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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(guó)際理論與應(yīng)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(jié)構(gòu)，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，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(wěn)定性、低成本和長(zhǎng)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)揮著重大的作用。

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戰(zhàn)略意義

膜技術(shù)與傳統(tǒng)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(dāng)代多數(shù)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領(lǐng)域都將膜技術(shù)提升到了戰(zhàn)略高度。膜技術(shù)廣闊的發(fā)展及應(yīng)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?！吨袊?guó)制造2025》路線圖（2015年版）中，明確指出了作為關(guān)鍵戰(zhàn)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(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。

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-國(guó)內(nèi)外分離膜技術(shù)的現(xiàn)狀及分析-

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分離膜技術(shù)現(xiàn)狀

由于目前面臨的水資源不足和污染嚴(yán)重問(wèn)題制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水處理與凈化已經(jīng)成為世界各國(guó)在政策、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、技術(shù)方面都十分重視的領(lǐng)域。2015年中國(guó)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司的水處理膜材料相關(guān)調(diào)研顯示，在布局的水處理膜材料申請(qǐng)中，有超過(guò)1/3的申請(qǐng)來(lái)自于日本，有接近1/3的申請(qǐng)來(lái)自于美國(guó)，來(lái)自于中國(guó)的申請(qǐng)占總量的11%，位列第3，之后是德國(guó)和韓國(guó)，申請(qǐng)數(shù)量分別占總量的6%和5%。此次統(tǒng)計(jì)主要研究對(duì)象是以壓力差為分離驅(qū)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。數(shù)據(jù)來(lái)自于歐洲檢索系統(tǒng)（EPO-QUE）?？梢钥闯觯毡竞兔绹?guó)企業(yè)幾乎壟斷了水處理膜材料的國(guó)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(guó)從20世紀(jì)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(guó)的膜產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展與持續(xù)的增長(zhǎng)?！陡咝阅苣げ牧峡萍及l(fā)展“十二五"專項(xiàng)規(guī)劃》等文件的發(fā)布，極大地推動(dòng)了我國(guó)高性能分離膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在《“十三五"國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中也將高性能膜材料定為重點(diǎn)研究方向之一。我國(guó)近年來(lái)對(duì)高性能膜材料予以持續(xù)支持，從事分離膜研究的高校和科研機(jī)構(gòu)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(tuán)隊(duì)活躍在國(guó)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(guó)外高性能分離膜的研究主要集中在美日歐、澳大利亞等國(guó)家及地區(qū)。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(yīng)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(jī)框架、MoS2、MXene等二維材料及人工水通道等新型納米材料在構(gòu)筑高性能分離膜方面的優(yōu)勢(shì)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(yīng)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(gòu)件。反滲透膜能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)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(jī)械強(qiáng)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)成為的海水淡化技術(shù)，應(yīng)用于絕大多數(shù)膜法海水淡化工程。目前反滲透膜的研究主要是通過(guò)對(duì)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(yàn)篩選階段，無(wú)法根據(jù)理論設(shè)計(jì)獲得符合預(yù)測(cè)的膜材料單體。

近年來(lái)，我國(guó)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(guī)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(shì)。

（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(jī)物分子量約為150～500。納濾膜分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜。有機(jī)納濾膜主要采用界面聚合方法制備，其微結(jié)構(gòu)調(diào)控方法也與反滲透膜相近。無(wú)機(jī)材質(zhì)的納濾膜具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐溶劑特性，是當(dāng)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(shù)是以界面聚合制得的芳香聚酰胺復(fù)合膜，膜上荷電基團(tuán)多為負(fù)電荷，羧基、酰胺基，帶磺酸基等，如美、日等國(guó)已近年相繼研制開(kāi)發(fā)了芳香聚酰胺類、聚酰胺類、磺化聚(醚)砜類等商業(yè)化復(fù)合型平板或卷式納濾膜。

飲用水的軟化和有機(jī)物的脫除是納濾膜最主要的應(yīng)用范圍，在脫鹽和濃縮方面，納濾膜逐漸取代了傳統(tǒng)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(guó)的納濾膜市場(chǎng)規(guī)模只相當(dāng)于反滲透膜的1/10，能生產(chǎn)納濾膜的國(guó)內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域和使用規(guī)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(tǒng)稱為低壓膜，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(qiáng)度和耐腐蝕性，聚偏二氟乙烯（PVDF）的使用量在范圍均為第1。

（4）氣體分離膜

氣體分離膜是一種選擇性膜，其對(duì)不同種類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(duì)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(guó)目前在二氧化碳分離膜、有機(jī)蒸汽分離膜方面與水平相當(dāng)，富氧分離膜和氫分離膜領(lǐng)域與水平還有一定差距。

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-分離膜產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)分析-

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RO膜市場(chǎng)品牌競(jìng)爭(zhēng)格局

在中國(guó)整個(gè)膜市場(chǎng)中，用量的是反滲透膜，大約占膜行業(yè)的56%，其中國(guó)外品牌占領(lǐng)了約85%-88%的市場(chǎng)，美國(guó)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(guó)熊津等公司占領(lǐng)。目前我國(guó)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(qiáng)，并在國(guó)際市場(chǎng)受到歡迎。

另外，國(guó)產(chǎn)品牌在性價(jià)比方面與國(guó)外同類型產(chǎn)品相比也具有很大優(yōu)勢(shì)。在性能方面，國(guó)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，其銷售額每年以40%的速度增長(zhǎng)，并且出口銷售額已經(jīng)占到該公司整體銷售額的40%，出口主要面向歐美、東南亞等國(guó)家。

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UF/MF膜市場(chǎng)品牌競(jìng)爭(zhēng)格局

與反滲透膜市場(chǎng)被陶氏和海德能兩大占據(jù)所不同，目前國(guó)內(nèi)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(guó)外品牌占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，中低端市場(chǎng)被國(guó)內(nèi)眾多超濾廠家瓜分，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(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)在該方面技術(shù)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(dá)到很高水平。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的超濾膜企業(yè)正在以燎原之勢(shì)發(fā)展壯大。

盡管中國(guó)的整體水平與國(guó)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(guó)外水平。例如海南立昇公司的產(chǎn)品聚氯乙烯合金超濾膜，是中國(guó)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(guó)外產(chǎn)品，而價(jià)格僅為國(guó)外同類產(chǎn)品的50%左右。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在歐美、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家與地區(qū)獲得了應(yīng)用。

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-未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)-

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趨勢(shì)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(yīng)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(xiàn)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(zhàn)性領(lǐng)域;提升水準(zhǔn)醫(yī)療用膜和醫(yī)用檢測(cè)膜水準(zhǔn);加強(qiáng)重大技術(shù)設(shè)備的核心膜開(kāi)發(fā)。與此相適應(yīng)，開(kāi)發(fā)適用于重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的高性能膜的規(guī)?；圃旒夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)膜組器的優(yōu)化和革新，建設(shè)膜技術(shù)為核心的處理工程。

目前來(lái)看，我國(guó)在無(wú)機(jī)膜、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合膜等領(lǐng)域已具有較強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。其主要是利用相轉(zhuǎn)化和高溫?zé)Y(jié)的方法制備而成。因其成膜材料和成膜方法的限制，傳統(tǒng)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(yīng)。因此，克服“上限平衡"效應(yīng)，設(shè)計(jì)制備具有均一孔徑尺寸及納米級(jí)厚度的高性能膜材料，實(shí)現(xiàn)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(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究

膜分離過(guò)程不可避免地會(huì)面臨著膜污染、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(guó)家部委和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和宏觀管理，持續(xù)穩(wěn)定地支持相關(guān)基礎(chǔ)研究，推動(dòng)我國(guó)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(lì)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(tuán)隊(duì)和，建設(shè)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(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化工作。

（3）建立標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)中心

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

（4）建立多元投資機(jī)制

推動(dòng)膜產(chǎn)業(yè)多元化投資機(jī)制的形成，促進(jìn)我國(guó)膜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。積極利用各專項(xiàng)資金、優(yōu)惠政策，充分挖掘市場(chǎng)潛力，鼓勵(lì)和引導(dǎo)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(guó)向著膜產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。