2.1 引言

膜技术是一种新型高效的分离技术，是多学科交叉的产物，也是化学工程学科发展的新增长点。

随着经济的发展、社会的进步和人类对不断提高生活品质的需求，能源紧张、资源匮乏、环境污染的问题越来越突出，而膜分离技术正是解决这些人类面临的重大问题的新技术之一。

膜技术的核心是“膜”，现在，让我们一起插上想象力的翅膀，去触摸和认识这个神奇的膜世界。

膜是人类的好朋友

你见过膜吗？听到这个问题，也许很多人会摇头，“膜”听起来有点陌生而玄奥。其实膜是我们最亲密、最熟悉的好朋友，它不仅影响着我们日常生活的方方面面，在我们的身体里也无处不在。只不过大家是“不识庐山真面目，只缘身在此山中”罢了。

众所周知，构成动物及植物的最小基本单元是细胞，而真核细胞的外壁被称为细胞膜。人的身体是由无数细胞构成的，所以说我们的全身都是膜。

生物膜的作用举足轻重，它是保障人类及所有的动物、植物维持生命正常运转的最为重要的组成单元。研究发现，细胞膜有两种专门的通道：一种为水通道，另一种为离子通道。水通道只允许水分子通过，而离子通道只允许离子通过。正是由于这两种通道的存在，细胞膜才具有了自动调控生物体内水与电解质平衡的神奇功能，使体内的水分及电解质（离子）始终保持在正常范围内。一旦这个通道失调失控，例如人体内水分排不出去而过多时，人就会浮肿；而当人体内钠离子过多时，就会患高血压病。可见，细胞膜对于生命健康是多么的重要。

人工合成膜的起源

膜（membrane）的家族极为庞大，前面介绍的生物膜仅仅是其中的一种。目前在人类生产生活中，应用最广的当属人工合成高分子膜。

1748年，一个偶然的机会让法国人阿贝·诺莱特（A. Nollet）发现了生物膜的渗透现象。他将猪膀胱当作一个容器，把酒精溶液灌入猪膀胱里，系上口子之后浸入到水缸里。过了一段时间，他发现装有酒精的猪膀胱逐渐涨大起来，也就是说，水缸里的水自发地透过猪膀胱进入到酒精溶液中去了。猪膀胱是一种生物膜，也是一种半透膜。水分子在浓度差的推动下，会自发地从稀溶液（水）的一侧通过半透膜迁移到浓溶液（酒精）一侧，这就是“渗透”现象。这次偶然的发现是迄今为止史料中最早记载的膜分离现象。

生物膜惊人的功能和效率，激发了人类灵感，科学家们模仿生物膜的功能，研制出了一系列人造功能膜。例如：

● 海带具有能够将海水中的碘富集浓缩1000多倍的功能，模仿海带研制出了能富集海水中碘的液膜；

● 自然界中一种叫石毛的藻类具有把铀富集750倍的功能，模仿石毛研制出了能分离并浓缩铀235和铀238的功能膜，早期制造原子弹用的铀235就使用了这一技术；

● 根据猪膀胱的渗透原理，科学家们发明了反渗透膜，用于海水淡化，制备超纯水；

● 模仿肾脏排除血液毒素的功能，科学家们制出了透析膜，挽救了千千万万尿毒症患者的生命；

● 鱼能够通过鳃，把溶解在水里的氧气分离出来供自己呼吸，模仿鱼，科学家研制出了氧合膜，用于制造人工肺，可以摄取氧气，排出二氧化碳，在进行心脏手术时代替人体肺脏。

20世纪60年代，美国加利福尼亚大学的罗伯（S. Loeb）和索里拉金（S. Sourirajan）等人研究成功人类第一张具有实际应用价值的高通量、高脱盐率的反渗透膜，使膜技术迅速从实验室走向工业应用。

此后半个多世纪，科学家们研究出许许多多不同特点的功能神奇的膜。

神奇的功能膜

功能膜的功能涵盖了物质分离、能量转换、物质转化、控制释放、荷电传导、物质识别及信息传感等功能。

（1）物质分离膜

用于对气态、液态、固态等各类混合物进行精密分离，包括气／气分离（如O ₂ /N ₂ 、N ₂ /H ₂ 、CO/CO ₂ ），气／液分离（如脱氧膜），液／液分离（如苯／环己烷、丙酮／水、乙醇／水、苯／水），固／液分离（如胶体／水、细菌／水、颗粒／溶液），离子分离（如单价离子／多价离子、阴离子／阳离子），同位素分离（如 ²³⁵ UF ₆ / ²³⁸ UF ₆ ），同分异构体分离（如邻、对、间位二甲苯），手性化合物分离（如D-色氨酸/L-色氨酸），共沸物分离（如H ₂ O/EtOH）等。

（2）能量转换膜

包括化学能-电能转换（燃料电池膜），光能-电能转换（光电池膜），光能-化学能转化（光转化膜），机械能-电能转换（压电膜），光能-机械能、热能转换（光感应膜），热能-电能转换（热电膜），电能-光能转换（发光膜）。

（3）物质转化膜

包括膜反应器用膜和膜生物反应器用膜，有的膜本身既是分离介质也是催化剂载体。物质转化膜的应用实例之一是钯膜反应器制氢。

钯膜本身就是催化剂同时具有高透氢特性，将甲烷在高温下转化成一氧化碳和氢气，并不断使氢气透过膜，从而实现氢气与甲烷、一氧化碳分离，来制取氢气（图2.2）。

（4）控制释放膜

包括蓄器式（即药物混合在高聚物中，高聚物分解后药物释放）、基片式、溶胀控制式和渗透式。在医药领域，控缓释胶囊已广泛应用，但有些疾病无法使用胶囊，如青光眼类的眼病，需要终身滴眼药水。科学家将药物包覆进控制释放膜中，这种膜很薄，可直接放在眼睑处，自动释放出药物，定期更换，解决了传统眼药水周期性药物浓度变化和利用率低的问题。

（5）电荷传导膜

包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、镶嵌荷电膜、双极膜和导电膜等。

（6）物质识别膜

可用于制作膜生物传感器。

在众多功能膜中，研究开发时间最长、技术最成熟、应用最广泛的是具有分离功能的膜，简称分离膜，本章重点介绍分离膜及其应用。

化学及化学工程与分离膜技术

20世纪发明的七大技术是：信息技术；化学合成及化工分离技术；航空航天和导弹技术；核科学及核武器技术；生物技术；纳米技术；激光技术。

但这些技术中什么技术对人类的生存影响最大呢？我国著名的化学家、中国科学院院士、2008年度全国最高科学技术奖获得者徐光宪先生认为，化学合成及化工分离技术是对人类生存影响最重大的技术。

化学合成和化工分离技术为人类发明了合成氨、合成纤维、合成塑料、合成橡胶、合成洗涤剂、医药及涂料等。这些产品渗透到人们的衣食住行。如果没有这些，人类的衣食住行将成为大问题，例如合成氨技术在20世纪是唯一两度荣获诺贝尔奖的发明，如果没有这一发明，世界粮食产量将减少一半，全球将有35亿人营养不良，但如果没有另外六大技术，人类照样能够生存。

人类通过化学合成和化工分离技术，制成了2285万种新物质和新材料，为其他六大技术的发展奠定了基础，可见化学合成及化工分离技术的确是人类生存、经济及科技发展影响最大的技术。

以分离膜为核心的膜科学技术是化学工程学科的重要组成部分，它的诞生和发展与化学及化学工程的发展密切相关。化学和化学工程为分离膜技术提供了制膜的原材料，膜的制备、膜传递过程的研究及膜的工程应用，无一不应用化学工程学科的基本理论和方法。然而，分离膜技术的出现又对化学和化学工程的发展产生了举足轻重的影响。

当今膜分离技术的应用，涉及国民经济各个领域，如图2.4所示的工业生产领域，以及生物、食品、医药等领域。发达国家都把膜分离技术纳入国家计划，美国把膜技术作为生物工程中重要的纯化手段，日本把膜技术作为21世纪基础技术进行研究与开发。我国把膜分离技术列为涉及经济、社会可持续发展的高新技术之一，自20世纪80年代初，持续投入巨资，支持基础和应用研究，支持进行产业化应用，极大地推动了膜技术的发展及工业应用。