膜材料发展前景与展望

膜材料发展前景与展望一、国内外经济对膜产业的重大需求近几十年发展起来的膜技术是以具有选择透过性的膜材料作为核心，在膜两侧推动力下，实现混合物分离、提纯、浓缩的分离技术。与过滤、精馏、萃取、蒸发等传统分离技术相比，膜技术具有能耗低、分离效率高、设备简单、无相变、无污染等优点，因此被称为新型高效分离技术。作为一种高新技术，膜技术并不是高不可攀的，实际上，它就在我们身边。比如，随处可购买到的纯净饮用水绝大部分采用膜技术净化得到；为保持乳品的营养价值及水果的风味，牛奶、酸奶、奶酪等也可以采用膜技术进行除菌、浓缩及杂质去除。在21世纪的多数工业中，膜技术将扮演重要角色，在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。在缓解水资源短缺方面，预计到2050年，我国缺水总量将达4000亿m3，因缺水而导致的工业总产值损失大约2000亿元，农业总产值损失大约1500亿元。膜法海水淡化技术、膜法水质净化技术、膜及其集成技术将成为解决我国北方资源性缺水、南方水质性缺水和城市缺水的有效手段。在化工与石油化工领域，分离过程能耗占到了总能耗的70％左右，分离效率低还导致了严重的环境污染问题。膜分离技术可以高效低能耗地实现高精度分离，是过程工业节能降耗的共性技术之一。譬如，膜法精密过滤代替蒸发，可节能40％以上，减少溶剂消耗量30%以上；膜法渗透汽化技术代替精馏，进行有机物脱水，可节能50％以上；膜技术是过程工业减排的关键支撑技术，采用膜法处理油田回注水、焦化废水等，可实现工业废水循环利用，减少废水排放量；采用膜法可以实现废酸、废碱资源化利用，实现废液零排放。此外，膜技术还是改造传统产业、推进相关行业技术进步的高新技术，可以说，膜技术的发展得到了全球范围的高度重视，美国、日本、欧洲等多国政府将膜技术作为21世纪高新技术进行研究与开发，制定了相应的研究开发计划，促进了膜技术和产业的强劲发展。我国政府对膜技术的研究和开发同样十分重视，自“六五”以来，已连续六个五年计划都把膜技术作为重点项目进行支持。2010年出台《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将高性能膜材料列入战略性新兴产业，为膜技术和膜产业的自身发展，膜应用市场的培育带来了前所未有的机遇。经过5O多年的发展．中国膜产业逐渐走向成熟。特别是近20年来，中国膜产业高速增长，总产值从1993年2亿元人民币上升到20O8年200亿元(膜行业总产值是指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值，膜制品与膜组件是整个行业的核心)。在21世纪的许多工业中，都将膜技术的重要性提升到了战略高度。2009年我国膜产业总产值约240亿元，2010年约300亿元。按照目前年均30%的增幅，未来5年我国膜产业有望突破1000亿元。可以预见，膜技术将迎来产值大幅增加的黄金十年，它所带动的相关产业产值总量更是不可估量。膜技术将在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。从行业前景看，水资源稀缺性产生的对污水资源化处理要求是推动行业发展的最大外部动力，而成本的逐渐下降则是行业超常规发展的内在推手。从外部驱动因素看，地区性水资源短缺、政府关于城市污水处理和工业废水排放标准更加严格的立法、对污水回用的激励都在推动着污水向深度处理转变。从内部推动力看，一方面是污水处理费和水价的不断提升，另一方面是膜材料、组件价格的逐渐下降，膜分离水处理技术经济性在持续提升。在内外驱动因素的推动下，膜分离商业应用的几个主要方向，如污水处理及回用、海水淡化和工业应用在未来都处于快速增长的需求背景中；其中最为看好膜技术在污水处理及回用中的发展前景和空间。据国家环保总局环境规划院预测，我国“十二五”和“十三五”时期废水治理投入（含治理投资和运行费用）分别达10,583亿元和13,922亿元，其中工业和城镇生活污水的治理投资将分别达4355亿元和4590亿元。膜产业发展前景十分广阔。微滤、超滤、反渗透等膜技术在海水淡化、给水处理、污水处理与回用等领域的工程应用规模迅速扩大，多个具有标志性意义的大型膜法给水工程、污水回用工程及海水淡化工程已经相继建成。水作为一种战略资源正得到前所未有的重视，国家发改委组织实施的《城市和海水利用高新技术产业化专项》，国家发改委、科技部、商务部联合发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》，均把膜技术产业放到重要的位置。这些政策对促进我国膜产业快速发展，整体水平的提高起到了重大推动作用。目前中国膜市场已经成为全球市场中的重要部分，中国的膜企业也加入到这个全球性市场的激烈竞争。随着并购、联盟以及许可协议等，中国膜市场变化迅速而复杂。中国膜产业借助于国内基础建设快速发展的机会，水处理配套产业得到长足进步，但尚未形成整体优势，整个产业发展比较分散，还没有形成一批具有国际影响力的膜厂商和工程公司。但中国膜产业界的某些著名企业已经引入了风险投资、产业投资等战略投资，加速整合市场、技术、资本以及人力资源等，背靠中国巨大的市场需求空间，使得这些国内公司大大缩减了与世界一流膜企业的差距，并开始在全球膜产业界占据重要地位。2012年，科技部发布了《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》，提出“十二五”期间膜材料的发展目标，即实现5~8种关键膜材料国产化，建成膜生产线3~6条，到2015年形成千亿元产业。业内人士指出，从《规划》可以看出，今后几年我国将着力突破海水淡化用高性能反渗透膜、高性能分离膜材料、离子交换膜材料等关键技术，以此推动膜材料在水资源、石油化工等相关行业的应用。在环境状况每况愈下，资源储备量急剧下降的今天，清洁生产，循环经济的理念越来越深入人心。湿法冶金行业中，阴离子膜扩散渗析技术回收电解贫液中的废酸再返回系统使用，既节省了用以中和废酸的石灰，又避免了酸和金属离子的损失；拜耳法生产氧化铝工艺中，通过阳离子膜扩散渗析技术对循环母液中的碱进行分离，大大提高了碱的循环效率，降低了能耗，提高了生产能力；在电渗析技术研究进行的如火如荼的今天，双极膜的发展亦突飞猛进，与传统异相膜电渗析相比，双极膜电渗析具有稳定性高、耗能低、清洁无污染等优点，虽然双极膜电渗析目前还未得到全面的推广使用，但其工业化的生产与应用亦是指日可待。膜技术是高效、节能、无污染或少污染的新型分离技术，是解决资源及能源危机、环境污染严重等重大问题的有效方法之一，其广阔的发展及应用前景，将促使其在新材料和资源综合利用领域中的位置更加重要。二、国内外膜技术的现状及分析膜材料是膜分离技术的关键，作为膜技术产业化的核心部件，高性能膜材料的关键技术突破将直接影响膜技术在实际应用中的推广，也将带动整个膜产业进入快速发展阶段。在国际上，膜材料的开发起步较早，技术较为成熟，已实现多种膜材料的系列化大规模生产及工程应用，全球膜市场更是在近些年出现了强劲的增长势头。我国膜材料的开发起步较晚，自主创新能力不强，主要膜材料长期依赖进口，高端产业、低端环节现象严重；企业规模普遍较小，目前我国膜产业300亿的市场被上千个企业分割，产值过亿的规模企业很少；应用层次偏低，应用领域偏窄，90%左右应用于水处理和海水淡化领域；高端领域仅占膜市场的10%以下。因此提升我国膜产业的自主创新能力和产业竞争力迫在眉睫。今后我国膜科学技术及膜产业将形成水处理膜和特种分离膜并重发展的趋势。阴/阳离子交换膜扩散渗析技术最新研究进展有关扩散渗析技术的研究起步较早，20世纪50年代就出现了以离子交换膜作为隔膜的渗析设备，并于90年代逐步推广到工业应用。在现有技术中，美国专利US5264123和US5217612中所提出的扩散渗析设备，以及我公司、日本Astorm公司和美国Mech-Chem公司上产的扩散渗析器，均为板框式组件（即平板式）。板框式膜器件虽然组装方便，膜更换比较容易，但其显著缺点有：①需密封的边界线长，为保证膜两侧的密封，对板框及其起密封作用的部件的加工精度要求高；②每块板上料液的流程短，造成停留时间短，通过板面的一次透过液相对量少，所以为了使料液达到一定的浓缩度，需多次经过板面，或者料液需多次循环；③流通通道窄，流动阻力损失大，且流量分配不均匀，不易强化传质和减轻浓差极化；④膜器装填密度低，传质效率低，需要夹紧装置，造成设备庞大笨重，占用空间大，不便于运输和安装。阴/阳离子膜电渗析技术最新研究进展电渗析技术的发展是基于对“膜”现象的研究，其研究始于德国，但直到1950年，Juda首次成功研制了具有高选择性的离子交换膜后，电渗析技术才真正进入了实用阶段。发展至目前，电渗析技术已经成为一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有了相对重要的地位。截至目前，大量文献报道电渗析已经广泛运用于水体的淡化除盐、工业废水的处理、食品行业、生化行业等。但是，对于电渗析技术与其他膜技术集成的报道寥寥无几。中国科学技术大学徐铜文教授课题组将电渗析技术与扩散渗析技术集成起来，利用电渗析装置的浓缩淡化能力淡化扩散渗析过程的渗析液，再将淡化的渗析液作为扩散渗析过程的接受液，这样可使扩散渗析装置的接受液一侧溶液得到循环使用，与现有的扩散渗析过程连续进水相比，大大减少了扩散渗析过程中水的耗量；可以延长电渗析过程的操作时间，使回收获得的酸浓度达到直接使用的要求，从而免去了在连续扩散渗析操作后的回收酸中加入新鲜酸液这一步，可以充分利用回收酸。双极膜电渗析技术最新研究进展最近十几年里，对双极膜电渗析技术的理论和应用研究获得了突飞猛进的发展，双极膜的应用研究已经深入到化工、生物、环境、食品等各个方面。1995年后，美国、日本、法国和德国等建立了双极膜电渗析技术生产有机酸或氨基酸的工厂，而我们国内主要停留在实验室研究阶段，主要是由于进口的双极膜价格昂贵。不过，可喜的是，经过国内专家学者的精心研发和不断钻研，近几年国内有一些膜厂家也生产出了性能优异的双极膜，相信双极膜技术在中国得到大规模的应用也指日可待了。近年来，中国科学技术大学徐铜文教授课题组，在双极膜电渗析应用和理论方面有了较为广泛而深入的研究；（1）黄川徽等人采用双极膜电渗析对一种高效有机胺排烟脱硫剂的硫酸盐进行再生，探讨其工艺可行性，考察了电解质浓度、料液浓度、电流密度、膜堆构型对再生效果的影响。（2）冯好哲等人使用BP-A双极膜膜堆构型将四甲基氯化铵转化为氢氧化铵。（3）张放等人运用双极膜电渗析技术进行一种难溶于水的有机酸生产（葵二酸）。（4）卫艳新等人使用双极膜电渗析技术处理模拟的溴化丁基橡胶废水。（5）汪耀明等人将双极膜电渗析技术与离子交换法生产葡萄糖的成本进行比较，针对离子交换对环境的污染和双极膜电渗析的双极膜成本过高的问题分别引入了环境因子和价格因子，对在这两种因子的影响下的这两种工艺生产葡萄糖酸的成本做了比较。实现双极膜过程的工业化除了要做实际料液的大规模试验外，还要凝聚学术界、工业界和政府的力量，向大众普及双极膜电渗析的知识，扩大双极膜生产规模，开发国产膜，打破进口膜对中国市场的垄断，提高双极膜电渗析膜堆性能，面向应用开拓功能集成途径，采用双赢合作等有效方式充分增加双极膜电渗析应用规模。鉴于双极膜电渗析的固有工业生态学特征，我们相信，该技术必定为绿色和环境化工注入持久力量。三、天维公司主要产品及在研产品介绍公司的主要产品为均相离子交换膜及其相关组器，包括阴离子酸回收扩散渗析器、阳离子碱回收扩散渗析器和电渗析器，产品主要应用于废酸废碱的回收、脱盐处理和有机酸生产。目前公司的阴膜、阳膜以及组器已经工业化生产，现在正在开发高交换容量的阴膜、耐碱阳膜和用于电渗析的阴膜、阳膜。均相渗析阴膜及扩散渗析器均相扩散渗析阴膜作为一种具有特殊分离效果的离子交换膜，主要用于工业酸性废水中酸与盐的分离。其运行过程依据的是渗析原理，以浓差做推动力。在扩散渗析膜的两侧分别通入废酸液及接受液（自来水）时，废酸液侧的酸盐的浓度远高于水的一侧，由于浓度原因酸及盐有向水侧扩散的趋势，但渗析膜骨架本身带正电荷基团，由于电荷相互作用，其只允许带负电酸根离子和半径小电荷少的H+通过，而阻碍带正电的金属离子通过，从而实现了酸跟盐的分离。膜法扩散渗析酸回收技术具有操作简单、维护方便，易实现