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有限公司進行技術優(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，帶領團隊用膜技術，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3.2萬噸，造紙尾水的日處理量約達1萬噸。
“十三五”以來，我國膜產業(yè)總產值的年均增速在15%左右;2019年，我國膜產業(yè)總產值已達2773億元，較“十二五”末翻了一番。
“除了水處理，我國膜產品大量應用于制藥、食品等行業(yè)，也出口到東南亞、德國、美國等地區(qū)或國家。”南京工業(yè)大學膜科學技術研究所、國家特種分離膜工程技術研究中心教授范益群告訴記者。
膜技術可實現(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，膜分離技術利用特殊材料的膜，外加動力，可以分離水中的小分子、固體顆粒等物質。這種技術兼有分離、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，隨著技術不斷進步，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)應用領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，膜內的過濾孔徑可以達到0.002微米，除了可以過濾水中的腐殖酸、農藥化肥殘留等大分子物質，還能過濾鈣鎂離子，軟化水體，但又可以保留一部分礦物質。
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。它利用膜兩側的靜壓差作為推動力，實現(xiàn)液體混合物的分離，廣泛應用于海水淡化以及高純水生產中。”范益群說。
多個領域都離不開這張膜
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、市政自來水提質改造、家用凈水器市場等領域，膜技術大顯身手。
該技術的應用，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，消息傳開后，世代以漁業(yè)為生的啟東老百姓，開始擔心造紙制漿廢水會影響生態(tài)和近海漁業(yè)養(yǎng)殖。
關鍵時刻，中國工程院院士、中國膜科學973項目首席科學家徐南平主動請纓，帶領南京工業(yè)大學膜科學研究所的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，科研團隊再次進行技術升級。柯振宇告訴科技日報記者：“以前制漿尾水過濾后析出的鹽有很多雜質，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，替代部分外購藥劑。高硫酸鈉濃鹽水進入蒸發(fā)結晶系統(tǒng)后，則生產出工業(yè)級元明粉，可作產品銷售。”目前，他們正在做項目的試生產運行，預計今年下半年可以建成投產。
除了廢水處理，以膜技術為核心的新型水處理技術，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，實現(xiàn)自來水直飲全覆蓋。
重要的是，包括芯片在內的精密電子器件的生產，也離不開膜技術。“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，膜技術提供了有力支撐。”范益群說。
加強原始創(chuàng)新能力應對挑戰(zhàn)
中國膜產業(yè)現(xiàn)階段還需突破產品種類偏少、應用領域偏窄的局限。例如膜產品主要集中在水處理領域，占膜市場的85%。面向醫(yī)藥、能源和物料分離領域應用的特種功能膜產品品類較少。“膜產品處于產業(yè)鏈的頂端，而膜材料成了膜產品向高端發(fā)展的瓶頸，因此需要加強基礎研究，強化原始創(chuàng)新，加大關鍵技術研發(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到制膜要求，需要進行大量的優(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鍵技術，互為支撐、密切度高、匹配性強，需要系統(tǒng)性創(chuàng)新。三是由于膜的應用場景不同，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，技術難度大，這些膜核心技術的原始創(chuàng)新亟待加強。例如，氫燃料電池質子交換膜、太陽能光伏背板膜等新能源用膜，高性能醫(yī)用膜以及高精準分離膜等一些高端膜產品的制膜關鍵設備國產化率偏低，部分關鍵設備仍需要進口。
鄭根江建議，應以發(fā)展先進裝備制造業(yè)為目標，圍繞膜裝備的重大共性關鍵技術及綠色、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、標準化、集成化。“還要多開發(fā)高端產品，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”膜產業(yè)總值或達5000億元
2019年的膜工業(yè)總產值，主要由膜與膜材料、膜設備、膜工程和膜配套設備、膜貿易與服務四大部分構成。其中，膜工程與膜配套設備板塊占我國膜產業(yè)總產值的27%;膜設備板塊產值占26%;膜與膜材料板塊的產值占15%。這意味著，膜與膜材料領域增長空間較大。
“膜技術的發(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，原材料的生產和制造工藝越復雜，成本越昂貴。”范益群舉例說，去除氧化鋁雜質的成本很高，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100萬元每噸。
“此外，原材料的均勻度、可重復性，生產工藝的控制精度和水平，生產中監(jiān)控儀器的精度和靈敏度，都會決定膜的質量高低。”范益群說，大批量的膜生產，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)絲粗細的孔，過濾時就會讓雜質漏過去;生產過程中，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值達到950億美元。未來幾年，隨著科技水平、產品質量、工程技術水平和國際市場運作能力的不斷提升，中國膜產業(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年中國膜產業(yè)總產值或將達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)自來水提質改造、醫(yī)用膜、家用凈水器市場的產值將占據(jù)較大市場份額。“膜產業(yè)也將通過關鍵共性技術，帶動3D打印、醫(yī)學、光學、能源等領域的發(fā)展。”鄭根江說。
