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打破“膜”咒,释放更多中国“膜”力
科技日报 / 时间:2021-04-22 14:47:05

科技日报4月21日讯:编者按:新材料产业是支撑我国经济发展和产业结构转型升级的基础性、先导性、战略性产业。近年来,我国新材料产业发展不断加快。“十四五”时期,新材料的发展更是被提上了日程。为此,本报推出系列报道,带你走近新材料,了解它们的技术发展,展望它们的产业前景。

这两天,江苏久吾高科技股份有限企业项目经理柯振宇,正蹲在南通能达水务有限企业进行技术优化。经由一道道膜的过滤,制浆、造纸废水里滤出盐酸和烧碱……

这些废水,来自江苏王子制纸企业(以下简称王子制纸)。9年前,也是在这里,时任江苏省省长助理兼科技厅厅长的徐南平,带领团队用膜技术,帮王子制纸化解了危机、顺利开工。如今,这里每天过滤浓缩的制浆尾水达3.2万吨,造纸尾水的日处理量约达1万吨。

“十三五”以来,我国膜产业总产值的年均增速在15%左右;2019年,我国膜产业总产值已达2773亿元,较“十二五”末翻了一番。

“除了水处理,我国膜产品大量应用于制药、食品等行业,也出口到东南亚、德国、美国等地区或国家。”南京工业大学膜科学技术研究所、国家特种分离膜工程技术研究中心教授范益群告诉记者。

膜技术可实现分子级过滤

水资源短缺和水环境污染是全球面临的两个重大环境问题。作为一种新兴高效的分离技术,膜分离技术利用特殊材料的膜,外加动力,可以分离水中的小分子、固体颗粒等物质。这种技术兼有分离、浓缩、纯化等功能,而且高效、节能、环保,能实现分子级过滤,过滤过程简单、易操作、能耗低、效率高。

“近年来,高性能膜材料技术快速发展,污水处理厂、家用净水器都广泛地使用了膜技术,随着技术不断进步,成本也在快速下降。”与膜材料打了半辈子交道的范益群,对中国膜材料的发展如数家珍。他说,膜材料根据应用领域可以分为水处理膜、气体分离膜、离子交换膜、特种分离膜。其中水处理膜又可根据孔径和功能,分为超滤膜、微滤膜、纳滤膜、反渗透膜等。

范益群先容,超滤膜的孔径一般在0.1微米以下,可以过滤水中的细菌、病毒、胶体、大分子,可以用在食品加工业中,例如,过滤、拦截豆制品加工后液体中的大豆蛋白。微滤膜的孔径大多在0.1微米以上,多用来处理水中的悬浮物,降低水体的浊度,还可以过滤水中的细菌,一般在河道的净化中多有使用。纳滤膜顾名思义,膜内的过滤孔径可以达到0.002微米,除了可以过滤水中的腐殖酸、农药化肥残留等大分子物质,还能过滤钙镁离子,软化水体,但又可以保留一部分矿物质。

过滤孔径最小的是反渗透膜。“反渗透膜孔径非常小,只有水分子可以透过。它利用膜两侧的静压差作为推动力,实现液体混合物的分离,广泛应用于海水淡化以及高纯水生产中。”范益群说。

多个领域都离不开这张膜

目前,在海水淡化、工业废水处理、工业用水处理、市政污水再生处理、市政自来水提质改造、家用净水器市场等领域,膜技术大显身手。

该技术的应用,曾一度为王子制纸一项陷入绝境的大项目力挽狂澜。

2012年,王子制纸打算在江苏启东修建一条制浆废水排海管道,消息传开后,世代以渔业为生的启东老百姓,开始担心造纸制浆废水会影响生态和近海渔业养殖。

关键时刻,中国工程院院士、中国膜科学973项目首席科学家徐南平主动请缨,带领南京工业大学膜科学研究所的40多位研发人员,开始攻克造纸制浆废水“零排放”的世界性难题,提出了成套设计工艺,打消了民众顾虑,帮助地方与企业走出了困局。

9年过去,科研团队再次进行技术升级。柯振宇告诉科技日报记者:“以前制浆尾水过滤后析出的盐有很多杂质,甚至还有一些腐蚀性固体废弃物。此次技改工艺,将反渗透产生的浓盐水分离成高氯化钠浓盐水和高硫酸钠浓盐水,再将高氯化钠浓盐水通过新增的膜电解单元,制成低浓度的酸、碱水用于生产,替代部分外购药剂。高硫酸钠浓盐水进入蒸发结晶系统后,则生产出工业级元明粉,可作产品销售。”目前,他们正在做项目的试生产运行,预计今年下半年可以建成投产。

除了废水处理,以膜技术为核心的新型水处理技术,已经成为提高水环境的利器。

2019年,深圳盐田区建成深圳市首个自来水直饮示范区,采用臭氧-活性炭、超滤膜等深度处理工艺,提高出厂水水质,实现自来水直饮全覆盖。

重要的是,包括芯片在内的精密电子器件的生产,也离不开膜技术。“目前芯片的集成度要求越来越高,这要求晶体管之间不能有离子,以确保器件之间不会有电磁干扰,而生产制作这些晶体管,都需要使用超纯水冲刷,确保芯片性能稳定。在制备超纯水方面,膜技术提供了有力支撑。”范益群说。

加强原始创新能力应对挑战

中国膜产业现阶段还需突破产品种类偏少、应用领域偏窄的局限。例如膜产品主要集中在水处理领域,占膜市场的85%。面向医药、能源和物料分离领域应用的特种功能膜产品品类较少。“膜产品处于产业链的顶端,而膜材料成了膜产品向高端发展的瓶颈,因此需要加强基础研究,强化原始创新,加大关键技术研发。”中国膜工业协会理事长郑根江告诉记者。

膜与膜材料原始创新能力较弱,是我国膜产业现阶段面临的挑战之一。郑根江指出,这主要表现在3个方面:一是制膜用化工原材料要求高,一般的化工原材料难以达到制膜要求,需要进行大量的优化、改性研究。二是成膜机理、膜配方、制膜工艺和制膜设备这四大关键技术,互为支撑、密切度高、匹配性强,需要系统性创新。三是由于膜的应用场景不同,每种膜的配方、结构、制作工艺及性能要求也不同,制膜设备及工艺针对性强,技术难度大,这些膜核心技术的原始创新亟待加强。例如,氢燃料电池质子交换膜、太阳能光伏背板膜等新能源用膜,高性能医用膜以及高精准分离膜等一些高端膜产品的制膜关键设备国产化率偏低,部分关键设备仍需要进口。

郑根江建议,应以发展先进装备制造业为目标,围绕膜装备的重大共性关键技术及绿色、高效、智能制造等开展系统研发,强化机械装备模块化、智能化、机电一体化和零部件的通用化、标准化、集成化。“还要多开发高端产品,例如能用于物料精准分离的超滤膜和纳滤膜,在极端工况下应用的耐高温高压、抗污染的膜。”

“十四五”膜产业总值或达5000亿元

2019年的膜工业总产值,主要由膜与膜材料、膜设备、膜工程和膜配套设备、膜贸易与服务四大部分构成。其中,膜工程与膜配套设备板块占我国膜产业总产值的27%;膜设备板块产值占26%;膜与膜材料板块的产值占15%。这意味着,膜与膜材料领域增长空间较大。

“膜技术的发展,让膜的原材料层出不穷。从几元钱一公斤的PVC,到几百元一公斤的聚四氟乙烯,从粉煤灰到高纯度氧化铝,不同原材料制得的膜,应用场景不同,大家也在尝试一些新材料,例如陶瓷膜。”范益群说。

“不过,原材料的生产和制造工艺越复杂,成本越昂贵。”范益群举例说,去除氧化铝杂质的成本很高,99%纯度的氧化铝,市场售价约1万元每吨,而99.95%纯度的氧化铝售价则高达100万元每吨。

“此外,原材料的均匀度、可重复性,生产工艺的控制精度和水平,生产中监控仪器的精度和灵敏度,都会决定膜的质量高低。”范益群说,大批量的膜生产,膜表面不能有缺陷,一张几十平方米的膜,只要有一个头发丝粗细的孔,过滤时就会让杂质漏过去;生产过程中,如果不慎有灰尘掉落在膜上,也可能在膜上留下一个孔洞;这些都会影响过滤效率。

面向“十四五”,郑根江对中国的膜产业信心满满,他表示:“近几年,全球膜市场需求快速增长。2018年,全球膜与膜装备总产值达到950亿美金。未来几年,随着科技水平、产品质量、工程技术水平和国际市场运作能力的不断提升,中国膜产业将快速融入全球市场,国际市场占有率将大幅提升。”

对于未来,郑根江充满期待。他分析,2025年中国膜产业总产值或将达5000—6000亿元。其中工业废水资源化、城镇污水再利用、城镇自来水提质改造、医用膜、家用净水器市场的产值将占据较大市场份额。“膜产业也将通过关键共性技术,带动3D打印、医学、光学、能源等领域的发展。”郑根江说。


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