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前沿拓展：

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一、高性能分離膜材料的基本情況

1.高性能分離膜材料定義

國際理論與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）給出的膜的定義為：膜是一種單位結構，其三維中的一個維度尺寸比另2個維度要小很多，并可在推動力下進行質(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，最常見的為固相。

分離膜是具有選擇性透過功能的特殊的膜，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、低成本和長壽命等特征，是新型高效分離技術的核心材料，在解決水資源、環(huán)境問題、能源問題等方面發(fā)揮著重大的作用。

2.戰(zhàn)略意義

膜技術與傳統(tǒng)的過濾、精餾、萃取等分離技術相比，是一種新型高效的分離技術，具有能耗低、分離效率高、無污染等特點。在當代多數(shù)工業(yè)中，膜技術將扮演重要角色，在水資源、能源、環(huán)境、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領域都將膜技術提升到了戰(zhàn)略高度。膜技術廣闊的發(fā)展及應用前景，促使其在新材料和資源綜合利用領域中的位置更加重要。《中國制造2025》路線圖（2015年版）中，明確指出了作為關鍵戰(zhàn)略材料的高性能分離膜材料的發(fā)展重點方向，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。

二、國內(nèi)外分離膜技術的現(xiàn)狀及分析

1.分離膜技術現(xiàn)狀

由于目前全球面臨的水資源不足和污染嚴重問題制約了社會經(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、技術方面都十分重視的領域。2015年中國專利技術開發(fā)公司的全球水處理膜材料相關調(diào)研顯示，在全球布局的水處理膜材料專利申請中，有超過1/3的專利申請來自于日本，有接近1/3的專利申請來自于美國，來自于中國的專利申請占全球總量的11%，位列第3，之后是德國和韓國，專利申請數(shù)量分別占全球總量的6%和5%。此次統(tǒng)計主要研究對象是以壓力差為分離驅動力的過濾式膜材料，包括微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）以及反滲透（RO）等膜片材料。專利數(shù)據(jù)來自于歐洲專利檢索系統(tǒng)（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。

我國從20世紀50年代起開始發(fā)展膜技術，近年來我國的膜產(chǎn)業(yè)得到了長足的發(fā)展與持續(xù)的增長。《高性能膜材料科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》等文件的發(fā)布，極大地推動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(guī)劃》中也將高性能膜材料定為重點研究方向之一。我國近年來對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構超過120家，生產(chǎn)企業(yè)超過400余家，工程公司近2 000家，在文章、專利等方面也處于國際前列。

我國水處理膜領域專利總數(shù)量已達9 080件；2001年以前，每年的專利申請數(shù)量不超過20件，增長緩慢；2001年之后，專利的申請數(shù)量開始逐漸增長，2003-2009年呈現(xiàn)高速增長，年平均增長率達50%以上；2010年后，平均年增幅仍保持30%以上；2015年，我國水處理膜領域專利申請數(shù)量2 326件（此統(tǒng)計主要面向超濾膜和微濾膜、納濾膜、反滲透膜和膜生物反應器等）。

氣體分離膜技術憑借其高效、低能以及環(huán)境友好等優(yōu)點，在工業(yè)分離領域具有極大的應用前景。從我國氣體分離膜領域專利申請數(shù)量來看，截至2015年底，我國氣體分離膜領域專利總數(shù)量已達9 219件；從專利數(shù)量申請態(tài)勢來看，2003年以前，我國氣體分離領域每年專利申請數(shù)量不足100件；自2006年以來，我國氣體分離膜領域迎來高速增長期，保持30%以上的年增長率，2007年達到44%以上；2015年我國氣體分離膜領域專利發(fā)表數(shù)量1921件（此統(tǒng)計主要面向氫氣分離、氧氣分離、二氧化碳分離、有機蒸汽回收、高溫氣固分離等應用領域）。

特種分離膜以其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等材料特性而成為高效節(jié)能、對環(huán)境友好的分離材料，特別適用于苛刻環(huán)境下過程工業(yè)的物質(zhì)分離，對于提高過程工業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)、綠色化生產(chǎn)等具有重要意義。從我國特種分離膜領域專利申請數(shù)量來看，截至2015年底，我國特種分離膜領域專利總數(shù)量達到6 584件；2004年前，年專利申請數(shù)量不足100件；2005-2012年呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，2012年增幅達到54%；2012年后，保持年增幅20%以上；2015年我國特種分離膜領域專利發(fā)表數(shù)量1 324件（此統(tǒng)計主要面向陶瓷膜、滲透汽化、膜反應器等）。

2.主流技術

（1）反滲透膜

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

反滲透膜具有高效的脫鹽率、較高的機械強度和使用壽命、可耐受化學或生物化學作用的影響，受pH值、溫度等因素影響較小等特點。這些特性使反滲透技術成為最經(jīng)濟的海水淡化技術，應用于絕大多數(shù)膜法海水淡化工程。目前反滲透膜的研究主要是通過對界面聚合的單體進行篩選和優(yōu)化，進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，無法根據(jù)理論設計獲得符合預測的膜材料單體。

近年來，我國以反滲透膜技術為核心，在工業(yè)廢水處理、市政污水處理等方面都有1萬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1～2 nm，它可以允許溶劑分子或特定的低分子量溶質(zhì)或低價離子透過。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機膜。有機納濾膜主要采用界面聚合方法制備，其微結構調(diào)控方法也與反滲透膜相近。無機材質(zhì)的納濾膜具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐溶劑特性，是當前納濾膜發(fā)展的一個重要方向。

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發(fā)了芳香聚酰胺類、聚哌嗪酰胺類、磺化聚(醚)砜類等商業(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(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。我國的納濾膜市場規(guī)模只相當于反滲透膜的1/10，能生產(chǎn)納濾膜的國內(nèi)企業(yè)極少，缺乏批量生產(chǎn)高質(zhì)量納濾膜能力，納濾膜的應用領域和使用規(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，其對不同種類的氣體分子具有不同的透過率和選擇性，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水平相當，富氧分離膜和氫分離膜領域與國外先進水平還有一定差距。

三、北京地區(qū)分離膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向

北京屬資源型重度缺水地區(qū)，總量不足和過度開發(fā)造成水資源供需矛盾日益突出。面對水環(huán)境惡化和水資源短缺的嚴峻形勢，充分利用“污水資源”成為北京解決水資源緊缺的重要舉措。北京市政府要求市區(qū)全部污水處理后達到地表水IV類標準，開發(fā)城市第２水源，實現(xiàn)北京市國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。按照北京市再生水利用計劃，由于現(xiàn)有污水處理廠均位于城區(qū)，用地緊張，新建再生水廠只能在原污水處理廠內(nèi)建設，不能新征用地，且出水水質(zhì)要求高，活性污泥法增加深度處理工藝因需新增用地，因此相比之下膜生物反應器(MBR)有望成為北京污水再生的主流技術。

MBR技術的核心是膜材料，膜材料約占工程投資成本的30%，技術水平直接決定了市場競爭力。MBR采用的是高強度、耐氧化和抗污染的超、微濾膜材料。目前，我國生產(chǎn)微、超濾膜代表性企業(yè)有天津膜天膜科技股份有限公司、海南立昇凈水科技有限公司、北京碧水源科技股份有限公司、北京格蘭特膜分離設備有限公司、山東招金膜天股份有限公司等，但國產(chǎn)污水處理用膜材料與國外產(chǎn)品相比仍有較大的差距，目前市場基本被德國西門子股份公司、美國通用電氣公司(General Electric Company，簡稱“GE”)、美國科氏工業(yè)集團和日本三菱麗陽株式會社、旭化成株式會社等國外產(chǎn)品壟斷。

四、北京發(fā)展污水處理用膜材料方面的基礎

１.研發(fā)方面

（1）清華大學

清華大學在北京市科技計劃項目的支持下攻破國際最先進的熱致相分離法（TIPS）生產(chǎn)PVDF膜技術，目前該項技術只有日本旭化成掌握；2008年2月與北京碧水源公司聯(lián)合成立“清華-碧水源環(huán)境膜技術研發(fā)中心”，其主要任務是在膜法水處理領域，特別是MBR領域展開前沿性研究。

（2）中國科學院

中國科學院化學研究所是我國最早從事分離膜及相應膜過程的單位之一，研究內(nèi)容涉及幾乎所有材料及膜過程，目前該所熱致相法制備超高分子量聚乙醚微濾膜有所突破，近期可能會技術轉讓實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心在北京自然科學基金重點項目研究成果的基礎上研發(fā)了高通量、耐污染的PVDF超/微濾膜，目前已形成3萬m3/a的中試能力，并開始在食品、醫(yī)藥廢水處理方面進行應用研究，效果良好。

（3）北京化工大學

北京化工大學擁有化工行業(yè)膜工程技術研究中心，從事膜材料及其應用研究，目前主要致力于制備高通量膜材料、膜反應器及膜污染的在線檢測研究，目前以開始準備進入中試規(guī)模試驗階段 。

２.產(chǎn)業(yè)方面

（1）北京碧水源科技有限公司

作為專業(yè)從事水資源再生利用的工程公司，成立于2001年，經(jīng)過自主研發(fā)和創(chuàng)新，已發(fā)展成為我國MBR領域實力最強的企業(yè)之一，并承擔了引溫入潮工程、密云再生水廠及懷柔再生水廠等多項MBR工程，目前國內(nèi)市場大中型MBR工程中，碧水源公司占領了60%的市場份額。該企業(yè)2005年開始自主研發(fā)污水處理膜材料，并取得突破性進展，目前60萬m2/a的PVDF超、微濾膜生產(chǎn)線已正式投產(chǎn)。

（2）北京格蘭特膜分離設備有限公司

格蘭特公司是超、微濾膜的生產(chǎn)企業(yè)，于2006年開展高性能PVDF膜材料的研發(fā)工作，并計劃在污水處理行業(yè)進行示范應用。2007年5月北京格蘭特公司開始以MBR為核心的污水處理技術的研發(fā)，并已經(jīng)在多個工程中獲得成功。在北京的航空博物館生活污水處理項目中采用生物膜反應器與浸沒式MBR膜過濾相結合，出水化學需氧量（COD）長期保持在15mg/L以下，污水得到100%再利用。

（3）時代沃頓科技有限公司

時代沃頓科技有限公司原為貴陽時代匯通膜科技有限公司，致力于反滲透膜、納濾膜、超濾膜等產(chǎn)品的研發(fā)、制造和服務，擁有膜片制造的核心技術和年產(chǎn)3000萬m2膜片的生產(chǎn)能力。2007年該公司將總部及研發(fā)中心搬遷至北京昌平。

（4）藍星集團

藍星集團是國內(nèi)較早采用膜技術進行水處理的企業(yè)，曾承建了國內(nèi)鋼鐵業(yè)最大的反滲透膜法水處理工程項目。目前，中國藍星集團計劃在順義空港與日本東麗合資建設全國最大反滲透膜生產(chǎn)和應用基地，已完成技術合作協(xié)議的簽訂。同時，中國工業(yè)清洗協(xié)會、中國膜工業(yè)協(xié)會和中國海水淡化與資源綜合利用學會等全國性行業(yè)組織和協(xié)會均以藍星集團為依托 。

五、結語

分離膜技術是一種高效的分離技術，隨著膜分離技術的廣泛運用，膜材料越來越受到人們的重視，當前膜材料研究的主流方向是高分子膜材料和無機膜材料。針對現(xiàn)階段我國膜材料發(fā)展問題，筆者提出以下發(fā)展建議：

1.持續(xù)加強基礎研究

膜分離過程不可避免地會面臨著膜污染、劣化等問題，這些問題都會極大地影響分離效率和使用壽命。建議國家部委和相關研究機構加強頂層設計和宏觀管理，持續(xù)穩(wěn)定地支持相關基礎研究，推動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突破。

2.鼓勵協(xié)同創(chuàng)新，促進技術進步

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中心、工程中心，推動高校與企業(yè)協(xié)同開發(fā)與聯(lián)合攻關模式，促進科技成果的快速轉移轉化工作。

3.建立標準體系和評價中心

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，推動建立膜工程的技術標準；推動膜產(chǎn)品性能檢測方法和標準的建設，完善膜產(chǎn)品的市場準入制度。

4.建立多元投資機制

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

作者：鄭萌 馬曉璇（北京新材料發(fā)展中心）

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