无机膜的发展历程、现状与未来挑战：从曼哈顿计划到工业应用新机遇

本文聚焦无机膜在分离技术领域的演进历程与前沿突破。研究人员系统梳理了自1940年代曼哈顿计划首次工业应用以来，无机膜在微滤(MF)/超滤(UF)领域的优势及其在气体分离中的瓶颈问题，提出未来应着力解决渗透率低、装填密度不足等核心挑战，为开发耐极端环境的膜反应器及电池集成等创新应用提供战略指导。

　　

在分离科学领域，无机膜因其卓越的耐高温、抗腐蚀特性被誉为"极端环境下的分离卫士"。这项技术的起源可追溯至二战时期曼哈顿计划中的铀同位素分离，但直到1980年代才迎来真正的科研爆发。如今，虽然陶瓷膜在微滤(MF)和超滤(UF)领域已实现工业化应用，但在更具战略价值的气体分离领域却始终难以突破成本与性能的"双高"困局。

美国国家科学基金会(NSF)资助的Jerry Y.S. Lin团队在《Separation and Purification Technology》发表重要综述，通过文献计量分析和工业案例研究，揭示了无机膜发展的三大关键矛盾：聚合物膜的成本优势与无机膜的稳定性优势的对抗、实验室突破与工业化落地的断层、传统应用与新兴场景的需求差异。研究采用渗透率数学模型量化比较了陶瓷膜与聚合物膜的性价比临界点，结合全球1400篇文献的计量分析，绘制出无机膜技术发展路线图。

The past of inorganic membranes ? A personal Journey

研究追溯了无机膜从铀同位素分离到现代水处理的演变历程，指出1980年代溶胶-凝胶法和水热合成技术的突破是推动微孔膜发展的关键转折。

Overview of academic research and industry applications

数据显示中国贡献了全球50%以上的无机膜论文，但工业应用仍集中在欧美企业。微滤/超滤膜凭借高渗透率(比聚合物膜高10-100倍)在苛刻环境流体处理中占据不可替代地位。

Permeance, membrane costs and packing density

通过Knudsen数模型证明，气体分离中无机膜渗透率(<10^-7 mol/(m²·s·Pa))仅为聚合物膜的1/10，且模块装填密度低至100 m²/m³，导致设备体积庞大。

Perspective

提出未来应重点开发混合基质膜以兼顾选择性与渗透率，同时探索膜反应器耦合催化过程等创新应用，如在锂离子电池中实现离子选择性传输。

Conclusions

研究强调必须通过材料创新将无机膜成本降低至50美元/m²以下，并开发新型模块设计提升装填密度至300 m²/m³，才能突破气体分离领域的商业化瓶颈。这项工作为无机膜在碳中和背景下的战略应用提供了关键理论支撑，特别是对高温CO₂捕集等新兴领域具有重要指导价值。