三項國家科學技術進步獎！除了凈水，膜分離還能做什么？(上集)

引言

在今年的膜分離領域，6月份舉行的國家科學技術獎勵大會無疑是最受矚目的盛事，其中三項與膜分離相關的項目榮獲表彰：

一是“新型膜法水處理關鍵技術及應用”項目榮獲國家科學技術進步獎一等獎；

二是“氣體凈化膜材料的創制及應用”項目獲得國家科學技術進步獎二等獎；

三是涵蓋多項膜分離技術的“飲用水安全保障技術體系創建與應用”項目同樣榮獲國家科學技術進步獎一等獎。

一次性獲得三項國家科學技術進步獎，這在膜分離領域尚屬首次，不僅彰顯了我國在該領域的技術實力達到了新的高度，也體現了膜分離技術在環保和資源利用等方面日益重要的作用。

（圖片來源  pixabay）

與其他分離方法相比，膜分離技術具有眾多優勢：

操作可在常溫下進行，是一種物理過程，無需添加化學試劑；

一般情況下不發生相變化（膜蒸餾和滲透汽化除外），因此能耗較低；濃縮和純化過程可以在一個步驟內完成；

易于放大，支持分批或連續操作；

易于與其他工藝集成，適應性強；

環境友好，運行成本低。

這些優點使得膜分離技術在多個領域得到廣泛應用，主要包括物質的分離、檢測、控制釋放以及反應的控制與強化。正因如此，膜分離技術長期以來受到國家的高度重視，在“十三五”期間，國家出臺了23個涉及分離膜的政策專項文件，“十四五”以來，國家各部委陸續出臺相關政策文件，對包括分離膜及其下游重點應用領域發展提出了相應政策支持和發展規劃。

水處理-高端&有奇效

水處理是膜分離技術應用最廣泛的領域，其中海水/苦咸水淡化、飲用水凈化是膜分離技術應用最廣泛也最成熟的領域，這也是我國乃至全球分離膜種類中反滲透膜占比最高的原因。經過多年的發展，膜分離技術在水處理中的應用也在不斷向技術要求更為苛刻的領域拓展。例如，今年在國家科學技術獎勵大會上受到表彰的“新型膜法水處理關鍵技術及應用”項目，其中就包括了“實現芯片超純水分離膜的國產化”和“開發核沾染水處理裝備，以應對突發核泄漏風險”的突破。

（圖片來源  pixabay）

超純水在多個行業都有應用，但是不同行業對超純水的質量標準要求各不相同，其中半導體（芯片）行業代表了超純水使用的最高等級，這對用于超純水制備的分離膜提出了更高的要求。相關技術之前僅由少數國外公司掌握，近年來，國內一些公司如沃頓科技股份有限公司突破相關技術壁壘，成功研發UE系列超純水膜，并已應用于多個微電子領域項目。并且中國膜工業協會在2023年發布了系列團體標準：

《半導體行業超純水制備終端用超濾膜組件產品認證技術要求》（T/ZGM 011—2023）

《半導體行業超純水制備用卷式反滲透膜元件產品認證技術要求》（T/ZGM 012—2023）

《半導體行業超純水制備用電去離子膜堆產品認證技術要求》（T/ZGM 013—2023）

《半導體行業超純水制備用脫氣膜組件產品認證技術要求》（T/ZGM 013—2023）

為促進國內超純水用膜技術發展和產品認證提供有效依據，助力相關企業及產品的技術進步；另一方面將有助于鼓勵超純水制備用膜產品技術升級，以高標準推動中國膜行業高質量發展。

GB/T 33087-2016 儀器分析用高純水規格和試驗方法
-儀器分析用高純水規格

半導體行業超純水規格
（圖片來源  Veolia Water Purification Systems Ltd trading as Purite ）

廢水/污水的處理與資源化也是膜分離技術應用的重要領域。隨著國家環保政策的不斷推進，對廢水/污水處理的要求也日益嚴格。然而，高昂的處理費用給企業帶來了沉重負擔，導致部分企業為降低成本而選擇偷排。如果不能實現資源回收，廢水/污水處理對企業來說只會增加成本。高昂的處理費用不僅加重了企業的負擔，也成為部分企業違規排放的驅動因素之一。

（圖片來源  pixabay）

如果能夠有效利用膜分離技術，在實現廢水/污水達標排放的同時，實現資源的回收再利用，對于企業而言，尤其是傳統高污染行業，是能夠發揮起死回生的功效的。以中國工程院院士徐南平指導、邢衛紅教授領銜的科研團隊為例，他們的“面向制漿廢水零排放的膜制備與集成技術”項目建成“膜法制漿廢水零排放技術與示范工程”，于2014年實施了4萬噸/日的全球首套膜法制漿廢水零排放示范工程，讓陷入絕境的南通王子造紙百億元項目重新煥發生機。

此外，寧夏石嘴山市平羅工業園區的“一園三區”中的精細化工產業園區曾因嚴重的污染隱患多次被中央生態環保督察點名，園區發展面臨著污水排放難題和用水供需矛盾，嚴重制約了園區的發展。2022-2023年該園區建成西北首個精細化工園區廢水分鹽零排放項目（由美富特環保集團核心子公司美峰環境實施），實現了廢水全部回用不外排，極大降低對周邊水生態環境的影響。項目中，廢水中的鹽經過分離提純后，達到工業級產品鹽的標準，實現了再利用，大幅節約了雜鹽的處置費用。

寧夏石嘴山市平羅工業園區精細化工園區廢水分鹽零排放項目
-項目鳥瞰（圖片來源 新華網）

該零排項目應用的MFT－MORE工藝采用“預處理+特種膜濃縮+MVR蒸發”技術，其核心膜濃縮系統為特種高壓反滲透膜和特種高壓納濾膜。通過極致濃縮分鹽后，極少量的濃鹽水蒸發結晶得到高品質工業級氯化鈉和硫酸鈉，膜系統總回收率高達98.6%，雜鹽量較傳統零排工藝減少近95%。出水優于再生水利用標準，項目日廢水處理量達到10000噸，除滿足園區生產用水，還作為景觀綠化、城市雜用水循環利用。

寧夏石嘴山市平羅工業園區精細化工園區廢水分鹽零排放項目
-項目內景（圖片來源 新華網）

氣體凈化/分離-創新&高效

除水處理外，膜分離技術在氣體凈化領域也發揮了重要作用。傳統的氣體凈化技術在去除粉塵方面，主要采用布袋除塵、旋風除塵和靜電除塵等方法，但這些技術難以有效去除超細粉塵；在揮發性有機物（VOCs）去除方面，通常采用吸附、冷凝、燃燒和化學吸收等方法。然而，處理工業廢氣時，這些技術存在明顯不足，特別是在應對廢氣成分復雜、資源回收需求高的情況下表現欠佳。相比之下，膜分離技術不僅高效、節能，還能夠同時實現廢氣達標排放與資源回收，展現出獨特的優勢。

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南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院教授金萬勤帶領的團隊主持完成的“氣體凈化膜材料的創制及應用”項目，在工業煙氣中去除超細粉塵（亞微米級）和有機物，以及回收高附加值粉體和有機溶劑方面取得了重大突破。

團隊提出了一種面向氣固分離的膜材料設計方法，并建立了膜結構性能與控制參數之間的對應關系。與國際先進技術產品相比，所制備的氣體凈化膜透氣速率提高了30%以上，機械性能提升了198%，對0.3微米超細粉塵的去除率遠超國際標準，達到了99.99%以上。針對工業煙氣中油性氣溶膠易在濾材表面吸附、形成污染層，進而影響膜結構和透氣性能的國際性難題，團隊提出了表面疏水疏油改性的熱輔助原位功能化方法，實現了對膜界面結合性與表面浸潤性的有序調控，成功開發出具有雙疏性能的氣體凈化膜材料，大幅提升了膜的抗污染性能和長期服役性能。

（圖片來源  pixabay）

基于上述技術開發的氣體凈化膜技術已在中石化、恒逸石化、江蘇華昌化工等企業的200余套工程中應用，覆蓋全國25個省、市、自治區，率先實現了膜技術在含氯氣體和含油煙塵處理領域的規?；瘧?，累計處理工業氣體超過3000億立方米，新增高附加值粉體和有機溶劑的回收價值超過10億元，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

氣體分離膜技術利用膜兩側混合氣體各組分的分壓差作為驅動力，不同氣體分子通過膜的速率存在差異，滲透速率較快的氣體分子會富集在滲透側，而滲透速率較慢的氣體分子則富集在原料側，從而實現混合氣體的分離。與深冷法、變壓吸附法和化學吸附法等傳統氣體分離方法相比，氣體分離膜技術具有常溫操作、高效節能、設備簡單、模塊化設計且易于擴展的優勢，適用于多種氣體的分離應用。該技術已廣泛應用于合成氨工業中的氫氣回收、石化行業的含烴尾氣處理以及富氮和富氧系統，且取得了成功的實際應用效果。

氣體透過膜的相對滲透速率（圖片來源 互聯網）

氦氣廣泛應用于軍工、石化、制冷、醫療、半導體、超導實驗和深海潛水等領域，是高科技產業不可或缺的稀有戰略性資源，許多行業的發展離不開氦氣，因此氦氣也被譽為“黃金氣體”。作為一種稀有戰略資源，我國的氦氣儲量極為有限，95%以上依賴進口。據估算，我國氦氣資源總量約為11億立方米，其中可直接開采的僅約0.5億立方米，占全球儲量的比例不到0.1%。如果能夠研發出針對貧氦天然氣（氦氣含量0.1~0.3%）的高效、低成本提取技術，將這些氦氣資源加以利用，有望滿足我國40%以上的需求。低溫精餾法在提取高純度氦氣和提升回收率方面具有顯著優勢，但其生產成本高、設備投資大、能耗較高。將膜分離技術與低溫精餾法和變壓吸附法等方法相結合，能夠有效降低設備投資和分離過程中的能耗，已成為天然氣提氦的重要研究方向，并在國內多個項目中得到了成功應用。

2022年11月，中國石化成功試車了西南地區首個氦氣提純項目——中國石化重慶石油分公司涪陵LNG工廠氦氣提純項目。該項目中使用的氦氣提純膜為國內首次自主研發，打破了美國和日本在氦氣分離膜專用高分子材料領域的技術封鎖。

（圖片來源  pixabay）

此外，中國煤炭科學研究總院與窯街煤電集團合作，在含氦煤層氣提取方面，首創了“變壓吸附+膜分離+精制純化”的一體化工藝，成功攻克了多組分煤層氣的變壓吸附脫碳、濃縮、提氦關鍵技術，以及膜分離與高效精制純化耦合的核心技術，氦氣純度最高可達99.9999%以上。2023年，由中國煤炭科學研究總院承建的全球首套3.6萬Nm3/d含氦煤層氣提取高純氦裝置成功投產，氦氣純度達到99.999%以上，標志著我國已完全掌握了含氦煤層氣提氦的成套工藝及工程化技術。

今年年初，中國有研集團有研工程技術研究院有限公司自主研發的氫氦分離提純裝置成功應用于山西呂梁的天然氣閃蒸氣（BOG）提氦項目。該裝置在長時間低溫運行考核中表現優異，成功產出99.999%以上純度的高純氦氣。該項目集成了“變壓吸附+膜分離+吸附脫氫”的BOG提氦新技術，不僅可以在常溫下完成氦氣的粗分、精制和提純，氦氣純度可提高至99.999%以上，還能夠產出純度高于99.999%的高純氫氣產品。