综述：探究在恶劣操作条件下膜分离的性能：一种环保的膜工艺方法

《Environmental Technology & Innovation》：Exploring the Performance of Membrane Separation under Harsh Operating Conditions: A Green Approach to Membrane Processes

绿色膜技术综述：聚合物膜因溶剂毒性和耐温性不足，逐渐被陶瓷膜、碳基膜和金属膜取代。陶瓷膜（如Al?O?-ZrO?）在pH 0-14范围内耐腐蚀，高温（>100°C）和高压（>40bar）条件下表现优异，但成本较高。碳基膜（如石墨烯、碳纳米管）在酸性环境中抗污性强，且耐高温，适用于油水分离和气体净化。金属膜（如Pd/SS）在氢气分离中效率高，但易受硫化物腐蚀。绿色制备方法包括生物聚合物（如PLA、CS）替代传统聚合物，非毒性溶剂（如DEGMEA）及溶剂回收技术。生命周期分析（LCA）和E因子评估显示，优化溶剂回收可降低环境影响。未来需解决成本、规模化及极端条件稳定性问题。（摘要结束）

　　膜分离技术作为绿色替代传统分离技术的手段，因其低能耗特性而受到越来越多的关注。然而，目前用于制造聚合物膜的工艺和技术往往对环境和人类健康造成一定的负面影响。因此，使用绿色聚合物和溶剂成为一种常见的方法，以实现环保的膜合成。此外，使用无机膜可以减少对环境和人体健康的不良影响，因为这些膜使用的原料通常更加安全。然而，研究人员和工业界面临的一个主要问题与膜在恶劣条件下的操作和耐久性有关。换句话说，聚合物膜在分离过程中应用的限制可能是决定操作条件参数（如压力、温度和环境pH）的关键因素。

尽管文献中已经存在许多膜材料，但本文的重点在于无机膜作为绿色膜在恶劣操作条件下的应用。研究结果表明，在恶劣的操作条件下，金属膜主要用于气相过程。相比之下，碳膜和陶瓷膜在废水处理和气相过程中表现出色。值得注意的是，陶瓷膜在高温和广泛pH环境中的表现尤为优异。

在绿色化学领域，膜技术通常被视为可持续的，然而其制造过程却会产生每年超过500亿升的废水，这些废水中含有过量的聚合物溶液、聚合物以及使用过的膜。这种污染对土壤、水质和作物产量造成了危害。绿色膜可以通过不使用溶剂或使用更安全的绿色溶剂，以及从可再生资源而不是石油基聚合物中制造来实现。N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、二甲基乙酰胺（DMAC）和二甲基甲酰胺（DMF）是传统的膜制备溶剂，但这些溶剂已被欧洲化学品管理局（ECHA）的化学品注册、评估、授权和限制（REACH）法规所涵盖。因此，用非毒或低毒性溶剂替代这些传统溶剂，可以将膜技术更接近绿色过程。此外，研究人员和工业界正逐步转向广泛使用绿色聚合物膜，以减少和管理合成聚合物引发的污染。

尽管聚合物膜技术的发展稳步推进，但无机膜的开发也日益受到关注，这主要归因于其卓越的化学和物理特性，以及良好的可调节性和可重复使用性。无机膜的使用可以追溯到19世纪中叶，近年来在超滤和微滤过程中被广泛采用。此外，这些膜在多种过程中的应用也在不断扩大，包括催化反应和膜分离的耦合。这种趋势显著提升了膜分离过程在绿色化学方面的表现。

绿色化学的十二项原则是膜技术发展的重要指导方针。这些原则涵盖从能源生产方法到无害清洁剂等技术与材料的全面进步，最终为未来世代创造可持续的社会。其中，无机膜在多个方面符合这些原则，尤其是在材料选择和制备过程的环保性上。然而，无机膜制备过程中的一个关键步骤是高温烧结，这使得其无法完全符合绿色化学的第六项原则，即设计为节能。

无机膜主要包括陶瓷膜、碳膜和金属膜三类。这些膜在恶劣操作条件下展现出显著的优势，例如在高温（≥100°C）、高压（≥40 bar）和强酸或强碱环境（pH≥9或pH≤3）中。然而，无机膜也存在一些挑战，如脆性、较高的安装和修改成本以及在高温应用中的复杂密封技术。因此，解决这些问题对于推动无机膜的广泛应用至关重要。

陶瓷膜在废水处理和气相分离过程中表现出色，尤其在高温和宽泛pH环境中。例如，在某些研究中，陶瓷膜在pH=3和pH=9的条件下仍能保持良好的性能。这种稳定性使得陶瓷膜成为处理含有重金属和有机物的废水的理想选择。然而，由于陶瓷膜在某些应用中可能表现出较差的抗污染能力，因此需要进一步研究以优化其性能。

碳膜在气相分离和废水处理过程中也显示出良好的性能，尤其是在高温和高压条件下。这些膜具有良好的热稳定性和化学稳定性，且其在特定条件下的性能可以达到较高水平。然而，碳膜的制造成本相对较高，且其制备过程中可能需要较高的温度，这可能对环境造成一定影响。此外，碳膜在某些酸性环境中的抗污染能力优于其他膜，但其在碱性环境中的性能可能受到一定限制。

金属膜在气相分离过程中表现出色，尤其是在高温条件下。这些膜具有良好的热稳定性和高氢渗透性，使得它们在某些应用中成为首选。然而，金属膜的高成本和脆性限制了其在工业中的广泛应用。为了降低金属膜的成本，研究者正在探索使用更便宜的原材料和优化膜的结构设计。例如，使用低成本的原材料和薄层金属涂层可以有效降低成本，同时保持膜的性能。

无机膜在工业中的应用还面临一些挑战，如膜的制备成本高、操作条件复杂以及环境影响较大。因此，未来的膜技术研究需要在材料和工艺层面进行深入探索，以克服这些挑战。此外，通过整合技术经济分析（TEA）和生命周期分析（LCA），可以更全面地评估膜技术的环境和经济可行性。这不仅有助于优化膜的性能，还能推动其在更多工业应用中的使用。

总之，无机膜在绿色化学和可持续工业应用中展现出巨大的潜力。通过不断改进膜的材料选择、制备工艺和操作条件，可以进一步提升其在恶劣环境下的性能，同时降低其成本和环境影响。这将有助于实现更环保的膜技术，为工业界提供更加可靠和高效的分离解决方案。