2021-04-21 11:22:32
編者按：新材料產(chǎn)業(yè)是支撐我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。近年來，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷加快。“十四五”時期，新材料的發(fā)展更是被提上了日程。為此，本報推出系列報道，帶你走近新材料，了解它們的技術(shù)發(fā)展，展望它們的產(chǎn)業(yè)前景。
這兩天，江蘇久吾高科技股份有限公司項目經(jīng)理柯振宇，正蹲在南通能達(dá)水務(wù)有限公司進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。經(jīng)由一道道膜的過濾，制漿、造紙廢水里濾出鹽酸和燒堿……
這些廢水，來自江蘇王子制紙公司（以下簡稱王子制紙）。9年前，也是在這里，時任江蘇省省長助理兼科技廳廳長的徐南平，帶領(lǐng)團(tuán)隊用膜技術(shù)，幫王子制紙化解了危機、順利開工。如今，這里每天過濾濃縮的制漿尾水達(dá)3.2萬噸，造紙尾水的日處理量約達(dá)1萬噸。
“十三五”以來，我國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的年均增速在15%左右；2019年，我國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)2773億元，較“十二五”末翻了一番。
“除了水處理，我國膜產(chǎn)品大量應(yīng)用于制藥、食品等行業(yè)，也出口到東南亞、德國、美國等地區(qū)或國家。”南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所、國家特種分離膜工程技術(shù)研究中心教授范益群告訴記者。
膜技術(shù)可實現(xiàn)分子級過濾
水資源短缺和水環(huán)境污染是全球面臨的兩個重大環(huán)境問題。作為一種新興高效的分離技術(shù)，膜分離技術(shù)利用特殊材料的膜，外加動力，可以分離水中的小分子、固體顆粒等物質(zhì)。這種技術(shù)兼有分離、濃縮、純化等功能，而且高效、節(jié)能、環(huán)保，能實現(xiàn)分子級過濾，過濾過程簡單、易操作、能耗低、效率高。
“近年來，高性能膜材料技術(shù)快速發(fā)展，污水處理廠、家用凈水器都廣泛地使用了膜技術(shù)，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，成本也在快速下降。”與膜材料打了半輩子交道的范益群，對中國膜材料的發(fā)展如數(shù)家珍。他說，膜材料根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可以分為水處理膜、氣體分離膜、離子交換膜、特種分離膜。其中水處理膜又可根據(jù)孔徑和功能，分為超濾膜、微濾膜、納濾膜、反滲透膜等。
范益群介紹，超濾膜的孔徑一般在0.1微米以下，可以過濾水中的細(xì)菌、病毒、膠體、大分子，可以用在食品加工業(yè)中，例如，過濾、攔截豆制品加工后液體中的大豆蛋白。微濾膜的孔徑大多在0.1微米以上，多用來處理水中的懸浮物，降低水體的濁度，還可以過濾水中的細(xì)菌，一般在河道的凈化中多有使用。納濾膜顧名思義，膜內(nèi)的過濾孔徑可以達(dá)到0.002微米，除了可以過濾水中的腐殖酸、農(nóng)藥化肥殘留等大分子物質(zhì)，還能過濾鈣鎂離子，軟化水體，但又可以保留一部分礦物質(zhì)。
過濾孔徑最小的是反滲透膜。“反滲透膜孔徑非常小，只有水分子可以透過。它利用膜兩側(cè)的靜壓差作為推動力，實現(xiàn)液體混合物的分離，廣泛應(yīng)用于海水淡化以及高純水生產(chǎn)中。”范益群說。
多個領(lǐng)域都離不開這張膜
目前，在海水淡化、工業(yè)廢水處理、工業(yè)用水處理、市政污水再生處理、市政自來水提質(zhì)改造、家用凈水器市場等領(lǐng)域，膜技術(shù)大顯身手。
該技術(shù)的應(yīng)用，曾一度為王子制紙一項陷入絕境的大項目力挽狂瀾。
2012年，王子制紙打算在江蘇啟東修建一條制漿廢水排海管道，消息傳開后，世代以漁業(yè)為生的啟東老百姓，開始擔(dān)心造紙制漿廢水會影響生態(tài)和近海漁業(yè)養(yǎng)殖。
關(guān)鍵時刻，中國工程院院士、中國膜科學(xué)973項目首席科學(xué)家徐南平主動請纓，帶領(lǐng)南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)研究所的40多位研發(fā)人員，開始攻克造紙制漿廢水“零排放”的世界性難題，提出了成套設(shè)計工藝，打消了民眾顧慮，幫助地方與企業(yè)走出了困局。
9年過去，科研團(tuán)隊再次進(jìn)行技術(shù)升級?？抡裼罡嬖V科技日報記者：“以前制漿尾水過濾后析出的鹽有很多雜質(zhì)，甚至還有一些腐蝕性固體廢棄物。此次技改工藝，將反滲透產(chǎn)生的濃鹽水分離成高氯化鈉濃鹽水和高硫酸鈉濃鹽水，再將高氯化鈉濃鹽水通過新增的膜電解單元，制成低濃度的酸、堿水用于生產(chǎn)，替代部分外購藥劑。高硫酸鈉濃鹽水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)后，則生產(chǎn)出工業(yè)級元明粉，可作產(chǎn)品銷售。”目前，他們正在做項目的試生產(chǎn)運行，預(yù)計今年下半年可以建成投產(chǎn)。
除了廢水處理，以膜技術(shù)為核心的新型水處理技術(shù)，已經(jīng)成為提高水環(huán)境的利器。
2019年，深圳鹽田區(qū)建成深圳市首個自來水直飲示范區(qū)，采用臭氧－活性炭、超濾膜等深度處理工藝，提高出廠水水質(zhì)，實現(xiàn)自來水直飲全覆蓋。
重要的是，包括芯片在內(nèi)的精密電子器件的生產(chǎn)，也離不開膜技術(shù)。“目前芯片的集成度要求越來越高，這要求晶體管之間不能有離子，以確保器件之間不會有電磁干擾，而生產(chǎn)制作這些晶體管，都需要使用超純水沖刷，確保芯片性能穩(wěn)定。在制備超純水方面，膜技術(shù)提供了有力支撐。”范益群說。
加強原始創(chuàng)新能力應(yīng)對挑戰(zhàn)
中國膜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段還需突破產(chǎn)品種類偏少、應(yīng)用領(lǐng)域偏窄的局限。例如膜產(chǎn)品主要集中在水處理領(lǐng)域，占膜市場的85%。面向醫(yī)藥、能源和物料分離領(lǐng)域應(yīng)用的特種功能膜產(chǎn)品品類較少。“膜產(chǎn)品處于產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，而膜材料成了膜產(chǎn)品向高端發(fā)展的瓶頸，因此需要加強基礎(chǔ)研究，強化原始創(chuàng)新，加大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。”中國膜工業(yè)協(xié)會理事長鄭根江告訴記者。
膜與膜材料原始創(chuàng)新能力較弱，是我國膜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)之一。鄭根江指出，這主要表現(xiàn)在3個方面：一是制膜用化工原材料要求高，一般的化工原材料難以達(dá)到制膜要求，需要進(jìn)行大量的優(yōu)化、改性研究。二是成膜機理、膜配方、制膜工藝和制膜設(shè)備這四大關(guān)鍵技術(shù)，互為支撐、密切度高、匹配性強，需要系統(tǒng)性創(chuàng)新。三是由于膜的應(yīng)用場景不同，每種膜的配方、結(jié)構(gòu)、制作工藝及性能要求也不同，制膜設(shè)備及工藝針對性強，技術(shù)難度大，這些膜核心技術(shù)的原始創(chuàng)新亟待加強。例如，氫燃料電池質(zhì)子交換膜、太陽能光伏背板膜等新能源用膜，高性能醫(yī)用膜以及高精準(zhǔn)分離膜等一些高端膜產(chǎn)品的制膜關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率偏低，部分關(guān)鍵設(shè)備仍需要進(jìn)口。
鄭根江建議，應(yīng)以發(fā)展先進(jìn)裝備制造業(yè)為目標(biāo)，圍繞膜裝備的重大共性關(guān)鍵技術(shù)及綠色、高效、智能制造等開展系統(tǒng)研發(fā)，強化機械裝備模塊化、智能化、機電一體化和零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化。“還要多開發(fā)高端產(chǎn)品，例如能用于物料精準(zhǔn)分離的超濾膜和納濾膜，在極端工況下應(yīng)用的耐高溫高壓、抗污染的膜。”
“十四五”膜產(chǎn)業(yè)總值或達(dá)5000億元
2019年的膜工業(yè)總產(chǎn)值，主要由膜與膜材料、膜設(shè)備、膜工程和膜配套設(shè)備、膜貿(mào)易與服務(wù)四大部分構(gòu)成。其中，膜工程與膜配套設(shè)備板塊占我國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的27%；膜設(shè)備板塊產(chǎn)值占26%；膜與膜材料板塊的產(chǎn)值占15%。這意味著，膜與膜材料領(lǐng)域增長空間較大。
“膜技術(shù)的發(fā)展，讓膜的原材料層出不窮。從幾元錢一公斤的PVC，到幾百元一公斤的聚四氟乙烯，從粉煤灰到高純度氧化鋁，不同原材料制得的膜，應(yīng)用場景不同，大家也在嘗試一些新材料，例如陶瓷膜。”范益群說。
“不過，原材料的生產(chǎn)和制造工藝越復(fù)雜，成本越昂貴。”范益群舉例說，去除氧化鋁雜質(zhì)的成本很高，99%純度的氧化鋁，市場售價約1萬元每噸，而99.95%純度的氧化鋁售價則高達(dá)100萬元每噸。
“此外，原材料的均勻度、可重復(fù)性，生產(chǎn)工藝的控制精度和水平，生產(chǎn)中監(jiān)控儀器的精度和靈敏度，都會決定膜的質(zhì)量高低。”范益群說，大批量的膜生產(chǎn)，膜表面不能有缺陷，一張幾十平方米的膜，只要有一個頭發(fā)絲粗細(xì)的孔，過濾時就會讓雜質(zhì)漏過去；生產(chǎn)過程中，如果不慎有灰塵掉落在膜上，也可能在膜上留下一個孔洞；這些都會影響過濾效率。
面向“十四五”，鄭根江對中國的膜產(chǎn)業(yè)信心滿滿，他表示：“近幾年，全球膜市場需求快速增長。2018年，全球膜與膜裝備總產(chǎn)值達(dá)到950億美元。未來幾年，隨著科技水平、產(chǎn)品質(zhì)量、工程技術(shù)水平和國際市場運作能力的不斷提升，中國膜產(chǎn)業(yè)將快速融入全球市場，國際市場占有率將大幅提升。”
對于未來，鄭根江充滿期待。他分析，2025年中國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值或?qū)⑦_(dá)5000—6000億元。其中工業(yè)廢水資源化、城鎮(zhèn)污水再利用、城鎮(zhèn)自來水提質(zhì)改造、醫(yī)用膜、家用凈水器市場的產(chǎn)值將占據(jù)較大市場份額。“膜產(chǎn)業(yè)也將通過關(guān)鍵共性技術(shù)，帶動3D打印、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、能源等領(lǐng)域的發(fā)展。”鄭根江說。
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