1.1　膜及膜过程

膜在自然界中，特别是在生物体内是广泛而恒久地存在着的，它与生命起源和生命活动密切相关，是一切生命活动的基础。膜过程在许多自然现象中发挥了重大的作用，在现代经济发展和人民的日常生活中也扮演着重要的角色。

在早期的生活和生产实践中，人类就已不自觉地接触膜和应用了膜过程。2000多年以前，我国古人就在酿造、烹饪、炼丹和制药的实践中利用了天然生物膜的分离特性，如 “莞蒲厚洒”“弊箪淡卤”及“海井”淡化海水等。但在其后漫长的历史进程中，膜技术在我国没有得到应有的发展 ^［1］。在250多年之前，国外研究者Nollet就注意到水能自发地扩散穿过猪膀胱进入到酒精溶液这一现象，直到1864年Traube才成功研制出人类历史上第一张人造膜——亚铁氰化铜膜。然而，膜及膜过程的研究并没有获得突破性的进展甚至曾一度被迫停顿。20世纪中叶后，随着物理化学、聚合物化学、生物学、医学和生理学等学科的深入发展并趋于完整和系列化，现代分析技术的发展和各种新型膜材料及制膜技术的不断开拓，现代工业对节能、资源再生、环境污染消除的需求加强，各种膜分离技术才开始在水的脱盐和纯化、石油化工、轻工、纺织、食品、生物技术、医药、环境保护等领域得到应用。20世纪50年代以后，人们终于在大规模生产高通量、无缺陷的膜和紧凑的、高面积/体积比的膜分离器上取得突破，从而掀起了研制各种分离膜，发展不同膜过程的高潮。每10年就有一种新的膜技术进入工业应用^［2］。膜分离技术开始作为一门新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术在各个工业过程得到广泛应用^［3］。膜科学发展史和膜工业发展史见表1-1和表1-2。

膜技术主要应用在四大方面：分离 （微滤、超滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化、渗析）、控制释放 （治疗装置、药物释放装置、农药持续释放、化肥的控制释放）、膜反应器 （膜生物反应器、催化膜反应器）和能量转换 （电池隔膜、燃料电池隔膜、电解器隔膜、固体聚电解质）等。

表1-1　膜科学发展史^［2］

表1-2　膜工业发展史^［2］

膜过程是以不同结构与性能的膜为决定因素的分离过程。然而，膜在使用中常常遇到污染与劣化问题。膜材料、膜的形成机理、膜结构的控制、料液的预处理、组件流体力学条件的优化和膜清洗等构成了膜领域中的重要内容。

膜科学目前的主要发展方向包括：膜集成过程、膜杂化过程、水的电渗离解、细胞培养的免疫隔离、膜反应器、催化膜和手征膜。

膜市场中各个膜过程的销售和发展状况、增长趋势和未来的市场潜力见图1-1和表1-3。

图1-1　膜技术发展状况和销售趋势^［4］

D—渗析；MF—微滤；UF—超滤；RO—反渗透；ED—电渗析；GS—气体分离；PV—渗透汽化；BP—双极膜；LM—液膜；MR—膜反应器；GM—闸膜；AT—活化传递

表1-3　各种膜过程应用的附加值^［4］

在当今世界能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜技术的开发与利用得到世界各国的普遍重视。全世界膜和膜组件的年均增长率达14%～30%。膜技术成为20世纪末到21世纪中期最有发展前途的高技术之一。更严的环保法规、更高的能源和原材料价格将进一步刺激膜市场的发展。膜技术已成为解决当前能源、资源和环境污染问题的重要高新技术及可持续发展技术的基础^［2］。