邱天然，況彩菱，鄭祥，沈志鵬，王晉琳，蔡木林（中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系，北京 0087；中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標準研究所，北京000）

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產(chǎn)品與市場

全球氣體膜分離技術(shù)的研究和應(yīng)用趨勢
——基于近20年SCI論文和專利的分析

邱天然1，況彩菱1，鄭祥1，沈志鵬1，王晉琳1，蔡木林2
（1中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系，北京 100872；2中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標準研究所，北京100012）

摘要：為把握整體氣體膜分離產(chǎn)業(yè)研究和創(chuàng)新狀況，在Web of Knowledge（WOK）平臺的Web of Science?數(shù)據(jù)庫和Derwent（德溫特）專利數(shù)據(jù)庫檢索了有關(guān)氣體膜分離技術(shù)的文獻，并采用文獻計量學(xué)的方法進行分析。結(jié)果表明，1995—2014年全球相關(guān)論文共2972篇，專利4266項。氣體膜分離技術(shù)現(xiàn)處于研究的成長期，已形成核心作者群。氣體膜分離材料的研究熱點為混合基質(zhì)膜、沸石膜和炭膜，但工業(yè)化應(yīng)用以傳統(tǒng)有機高分子材料為主，氣體膜分離技術(shù)主要的研究和應(yīng)用領(lǐng)域為氫回收、空分和脫碳。美國和日本的研究和應(yīng)用優(yōu)勢較明顯，我國氣體膜分離的研發(fā)主體為高校和科研院所，盡管發(fā)文量位居世界第二，但科研質(zhì)量和國際影響力仍需提高，科研成果轉(zhuǎn)化率不高。預(yù)計未來氣體膜分離的研究重點會在沸石膜和炭膜等新型膜材料的空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計合成和碳捕獲的技術(shù)應(yīng)用上，滲透汽化膜的應(yīng)用和揮發(fā)性有機物（VOCs）分離也是未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：文獻計量學(xué)；氣體；膜；分離；研究型論文；專利

氣體膜分離技術(shù)在工業(yè)氣體方面應(yīng)用市場前景廣泛，最重要的應(yīng)用包括制氮、富氧、提氫、脫碳、有機蒸氣回收和脫濕等。與其他氣體分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)的主要優(yōu)勢在于無相變、能耗低、常溫運行、占地面積小、操作簡便等，由于其分離驅(qū)動力為壓力，尤其適合處理自身帶壓力的氣體分離。

我國氣體膜分離技術(shù)在主要應(yīng)用領(lǐng)域的首次工業(yè)化均落后于國外發(fā)達國家[1-2]，如表1。

在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的氣體膜材料主要包括以下 7種有機高分子材料：聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酰亞胺、乙酸纖維素、聚二甲基硅氧烷、聚芳酰胺[5-6]，但隨著氣體膜分離應(yīng)用要求的提高和應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)膜材料氣體滲透性能和選擇性能的Robeson上限、所面臨的老化和塑化問題已不能滿足日益增長的工業(yè)需要。開發(fā)新型膜材料，并完成從實驗室制造到工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，已成為氣體膜分離技術(shù)推廣應(yīng)用的當務(wù)之急?！陡咝阅苣げ牧峡萍及l(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》[7]也指出，高性能膜材料的應(yīng)用覆蓋面在一定程度上反映一個國家過程工業(yè)、能源利用和環(huán)境保護的水平。

我國膜材料主要依賴進口，除合成氨氫回收和富氧助燃領(lǐng)域外，其他領(lǐng)域應(yīng)用仍被進口膜占據(jù)[8]。我國在膜材料制造領(lǐng)域不僅需突破高通量、高強度、化學(xué)穩(wěn)定性好的氣體分離膜制備技術(shù)，也需要進行新型膜材料的研發(fā)，縮小與世界先進技術(shù)的差距。

近年來，氣體膜分離技術(shù)的研究多集中于膜材料和技術(shù)本身的發(fā)展及應(yīng)用，鮮見對整個氣體膜分離產(chǎn)業(yè)研究和創(chuàng)新狀況的整體情況的把握。本文采用文獻計量學(xué)的方法，利用Web of Science?數(shù)據(jù)庫收錄的期刊論文和 Derwent（德溫特）專利數(shù)據(jù)庫的專利數(shù)據(jù)，深入揭示氣體膜分離領(lǐng)域近20年的客觀發(fā)展態(tài)勢和前景，反映全球和中國氣體膜分離領(lǐng)域的研究和應(yīng)用概況及其深刻聯(lián)系，以期為我國氣體膜分離技術(shù)的研究和應(yīng)用提供指導(dǎo)[9]。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文通過檢索湯森路透（Thomson Reuters）知識產(chǎn)權(quán)與科技信息集團出品的 Web of Knowledge （WOK）平臺 Web of Science?數(shù)據(jù)庫 Science Citation Index-Expanded TM（科學(xué)引文索引，通常稱為SCI-E)，選擇主題檢索，時間跨度為1995—2014年，主題為氣體膜分離[TS=(“membrane$”“gas separation”)]的論文文獻。對于氣體膜分離不同領(lǐng)域的主題詞檢索，在 TS=(“membrane$”“gas separation”)的文獻中，檢索策略如表2[10]。

表2 氣體膜分離不同應(yīng)用領(lǐng)域的檢索策略

專利數(shù)據(jù)來源于 Derwent（德溫特）專利數(shù)據(jù)庫。檢索方法為：通過敘詞membrane、gas separation檢索德溫特手工代碼，在檢出的德溫特手工代碼中保留其中1個，如表3。檢索式MAN=J01-E03E，1995—2014年專利共 4266項。限定專利號以 CN開頭，以檢索國內(nèi)外專利申請人在中國申請的專利，得到檢索式為MAN=J01-E03E and PN=CN*，共檢出專利999項。

表3 德溫特手工代碼

本文使用的分析方法是利用湯森路透開發(fā)的數(shù)據(jù)分析工具TDA(Thomoson data analyzer)軟件，以及使用Excel和Bicomb2對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和計量分析，以把握氣體膜分離技術(shù)的研究動態(tài)和發(fā)展趨勢[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)研究狀況

2.1.1 整體情況及研究熱點

（1）整體情況 文獻數(shù)量的年度分布反映的是該學(xué)科在一定時間段內(nèi)的研究水平和發(fā)展狀況。截止到 2014年，SCI-E共收錄主題為氣體膜分離（“membrane$”*”gas separation”）的論文為3566篇，其中1995—2014年2972篇。圖1給出全球氣體膜分離領(lǐng)域SCI發(fā)文量的年度分布和增長情況，可見氣體膜分離技術(shù)在近年來得到了廣泛的研究和關(guān)注。

根據(jù)普賴斯的“科學(xué)文獻增長四階段理論”，分為研究的萌芽期、成長期、成熟期和衰退期。1977—1989年氣體膜分離領(lǐng)域 SCI發(fā)文量不超過25篇，為研究的萌芽期。自1990年后，每年以氣體膜分離為主題的文獻數(shù)量近似服從指數(shù)增長，y（論文累計數(shù)量）=76.758e0.1622（x–1989）（x為年份，R2=0.9346），顯示目前氣體膜分離正處于研究的成長期。

由于氣體膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于合成氨 N2/H2分離，膜法脫碳脫濕在大型天然氣凈化工程、燃煤電廠已有成熟應(yīng)用，因而技術(shù)研究和應(yīng)用較多，需求量大[12]。而膜法空分技術(shù)在整個空分體系中適用于小規(guī)模的空氣分離[13]，富氮主要為油田現(xiàn)場制氮注氮，富氧主要應(yīng)用于助燃領(lǐng)域，膜法有機蒸氣回收技術(shù)也是2000年以后才逐漸發(fā)展起來的。從圖2可以看出，氫回收、脫碳、富氧和富氮領(lǐng)域的發(fā)文量也較多[14-16]。脫濕主要應(yīng)用于天然氣凈化，因而發(fā)文量并不是很多。在 VOC分離領(lǐng)域，由于氣體成分、操作環(huán)境復(fù)雜，對膜材料的耐性要求較高，目前研究尚處于起步階段，但由于其巨大的工業(yè)需求，VOC分離將成為繼氫回收、脫碳和空分以后又一氣體膜分離技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域[6]。

圖1 全球氣體膜分離領(lǐng)域SCI發(fā)文量的年度分布（1977—2014年）

圖2 全球氣體膜分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

氣體膜分離論文共發(fā)表在395種刊物中，其中發(fā)表論文數(shù)最多的前 10種出版物發(fā)表論文占總數(shù)的53.3%，以材料、化工領(lǐng)域類刊物為主，影響因子多在1～5之間。其中Journal of Membrane Science（膜科學(xué)）為膜分離領(lǐng)域的權(quán)威刊物，發(fā)文數(shù)量占28.6%，遠遠超過其他刊物，且影響因子 IF=4.908也是最高的。各刊物論文發(fā)表數(shù)量及影響因子如表4。

根據(jù)布拉德福定律可以描述文獻的分散規(guī)律，把期刊分為專門面向氣體膜分離領(lǐng)域的核心區(qū)、相關(guān)區(qū)和非相關(guān)區(qū)。各個區(qū)的文章數(shù)量相等，此時核心區(qū)、相關(guān)區(qū)、非相關(guān)區(qū)期刊數(shù)量成1∶n∶n2。

由此，在氣體膜分離領(lǐng)域核心期刊、相關(guān)區(qū)和非相關(guān)區(qū)的期刊數(shù)量為2∶27∶366，大致吻合該定律。因此，在氣體膜分離領(lǐng)域的核心期刊為Journal Of Membrane Science和Separation and Purification Technology。

（2）研究熱點 在氣體膜分離領(lǐng)域，目前引用率最高的SCI文獻為ROBESON·2008 年發(fā)表于Journal of Membrane Science上的The upper bound revisited，被引次數(shù)為 931次，這是氣體膜分離領(lǐng)域著名的“Robeson上限”，用以描述高分子聚合物膜材料選擇性能和滲透性能的拮抗性。在SCI上引用率前100 或Journal of Membrane Science上引用率前50共有111篇論文，篇均引用次數(shù)199.9次。從表5可以看出，美國和德國的科研質(zhì)量較高，引用率最高的文章以膜材料領(lǐng)域的研究為主，說明氣體膜技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于膜材料[6]。

對2009—2014年6年間在SCI-E上發(fā)表的1603篇論文6196個關(guān)鍵詞進行分析，關(guān)鍵詞平均頻次為3.9次。將同義詞合并，表6給出了出現(xiàn)頻率50次以上的關(guān)鍵詞。

膜材料的改性、制造仍然是研究的重點。通過將氣體本征透過性能高的多孔無機材料引入聚合物，作為加強聚合物膜氣體分離性能的混合基質(zhì)膜成為現(xiàn)在的研究熱點，而多孔無機材料以使用金屬有機骨架材料（MOFs）居多[5]。沸石咪唑酯骨架（ZIFs）作為金屬有機骨架材料的一種，擁有高效捕獲和存儲 CO2的性能，可以吸收自身體積 82.6倍的CO2，目前此類材料的研究主要集中在新型空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計合成上[17]。沸石膜耐高溫、抗化學(xué)和生物腐蝕，機械強度高，且微米級的沸石薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)分子的分離，因而是近年來研究最熱門的無機膜。炭膜是由含炭物質(zhì)經(jīng)高溫?zé)峤馓炕瞥傻囊环N新型炭基膜材料，包括碳分子篩膜（CMSs）和碳納米管膜（CNTs），其具有可區(qū)分氣體分子的納米級微孔材料，使得對小分子氣體具有很好的選擇滲透性能，是最有希望實現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)的高性能氣體分離膜[18]。但目前以上的新型膜材料均處于實驗室研究階段，離工業(yè)化應(yīng)用尚有距離[19]。

膜的分離性能關(guān)注重點在于膜的滲透性和選擇性，所有高分子有機膜材料都存在著Robeson上限，但隨著膜分離技術(shù)的不斷發(fā)展，2008年Robeson上限相較1991年已有了巨大提高，目前膜材料的發(fā)展也朝著不斷提高上限的方向繼續(xù)前進。

表4 膜法氣體分離領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的刊物（1995—2014年）

就分離對象而言，氫回收作為膜法分離第一個大規(guī)模應(yīng)用的領(lǐng)域，其工藝已日趨成熟，一直以來就是研究的熱點，而氫氣作為理想的潔凈能源載體，在燃料電池等領(lǐng)域為得到更高純度的氫，目前開發(fā)出使用無機鈀膜反應(yīng)器實現(xiàn)反應(yīng)和分離的一體化，成為氫分離的前沿領(lǐng)域之一[20]。二氧化碳分離包括天然氣、沼氣凈化，煙道氣凈化等。膜法天然氣和沼氣凈化已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，隨著全球變暖和能源短缺日趨嚴重，由于膜法分離在降低捕獲成本上潛力巨大，針對燃煤電廠煙道氣碳減排的碳捕獲和儲存技術(shù)成為了膜法二氧化碳的新領(lǐng)域。全球只有美國、德國、加拿大、澳大利亞等少數(shù)發(fā)達國家擁有部分燃煤電廠捕獲技術(shù)和中小型示范過程，我國自2008年7月華能北京熱電廠建成首個燃煤電廠煙氣CO2捕獲裝置。目前碳捕獲技術(shù)前景十分廣闊，發(fā)展迅速[21]。

表5 膜法氣體分離領(lǐng)域引用率最高的10篇論文（1995—2014年）

表6 膜法氣體分離領(lǐng)域論文關(guān)鍵詞（2009—2014年）

就分離形式而言，滲透汽化膜在工業(yè)化領(lǐng)域的應(yīng)用主要是無水乙醇的制備，特別適用于蒸餾法難以分離或不能分離的近沸點、恒沸點混合物及同分異構(gòu)體的分離，對有機溶劑和混合溶劑中微量水的脫除及廢水中少量有機污染物的分離具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，因此也是21世紀化工分離領(lǐng)域最有前途的高新技術(shù)之一[22]。

2.1.2 不同國家科研實力分析

通過對不同國家在氣體膜分離領(lǐng)域的科研實力比較我國和全球領(lǐng)先國家的技術(shù)差距，從發(fā)文量、科研機構(gòu)和有影響力的作者人數(shù)3個層面進行分析和比較。

這2972篇論文其中美國占總數(shù)的19%，領(lǐng)先于其他國家，中國于2011年超越日本，成為論文數(shù)累計發(fā)表第二多的國家，自2012年后，中國在氣體膜分離領(lǐng)域所發(fā)論文數(shù)逐漸超過美國，如圖3。

表7給出了三國文獻引用情況，盡管中國近年來氣體膜分離文章數(shù)量迅速增長，但他引頻次、篇均引用頻次、H-index仍低于美國和日本，存在不小差距。

圖3 美國、中國、日本三國SCI發(fā)文量變化

表7 美國、中國、日本三國引用情況統(tǒng)計（1995—2014年）

圖4 不同國家SCI發(fā)文量比例及高發(fā)文量作者人數(shù)（1995—2014年）

SCI-E氣體膜分離相關(guān)論文涉及相關(guān)作者5857名（包含第二、第三作者及所有合著者），平均合作度1.97，即每篇文獻約由1.97名作者合作完成。根據(jù)普賴斯定律，氣體膜分離領(lǐng)域核心作者最多發(fā)文量與最少發(fā)文量之間有如式(1)的關(guān)系。

由此得到氣體膜分離領(lǐng)域核心作者最低發(fā)文量為8.7篇，據(jù)此可判定發(fā)表9篇以上的為核心作者，由檢索結(jié)果得核心作者164名，占作者總數(shù)的2.8%，發(fā)文量1630篇占總發(fā)文量的54.8%，略高于理論值50%，顯示核心作者群已經(jīng)形成，他們發(fā)揮著導(dǎo)向作用，不斷將研究推向新的水平[23]。

SCI發(fā)文數(shù)量前100的作者至少發(fā)文11篇，稱為高發(fā)文量作者。目前氣體膜分離領(lǐng)域高發(fā)文量作者共共分布于24個國家，其中中國所擁有的高發(fā)文量作者人數(shù)也是最多，為15人，其次是日本和美國，圖4給出了不同國家1995—2014年SCI發(fā)表論文數(shù)量比例和所擁有的高發(fā)文量作者人數(shù)。

從機構(gòu)層面上看，1995—2004年3個時間段內(nèi)SCI累計發(fā)文數(shù)排名前10的研究機構(gòu)氣體膜分離領(lǐng)域的研究變化趨勢如圖5所示。新加坡國立大學(xué)在氣體膜分離領(lǐng)域的論文數(shù)一直遙遙領(lǐng)先。在1995—2014年 20年間一直保持氣體膜分離領(lǐng)域SCI發(fā)文數(shù)前10的機構(gòu)有新加坡國立大學(xué)和佐治亞理工大學(xué)。德克薩斯大學(xué)盡管1995—2014年SCI累計發(fā)文數(shù)排名前10，但其2005—2014年間僅有少量新的論文發(fā)表，與此類似的包括九州大學(xué)、新加坡材料與工程研究所和西班牙最高科研理事會，最近10年氣體膜分離領(lǐng)域研究增長緩慢。由于國內(nèi)近年來氣體膜分離領(lǐng)域研究發(fā)展迅速，大連理工大學(xué)、天津大學(xué)SCI發(fā)文數(shù)增長很快，2010—2014年天津大學(xué)的SCI發(fā)文數(shù)已排入前10。馬來西亞理工大學(xué)2010—2014年SCI發(fā)文數(shù)達到了56篇，其20年累計發(fā)文數(shù)躍居全球第 4。比利時魯汶大學(xué)和日本廣島大學(xué)2010—2014年SCI發(fā)文數(shù)亦進入前10。中國科學(xué)院在氣體膜分離領(lǐng)域的SCI發(fā)文共涉及12所下屬科研機構(gòu)，發(fā)文量最多的二級機構(gòu)為大連化物所，共發(fā)文54篇，占中科院總發(fā)文量的50.5%。表8給出了氣體膜分離領(lǐng)域發(fā)文量前五的機構(gòu)。高發(fā)文量作者共分布于55所研究機構(gòu)，較為分散。表9給出了世界主要研究機構(gòu)所擁有的高發(fā)文量課題組數(shù)量分布。從表9中可以看出，大多數(shù)研究機構(gòu)僅擁有1個氣體膜分離相關(guān)課題組，只有9所高校和學(xué)術(shù)聯(lián)合體擁有2個氣體膜分離課題組，這說明氣體膜分離領(lǐng)域的相關(guān)研究目前還不夠普遍。表10給出了SCI發(fā)文量前20的作者相關(guān)信息。從表10中可以看出，排名前三的作者發(fā)文量與后面遠遠拉開了距離，但整體上大部分作者發(fā)文量在20~40篇，篇均引用頻次最高的作者以美日居多，科研質(zhì)量居前。中國也有兩名研究者發(fā)文量進入前20，但篇均引用和H-index均不高，表示我國氣體膜分離領(lǐng)域科研離世界頂尖水平還有一定差距?？傮w來說，在氣體膜分離領(lǐng)域，美國、日本一直處于領(lǐng)先地位，但從科研機構(gòu)層面，新加坡國立大學(xué)、馬來西亞理工大學(xué)也具有較大的影響力，中國近年來發(fā)展勢頭很快，在發(fā)文數(shù)量上已經(jīng)超過了日本，但科研影響力仍有待提高。這說明氣體膜分離作為新興氣體分離技術(shù)目前還不存在某個國家或科研機構(gòu)科研實力大大超前，處于發(fā)散性多點開花的局面，仍是發(fā)展初期，有著廣闊的發(fā)展空間。

圖5 不同時期全球SCI發(fā)文量排名前10的膜法氣體分離研究機構(gòu)

表8 中國膜法氣體分離領(lǐng)域SCI發(fā)文量前5的研究機構(gòu)（1995—2014年）

表9 全球膜法氣體分離領(lǐng)域主要研究機構(gòu)

表10 SCI發(fā)文量前20的作者（1995—2014年）

2.2 氣體膜分離技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用狀況

2.2.1 整體情況

依據(jù)專利申請的優(yōu)先權(quán)日（priority date）DII收錄關(guān)于氣體膜技術(shù)的專利共4266項,其年度變化如圖6所示，自1995年以來，氣體膜技術(shù)的專利穩(wěn)步增長。2009年之前，各國在中國申請的專利總數(shù)每年申請數(shù)不超過60項，如圖7。2010—2013共4年的申請數(shù)為457項，與1995—1999共5年專利申請數(shù)幾乎相等。2014年數(shù)據(jù)未全部入庫，僅包含中國的28項。在所有的中國專利中，美國、日本和其他國家或地區(qū)專利權(quán)人申請的（包括德國、澳大利亞、韓國、法國、英國、意大利等）分別為196項、96項和248項。中國專利權(quán)人申請所占的比例從2004年起呈現(xiàn)逐年增高的趨勢，2013年后占到半數(shù)以上。

圖6 DII收錄的全球氣體膜分離專利年度變化(1995—2013年)

這一變化趨勢說明，在中國，氣體膜分離技術(shù)逐漸受到重視，各公司在華開始爭奪氣體膜分離市場，而中國本土公司正在打破外國公司在氣體膜分離領(lǐng)域?qū)＠I(lǐng)先的局面，以形成自主知識產(chǎn)權(quán)。

圖7 DII收錄的中國氣體膜分離專利數(shù)變化（1995—2013年）

對德溫特手工代碼進行進一步分析，涉及聚酰亞胺相關(guān)的膜有195項（代碼A05-J01B），這說明高分子聚合物材料聚酰亞胺由于易于制造、選擇性和滲透性均較優(yōu)異，獲得了廣泛的應(yīng)用。其他膜材料如沸石膜、炭膜等在專利申請中較為少見。

涉及膜分離工藝過程和設(shè)備（代碼 J01-C03、J01-E02C、E11-Q01）3項，共2578項，占據(jù)了總專利的一半以上，說明專利更側(cè)重于氣體膜分離技術(shù)的應(yīng)用，尤其是相關(guān)工藝設(shè)計和膜分離設(shè)備的制造。

針對特定對象的分離，主要包括氫氣、氧氣、二氧化碳和甲烷4種（代碼E31-A02、E31-D01、E31-N05C、E10-J02D1），說明氫回收、空分和脫碳3個為氣體膜分離最主要的工業(yè)應(yīng)用，與基礎(chǔ)研究中氣體膜分離氫回收和脫碳文獻數(shù)量較多吻合。

2.2.2 專利權(quán)人分析

表 11表示了全球氣體膜分離技術(shù)專利申請前10名的公司以及中國公司的專利申請情況。專利數(shù)量第一位為法國液空集團，有104項，總體上以日本和美國的公司居多，說明在氣體膜分離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域做的較好的是日本和美國公司，但并沒有任何公司在氣體膜分離專利領(lǐng)域形成壟斷。中國發(fā)明專利數(shù)量最多的為中科院大連化物所（31項），但與世界頂尖公司還存在差距，科研成果轉(zhuǎn)化率較低。在中國的氣體膜分離相關(guān)專利申請中，專利數(shù)量前20名的機構(gòu)共23個，13個來自中國、5個來自美國、3個來自日本。美國和日本的機構(gòu)均為公司企業(yè)，而中國的15個機構(gòu)中，11個為高校，1個為科研機構(gòu)，3個為企業(yè)，其排名與SCI發(fā)文量靠前的國內(nèi)機構(gòu)排名一致，如表12所示。說明在中國氣體膜分離技術(shù)的研發(fā)主體為高校，企業(yè)研發(fā)力量仍比較薄弱。國內(nèi)中科院大連化物所在全球和國內(nèi)專利申請數(shù)量一致，說明國內(nèi)的氣體膜分離技術(shù)尚未申請國際專利，尚未國際化形成全球競爭力。

表11 全球氣體膜技術(shù)專利申請機構(gòu)分布（1995—2014年）

表12 中國氣體膜技術(shù)專利申請機構(gòu)分布（1995—2014年）

3 結(jié) 論

氣體膜分離領(lǐng)域的研究處于成長期，核心作者群的篇均SCI發(fā)文量為9篇。新型膜材料如混合基質(zhì)膜、沸石膜和炭膜為研究熱點，但目前尚處于實驗室研發(fā)階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的仍是傳統(tǒng)有機高分子膜材料聚酰亞胺。就分離對象而言，氫回收、空分和脫碳為氣體膜分離技術(shù)主要的研究方面和應(yīng)用領(lǐng)域，文獻和專利占比均較高。

從氣體膜分離技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來看，氣體膜分離技術(shù)尚處于發(fā)展初期，美國和日本的氣體膜分離技術(shù)研究和應(yīng)用優(yōu)勢較明顯，SCI發(fā)文量和專利數(shù)量均具有一定優(yōu)勢，科研成果轉(zhuǎn)化最為出色，但并沒有支配性優(yōu)勢，發(fā)展空間巨大。盡管中國氣體膜分離論文與專利的數(shù)量逐年提高，2014年的發(fā)文量已成為第一，但科研質(zhì)量和國際影響力仍有待提高。我國氣體膜分離的主要研究領(lǐng)域為石油化工行業(yè)，研發(fā)主體為高校和科研院所，企業(yè)沒有成為創(chuàng)新的主體。從論文發(fā)表趨勢上看，中國預(yù)計在未來5～10年發(fā)文總量會超過美國，成為發(fā)文量最高的國家。

未來有可能實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的新型膜材料是沸石膜和炭膜，在應(yīng)用方面，膜法二氧化碳的應(yīng)用領(lǐng)域可能是針對燃煤電廠煙道氣碳減排的碳捕獲和儲存技術(shù)，碳捕獲技術(shù)前景十分廣闊。工業(yè)上未來有可能大規(guī)模將滲透汽化膜應(yīng)用于蒸餾法難以分離或不能分離的近沸點、恒沸點混合物及同分異構(gòu)體的分離，有機溶劑和混合溶劑中微量水的脫除及廢水中少量有機污染物的分離等。由于巨大的工業(yè)需求，VOC分離也是未來氣體膜分離的一個新領(lǐng)域。

參考文獻

[1] BAKER R.Future directions of membrane gas-separation technology[J].Membrane Technology，2001，138：5-10.

[2] 王學(xué)松.氣體膜分離技術(shù)及其新進展[J].化工進展，1985，4（1）：9-15.

[3] 姚曉龍，王彥明，李新奇.富含二氧化碳的天然氣分離及其利用[J].廣州化工，2010（9）54-55.

[4] 馬衛(wèi)鋒，張勇，李剛，等.國內(nèi)外天然氣脫水技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2011（6）49-51.

[5] BERNARDO P，DRIOLI E，GOLEMME G.Membrane gas separation: a review/state of the art[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2009（48）：4638-4663.

[6] SANDERS D F，SMITH Z P，GUO R，et al.Energy-efficient polymeric gas separation membranes for a sustainable future: a review[Z].Polymer，2013: 54（18）：4729-4761.

[7] 中華人民共和國中央人民政府.科技部關(guān)于印發(fā)高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃的通知[EB/OL].http://www.gov.cn.ww 2012.

[8] 徐徜徉.氣體分離膜及其應(yīng)用進展[J].氣體分離，2015（3）：19.

[9] 安源，張玲.文獻計量學(xué)在我國圖書情報領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展綜述[J].圖書館，2014（5）：63-68.

[10] 步學(xué)朋.二氧化碳捕集技術(shù)及應(yīng)用分析[J].潔凈煤技術(shù)，2014（5）：9-13.

[11] 孫長虹，潘濤，薛念濤，等.膜生物反應(yīng)器在我國的研究現(xiàn)狀與趨勢:文獻計量分析[J].膜科學(xué)與技術(shù)， 2015（2）：113-119.

[12] 趙之平，王志，王世昌.膜分離技術(shù)在化肥工業(yè)中的應(yīng)用[J].化工進展，2001，20（8）：27-30.

[13] 余化，馮天照，劉慶亮.大型空分裝置國產(chǎn)化技術(shù)發(fā)展狀況及應(yīng)用前景[J].化肥設(shè)計，2014（1）：9-12.

[14] 王志，楊東曉，張晨昕，等.分離二氧化碳膜過程技術(shù)經(jīng)濟分析[J].化工進展，2009，28（s2）：409-410.

[15] 沙焱，楊林軍.燃煤煙氣雜質(zhì)影響膜法捕集CO2的研究進展[J].化工進展，2011，30（9）：2069-2074.

[16] 費維揚，艾寧，陳健.溫室氣體CO2的捕集和分離——分離技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與機遇[J].化工進展，2005，24（1）：1-4.

[17] 刁紅敏，任素貞.沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料合成及性能研究進展[J].化工進展，2010，29（9）：1658-1665.

[18] 李琳，王同華，曹義鳴，等.氣體分離炭膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備及功能化[J].無機材料學(xué)報，2010（5）：449-456.

[19] 滕一萬，武法文，王輝，等.CO2/CH4高分子氣體分離膜材料研究進展[J].化工進展，2007，26（8）：1075-1079.

[20] 朱琳琳，桂建舟，魯輝.鈀膜及其在涉氫反應(yīng)中的應(yīng)用研究進展[J].工業(yè)催化，2012（10）：8-13.

[21] 王志.碳捕獲領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來挑戰(zhàn)[J].科學(xué)觀察，2013（1）：55-58.

[22] 索繼栓，彭小芝，鮮建，等.滲透汽化膜分離技術(shù)及其在石油化工中的應(yīng)用[J].石油化工，2013（4）：361-367.

[23] 段和平，史文海，俞立，等.探討期刊論文發(fā)表數(shù)量和核心作者群的重要意義[J].臨床薈萃，2004（8）：480-481.

第一作者：邱天然（1991—），男，碩士研究生，從事氣體膜分離的研究。聯(lián)系人：蔡木林，副研究員，博士。E-mail ml_cai@126.com。

中圖分類號：TQ 028.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-2299-10

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.051

收稿日期：2015-12-11；修改稿日期：2016-03-09。

基金項目：教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”（NCET-12-0531）及中國人民大學(xué)科學(xué)研究基金（中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項）（10XNJ023）項目。

On the research and application trends of global gas membrane separation
technology——Based on analysis of SCI articles and patents in recent 20 years

QIU Tianran1，KUANG Cailing1，ZHENG Xiang1，SHEN Zhipeng1，WANG Jinlin1，CAI Mulin2
（1School of Environment and Natural Resources，Renmin University of China，Beijing 100872，China；2Environmental Standards Institute，Chinese Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China）

Abstract：To grasp the whole research and innovation of gas membrane separation industry，we searched the literature of gas membrane separation in the web of science database and Derwent patents database.The results show that 2972 articles and 4266 patents with relevance were published during 1995－2014.The research of gas membrane separation is in its growth period with established core authors.The research is focused on the new membrane materials including mixed matrix membranes，zeolites membranes and carbon membranes.But the traditional polymer materials are still widely used in industry.Hydrogen recovery，air separation and carbon removal are the main areas of the research and application of gas membrane separation.The lead of US and Japan on the research and application is obvious.Most researches in China are done in colleges and institutes.Although the number of the published articles from China rankes the second in the world，the quality and influence of research still need to be improved.It can be predicted that design of space structure of new membrane materials，such as zeolite membrane and carbon membrane，will be the research hotspot on gas membrane separation in the future.Also，the research will focus on the application of pervaporation and the separation of volatile organic compounds（VOCs）.

Key words：literature metrology；gas；membranes；separation；articles；patents