜具有高蒸气通量。③膜材料微观结构的改进。天津工业大学王亮团队提出了一种具有微纳双微观结构的超疏水PVDF膜的制备方法（CN108114610A），整体上提高了膜的抗润湿性能。④膜材料处理方法的改进。天津工业大学吕晓龙团队提出了一种疏水性分离膜处理方法（CN102397756A），能够解决疏水性分离膜的亲水化渗漏问题。

对于膜蒸馏处理废水的设备结构的优化方面，申请人研究的主要方向如下：①对膜蒸馏设备系统、管路等结构进行改进。天津科技大学唐娜提出了一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置（CN102491577A），提高了膜蒸馏过程热利用率。②对膜蒸馏设备内部结构及外壳等结构的改进。新奥科技发展有限公司提出了一种膜蒸馏装置（CN105399163A），该装置能够降低膜组件内部浓差极化并减少膜管表面的结垢。

对于膜蒸馏处理废水工艺路线的改良方面，专利申请数量较多，申请人研究的主要方向如下：①与多种废水处理工艺相结合形成废水的多级处理工艺。中国石油化工集团有限公司提出了一种高盐废水的处理方法（CN101928087A），采用“调碱除硬+浸没式微滤+中和+膜蒸馏”的处理流程。②余热回收再利用方面。中国大唐集团有限公司提出了一种间接空冷机组热回收及水处理装置与方法（CN106186200A），其将电厂乏汽为作为膜蒸馏系统的热源。③膜蒸馏组件再生方面。天津科技大学陈东团队提出一种溶液吸湿型膜蒸馏组件再生装置（CN208526322U），延长了膜的使用寿命。

对于膜蒸馏处理废水与其他工艺的耦合方面，该研究方向较新，相关的专利文献较少，申请人研究的主要方向在于：①膜蒸馏耦合新能源技术，如太阳能、地热等。中国石油化工集团有限公司提出了一种使用太阳能热泵的膜蒸馏系统（CN1086199 14A）。②膜蒸馏耦合电场技术，如静电场、高频脉冲。天津工业大学杜润红团队提出了一种膜蒸馏的装置和方法（CN108619914A），其设计了一种不对称静电场耦合膜蒸馏的装置。③膜蒸馏耦合其他水处理技术，如正渗透、冷冻结晶等。天津科技大学谢继红团队提出了一种冷冻结冰与膜蒸馏联合型海水淡化装置（CN212127580U）。

对于膜蒸馏水处理应用的拓展相关的专利文献也较少，目前膜蒸馏处理废水的应用主要还是集中于海水淡化、高盐废水脱盐这两个领域，其他应用领域则相应的专利文献很少，且主要集中于废水脱硫、浓缩液处理、有机物废液处理这些方面。如中国石油化工集团有限公司提出了一种采用膜蒸馏技术实现纤维素乙醇发酵中糖液的浓缩方法（CN101270372A）。

3 专利技术发展趋势分析

基于对重要申请人的专利技术分布的分析，结合膜蒸馏处理废水的学术研究进展［5-6］，当前膜蒸馏处理废水的发展趋势和热点可以总结为以下几方面。

①开发新的膜蒸馏用膜材料，以适应膜蒸馏技术的新发展。重点解决低渗透通量的问题，以低成本的材料制备出具有高通量、优异热稳定性、高耐污染和高疏水性的膜。

②开发更合理的膜组件结构以优化膜蒸馏过程，尽可能地提高膜通量和热利用效率；膜蒸馏系统生命周期评价的研究。

③将膜蒸馏过程与其他分离过程相结合，设计出新的具有更好分离性能、操作更简便、能耗更小、更易产业化的膜分离过程。

④利用低品位能源，考虑膜蒸馏与换热网络的热集成及对太阳能、地热及工业余热等低品位能源的利用是膜蒸馏过程摆脱能耗大问题的一个很好的方向。

4 结论

本研究对膜蒸馏水处理领域专利进行分析，可以看出该技术在全球的发展起源于美国和日本，随后在中国和韩国得到了大力发展。中国、美国、日本在膜蒸馏水处理领域的工业应用技术已较为成熟。膜蒸馏水处理技术的研究方向主要集中于膜材料的改进、膜蒸馏设备结构的优化、膜蒸馏工艺路线的改良、与其他工艺的耦合及膜蒸馏技术应用的扩展这五大方面。结合膜蒸馏处理废水的学术研究进展指出当前膜蒸馏处理废水的发展趋势和热点将重点在于膜材料的改进、膜组件结构的优化、与其他分离工艺的耦合以及低品位热源的利用方面。