一文看懂國內外高性能分離膜產(chǎn)業(yè)現狀

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-高性能分離膜材料的基本情況-

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高性能分離膜材料定義

國際理論與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )（IUPAC）給出的膜的定義為：膜是一種單位結構，其三維中的一個(gè)維度尺寸比另2個(gè)維度要小很多，并可在推動(dòng)力下進(jìn)行質(zhì)量傳遞。因此，不論是固相、氣相還是液相的膜，都可以符合上述定義，其中，最常見(jiàn)的為固相。

分離膜是具有選擇性透過(guò)功能的特殊的膜，其特殊通透性，可起到濃縮和分離純化特定一種或幾種物質(zhì)的作用。高性能分離膜材料具有高分離性能、高穩定性、低成本和長(cháng)壽命等特征，是新型高效分離技術(shù)的核心材料，在解決水資源、環(huán)境問(wèn)題、能源問(wèn)題等方面發(fā)揮著(zhù)重大的作用。

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戰略意義

膜技術(shù)與傳統的過(guò)濾、精餾、萃取等分離技術(shù)相比，是一種新型高效的分離技術(shù)，具有能耗低、分離效率高、無(wú)污染等特點(diǎn)。在當代多數工業(yè)中，膜技術(shù)將扮演重要角色，在水資源、能源、環(huán)境、傳統產(chǎn)業(yè)改造等領(lǐng)域都將膜技術(shù)提升到了戰略高度。膜技術(shù)廣闊的發(fā)展及應用前景，促使其在新材料和資源綜合利用領(lǐng)域中的位置更加重要。《中國制造2025》路線(xiàn)圖（2015年版）中，明確指出了作為關(guān)鍵戰略材料的高性能分離膜材料的發(fā)展重點(diǎn)方向，包括海水淡化反滲透膜、陶瓷膜、離子交換膜、滲透汽化膜等產(chǎn)品，并明確了各自產(chǎn)品的戰略發(fā)展目標。

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-國內外分離膜技術(shù)的現狀及分析-

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分離膜技術(shù)現狀

由于目前全球面臨的水資源不足和污染嚴重問(wèn)題制約了社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展，水處理與凈化已經(jīng)成為世界各國在政策、經(jīng)濟、科學(xué)、技術(shù)方面都十分重視的領(lǐng)域。2015年中國專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)公司的全球水處理膜材料相關(guān)調研顯示，在全球布局的水處理膜材料專(zhuān)利申請中，有超過(guò)1/3的專(zhuān)利申請來(lái)自于日本，有接近1/3的專(zhuān)利申請來(lái)自于美國，來(lái)自于中國的專(zhuān)利申請占全球總量的11%，位列第3，之后是德國和韓國，專(zhuān)利申請數量分別占全球總量的6%和5%。此次統計主要研究對象是以壓力差為分離驅動(dòng)力的過(guò)濾式膜材料，包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）以及反滲透（RO）等膜片材料。專(zhuān)利數據來(lái)自于歐洲專(zhuān)利檢索系統（EPO-QUE）。可以看出，日本和美國企業(yè)幾乎壟斷了全球水處理膜材料的國際市場(chǎng)，尤其是在海水淡化反滲透膜、離子交換膜、耐溶劑納濾膜等領(lǐng)域。

我國從20世紀50年代起開(kāi)始發(fā)展膜技術(shù)，起步較晚，但近年來(lái)我國的膜產(chǎn)業(yè)得到了長(cháng)足的發(fā)展與持續的增長(cháng)。《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項規劃》等文件的發(fā)布，極大地推動(dòng)了我國高性能分離膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在《“十三五”國家科技創(chuàng )新規劃》中也將高性能膜材料定為重點(diǎn)研究方向之一。我國近年來(lái)對高性能膜材料予以持續支持，從事分離膜研究的高校和科研機構超過(guò)120家，生產(chǎn)企業(yè)超過(guò)400余家，工程公司近2000家，其中大約有30個(gè)研究團隊活躍在國際學(xué)術(shù)前沿，在幾乎所有的分離膜領(lǐng)域都開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。

國外高性能分離膜的研究主要集中在美日歐、澳大利亞等國家及地區。研究的重點(diǎn)主要有：膜材料的開(kāi)發(fā)、新型膜的制備以及制膜工藝的創(chuàng )新等，技術(shù)應用的領(lǐng)域主要包括氣體和液體等分離。目前，石墨烯、碳納米管、共價(jià)有機框架、MoS2、MXene等二維材料及人工水通道等新型納米材料在構筑高性能分離膜方面的優(yōu)勢已愈加凸顯，尤其在納濾、反滲透、氣體分離、滲透汽化等具有限域傳質(zhì)效應的分離膜領(lǐng)域，極大推動(dòng)了分離膜領(lǐng)域發(fā)展。

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主流技術(shù)

（1）反滲透膜

反滲透膜是一種人工半透膜，它是反滲透技術(shù)的核心構件。反滲透膜能夠有效地去除水中的溶解鹽類(lèi)、膠體、微生物、有機物等。具有耗能低、無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

反滲透膜具有高效的脫鹽率、較高的機械強度和使用壽命、可耐受化學(xué)或生物化學(xué)作用的影響，受pH值、溫度等因素影響較小等特點(diǎn)。這些特性使反滲透技術(shù)成為最經(jīng)濟的海水淡化技術(shù)，應用于絕大多數膜法海水淡化工程。目前反滲透膜的研究主要是通過(guò)對界面聚合的單體進(jìn)行篩選和優(yōu)化，進(jìn)一步提高反滲透特性。雖然眾多的反滲透膜材料單體層出不窮，但研究還停留在試驗篩選階段，無(wú)法根據理論設計獲得符合預測的膜材料單體。

近年來(lái)，我國以反滲透膜技術(shù)為核心，在工業(yè)廢水處理、市政污水處理等方面都有1萬(wàn)m3/d以上規模的示范工程完成，成為膜法水資源再利用的技術(shù)發(fā)展趨勢。

（2）納濾膜

納濾膜是一種功能性半透膜，孔徑一般在1～2nm，它可以允許溶劑分子或特定的低分子量溶質(zhì)或低價(jià)離子透過(guò)。它截留物質(zhì)的大小約為納米尺度，截留的有機物分子量約為150～500。納濾膜分為有機膜和無(wú)機膜。有機納濾膜主要采用界面聚合方法制備，其微結構調控方法也與反滲透膜相近。無(wú)機材質(zhì)的納濾膜具有優(yōu)異的熱穩定性和耐溶劑特性，是當前納濾膜發(fā)展的一個(gè)重要方向。

目前，已商品化的納濾膜大多數是以界面聚合制得的芳香聚酰胺復合膜，膜上荷電基團多為負電荷，羧基、酰胺基，帶磺酸基等，如美、日等國已近年相繼研制開(kāi)發(fā)了芳香聚酰胺類(lèi)、聚哌嗪酰胺類(lèi)、磺化聚(醚)砜類(lèi)等商業(yè)化復合型平板或卷式納濾膜。

飲用水的軟化和有機物的脫除是納濾膜最主要的應用范圍，在脫鹽和濃縮方面，納濾膜逐漸取代了傳統的離心分離、加熱蒸發(fā)等方式；納濾膜也可用于污水廢水的處理再生水回用。我國的納濾膜市場(chǎng)規模只相當于反滲透膜的1/10，能生產(chǎn)納濾膜的國內企業(yè)極少，缺乏批量生產(chǎn)高質(zhì)量納濾膜能力，納濾膜的應用領(lǐng)域和使用規模也還有拓展空間。

（3）超濾膜和微濾膜

超濾和微濾膜都是多孔膜，由于工作壓力較低，所以也統稱(chēng)為低壓膜，用于水體除菌除濁，或流體中的固/液分離，有用物質(zhì)回收等。

超濾膜的材質(zhì)主要為聚砜（PSu）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚氯乙烯（PVC）等。而微濾膜材質(zhì)主要為醋酸纖維素（CA）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯（PTFE）等。但目前只有聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）使用量較大，而由于其良好的物理性能、強度和耐腐蝕性，聚偏二氟乙烯（PVDF）的使用量在全球范圍均為第1。

（4）氣體分離膜

氣體分離膜是一種選擇性膜，其對不同種類(lèi)的氣體分子具有不同的透過(guò)率和選擇性，因此氣體分離膜可以從氣體混合物中選擇性分離某種特殊氣體。如合成氨尾氣中收集氫氣、從空氣中富集氧氣、從石油裂解混合其中分離氫氣、一氧化碳等氣體。目前，富氧膜是氣體分離膜的主要研究對象。制作富氧膜的高分子材料，要求兼具高透過(guò)性和高選擇性。我國目前在二氧化碳分離膜、有機蒸汽分離膜方面與國外先進(jìn)水平相當，富氧分離膜和氫分離膜領(lǐng)域與國外先進(jìn)水平還有一定差距。

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-分離膜產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競爭分析-

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RO膜市場(chǎng)品牌競爭格局

在中國整個(gè)膜市場(chǎng)中，用量最大的是反滲透膜，大約占膜行業(yè)市場(chǎng)份額的56%，其中國外品牌占領(lǐng)了約85%-88%的市場(chǎng)，美國陶氏化學(xué)公司和海德能公司分別占26%-30%的市場(chǎng)，剩余的被日本東麗公司、韓國熊津等公司占領(lǐng)。目前我國的反滲透膜技術(shù)已經(jīng)非常成熟，性能有了很大提高，膜的脫鹽率也得到增強，并在國際市場(chǎng)受到歡迎。

另外，國產(chǎn)品牌在性?xún)r(jià)比方面與國外同類(lèi)型產(chǎn)品相比也具有很大優(yōu)勢。在性能方面，國產(chǎn)品牌北京時(shí)代沃頓公司生產(chǎn)的膜產(chǎn)品在抗氧化、抗污染能力等方面都非常優(yōu)秀，其銷(xiāo)售額每年以40%的速度增長(cháng)，并且出口銷(xiāo)售額已經(jīng)占到該公司整體銷(xiāo)售額的40%，出口主要面向歐美、東南亞等國家。

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UF/MF膜市場(chǎng)品牌競爭格局

與反滲透膜市場(chǎng)被陶氏和海德能兩大巨頭占據所不同，目前國內的超濾膜市場(chǎng)還沒(méi)有形成壟斷局面。目前的市場(chǎng)格局如下：以科氏為代表的幾個(gè)國外知名品牌占據了國內高端市場(chǎng)，中低端市場(chǎng)被國內眾多超濾廠(chǎng)家瓜分，其中的代表企業(yè)有天津膜天膜和海南立昇。天津膜天膜是國內最早開(kāi)發(fā)出PVDF系列中空纖維膜產(chǎn)品及成套裝置的公司，也是國內在該方面技術(shù)最成熟的公司，它在中空纖維微濾膜、超濾膜的相關(guān)研究技術(shù)上已達到很高水平。現在國內的超濾膜企業(yè)正在以燎原之勢發(fā)展壯大。

盡管中國的整體水平與國外相比還有差距，但并不是全面落后，有些企業(yè)的產(chǎn)品甚至超過(guò)了國外水平。例如海南立昇公司的專(zhuān)利產(chǎn)品聚氯乙烯合金超濾膜，是中國民族膜品牌的一個(gè)突破，其在截留性能、抗污能力、使用壽命和耐堿性等方面均已超過(guò)了國外產(chǎn)品，而價(jià)格僅為國外同類(lèi)產(chǎn)品的50%左右。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在歐美、日本、韓國、臺灣等國家與地區獲得了應用。

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-未來(lái)的發(fā)展趨勢-

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趨勢分析

從發(fā)展重點(diǎn)看，膜技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向包括：推廣應用領(lǐng)域包括海水淡化和苦咸水淡化;處理微污染水，保證飲水安全;實(shí)現工業(yè)廢水和市政污水資源化;進(jìn)軍新能源電池隔膜挑戰性領(lǐng)域;提升水準醫療用膜和醫用檢測膜水準;加強重大技術(shù)設備的核心膜開(kāi)發(fā)。與此相適應，開(kāi)發(fā)適用于重點(diǎn)應用領(lǐng)域的高性能膜的規模化制造技術(shù)，實(shí)現膜組器的優(yōu)化和革新，建設膜技術(shù)為核心的處理工程。

目前來(lái)看，我國在無(wú)機膜、有機無(wú)機復合膜等領(lǐng)域已具有較強的國際競爭力。其主要是利用相轉化和高溫燒結的方法制備而成。因其成膜材料和成膜方法的限制，傳統的分離膜孔徑分布不均勻、選擇分離層較厚，制約了分離通量和分離選擇性的同步、大幅提升，這就是“上限平衡”效應。因此，克服“上限平衡”效應，設計制備具有均一孔徑尺寸及納米級厚度的高性能膜材料，實(shí)現高精度、高通量分離，是目前分離膜領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

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發(fā)展建議

（1）持續加強基礎研究

膜分離過(guò)程不可避免地會(huì )面臨著(zhù)膜污染、劣化等問(wèn)題，這些問(wèn)題都會(huì )極大地影響分離效率和使用壽命。建議國家部委和相關(guān)研究機構加強頂層設計和宏觀(guān)管理，持續穩定地支持相關(guān)基礎研究，推動(dòng)我國高性能分離膜產(chǎn)業(yè)在“十三五”末期獲得一定的技術(shù)突破。

（2）鼓勵協(xié)同創(chuàng )新，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步

依托分離膜產(chǎn)業(yè)的優(yōu)秀科研團隊和龍頭企業(yè)，建設一批高水平的技術(shù)中心、工程中心，推動(dòng)高校與企業(yè)協(xié)同開(kāi)發(fā)與聯(lián)合攻關(guān)模式，促進(jìn)科技成果的快速轉移轉化工作。

（3）建立標準體系和評價(jià)中心

建立健全膜產(chǎn)品（包括膜、膜組件和膜裝置）的國家標準和行業(yè)標準，推動(dòng)建立膜工程的技術(shù)標準；推動(dòng)膜產(chǎn)品性能檢測方法和標準的建設，完善膜產(chǎn)品的市場(chǎng)準入制度。

（4）建立多元投資機制

推動(dòng)膜產(chǎn)業(yè)多元化投資機制的形成，促進(jìn)我國膜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提升國際競爭力。積極利用各專(zhuān)項資金、優(yōu)惠政策，充分挖掘市場(chǎng)潛力，鼓勵和引導社會(huì )資本進(jìn)入，探索產(chǎn)業(yè)基金等形式，大力推動(dòng)我國向著(zhù)膜產(chǎn)業(yè)強國的轉變。