打破“膜”咒，釋放更多中國“膜”力

觀(guān)眾參觀(guān)“膜技術(shù)污水處理器”

視覺(jué)中國供圖

        聚焦新材料①

        編者按?新材料產(chǎn)業(yè)是支撐我國經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結構轉型升級的基礎性、先導性、戰略性產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷加快。“十四五”時(shí)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(guò)濾，制漿、造紙廢水里濾出鹽酸和燒堿……

        這些廢水，來(lái)自江蘇王子制紙公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)王子制紙）。9年前，也是在這里，時(shí)任江蘇省省長(cháng)助理兼科技廳廳長(cháng)的徐南平，帶領(lǐng)團隊用膜技術(shù)，幫王子制紙化解了危機、順利開(kāi)工。如今，這里每天過(guò)濾濃縮的制漿尾水達3.2萬(wàn)噸，造紙尾水的日處理量約達1萬(wàn)噸。

        “十三五”以來(lái)，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)品大量應用于制藥、食品等行業(yè)，也出口到東南亞、德國、美國等地區或國家。”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(shí)現分子級過(guò)濾

        水資源短缺和水環(huán)境污染是全球面臨的兩個(gè)重大環(huán)境問(wèn)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(dòng)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、節能、環(huán)保，能實(shí)現分子級過(guò)濾，過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作、能耗低、效率高。

        “近年來(lái)，高性能膜材料技術(shù)快速發(fā)展，污水處理廠(chǎng)、家用凈水器都廣泛地使用了膜技術(shù)，隨著(zhù)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)展如數家珍。他說(shuō)，膜材料根據應用領(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(guò)濾水中的細菌、病毒、膠體、大分子，可以用在食品加工業(yè)中，例如，過(guò)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(lái)處理水中的懸浮物，降低水體的濁度，還可以過(guò)濾水中的細菌，一般在河道的凈化中多有使用。納濾膜顧名思義，膜內的過(guò)濾孔徑可以達到0.002微米，除了可以過(guò)濾水中的腐殖酸、農藥化肥殘留等大分子物質(zhì)，還能過(guò)濾鈣鎂離子，軟化水體，但又可以保留一部分礦物質(zhì)。

        過(guò)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(guò)。它利用膜兩側的靜壓差作為推動(dòng)力，實(shí)現液體混合物的分離，廣泛應用于海水淡化以及高純水生產(chǎn)中。”范益群說(shuō)。

        多個(gè)領(lǐng)域都離不開(kāi)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(lái)水提質(zhì)改造、家用凈水器市場(chǎng)等領(lǐng)域，膜技術(shù)大顯身手。

        該技術(shù)的應用，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(kāi)后，世代以漁業(yè)為生的啟東老百姓，開(kāi)始擔心造紙制漿廢水會(huì )影響生態(tài)和近海漁業(yè)養殖。

        關(guān)鍵時(shí)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(dòng)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(kāi)始攻克造紙制漿廢水“零排放”的世界性難題，提出了成套設計工藝，打消了民眾顧慮，幫助地方與企業(yè)走出了困局。

        9年過(guò)去，科研團隊再次進(jìn)行技術(shù)升級。柯振宇告訴科技日報記者：“以前制漿尾水過(guò)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(guò)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)結晶系統后，則生產(chǎn)出工業(yè)級元明粉，可作產(chǎn)品銷(xiāo)售。”目前，他們正在做項目的試生產(chǎn)運行，預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，深圳鹽田區建成深圳市首個(gè)自來(lái)水直飲示范區，采用臭氧－活性炭、超濾膜等深度處理工藝，提高出廠(chǎng)水水質(zhì)，實(shí)現自來(lái)水直飲全覆蓋。

        重要的是，包括芯片在內的精密電子器件的生產(chǎn)，也離不開(kāi)膜技術(shù)。“目前芯片的集成度要求越來(lái)越高，這要求晶體管之間不能有離子，以確保器件之間不會(huì )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，確保芯片性能穩定。在制備超純水方面，膜技術(shù)提供了有力支撐。”范益群說(shuō)。

        加強原始創(chuàng )新能力應對挑戰

        中國膜產(chǎn)業(yè)現階段還需突破產(chǎn)品種類(lèi)偏少、應用領(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(chǎng)的85%。面向醫藥、能源和物料分離領(lǐng)域應用的特種功能膜產(chǎn)品品類(lèi)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(huì )理事長(cháng)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)現階段面臨的挑戰之一。鄭根江指出，這主要表現在3個(gè)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，需要系統性創(chuàng )新。三是由于膜的應用場(chǎng)景不同，每種膜的配方、結構、制作工藝及性能要求也不同，制膜設備及工藝針對性強，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(yáng)能光伏背板膜等新能源用膜，高性能醫用膜以及高精準分離膜等一些高端膜產(chǎn)品的制膜關(guān)鍵設備國產(chǎn)化率偏低，部分關(guān)鍵設備仍需要進(jìn)口。

        鄭根江建議，應以發(fā)展先進(jìn)裝備制造業(yè)為目標，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(kāi)展系統研發(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、標準化、集成化。“還要多開(kāi)發(fā)高端產(chǎn)品，例如能用于物料精準分離的超濾膜和納濾膜，在極端工況下應用的耐高溫高壓、抗污染的膜。”

        “十四五”膜產(chǎn)業(yè)總值或達5000億元

        2019年的膜工業(yè)總產(chǎn)值，主要由膜與膜材料、膜設備、膜工程和膜配套設備、膜貿易與服務(wù)四大部分構成。其中，膜工程與膜配套設備板塊占我國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的27%；膜設備板塊產(chǎn)值占26%；膜與膜材料板塊的產(chǎn)值占15%。這意味著(zhù)，膜與膜材料領(lǐng)域增長(cháng)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(qián)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，應用場(chǎng)景不同，大家也在嘗試一些新材料，例如陶瓷膜。”范益群說(shuō)。

        “不過(guò)，原材料的生產(chǎn)和制造工藝越復雜，成本越昂貴。”范益群舉例說(shuō)，去除氧化鋁雜質(zhì)的成本很高，99%純度的氧化鋁，市場(chǎng)售價(jià)約1萬(wàn)元每噸，而99.95%純度的氧化鋁售價(jià)則高達100萬(wàn)元每噸。

        “此外，原材料的均勻度、可重復性，生產(chǎn)工藝的控制精度和水平，生產(chǎn)中監控儀器的精度和靈敏度，都會(huì )決定膜的質(zhì)量高低。”范益群說(shuō)，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(gè)頭發(fā)絲粗細的孔，過(guò)濾時(shí)就會(huì )讓雜質(zhì)漏過(guò)去；生產(chǎn)過(guò)程中，如果不慎有灰塵掉落在膜上，也可能在膜上留下一個(gè)孔洞；這些都會(huì )影響過(guò)濾效率。

        面向“十四五”，鄭根江對中國的膜產(chǎn)業(yè)信心滿(mǎn)滿(mǎn)，他表示：“近幾年，全球膜市場(chǎng)需求快速增長(cháng)。2018年，全球膜與膜裝備總產(chǎn)值達到950億美元。未來(lái)幾年，隨著(zhù)科技水平、產(chǎn)品質(zhì)量、工程技術(shù)水平和國際市場(chǎng)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(chǎng)，國際市場(chǎng)占有率將大幅提升。”

        對于未來(lái)，鄭根江充滿(mǎn)期待。他分析，2025年中國膜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值或將達5000—6000億元。其中工業(yè)廢水資源化、城鎮污水再利用、城鎮自來(lái)水提質(zhì)改造、醫用膜、家用凈水器市場(chǎng)的產(chǎn)值將占據較大市場(chǎng)份額。“膜產(chǎn)業(yè)也將通過(guò)關(guān)鍵共性技術(shù)，帶動(dòng)3D打印、醫學(xué)、光學(xué)、能源等領(lǐng)域的發(fā)展。”鄭根江說(shuō)。