陶瓷膜材料行业投资潜力及发展前景

陶瓷膜材料行业投资潜力及发展前景膜组件及成套设备简介膜组件是膜材料的最小可用膜单元，通过将膜元件与壳体、内联接件、端板和密封圈等材料组装而成。根据应用环境的不同，膜组件中使用的支撑材料及外壳材料主要有碳钢、不锈钢、钛材等金属材料或聚氯乙烯等聚合物材料。膜组件设计和制造中通常要考虑在单位体积的壳体中装填更大膜面积的膜元件，以利于减小设备体积、提高成套设备处理能力。膜分离成套设备是将膜组件、泵及配套的机架、仪表、阀门、自控、清洗加药等设备组合构成的一套完整的膜分离设备。膜分离成套设备以膜分离技术为核心，结合不同应用环境下物料体系的特性和工艺要求进行设计，可实现对物料体系的连续化、自动化过滤和分离。膜及陶瓷膜的简介膜材料是一种具有特殊选择性分离功能的无机或有机聚合物材料，能够将流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质透过，从而将其它物质分离出来。膜材料主要通过其微孔结构进行物料过滤与物质分离，微孔结构的孔径大小决定了其截流物质的范围，孔径分布与孔隙率则是影响膜材料分离精度与分离效率的关键因素。随着膜材料制备技术的发展，膜材料的孔径已由微米级逐步发展至纳米级，其过滤范围也由颗粒过滤扩展至分子级分离、气体分离等，适用范围不断扩大。现代膜材料制备技术，已能够根据物料体系环境和分离要求，精确控制膜材料的孔径大小、孔径分布与孔隙率，从而实现高效分离和选择性分离功能。与传统过滤分离技术相比，膜可以在分子范围内进行物质分离，可实现高精度的选择性分离，且膜分离过程属于连续物理过程，不需发生相变和添加助剂，因此膜分离技术具有高效、节能、环保和过滤精度高等特性，已成为分离科学中的重要技术之一。科技部《高性能膜材料科技发展十二五专项规划》中指出高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料，已经成为解决水资源、能源、环境等领域重大问题的共性技术之一，在促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力等方面发挥着重要作用。高性能膜材料的应用覆盖面在一定程度上反映一个国家过程工业、能源利用和环境保护的水平。通过膜分离技术替代传统过滤分离技术已成为过程工业、水资源利用等领域发展的重要趋势。根据膜材质的不同，膜可分为无机膜和有机膜，其中有机膜是以有机聚合物加工而成，开发应用较早，容易制备、容易成型；但随着膜分离技术及其应用的发展，对膜的使用条件提出了越来越高的要求，有机膜因其材质强度、性能稳定性、耐久性等方面的局限，难以满足各种苛刻环境或复杂条件下膜分离应用的需要。在此背景下，无机膜尤其是陶瓷膜克服了有机膜在耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂、机械强度等方面的不足，尤其适用于过程工业及特种水处理等苛刻环境或复杂条件下的膜分离应用，近年来得到了快速发展。根据膜的孔径可分为大孔（孔径>50nm）、中孔（孔径范围2-50nm）、微孔（孔径<2nm）。无孔致密膜包括纳滤膜和反渗透膜。从膜形态看，目前超滤、微滤多使用中空纤维膜，反渗透、纳滤多为卷式膜。（一）陶瓷膜及其结构陶瓷膜是以氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）和氧化钛（TiO2）等粉体原料经特殊工艺制备而成的膜。陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内的膜外侧流动，小分子物质（或液体）透过膜，大分子物质（或固体颗粒、液体液滴）被膜截留从而达到料液不同成分的分离、浓缩和纯化之目的。从结构上看，陶瓷膜一般由支撑体层、过渡层和膜层组成非对称结构，其中支撑体层是构成陶瓷膜的主体结构，为膜层提供必要的机械强度，孔隙率较高、平均孔径较大，是陶瓷膜机械强度、化学稳定性等性能的主要决定因素；膜层是涂于过渡层表面经烧结而成的一层致密陶瓷薄膜，其厚度通常在几十微米，通过采用不同的陶瓷粉体材料与烧制工艺，可以对膜层的孔径大小、孔径分布等进行调节，从而控制陶瓷膜的过滤范围、分离精度等功能指标；过渡层是膜层与支撑体层之间的一层过渡结构，其作用在于防止膜层内的陶瓷粉体渗入支撑体层，帮助膜层与支撑体层更好的结合。（二）陶瓷膜的主要特点和优势目前，陶瓷膜材料制备综合了先进的新材料制备技术，已能够根据物料体系环境和分离要求，通过陶瓷膜材料制备工艺调节陶瓷膜的孔径大小、孔径分布及孔隙率，分离效率与分离精度较传统过滤分离技术有大幅提升。除材料特性外，陶瓷膜分离以错流过滤方式为基础，与传统终端过滤方式不同，错流过滤方式中的原料液流体以切线流过膜表面的方式高速循环流动，过滤液（或称渗透液）在压力作用下透过膜表面滤出，通过原料液的循环冲刷有效抑制了传统终端过滤方式中过滤介质易被阻塞的问题，保障分离过程的连续运行，提高了分离效率与分离精度，并有效降低了分离过程的能耗。基于陶瓷膜的特点和优势，其在苛刻环境或复杂条件下，对高温、高压、强酸、强碱或腐蚀性体系，表现出了其它分离介质或材料所不具备的适用性；且陶瓷膜可在线清洗消毒的特点，能够降低分离设备的操作维护复杂度，提高分离设备的连续运行周期和使用寿命。陶瓷膜材料现阶段主要用于替代传统过滤分离技术，应用于生物与医药、化工、食品饮料等过程分离以及工业废水、油田回注水、垃圾渗滤液等特种水处理领域中的物料分离、浓缩、提纯、净化除杂等工艺环节。在下游领域中，虽然传统过滤分离工艺经过多年应用，工艺技术已相对较成熟，应用较为广泛；但随着陶瓷膜优异综合性能的体现，以陶瓷膜为核心的膜分离技术正逐步替代各类传统过滤分离技术，应用范围不断得到拓展。（三）陶瓷膜分类1、陶瓷膜按照膜的孔径分类陶瓷膜的孔径一般为微米级以下，依据孔径的不同（或截留分子量的大小），可将陶瓷膜分为微滤膜、超滤膜和纳滤膜。目前，已形成产业化规模应用的陶瓷膜主要为陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜，过滤孔径范围更小、分离精度更高的陶瓷纳滤膜在我国尚处于规模化制备技术研究阶段。2、陶瓷膜按照膜的材质分类材质决定了陶瓷膜的物理和化学性能，进而决定了陶瓷膜的亲水性、抗污染性、耐高温性、耐酸碱性、热稳定性等主要性能指标。根据制备陶瓷膜的材料不同，主要可分为氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）及氧化硅（SiO2）等陶瓷膜。3、陶瓷膜按照膜的构型分类陶瓷膜的构型与其制作工艺有关，通常分为片式膜、板式膜以及管式膜。其中，多通道管式膜因其单位体积内的膜层面积大、机械强度高以及安装方便等优点，适合于大规模应用，而成为工业应用的主要品种。单支（根）膜管称为膜元件。商品化的陶瓷膜元件根据其管长、管径、通道数以及通道直径等参数的不同，还可进一步区分为各种构型。陶瓷膜行业应用领域现阶段我国对于以陶瓷膜为核心的膜分离技术主要应用在对传统过滤分离技术的替代以及对过滤分离相关生产工艺的升级改造。且该技术尤其适用于过程工业及特种水处理等苛刻环境或复杂条件下的膜分离应用。陶瓷膜材料具有亲水憎油特性，有利于防止有机类物质的污染；陶瓷膜材料具有良好的化学稳定性，可用强酸、强碱、强氧化剂等清洗剂进行清洗再生；陶瓷膜材料的机械强度高，能在高温高压下使用和清洗；陶瓷膜过滤出水的水质稳定，可完全满足油田回注用水的水质要求。以陶瓷膜为核心的膜分离技术在过程分离领域中较为成熟的应用行业主要包括生物与医药、化工、食品饮料等行业，其中生物与医药、化工行业的应用规模相对较大。膜技术在水处理领域使用率不断上升随着膜法水处理应用技术水平不断提高，系列化应用工艺逐步成熟，系统的高可靠性以及出水水质好，总体投资与运营费用相对下降，尤其是随着我国对水资源保护的日益重视，膜法水处理技术受到国家大力推广。在国家的支持和引导下我国陶瓷膜产业将快速发展，膜技术在水处理领域的使用率不断上升。中国膜材料行业发展历程与现状汉代时期，人们发明了用铅作助溶剂的低温铅釉。到了唐宋时代，中国人的彩釉工艺达到了顶峰。釉涂层不仅是漂亮的装饰层，而且增加了陶瓷器的机械强度，还使其不易污染，便于清洗。我国现代化膜材料技术研究始于20世纪50年代，主要集中在有机分离膜材料的研究上。1958年，中国化学研究所研发出我国第一张现代化膜材料—聚乙烯醇离子交换膜。20世纪初，中国海洋大学闵学颐教授和中科院化学所朱秀昌先生带领的研究小组开始探索研究反渗透膜，经1967年全国海水淡化会战，首次制备出我国的反渗透（RO）膜—醋酸纤维素膜，为我国现代化膜材料科学技术发展打下了良好的基础。20世纪70年代，中国膜材料技术进入了早期发展阶段，膜材料与膜材料相关产业得到初步发展，如电渗析、反渗透、超滤和微滤等。在20世纪80年代，发展步入繁荣期，新的膜材料不断涌现，新的应用领域持续拓展。膜法水处理技术被投入使用，如海水淡化、纯水生产、液体提纯和浓缩等。同时，气体分离膜也得到较快发展，富氧和N2/H2分离膜工艺进入工程化阶段。渗透汽化、膜蒸馏、无机膜和膜反应器也进入研究阶段。20世纪90年代，我国膜材料研究进入快速发展时期，对膜材料与膜工程展开了大量研究。其中，无机膜的开发开始进入商业化阶段，被成功应用于传统化工产业及生物工程等各个行业。近年来，我国膜材料市场发展迅速，膜材料在电子、石油化工、食品、医药、饮料和环保等领域得到较广泛的应用，甚至日常生活如保鲜膜、购物袋、纯净水、工业生产、生物医药处处都有膜材料的踪影。目前中国已有一批膜技术应用开发的技术力量和专业化公司，如中国蓝星集团环境工程公司、深圳金达莱公司、北京碧水源公司、厦门威士邦公司等。全球膜材料行业发展趋势（一）技术方面膜材料技术未来发展的重点方向包括：推广应用领域包括海水淡化和苦咸水淡化；处理微污染水，保证饮水安全；实现工业废水和市政污水资源化；进军新能源电池隔膜挑战性领域；提升医疗用膜和医用检测膜水准；加强重大技术设备的核心膜开发。与此相适应，未来各国将开发适用于重点应用领域