全球气体膜分离技术的研究和应用趋势--基于近20年SCI论文和专利的分析.pdf

2016 年第 35 卷第 7 期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2299 化 工 进 展 全球气体膜分离技术的研究和应用趋势 基于近 20 年 SCI 论文和专利的分析 邱天然 1，况彩菱1，郑祥1，沈志鹏1，王晋琳1，蔡木林2 （1中国人民大学环境学院环境工程系，北京 100872；2中国环境科学研究院环境标准研究所，北京 100012） 摘要：为把握整体气体膜分离产业研究和创新状况，在 Web of Knowledge（WOK）平台的 Web of Science数据 库和 Derwent（德温特）专利数据库检索了有关气体膜分离技术的文献，并采用文献计量学的方法进行分析。结 果表明，19952014 年全球相关论文共 2972 篇，专利 4266 项。气体膜分离技术现处于研究的成长期，已形成 核心作者群。气体膜分离材料的研究热点为混合基质膜、沸石膜和炭膜，但工业化应用以传统有机高分子材料 为主，气体膜分离技术主要的研究和应用领域为氢回收、空分和脱碳。美国和日本的研究和应用优势较明显， 我国气体膜分离的研发主体为高校和科研院所， 尽管发文量位居世界第二， 但科研质量和国际影响力仍需提高， 科研成果转化率不高。预计未来气体膜分离的研究重点会在沸石膜和炭膜等新型膜材料的空间结构的设计合成 和碳捕获的技术应用上，渗透汽化膜的应用和挥发性有机物（VOCs）分离也是未来的研究方向。 关键词：文献计量学；气体；膜；分离；研究型论文；专利 中图分类号：TQ 028.8 文献标志码：A 文章编号：10006613（2016）07229910 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.051 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 19952014. 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， （10XNJ023）项目。 第一作者：邱天然（1991） ，男，硕士研究生，从事气体膜分离的 研究。联系人：蔡木林，副研究员，博士。E-mail ml_cai 。 收稿日期：2015-12-11；修改稿日期：2016-03-09。 基金项目：教育部“新世纪优秀人才支持计划” （NCET-12-0531） 及中国人民大学科学研究基金（中央高校基本科研业务费专项） 产品与市场 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 2300 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 气体膜分离技术在工业气体方面应用市场前景 广泛，最重要的应用包括制氮、富氧、提氢、脱碳、 有机蒸气回收和脱湿等。 与其他气体分离技术相比， 膜分离技术的主要优势在于无相变、能耗低、常温 运行、占地面积小、操作简便等，由于其分离驱动 力为压力，尤其适合处理自身带压力的气体分离。 我国气体膜分离技术在主要应用领域的首次工 业化均落后于国外发达国家1-2，如表 1。 在工业领域应用的气体膜材料主要包括以下 7 种有机高分子材料：聚砜、聚碳酸酯、聚苯醚、聚 酰亚胺、乙酸纤维素、聚二甲基硅氧烷、聚芳酰 胺5-6， 但随着气体膜分离应用要求的提高和应用环 境的日趋复杂，传统膜材料气体渗透性能和选择性 能的 Robeson 上限、所面临的老化和塑化问题已不 能满足日益增长的工业需要。开发新型膜材料，并 完成从实验室制造到工业化应用的转变，已成为气 体膜分离技术推广应用的当务之急。高性能膜材料 科技发展“十二五”专项规划7也指出，高性能 膜材料的应用覆盖面在一定程度上反映一个国家过 程工业、能源利用和环境保护的水平。 我国膜材料主要依赖进口，除合成氨氢回收和 富氧助燃领域外， 其他领域应用仍被进口膜占据8。 我国在膜材料制造领域不仅需突破高通量、 高强度、 化学稳定性好的气体分离膜制备技术，也需要进 行新型膜材料的研发，缩小与世界先进技术的 差距。 近年来，气体膜分离技术的研究多集中于膜材 料和技术本身的发展及应用，鲜见对整个气体膜分 离产业研究和创新状况的整体情况的把握。本文采 用文献计量学的方法， 利用 Web of Science数据库 收录的期刊论文和 Derwent（德温特）专利数据库 的专利数据， 深入揭示气体膜分离领域近 20 年的客 观发展态势和前景，反映全球和中国气体膜分离领 域的研究和应用概况及其深刻联系，以期为我国气 体膜分离技术的研究和应用提供指导9。 1 数据来源与研究方法 本文通过检索汤森路透（Thomson Reuters）知 识产权与科技信息集团出品的 Web of Knowledge （WOK）平台 Web of Science数据库 Science Citation Index-Expanded TM（科学引文索引，通常 称为SCI-E)， 选择主题检索， 时间跨度为19952014 年，主题为气体膜分离TS=(“membrane$” “gas separation”)的论文文献。对于气体膜分离不同领 域 的 主 题 词 检 索 ， 在TS=(“membrane$”“gas separation”)的文献中，检索策略如表 210。 表 1 国外和我国气体膜分离技术在不同领域首次工业化时间比较 气体膜分离领域 国外首次工业化 国内首次工业化 落后年限/年 富氮 1987 年美国首次开发成功膜法富氮技术，20 世纪 90 年代中期开发了移动式膜法富氮车 1999 年国内第一台车载移动富氮车在辽河油田开车成功 12 提氢 1979 年 Monsanto 与 Air Products 开发出的 Prsim 氢分离膜 1985 年中国科学院大连化学物理研究所（简称中科学大 连化物所）国内首次成功研制中空纤维 N2/H2分离器，第一 个工业化应用项目为中国石化镇海炼化厂 6 VOC 分离 1988 年日东电工和日本钢管公司回收汽油蒸 气的工业膜装置投入使用 2001 年天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司在南 京金陵塑料厂建立国内第一套有机蒸气回收（丙烯）工业 装置 13 CO2分离 1983 年 Cynara 在美国德克萨斯州建立了世 界第一座膜法天然气净化厂 2006 年天邦公司在海南建立了国内第一套膜法 CO2分离的 装置3 23 脱湿 早在 20 世纪 80 年代初，Permea 公司就开始 研制膜法脱湿的工业化设备， 到 1987 年 Cactus 膜法脱湿分离器实现了工业化 1994 年中科院大连化物所研制出中空纤维膜脱水装置， 1998 年在长庆油田进行了天然气膜法脱湿的现场试验4 11 第 7 期 邱天然等：全球气体膜分离技术的研究和应用趋势基于近 20 年 SCI 论文和专利的分析 2301 表 2 气体膜分离不同应用领域的检索策略 主题 检索策略 氢回收 TS=(“hydrogen”or “H2”) 富氮 TS=(“nitrogen”or”N2”) 富氧 TS=(“oxygen”or “O2”) 脱碳 TS=（”carbon dioxide” or “CO2”） 脱湿 TS=(“water” or “*humidi” or “moisture”) VOC 分离 TS= (“VOC$” or “volatile organic compounds“ or “*ane recovery” or “*ene recovery”) 专利数据来源于 Derwent（德温特）专利数据 库。 检索方法为： 通过叙词 membrane、 gas separation 检索德温特手工代码，在检出的德温特手工代码中 保留其中 1 个，如表 3。检索式 MAN=J01-E03E， 19952014 年专利共 4266 项。限定专利号以 CN 开头， 以检索国内外专利申请人在中国申请的专利， 得到检索式为 MAN=J01-E03E and PN=CN*，共检 出专利 999 项。 表 3 德温特手工代码 专辑 分类号 含义 翻译 J: Chemical Engineering 化工 J01-E03E Gas separation using semi-permeable membrane 气体半透 膜分离 本文使用的分析方法是利用汤森路透开发的数 据分析工具 TDA(Thomoson data analyzer)软件，以 及使用 Excel 和 Bicomb2 对数据进行统计和计量分 析，以把握气体膜分离技术的研究动态和发展 趋势11。 2 结果与讨论 2.1 气体膜分离技术的基础研究状况 2.1.1 整体情况及研究热点 （1） 整体情况 文献数量的年度分布反映的是 该学科在一定时间段内的研究水平和发展状况。截 止到 2014 年，SCI-E 共收录主题为气体膜分离 （“membrane$”*”gas separation”） 的论文为3566篇， 其中 19952014 年 2972 篇。图 1 给出全球气体膜 分离领域 SCI 发文量的年度分布和增长情况，可见 气体膜分离技术在近年来得到了广泛的研究和 关注。 根据普赖斯的 “科学文献增长四阶段理论” ， 分 为研究的萌芽期、成长期、成熟期和衰退期。 19771989 年气体膜分离领域 SCI 发文量不超过 25 篇，为研究的萌芽期。自 1990 年后，每年以气 体膜分离为主题的文献数量近似服从指数增长，y （论文累计数量） =76.758e0.1622 （x1989） （x 为年份， R2=0.9346） ，显示目前气体膜分离正处于研究的成 长期。 由于气体膜分离技术最早应用于合成氨 N2/H2 分离，膜法脱碳脱湿在大型天然气净化工程、燃煤 电厂已有成熟应用，因而技术研究和应用较多，需 求量大12。而膜法空分技术在整个空分体系中适用 于小规模的空气分离13，富氮主要为油田现场制氮 注氮，富氧主要应用于助燃领域，膜法有机蒸气回 收技术也是 2000 年以后才逐渐发展起来的。 从图 2 可以看出，氢回收、脱碳、富氧和富氮领域的发文 量也较多14-16。脱湿主要应用于天然气净化，因而 发文量并不是很多。在 VOC 分离领域，由于气体 成分、操作环境复杂，对膜材料的耐性要求较高， 目前研究尚处于起步阶段，但由于其巨大的工业需 求，VOC 分离将成为继氢回收、脱碳和空分以后又 一气体膜分离技术的重要应用领域6。 图 1 全球气体膜分离领域 SCI 发文量的年度分布 （19772014 年） 图 2 全球气体膜分离技术的应用领域 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 2302 气体膜分离论文共发表在 395 种刊物中，其中 发表论文数最多的前 10 种出版物发表论文占总数 的 53.3%，以材料、化工领域类刊物为主，影响因 子多在15之间。 其中Journal of Membrane Science （膜科学）为膜分离领域的权威刊物，发文数量占 28.6%，远远超过其他刊物，且影响因子 IF=4.908 也是最高的。各刊物论文发表数量及影响因子 如表 4。 根据布拉德福定律可以描述文献的分散规律， 把期刊分为专门面向气体膜分离领域的核心区、相 关区和非相关区。各个区的文章数量相等，此时核 心区、相关区、非相关区期刊数量成 1nn2。 由此，在气体膜分离领域核心期刊、相关区和 非相关区的期刊数量为 227366， 大致吻合该定 律。因此，在气体膜分离领域的核心期刊为 Journal Of Membrane Science 和 Separation and Purification Technology。 （2） 研究热点 在气体膜分离领域， 目前引用 率最高的SCI文献为ROBESON2008 年发表于Journal of Membrane Science上的The upper bound revisited，被 引次数为 931 次，这是气体膜分离领域著名的 “Robeson 上限” ， 用以描述高分子聚合物膜材料选 择性能和渗透性能的拮抗性。 在SCI上引用率前100 或 Journal of Membrane Science 上引用率前 50 共有 111 篇论文， 篇均引用次数 199.9 次。 从表 5 可以看 出，美国和德国的科研质量较高，引用率最高的文 章以膜材料领域的研究为主，说明气体膜技术发展 的关键在于膜材料6。 对20092014年6年间在SCI-E上发表的1603 篇论文 6196 个关键词进行分析， 关键词平均频次为 3.9 次。将同义词合并，表 6 给出了出现频率 50 次 以上的关键词。 膜材料的改性、制造仍然是研究的重点。通过 将气体本征透过性能高的多孔无机材料引入聚合 物，作为加强聚合物膜气体分离性能的混合基质膜 成为现在的研究热点，而多孔无机材料以使用金属 有机骨架材料（MOFs）居多5。沸石咪唑酯骨架 （ZIFs）作为金属有机骨架材料的一种，拥有高效 捕获和存储 CO2的性能，可以吸收自身体积 82.6 倍的 CO2，目前此类材料的研究主要集中在新型空 间结构的设计合成上17。沸石膜耐高温、抗化学和 生物腐蚀，机械强度高，且微米级的沸石薄膜能够 实现分子的分离，因而是近年来研究最热门的无机 膜。炭膜是由含炭物质经高温热解炭化所制成的一 种新型炭基膜材料，包括碳分子筛膜（CMSs）和 碳纳米管膜（CNTs） ，其具有可区分气体分子的纳 米级微孔材料，使得对小分子气体具有很好的选 择渗透性能，是最有希望实现大面积工业化生产的 高性能气体分离膜18。但目前以上的新型膜材料 均处于实验室研究阶段，离工业化应用尚有 距离19。 膜的分离性能关注重点在于膜的渗透性和选择 性， 所有高分子有机膜材料都存在着 Robeson 上限， 但随着膜分离技术的不断发展， 2008 年 Robeson 上 限相较 1991 年已有了巨大提高， 目前膜材料的发展 也朝着不断提高上限的方向继续前进。 就分离对象而言，氢回收作为膜法分离第一个 大规模应用的领域，其工艺已日趋成熟，一直以来 就是研究的热点， 而氢气作为理想的洁净能源载体， 在燃料电池等领域为得到更高纯度的氢，目前开发 出使用无机钯膜反应器实现反应和分离的一体化， 成为氢分离的前沿领域之一20。二氧化碳分离包括 表 4 膜法气体分离领域发文量排名前 10 的刊物（19952014 年） 序号 刊名 发文数/篇 IF 占总数的比例/% 1 Journal of Membrane Science 848 5.056 28.5 2 Separation and Purification Technology 153 3.091 5.1 3 Industrial&Engineering Chemistry Research 115 2.587 3.9 4 Journal of Applied Polymer Science 102 1.768 3.4 5 Desalination 77 3.756 2.6 6 Separation Science and Technology 69 1.171 2.3 7 Microporous and Mesoporous Materials 69 3.453 2.3 8 International Journal of Hydrogen Energy 51 3.313 1.7 9 Polymer 49 3.562 1.6 10 AIChE Journal 48 2.748 1.6 第 7 期 邱天然等：全球气体膜分离技术的研究和应用趋势基于近 20 年 SCI 论文和专利的分析 2303 表 5 膜法气体分离领域引用率最高的 10 篇论文（19952014 年） 序号 论文名称 发表 年度 杂志 第一作者 研究单位 国别 被 引 次 数 1 The upper bound revisited 2008Journal of Membrane Science ROBESON Lloyd M. 利哈伊大学 美国 931 2 Advanced functional polymer membranes 2006Polymer ULBRICHT M 杜伊斯堡-埃森 大学 德国 688 3 Future directions of membrane gas separation technology 2002Industrial & Engineering Chemistry Research BAKER R W Membrane Technol. & Res. Inc. 美国 654 4 Carbon dioxide capture-related gas adsorption and separation in metal-organic frameworks 2011Coordination Chemistry Reviews LI J R 德克萨斯 A&M 大学 美国 632 5 Microstructural optimization of a zeolite membrane for organic vapor separation 2003Science LAI Z P 麻萨诸塞州 大学 美国 574 6 Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): organic materials for membrane separations， heterogeneous catalysis and hydrogen storage 2006Progress in Polymer Science MCKEOWN N B卡迪夫大学 英国 521 7 Mixed matrix membranes (MMMs) comprising organic polymers with dispersed inorganic fillers for gas separation 2007Progress in Polymer Science CHUNG T S 佐治亚理工 大学 美国 493 8 Basis of permeability/selectivity tradeoff relations in polymeric gas separation membranes 1999Macromolecules FREEMAN B D 北卡罗莱纳 州立大学 美国 482 9 Zeolite membranes - state of their development and perspective 2000Microporous and Mesoporous Materials CARO J Berlin Adlershof eV 德国 481 10 Membrane Gas Separation: A Review/State of the Art 2009Industrial & Engineering Chemistry Research BERNARDO P 卡拉布里亚 大学 意大利 444 表 6 膜法气体分离领域论文关键词（20092014 年） 关键字段 中文 频次 gas separation 气体分离膜 659 membrane 327 mixed-matrix membranes 混合基质膜 238 hydrogen purification/recovery/separation 氢回收 130 polyimide(s) (composite membrane) 聚酰亚胺（复 合膜） 124 hollow fiber(s) (polymer) membranes/module 中 空 纤 维 膜 （组件） 123 permeability/permeation/permeance 渗透性 121 gas permeability/permeation/permeance 气体渗透性 117 carbon (dioxide)capture (and storage) 碳捕获和碳贮 存 115 carbon dioxide 二氧化碳 110 pervaporation 渗透汽化 102 zeolite (membrane) 沸石膜 98 metal-organic frameworks 金属有机骨架 材料 94 nanocomposite(s) (membranes) 纳米复合材料 膜 92 carbon dioxide separation/removal 二氧化碳分离87 composites hollow fiber membranes/materials 中 空 复 合 膜 （材料） 80 polymer/polymeric (membrane) 聚合物膜 80 zeolitic imidazolate framework 沸石咪唑酯骨 架 66 biogas upgrading/purification/enrichment/ cleaning 沼气净化 56 selectivity 选择性 56 carbon membrane(s) 炭膜 50 天然气、沼气净化，烟道气净化等。膜法天然气和 沼气净化已实现工业化应用，随着全球变暖和能源 短缺日趋严重，由于膜法分离在降低捕获成本上潜 力巨大，针对燃煤电厂烟道气碳减排的碳捕获和储 存技术成为了膜法二氧化碳的新领域。全球只有美 国、德国、加拿大、澳大利亚等少数发达国家拥有 部分燃煤电厂捕获技术和中小型示范过程，我国自 2008年7月华能北京热电厂建成首个燃煤电厂烟气 CO2捕获装置。目前碳捕获技术前景十分广阔，发 展迅速21。 就分离形式而言，渗透汽化膜在工业化领域的 应用主要是无水乙醇的制备，特别适用于蒸馏法难 以分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物及同分 异构体的分离，对有机溶剂和混合溶剂中微量水的 脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技 术和经济优势， 因此也是 21 世纪化工分离领域最有 前途的高新技术之一22。 2.1.2 不同国家科研实力分析 通过对不同国家在气体膜分离领域的科研实力 比较我国和全球领先国家的技术差距，从发文量、 科研机构和有影响力的作者人数 3 个层面进行分析 和比较。 这 2972 篇论文其中美国占总数的 19%，领先 于其他国家， 中国于 2011 年超越日本， 成为论文数 累计发表第二多的国家， 自 2012 年后， 中国在气体 膜分离领域所发论文数逐渐超过美国，如图 3。 表 7 给出了三国文献引用情况，尽管中国近年 来气体膜分离文章数量迅速增长，但他引频次、篇 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 2304 图 3 美国、中国、日本三国 SCI 发文量变化 （19952014 年） 表 7 美国、 中国、 日本三国引用情况统计 （19952014 年） 国别 他引频次 篇均引用频次H-index 高发文量作者人数/人 美国 21430 40.96 81 14 中国 5721 14.28 35 15 日本 6878 24.97 44 12 均引用频次、H-index 仍低于美国和日本，存在不 小差距。 SCI-E 气体膜分离相关论文涉及相关作者 5857 名（包含第二、第三作者及所有合著者） ，平均合作 度 1.97，即每篇文献约由 1.97 名作者合作完成。根 据普赖斯定律，气体膜分离领域核心作者最多发文 量与最少发文量之间有如式(1)的关系。 Nmin=0.749(Nmax)1/2 (1) 由此得到气体膜分离领域核心作者最低发文量 为 8.7 篇， 据此可判定发表 9 篇以上的为核心作者， 由检索结果得核心作者164名， 占作者总数的2.8%， 发文量 1630 篇占总发文量的 54.8%， 略高于理论值 50%，显示核心作者群已经形成，他们发挥着导向 作用，不断将研究推向新的水平23。 SCI 发文数量前 100 的作者至少发文 11 篇， 称 为高发文量作者。目前气体膜分离领域高发文量作 者共共分布于 24 个国家， 其中中国所拥有的高发文 量作者人数也是最多， 为 15 人， 其次是日本和美国， 图 4 给出了不同国家 19952014 年 SCI 发表论文 数量比例和所拥有的高发文量作者人数。 从机构层面上看， 19952004 年 3 个时间段内 SCI累计发文数排名前10的研究机构气体膜分离领 域的研究变化趋势如图 5 所示。新加坡国立大学在 气体膜分离领域的论文数一直遥遥领先。在 19952014 年 20 年间一直保持气体膜分离领域 SCI发文数前10的机构有新加坡国立大学和佐治亚 理工大学。德克萨斯大学尽管 19952014 年 SCI 图 4 不同国家 SCI 发文量比例及高发文量作者人数 （19952014 年） 累计发文数排名前 10，但其 20052014 年间仅有 少量新的论文发表，与此类似的包括九州大学、新 加坡材料与工程研究所和西班牙最高科研理事会， 最近 10 年气体膜分离领域研究增长缓慢。 由于国内 近年来气体膜分离领域研究发展迅速，大连理工大 学、天津大学 SCI 发文数增长很快，20102014 年 天津大学的 SCI 发文数已排入前 10。 马来西亚理工 大学 20102014 年 SCI 发文数达到了 56 篇， 其 20 年累计发文数跃居全球第 4。比利时鲁汶大学和日 本广岛大学20102014年SCI发文数亦进入前10。 中国科学院在气体膜分离领域的SCI发文共涉及12 所下属科研机构，发文量最多的二级机构为大连化 物所，共发文 54 篇，占中科院总发文量的 50.5%。 表 8 给出了气体膜分离领域发文量前五的机构。高 发文量作者共分布于 55 所研究机构， 较为分散。 表 9 给出了世界主要研究机构所拥有的高发文量课题 组数量分布。从表 9 中可以看出，大多数研究机构 仅拥有 1 个气体膜分离相关课题组，只有 9 所高校 和学术联合体拥有 2 个气体膜分离课题组，这说明 第 7 期 邱天然等：全球气体膜分离技术的研究和应用趋势基于近 20 年 SCI 论文和专利的分析 2305 图 5 不同时期全球 SCI 发文量排名前 10 的膜法气体分离研究机构 表 8 中国膜法气体分离领域 SCI 发文量前 5 的研究机构（19952014 年） 中国研究机构 19951999 年/篇 20002004 年/篇 20052009 年/篇 20102014 年/篇 发文量总计/篇 大连理工大学 3 0 24 33 60 中科院大连化物所 1 5 22 26 54 天津大学 1 6 11 26 44 浙江大学 2 7 5 16 30 南京工业大学 0 2 2 12 16 气体膜分离领域的相关研究目前还不够普遍。 表 10 给出了 SCI 发文量前 20 的作者相关信息。从表 10 中可以看出，排名前三的作者发文量与后面远远拉 开了距离， 但整体上大部分作者发文量在 2040 篇， 篇均引用频次最高的作者以美日居多，科研质量居 前。中国也有两名研究者发文量进入前 20，但篇均 引用和 H-index 均不高，表示我国气体膜分离领域 科研离世界顶尖水平还有一定差距。 总体来说，在气体膜分离领域，美国、日本一直处 于领先地位， 但从科研机构层面， 新加坡国立大学、 马来西亚理工大学也具有较大的影响力，中国近年 来发展势头很快， 在发文数量上已经超过了日本， 但科研影响力仍有待提高。这说明气体膜分离作为 新兴气体分离技术目前还不存在某个国家或科研机 构科研实力大大超前， 处于发散性多点开花的局面， 仍是发展初期，有着广阔的发展空间。 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 2306 表 9 全球膜法气体分离领域主要研究机构 梯度 机构 第一梯度：2 个高发 文量课题组，共 9 所 新加坡国立大学、大连理工大学、中科院大连化物所、天津大学、加拿大国家研究委员会、西班牙最高科研理事会、昆 士兰大学、俄罗斯科学院、德国亥姆霍兹国家研究中心联合会 第三梯度：1 个高发 文量课题组，共 48 所 墨尔本大学、科罗拉多大学、佐治亚理工学院、汉阳大学、广岛大学、特文特大学、中原大学、意大利国家研究委员会、 山口大学、 萨拉戈萨大学、 九州大学、 渥太华大学、 马来西亚理工大学、 德克萨斯大学、 卡拉布里亚大学等 （仅列出 19952014 年前发文总数前 10 的机构） 表 10 SCI 发文量前 20 的作者（19952014 年） 发文数量/篇 作者 机构 国家 篇均引用/次 H-index 135 CHUNG T S 新加坡国立大学 新加坡 36.36 41 87 KOROS W J 佐治亚理工学院 美国 49.51 34 83 ISMAIL A F 马来西亚理工大学 马来西亚 28.53 28 49 MATSUURA T 渥太华大学 加拿大 18.29 19 37 DRIOLI E 卡拉布里亚大学 意大利 30.32 16 33 NOBLE R D 科罗拉多大学 美国 45.33 22 32 TSURU Toshinori 广岛大学 日本 14.38 11 32 KUSAKABE K 九州大学 日本 49.09 23 31 LEE Y M 汉阳大学 韩国 24.45 16 30 LAI J Y（赖君义） 中原大学 中国台湾 21.17 13 30 WESSLING M 特文特大学 荷兰 28.63 17 29 MOROOKA S 九州大学 日本 52.38 23 28 曹义鸣 中科院大连化物所 中国 11.29 13 27 王同华 大连理工大学 中国 8.44 8 26 MADAENI S S Razi Univ 伊朗 13 8 26 HAGG M B 挪威科技大学 挪威 13.96 11 26 FREEMAN B D 北卡罗莱纳州立大学 美国 68.27 15 25 DA COSTA J C D 昆士兰大学 澳大利亚 25 13 24 KENTISH Sandra E 墨尔本大学 澳大利亚 14.46 9 2.2 气体膜分离技术的创新应用状况 2.2.1 整体情况 依据专利申请的优先权日（priority date）DII 收 录关于气体膜技术的专利共 4266 项,其年度变化如图 6 所示， 自1995 年以来， 气体膜技术的专利稳步增长。 2009 年之前， 各国在中国申请的专利总数每年申请数 不超过 60 项，如图 7。20102013 共 4 年的申请数 为 457 项，与 19951999 共 5 年专利申请数几乎相 等。2014 年数据未全部入库，仅包含中国的 28 项。 在所有的中国专利中，美国、日本和其他国家或地区 专利权人申请的（包括德国、澳大利亚、韩国、法国、 英国、意大利等）分别为196 项、96 项和 248 项。中 国专利权人申请所占的比例从 2004 年起呈现逐年增 高的趋势，2013 年后占到半数以上。 这一变化趋势说明，在中国，气体膜分离技术 逐渐受到重视，各公司在华开始争夺气体膜分离市 图 6 DII 收录的全球气体膜分离专利年度变化 (19952013 年) 第 7 期 邱天然等：全球气体膜分离技术的研究和应用趋势基于近 20 年 SCI 论文和专利的分析 2307 图 7 DII 收录的中国气体膜分离专利数变化 （19952013 年） 场，而中国本土公司正在打破外国公司在气体膜分 离领域专利领先的局面，以形成自主知识产权。 对德温特手工代码进行进一步分析，涉及聚酰 亚胺相关的膜有 195 项（代码 A05-J01B） ，这说明 高分子聚合物材料聚酰亚胺由于易于制造、选择性 和渗透性均较优异，获得了广泛的应用。其他膜材 料如沸石膜、炭膜等在专利申请中较为少见。 涉及膜分离工艺过程和设备（代码 J01-C03、 J01-E02C、E11-Q01）3 项，共2578 项，占据了总专 利的一半以上，说明专利更侧重于气体膜分离技术的 应用，尤其是相关工艺设计和膜分离设备的制造。 针对特定对象的分离，主要包括氢气、氧气、 二氧化碳和甲烷 4 种（代码 E31-A02、E31-D01、 E31-N05C、E10-J02D1） ，说明氢回收、空分和脱碳 3 个为气体膜分离最主要的工业应用，与基础研究 中气体膜分离氢回收和脱碳文献数量较多吻合。 2.2.2 专利权人分析 表 11 表示了全球气体膜分离技术专利申请前 10 名的公司以及中国公司的专利申请情况。 专利数 量第一位为法国液空集团，有 104 项，总体上以日 本和美国的公司居多，说明在气体膜分离产业化应 用领域做的较好的是日本和美国公司，但并没有任 何公司在气体膜分离专利领域形成垄断。中国发明 专利数量最多的为中科院大连化物所（31 项） ，但 与世界顶尖公司还存在差距， 科研成果转化率较低。 在中国的气体膜分离相关专利申请中，专利数量前 20 名的机构共 23 个，13 个来自中国、5 个来自美 国、3 个来自日本。美国和日本的机构均为公司企 业，而中国的 15 个机构中，11 个为高校，1 个为 科研机构，3 个为企业，其排名与 SCI 发文量靠前 的国内机构排名一致，如表 12 所示。说明在中国 表 11 全球气体膜技术专利申请机构分布 （19952014 年） 排名 国家 申请机构 专利数量/项 1 法国 液空集团 104 2 日本 松下电器 90 3 日本 日本碍子 72 4 美国 普莱克斯 72 5 美国 MTR 64 6 美国 环球油品 63 7 日本 宇部兴产 61 8 日本 丰田 55 9 日本 日东电工 52 10 日本 富士 49 表 12 中国气体膜技术专利申请机构分布 （19952014 年） 排名国家 申请机构 总计/项 1 美国 普莱克斯 45 2 中国 中科院大连化物所 31 3 中国 天津工业大学 24 4 中国 南京工业大学 22 5 中国 天津大学 21 6 法国 液空集团 20 7 中国 中石油 17 8 美国 空气产品化工 14 8 美国 通用电气 14 8 荷兰 环球油品 14 8 美国 陶氏化学 14 12 美国 壳牌 14 13 中国 大连理工大学 12 14 中国 大连欧科膜工程有限公司 11 15 中国 江南大学 10 16 中国 北京工业大学 9 17 日本 日本碍子 8 17 德国 斯图加特大学 8 17 中国 浙江大学 8 17 中国 清华大学 8 20 日本 三菱丽阳 7 20 中国 东华大学 7 20 日本 松下 7 20 中国 大连天邦膜技术工程有限公司 7 气体膜分离技术的研发主体为高校，企业研发力量 仍比较薄弱。国内中科院大连化物所在全球和国内 专利申请数量一致，说明国内的气体膜分离技术尚 未申请国际专利，尚未国际化形成全球竞争力。 3 结 论 气体膜分离领域的研究处于成长期，核心作者群 的篇均SCI发文量为9篇。 新型膜材料如混合基质膜、 化 工 进 展 2016 年第 35 卷 2308 沸石膜和炭膜为研究热点，但目前尚处于实验室研发 阶段，尚未实现工业化应用；工业化应用最广泛的仍 是传统有机高分子膜材料聚酰亚胺。就分离对象而 言，氢回收、空分和脱碳为气体膜分离技术主要的研 究方面和应用领域，文献和专利占比均较高。 从气体膜分离技术的研究和应用现状来看，气体 膜分离技术尚处于发展初期，美国和日本的气体膜分 离技术研究和应用优势较明显，SCI 发文量和专利数 量均具有一定优势，科研成果转化最为出色，但并没 有支配性优势，发展空间巨大。尽管中国气体膜分离 论文与专利的数量逐年提高， 2014 年的发文量已成为 第一，但科研质量和国际影响力仍有待提高。我国气 体膜分离的主要研究领域为石油化工行业，研发主体 为高校和科研院所，企业没有成为创新的主体。从论 文发表趋势上看